一种干球热解型磷酸制备系统及方法与流程

本发明属于磷化工技术领域，具体涉及一种干球热解型磷酸制备系统及方法。

背景技术：

目前磷酸的工业化生产方法主要有以下几种：湿法磷酸：用硫酸分解磷矿石制取磷酸，该方法需要大量优质磷矿石和硫酸，同时产生大量磷石膏废渣；热法磷酸：用电炉法生产黄磷，然后燃烧吸收制取磷酸，该方法需要大量电能和中高品位磷矿块矿；新的窑法磷酸工艺：该工艺技术攻关的关键是既要将磷的还原和氧化反应这两个气氛要求不同的区域有效的隔离又不妨碍相互之间的传热和传质。并且目前大多数火法制磷酸原料采用矿山开采的天然块矿为主，只是经过简单的加工处理后就投入生产，但磷矿石中的不良杂质如碳酸盐、结晶水、砷等影响磷酸生产成本与生产效率；同时在磷矿开采过程中所产生的粉矿量约占开采量的50%，由于粉矿品位较低（P₂O₅含量低），细度小于3mm的细粉都不能入炉生产，因此造成了磷矿石粉矿的大量浪费。随着磷矿资源的日益枯竭、贫化，仍旧使用天然块矿来生产不仅成本越来越高，工艺过程中的耗能越来越大。因此，如何开发出一种能够拓宽原料利用条件、降低耗能、提高产品附加值的制备磷酸的方法和系统成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种干球热解型磷酸制备系统及方法。该系统具有原料适应性广、耗能低、产能高和产品附加值高等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提出了一种干球热解型磷酸制备系统。根据本发明的实施例，该系统包括：原料处理装置、焙烧和还原装置、氧化和水化装置，其中：所述原料处理装置，包括依次连接的破碎装置、筛分装置、混合装置、成型装置和干燥装置，所述原料处理装置具有磷矿粉入口、还原煤入口、硅石入口和粘接剂入口及干燥成型物料出口；所述焙烧和还原装置为改造后的转底炉，包括：依次相邻的进料区、辐射管预热区、侧壁烧嘴还原区和出料区；其中，所述进料区设有与所述原料处理装置干燥成型物料出口相连的物料入口，所述辐射管预热区设有磷蒸气出口和热解气出口，所述出料区设有炉渣出口，所述辐射管预热区与所述侧壁烧嘴还原区之间设有隔墙，所述侧壁烧嘴还原区与所述出料区之间设有挡墙，所述隔墙和挡墙均由所述转底炉的顶壁向下延伸，并与所述转底炉的布料环形炉底保持一定间隔，所述辐射管预热区炉壁内侧设有多个辐射管，用于对所述辐射管预热区进行加热，所述侧壁烧嘴还原区设有多个烧嘴，用于对所述侧壁烧嘴还原区进行烧嘴方式加热；所述氧化和水化装置，具有磷蒸气入口和磷酸出口，所述磷蒸气入口与所述焙烧和还原装置磷蒸气出口相连。

发明人发现，根据本发明实施例的该系统，使用蓄热式转底炉设备，配合高温空气燃烧技术，可使用低热值燃料作为加热的热源，燃烧热效率高，炉内可控制较好的还原气氛，提高磷矿粉还原率，通过在转底炉内增设预热区，原料经混匀、成型、加热过程有效去除磷矿粉中的不良杂质如碳酸盐、结晶水、砷等，并采用蓄热式辐射管加热方式避免明火燃烧加热造成原料煤损耗及对于煤热解气氛的影响，此外，使用低品位磷矿粉并以煤代焦可采用低固定碳、高挥发分的劣质煤作为原料，在加热过程中煤发生热解反应，可以得到高固定碳和低挥发分的含碳原料，从而满足后续还原过程中对原料的要求，另外，在预热区内设置油气回收系统，可以有效回收热解过程产生的煤气和煤焦油，较传统工艺相比，可以明显降低磷酸生产原料成本，且拓宽原料来源，同时丰富了产品种类，提高了产品附加值。

根据本发明的实施例，所述焙烧和还原装置为改造后的蓄热式转底炉。

根据本发明的实施例，焙烧和还原装置预热区增设热解气处理装置，所述热解气处理装置包括依次连接的热解气净化单元、油气分离单元和冷却单元，具有热解气入口和煤气、焦油出口，所述预热区的热解气出口与所述热解气处理装置的热解气入口相连。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用前面所述的系统制备磷酸的方法。根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：（1）原料处理及制球：将磷矿粉、还原煤及硅石经烘干、破碎、筛分后按比例配料，配入粘结剂后混匀并压制成型，得到成型物料；（2）焙烧和还原处理：将所述成型物料布入所述焙烧和还原装置内进行焙烧和还原处理，得到磷蒸气及煤热解产生的煤气和煤焦油；（3）氧化和水化处理：将高温磷蒸气经氧化和水洗处理后，得到高浓度磷酸产品，冶炼炉渣可用作水泥原料。

根据本发明的实施例，原料重量配比为：磷矿粉100重量份，还原煤20-40重量份，硅石20-50重量份；所述粘结剂为膨润土、皂土、粘土中的一种或多种。

根据本发明的实施例，所述成型物料布入所述焙烧和还原装置内，利用辐射管预热区进行加热焙烧处理，所述预热区焙烧处理的温度为500℃-900℃，时间为20-40min；所述还原区还原温度为1150-1350℃，时间为20-50min。

本发明至少具有以下有益效果：

1）本发明通过在转底炉内增设预热区，原料经混匀、成型、加热过程可有效去除磷矿粉中的不良杂质如碳酸盐、结晶水、砷等，并采用蓄热式辐射管加热方式可以避免明火燃烧加热造成原料煤损耗及对于煤热解气氛的影响。

2）本发明使用低品位磷矿粉并以煤代焦可采用低固定碳、高挥发分的劣质煤作为原料，在加热过程中煤发生热解反应，可以得到高固定碳和低挥发分的含碳原料，从而满足后续还原过程中对原料的要求，另外，在预热区内设置油气回收系统，可以有效回收热解过程产生的煤气和煤焦油，较传统工艺相比，可以明显降低磷酸生产原料成本，且拓宽原料来源，同时丰富了产品种类，提高了产品附加值。

3）本发明使用蓄热式转底炉设备，配合高温空气燃烧技术，可使用低热值燃料作为加热的热源，燃烧热效率高，炉内可控制较好的还原气氛，提高磷矿粉还原率。

附图说明

图1为本发明改造转底炉的示意图。

图2 为本发明制备磷酸的方法流程图。

图3 为本发明制备磷酸的系统简易图。

其中，进料区1，辐射管预热区2，侧壁烧嘴还原区3，出料区4，烟道5，预热区和还原区间隔墙6，出料端挡墙7，辐射管8，烧嘴9，原料处理装置S100，磷矿粉入口101，还原煤入口102，硅石入口103，粘结剂入口104，干燥成型物料出口105，焙烧和还原装置S200，物料入口201，磷蒸气出口202，煤气、焦油出口203，炉渣出口204，氧化和水化装置S300，磷蒸气入口301，磷酸出口302。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出了一种干球热解型磷酸制备系统。根据本发明的实施例，图1为本发明改造转底炉的示意图，图3 为本发明制备磷酸的系统简易图，参照图1和图3所示，该系统包括：原料处理装置S100、焙烧和还原装置S200、氧化和水化装置S300，其中：所述原料处理装置具有磷矿粉入口101、还原煤入口102、硅石入口103和粘接剂入口104及干燥成型物料出口105，且用于将磷矿、还原煤、硅石经破碎、筛分后按比例配料并加入粘结剂混匀，成型干燥后得到干燥成型物料；所述焙烧和还原装置包括：依次相邻的进料区1、辐射管预热区2、侧壁烧嘴还原区3和出料区4；其中，所述辐射管预热区与所述侧壁烧嘴还原区之间设有隔墙6，所述侧壁烧嘴还原区与所述出料区之间设有挡墙7，所述隔墙和挡墙均由所述转底炉的顶壁向下延伸，并与所述转底炉的布料环形炉底保持一定间隔，所述辐射管预热区炉壁内侧设有多个辐射管8，用于对所述辐射管预热区进行加热，所述侧壁烧嘴还原区设有多个烧嘴9，用于对所述侧壁烧嘴还原区进行烧嘴方式加热。

发明人发现，根据本发明实施例的该系统，使用蓄热式转底炉设备，配合高温空气燃烧技术，可使用低热值燃料作为加热的热源，燃烧热效率高，炉内可控制较好的还原气氛，提高磷矿粉还原率，通过在转底炉内增设预热区，原料经混匀、成型、加热过程有效去除磷矿粉中的不良杂质如碳酸盐、结晶水、砷等，并采用蓄热式辐射管加热方式避免明火燃烧加热造成原料煤损耗及对于煤热解气氛的影响，此外，使用低品位磷矿粉并以煤代焦可采用低固定碳、高挥发分的劣质煤作为原料，在加热过程中煤发生热解反应，可以得到高固定碳和低挥发分的含碳原料，从而满足后续还原过程中对原料的要求，另外，在预热区内设置油气回收系统，可以有效回收热解过程产生的煤气和煤焦油，较传统工艺相比，可以明显降低磷酸生产原料成本，且拓宽原料来源，同时丰富了产品种类，提高了产品附加值。

根据本发明的实施例，所述原料处理装置，包括依次连接的破碎装置、筛分装置、混合装置、成型装置和干燥装置。

根据本发明的实施例，所述破碎装置的具体种类不受限制，只要能够达到将块状物料破碎成粉状的作用即可，可以为金属破碎装置，石头破碎装置，木材破碎装置或塑料破碎装置，根据本发明的一些实施例，本发明优选为金属破碎装置或石头破碎装置。

根据本发明的实施例，所述筛分装置的具体种类和方法不受限制，只要能够起到用带孔的筛面把粒度大小不同的混合物料分成各种粒度级别的作用即可，可以为旋动筛或振荡筛、独立筛分、辅助筛分或脱水筛分，根据本发明的一些实施例，本发明优选为旋动筛或辅助筛分。

根据本发明的实施例，所述成型装置的具体种类不受限制，只要能够起到将物料制成所要求的形状即可，本发明优选为造球成型装置。

根据本发明的实施例，所述干燥装置的具体种类不受限制，只要能够起到干燥的作用即可，可以为常压或减压干燥器、间歇式或连续式干燥机、根据本发明的一些实施例，本发明优选为常压干燥器或连续式干燥机。

根据本发明的实施例，所述焙烧和还原装置为改造后的为蓄热式转底炉,其中所述转底炉的型号不受限制。

根据本发明的实施例，参照图3所示，所述进料区设有与所述原料处理装置干燥成型物料出口相连的物料入口201，所述辐射管预热区设有磷蒸气出口202和热解气出口，所述出料区设有炉渣出口204，将所述成型物料干燥后向蓄热式转底炉内布料，随着所述转底炉炉底的运转，所述成型物料依次在辐射管预热区内进行焙烧处理，再在还原区内进行还原反应，反应结束后得到磷蒸气、煤气和煤焦油。

根据本发明的实施例，所述氧化和水化装置，具有磷蒸气入口301和磷酸出口302，所述磷蒸气入口与所述焙烧和还原装置磷蒸气出口相连，炉内还原所产生的磷蒸气经烟道5排出，经氧化和水化装置处理后最终得到高浓度磷酸产品，高温炉渣经过空气换热装置预热空气后送至烘干系统使用或作为助燃空气使用，冷却后的炉渣可用作水泥生产原料。

根据本发明的实施例，焙烧和还原装置预热区增设热解气处理装置，所述热解气处理装置包括依次连接的热解气净化单元、油气分离单元和冷却单元，具有热解气入口和煤气、焦油出口203，所述预热区的热解气出口与所述热解气处理装置的热解气入口相连。

根据本发明的实施例，所述辐射管预热区与所述侧壁烧嘴还原区之间设有的隔墙的具体材质不受限制，只要能够起到分隔的作用即可，可以为耐火砖或耐火打结料等，根据本发明的一些实施例，本发明优选为耐火砖。

根据本发明的实施例，所述侧壁烧嘴还原区与所述出料区之间设有的挡墙的具体材质不受限制，只要能够起到阻挡的作用即可，可以为耐火砖或耐火打结料等，根据本发明的一些实施例，本发明优选为耐火砖。

根据本发明的实施例，所述侧壁烧嘴还原区设有多个烧嘴的具体种类和形状不受限制，只要能够用于对所述侧壁烧嘴还原区进行烧嘴方式加热即可。

根据本发明的实施例，所述干燥管的具体形状不受限制，可以为U形，P形或W形，根据本发明的一些实施例，本发明优选为U形。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用前面所述的系统制备磷酸的方法。图2 为本发明制备磷酸的方法流程图，参照图2所示，该方法可以包括以下步骤：

（1）原料处理及制球：将磷矿粉、还原煤及硅石经烘干、破碎、筛分后按比例配料，配入粘结剂后混匀并压制成型，得到成型物料。

根据本发明的实施例，该系统包括：原料处理装置S100、焙烧和还原装置S200、氧化和水化装置S300，其中：所述原料处理装置具有磷矿粉入口101、还原煤入口102、硅石入口103和粘接剂入口104及干燥成型物料出口105。

根据本发明的实施例，参照图3所示，所述进料区设有与所述原料处理装置干燥成型物料出口相连的物料入口201，所述辐射管预热区设有磷蒸气出口202和热解气出口，所述出料区设有炉渣出口204。

（2）焙烧和还原处理：将所述成型物料布入所述焙烧和还原装置内进行焙烧和还原处理，利用辐射管预热区进行加热焙烧处理，所述预热区焙烧处理的温度为500℃-900℃，时间为20-40min，所述还原区还原温度为1150-1350℃，时间为20-50min，得到磷蒸气及煤热解产生的煤气和煤焦油。

根据本发明的实施例，焙烧和还原装置预热区增设热解气处理装置，所述热解气处理装置包括依次连接的热解气净化单元、油气分离单元和冷却单元，具有热解气入口和煤气、焦油出口203，所述预热区的热解气出口与所述热解气处理装置的热解气入口相连。

（3）氧化和水化处理：将高温磷蒸气经氧化和水洗处理后，得到高浓度磷酸产品，冶炼炉渣可用作水泥原料。

根据本发明的实施例，所述氧化和水化装置，具有磷蒸气入口301和磷酸出口302，所述磷蒸气入口与所述焙烧和还原装置磷蒸气出口相连，炉内还原所产生的磷蒸气经烟道5排出，经氧化和水化装置处理后最终得到高浓度磷酸产品，高温炉渣经过空气换热装置预热空气后送至烘干系统使用或作为助燃空气使用，冷却后的炉渣可用作水泥生产原料。

根据本发明的实施例，原料重量配比为：磷矿粉100重量份，还原煤20-40重量份，硅石20-50重量份；所述粘结剂的具体种类不受限制，根据本发明的一些实施例，本发明优选为膨润土、皂土、粘土中的一种或多种。

实施例1：

将原料按照磷矿粉100重量份，还原煤20重量份，硅石20重量份的重量比例配料，配入3重量份的膨润土后混匀并压制成球，所制球团烘干后布入蓄热式转底炉内，预热区焙烧温度500℃，焙烧时间40分钟，还原温度1150℃，时间50分钟，转底炉预热区设置油气回收系统，可以有效回收加热过程中煤热解所产生的煤气和煤焦油，炉内还原所产生的磷蒸气经烟道排出后，经氧化和水化后最终得到酸浓度87%的磷酸产品，从排料口排出的高温炉渣经过空气换热装置预热空气后送至烘干系统使用或作为助燃空气使用，冷却后的炉渣可用作水泥生产原料。

实施例2：

将原料按照磷矿粉100重量份，还原煤30重量份，硅石35重量份的重量比例配料，配入5重量份的皂土后混匀并压制成球，所制球团烘干后布入蓄热式转底炉内，预热区焙烧温度600℃，焙烧时间30分钟，还原温度1250℃，时间40分钟，转底炉预热区设置油气回收系统，可以有效回收加热过程中煤热解所产生的煤气和煤焦油，炉内还原所产生的磷蒸气经烟道排出后，经氧化和水化后最终得到酸浓度89%的磷酸产品，从排料口排出的高温炉渣经过空气换热装置预热空气后送至烘干系统使用或作为助燃空气使用，冷却后的炉渣可用作水泥生产原料。

实施例3:

将原料按照磷矿粉100重量份，还原煤40重量份，硅石50重量份的重量比例配料，配入6重量份的粘土后混匀并压制成球，所制球团烘干后布入蓄热式转底炉内，预热区焙烧温度900℃，焙烧时间20分钟，还原温度1350℃，时间20分钟，转底炉预热区设置油气回收系统，可以有效回收加热过程中煤热解所产生的煤气和煤焦油，炉内还原所产生的磷蒸气经烟道排出后，经氧化-水化后最终得到酸浓度88%的磷酸产品，从排料口排出的高温炉渣经过空气换热装置预热空气后送至烘干系统使用或作为助燃空气使用，冷却后的炉渣可用作水泥生产原料。

发明人发现，根据本发明实施例的该系统，使用蓄热式转底炉设备，配合高温空气燃烧技术，可使用低热值燃料作为加热的热源，燃烧热效率高，炉内可控制较好的还原气氛，提高磷矿粉还原率，通过在转底炉内增设预热区，原料经混匀、成型、加热过程有效去除磷矿粉中的不良杂质如碳酸盐、结晶水、砷等，并采用蓄热式辐射管加热方式避免明火燃烧加热造成原料煤损耗及对于煤热解气氛的影响，此外，使用低品位磷矿粉并以煤代焦可采用低固定碳、高挥发分的劣质煤作为原料，在加热过程中煤发生热解反应，可以得到高固定碳和低挥发分的含碳原料，从而满足后续还原过程中对原料的要求，另外，在预热区内设置油气回收系统，可以有效回收热解过程产生的煤气和煤焦油，较传统工艺相比，可以明显降低磷酸生产原料成本，且拓宽原料来源，同时丰富了产品种类，提高了产品附加值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是点连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。