一种用立式明焰窑炉生产磷酸的方法

摘要

一种用立式明焰窑炉生产磷酸的方法及设备。将配置好的球料和颗粒状固体燃料从上部加入立式明焰窑炉，在窑炉下部不断排料过程中球料与燃料依靠自身重力缓慢向下运动，燃料燃烧以加热球料使之逐渐升温至1200-1550℃，发生反应生成的磷蒸气与一氧化碳逸出后在物料通道内的弱氧化气氛中被氧化成五氧化二磷和二氧化碳，用循环酸喷淋吸收即可得到高浓度磷酸。本发明所提供的用立式明焰窑炉生产磷酸的方法，是除隧道窑法磷酸和回转窑法磷酸外的另一条可行路线。还原出来的磷单质与副产物一氧化碳被氧化燃烧后产生的热量立即传导给物料通道中的球料，以供应还原反应所需热能，大量节省了能源消耗。

权利要求

1.一种用立式明焰窑炉生产磷酸的方法，其特征在于：将磷矿石、碳质还原剂与其他配料制成球形物料，选用的碳质还原剂为焦碳、煤或煤矸石，磷矿石与碳质还原剂按照有效成分摩尔比为：P2O5：C＝1：5-15，其他配料为硅石或石灰或石灰石；球形物料从立式明焰窑炉上部加入，物料依靠重力向下运行，立式明焰窑炉的燃料燃烧温度升至1250-1500℃时球形物料在固相状态下发生反应，还原生成磷蒸气与一氧化碳气体，随即在物料间隙的弱氧化气氛中氧化为五氧化二磷与二氧化碳，然后水合吸收制成磷酸，反应后的固体物料残渣经过换热冷却后从窑炉底部或下部卸出。

说明书

一种用立式明焰窑炉生产磷酸的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用立式明焰窑炉生产磷酸的方法。

背景技术

[0002] 磷酸制取工艺发展至今，其主要工艺有两种：(1)湿法：用硫酸分解中高品位磷矿石制取磷酸，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难以利用，湿法磷酸杂质含量高，净化工艺复杂，成本高，而且目前国内硫磺价格持续居于高位，导致湿法磷酸成本也大幅上涨；(2)热法：用电炉法还原磷矿石以生产单质黄磷，然后在燃烧塔内燃烧吸收制取磷酸，该方法需要大量电能(生产每吨黄磷耗电15000—16000kwh)和中高品位磷矿块矿，且环境污染严重，这也几乎是目前全世界生产黄磷的唯一方法，但许多发达国家限制使用热法生产黄磷。

[0003] 窑法磷酸是区别于湿法和热法的第三种方法，其反应原理与热法磷酸相似，但混合料进行固相反应，且将磷单质的还原与氧化过程置于一个设备中，这样磷单质与副产的一氧化碳燃烧释放的热量可以用来提供磷单质还原所需的热量，大大节省能耗，同时可利用P2O5≥10％的中低品位磷矿石，大大拓宽了磷矿是直接利用的品位范围。然而此工艺还未能十分成功应用在规模化工业生产中。

[0004] 窑法磷酸的思路于20世纪30年代就已被提出，美国的西方石油公司曾投入大量的精力进行研究，但由于工程化难度太大而最终放弃。

[0005] 窑法磷酸长时间以来有两条研究路线：一是回转窑法磷酸，二是隧道窑法磷酸，主要是以磷还原与氧化过程所在的主反应器的不同来区分的。(1)回转窑：是一种重载、大扭矩、多支点、筒状中空窑炉运行系统；球状物料在窑内随着窑体的旋转而运动，磷的还原在还原区进行，磷的氧化在氧化区进行，还原区和氧化区都在窑体内；燃料在窑内燃烧直接供热；(2)隧道窑：一般是一条长的直线型隧道，其两侧及顶部有固定的墙壁及拱顶，底部铺设的轨道上运行着窑车，燃 烧设备设在隧道窑的中部两侧；采用隔烟或明焰烧成，物料放在窑车上，经过预热带、高温带和冷却带。

[0006] 回转窑的主要困难是窑头结圈，出气温度过高，粉尘大以及化学保护代价大；隧道窑的主要难题是坯体保护材料的耐温防腐要求高、隧道窑热效率较低等。 发明内容

[0007] 本发明的目的是提供另一种窑法磷酸的发展路线：一种用立式明焰窑炉生产磷酸的方法，从而克服回转窑和隧道窑部分难题，较好地实现窑法磷酸工业化的目标。 [0008] 本发明的目的是这样实现的：一种用立式明焰窑炉生产磷酸的方法，将磷矿石、碳质还原剂与其他配料制成球形物料，球形物料从立式明焰窑炉上部加入，物料依靠重力向下运行，立式明焰窑炉的燃料燃烧温度升至1250—1500℃时球形物料在固相状态下发生反应，还原生成磷蒸气与一氧化碳气体，随即在物料间隙的弱氧化气氛中氧化为五氧化二磷与二氧化碳，然后水合吸收制成磷酸，反应后的固体物料残渣经过换热冷却后从窑炉底部或下部卸出。

[0009] 物料在固相条件下完成磷的还原反应，物料在高温下反应时的熔融部分为物料总量的0-30％。

[0010] 选用的磷矿石中P2O5≥6％，碳质还原剂为焦碳、煤或煤矸石，磷矿石与碳质还原剂按照有效成分摩尔比为：P2O5：C＝1：5-15，其他配料为硅石或石灰或石灰石，球形物料中钙硅摩尔比为Ca：Si<0.4或>3.5。

[0011] 在混合料成球过程中加入粘接剂，粘接剂可用水、磷酸搭配而成的浓度为10％—30％的稀磷酸，粘合剂的加入量为混合料干基的0.1—3％。

[0012] 燃料为颗粒状固体碳质燃料，如煤粉、焦炭或煤矸石等。

[0013] 一种用磷矿直接制取磷酸的立式明焰窑炉，包括上部的加料料斗、下部的冷却料斗及卸料装置、空气入口、窑体安装在支撑基础上，窑炉内设有一个或多个物料通道，每个物料通道的上部都有窑气排出口。空气入口开在冷却料斗底部或侧部。 [0014] 本发明所提供的用立式明焰窑炉生产磷酸的方法，是除隧道窑法磷酸和回转窑法磷酸外的另一条可行路线。还原出来的磷单质与副产物一氧化碳被氧化燃 烧后产生的热量立即传导给物料通道中的球料，以供应还原反应所需热能，大量节省了能源消耗。 [0015] 本发明和隧道窑法磷酸与回转窑法磷酸的对比：

[0016] 1、相比于回转窑转动时球料间大量的摩擦碰撞，使用立式窑能有效减少球料间的摩擦，极大地减少了粉尘的产生，从而提高磷酸质量。

[0017] 2、相比于隧道窑不需要窑车，从而大大减少了窑具带出热耗，降低了能耗。 [0018] 3、立式明焰窑炉上部和下部的料斗与冷却料斗内数米高的球料料柱能有效地保证立式明焰窑炉内的密封，有效防止外部气体进入窑炉内，从而保证物料通道内的弱氧化气氛，使升温过程中的碳质还原剂尽少地被提前氧化。

附图说明

[0019] 图1是立式明焰窑的结构示意图。

[0020] 图2是图1的A-A侧视图。

[0021] 图3是本发明制磷酸的流程方框示意图。

具体实施方式

[0022] 本发明的工作原理叙述如下：

[0023] 本发明是以立式明焰窑炉为主要反应设备来完成磷矿的还原与氧化过程，还原生成的磷蒸气与副产物一氧化碳被物料通道内的弱氧化气氛氧化后再通过循环酸喷淋吸收可制得磷酸。

[0024] 本发明的实施方式为：先将立式明焰窑炉下部的卸料装置关闭，将窑炉内物料通道全部用废渣料和颗粒状固体碳质燃料填满，形成充实的料柱。窑炉从下部通入空气使固体碳质燃料燃烧，逐渐升温，待达到要求温度后，将窑炉顶部的混合球料料斗和下部的卸料装置打开，随着下部缓慢地卸料，上部料斗内的球料和颗粒状固体燃料在重力作用下逐渐自动进入物料通道，经过升温、反应，完成生产过程。

[0025] 本发明的生产工艺为：将磷矿石、焦炭粉、硅石按照一定的比例混合后磨细至-100目>80％，在成球盘成球的过程中喷入少量10％的稀磷酸作为粘合剂，以加强球料的强度，形成 的球料。选用的磷矿石中P2O5≥6％，碳质还原剂为焦碳、煤或煤矸石，磷矿石与碳质还原剂按照有效成分摩尔比为：P2O5：C＝1： 5-15，其他配料为硅石或石灰或石灰石，球形物料中钙硅摩尔比为Ca：Si<0.4或>3.5。

[0026] 在混合料成球过程中加入粘接剂，粘接剂用水、磷酸搭配而成的浓度为10％—30％的稀磷酸，粘合剂的加入量为混合料干基的0.1—3％。

[0027] 燃料为颗粒状固体碳质燃料，如煤粉、焦炭或煤矸石等。

[0028] 球料在辊道烘干窑内烘干至水分含量低于2％后被送入立式明焰窑炉上部加料斗3，随着立式明焰窑炉下部排料，上部料斗3内的球料和颗粒状固体燃料逐渐进入立式明焰窑炉物料通道4内，从空气入口8充入的空气向上运动，换热并使固体燃料逐渐燃烧，放出的热量加热物料，使之升温至温度升至1250—1500℃时发生反应，物料在固相条件下完成磷的还原反应，物料在高温下反应时的熔融部分为物料总量的0-30％，还原反应生成的单质磷蒸气和一氧化碳逸出球料后，立刻被物料通道内的弱氧化气氛氧化，生成五氧化二磷和二氧化碳，氧化释放的热量立刻传导给物料，用以支持部分窑炉内磷的还原所需的热量，将窑气从窑气出口5抽出，使用循环酸喷淋吸收即可得到高浓度磷酸。球料反应完全后，进入立式明焰窑炉下部冷却段料斗6，通过充入冷气体与热球料逆流换热，冷却后的球料排出，球渣冷却后可作为过滤材料使用。

[0029] 附图1和2是立式明焰窑炉制磷酸示意图，包括上部的加料料斗3、下部的冷却料斗6及卸料装置7、空气入口8、窑体1安装在支撑基础2上，窑炉内设有一个或多个物料通道4，每个物料通道4的上部都有窑气排出口5。空气入口8开在冷却料斗底部或侧部。 [0030] 该装置为中高温立式窑，窑内物料通道可选择圆形或方形，圆形通道直径在方形通道边长度为600—3000mm，高为3—30m，可设任意个数通道；窑总高包括上部加料料斗为15—50m。物料通道其物料烧成温度在1100—1550℃，烧成周期为2—6小时。

[0031] 各组成部分叙述如下

[0032] 窑体1：从内至外依次采用重质耐火材料、轻质保温材料、保温棉或浇注料，保证良好的保温效果，节约能源；

[0033] 支撑基础2：采用水泥基座，起到支撑整个窑体的作用；

[0034] 加料料斗3：用以承放生球料的料斗，球料在加料料斗中自然堆积到一定的高度的料柱以保证窑内的密封性，料柱高度约为800—2000mm；

[0035] 物料通道4：球料在窑内升温、反应的通道；物料从该通道内从上部加入，依靠重力从下部卸出。在该通道内完成升温和还原反应，物料通道4在窑体1内为一个或多个。 [0036] 窑气排出口5：200—800℃的窑气从此口排出，经换热后进入吸收塔； [0037] 冷却料斗6：反应完全的球料在此料斗内与冷空气换热，进行冷却； [0038] 卸料装置7：冷却后的球料(100—200℃)在卸料装置的控制下以一定的速度排出；

[0039] 空气入口8：冷空气通过这里充入到冷却料斗中6；

[0040] 在匀速下料的情况下，整个窑内的球料呈缓慢向下运动的状态。球料进入窑内物料通道4后，与上升的五氧化二磷蒸气和二氧化碳气体换热，同时在固体燃料燃烧的加热下逐渐升温至1200-1550℃，从而发生反应并生成磷蒸气和一氧化碳，气体逸出球料后在物料通道内的弱氧化环境中被氧化成五氧化二磷和二氧化碳并释放大量的热量，为还原反应提供热量，混合气体从窑气排出口5被抽出后使用循环酸喷淋吸收可制得磷酸。球料依靠自重向下进入冷却料斗6，与充入的冷空气换热，冷却后排出。