專利名稱：熔融還原熱法制取磷酸及磷酸鹽的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬化工冶金領(lǐng)域，特別是涉及將熔融還原原理用于制取磷酸及磷酸鹽的一種工藝，簡稱SRPA法。
熱法磷酸工藝經(jīng)過了一段法和二段法兩個階段的發(fā)展?，F(xiàn)代工廠大都采用二段法，即先制得純凈的固體或液體黃磷，然后將元素磷在燃燒室內(nèi)燃燒氧化，生成P2O5，用水或稀酸吸收，制得磷酸產(chǎn)品。但該法生產(chǎn)的磷酸產(chǎn)品存在著成本高，耗電量大及沒有利用煤氣和元素磷燃燒放出的熱能等缺點。如能實現(xiàn)以煤代電，以煤代焦和直接利用爐氣燃燒的顯熱降低能耗并保持熱法磷酸質(zhì)量好的優(yōu)點，新的熱法磷酸工藝仍將具有很強(qiáng)的競爭力。多年以來，世界各國都在探索開發(fā)更加廉價的熱法磷酸新工藝和反應(yīng)器。中國冶金工業(yè)部長沙礦冶研究院，侯擁和、黃焯樞等人發(fā)明的“一種直接還原磷礦石生產(chǎn)磷酸的方法”(CN 1096273 A)。該工藝是將磷礦石、焦碳和熔劑、粘接劑按一定比例混勻磨細(xì)、造球、烘干、固化，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行氣固還原反應(yīng)，在同一反應(yīng)器內(nèi)同時完成氧化燃燒反應(yīng)制成磷酸。但該工藝需要加水和粘接劑造球烘干，由于氣(CO)、固還原反應(yīng)速度慢，加之回轉(zhuǎn)窯有易結(jié)圈的缺點，所以設(shè)備利用率低，規(guī)?；a(chǎn)尚有一定難度。
本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種利用熔融還原法快速制取磷酸及磷酸鹽，并無回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的缺點，提高設(shè)備利用率，降低能耗，以期達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的該工藝將噴射冶金技術(shù)，熔融還原技術(shù)和煤氣、元素磷氧化燃燒制備磷酸技術(shù)結(jié)合為一體，即煤-氧-礦復(fù)合噴吹，在熔融條件下完成元素磷的還原并在同一個反應(yīng)器內(nèi)完成元素磷的氧化燃燒，進(jìn)而制取磷酸或磷酸鹽。
本發(fā)明采用了多流道的頂噴槍和雙流道預(yù)混式底噴槍與上部為擴(kuò)大型的立式鐵浴爐體配套使用。頂噴槍分為水冷多流道噴槍(A)和雙流道噴槍(B)兩種，視爐容積大小來選用頂噴槍種類。爐容積小于2m3時，可采用雙流道噴槍，爐容積大于2m3時，采用多流道噴槍，將氧—磷礦粉—煤粉的混合粉料從爐頂噴入熔鐵表面，提供二次燃燒供氧，將元素磷和煤氣燃燒成P2O5制成磷酸。反應(yīng)器分為下部還原區(qū)和上部氧化區(qū)，中間為過渡區(qū)。
本發(fā)明的熔融還原法制取磷酸及磷酸鹽的工藝，其特征是在同一反應(yīng)器中，同時實現(xiàn)下部完成磷酸鹽的熔融還原反應(yīng)，上部完成氣態(tài)元素磷的氧化反應(yīng)及煤氣二次燃燒反應(yīng)，開爐時，爐內(nèi)保持一定容量的磷鐵熔體，爐內(nèi)熔池液面高度為最大熔池量的三分之一左右，在兌入磷鐵熔體前，底噴槍要不斷地吹入氮氣，開始兌入磷鐵水時，底噴槍吹煤粉和氧氣，即由底噴槍的環(huán)隙煤粉流道，將煤粉以氮氣為載體噴入爐內(nèi)，隨后將底噴槍的中心管的氮氣切換成氧氣，保持底噴吹碳氧原子比C∶O＝1.2－2.0，同時，將頂噴槍降至距熔池液面一定高度，頂噴槍的氧流道和煤粉及礦粉流道也要維持一定的氣量，熔池溫度在達(dá)到1450-1 550℃時，再開始由頂噴槍的中心管吹磷礦粉和煤粉的混合粉料，比例為(重量比)3∶1，由中間環(huán)縫吹入氧氣，保持頂噴吹碳氧原子比C∶O＝0.9－1.2，調(diào)整頂噴槍和底噴槍各噴吹參數(shù)，使熔池溫度保持在1450-1550℃，在反應(yīng)過程中，由爐頂分批加入控制爐渣堿度的熔劑，使?fàn)t渣堿度控制在R＝1.0－1.5，當(dāng)液面高度超過正常操作允許高度時，提升頂噴槍，并停止噴吹加料，在元素磷有充足還原條件下，反應(yīng)達(dá)到平衡時，還原結(jié)束，不噴吹煤粉時，底噴槍切換為噴吹氮氣，反應(yīng)器底部放出的磷鐵含磷量為17-20％，反應(yīng)器頂部出來的含P2O5爐氣，經(jīng)除塵后進(jìn)入吸收塔，用吸收劑反復(fù)噴淋循環(huán)吸收，可獲得工業(yè)級磷酸，頂噴槍是水冷多流道噴槍或雙流道噴槍，底噴吹碳氧原子比最佳為C∶O＝1.3－1.5，熔劑是硅石或石灰石，加入熔劑可含有塊狀焦炭，堿度最佳為R＝1.10－1.15，頂噴吹碳氧原子比最佳為C∶O＝1.0－1.1。
本工藝所用原料包括煤粉、磷礦粉、熔劑、氧氣、氮氣，粉料的粒度均在60目以下，工藝實施過程所使用的其它設(shè)備如磨粉機(jī)，供氣輸送系統(tǒng)、粉料噴吹系統(tǒng)、煤氣除塵系統(tǒng)及收集系統(tǒng)是成熟的技術(shù)。爐渣堿度由爐頂加入熔劑量來調(diào)整。熔劑由爐頂分批加入，并不斷檢測濃度所用熔劑為硅石(SiO2)、石灰石(CaCO3)等。加入熔劑的間隔時間視噴吹速度而定，熔劑加入量視噴吹粉料成份和爐渣堿度要求而定。為防止泡沫渣噴濺和保護(hù)爐襯，隨熔劑加入部分塊狀焦炭。為保持爐內(nèi)氣氛，熔煉過程中控制爐內(nèi)碳氧流量是操作關(guān)鍵。不噴吹煤粉時，底噴槍切換為噴吹氮氣以防堵塞。
本發(fā)明工藝的反應(yīng)在同一個煤-氧-礦-熔劑復(fù)合噴射磷鐵浴反應(yīng)器中進(jìn)行。在同一反應(yīng)器內(nèi)，實現(xiàn)了礦石中磷氧化物的熔融還原與氣態(tài)元素磷的氧化，使還原與氧化同步進(jìn)行，從而制成磷酸或磷酸鹽。這種工藝，即充分利用了煤的化學(xué)能，又把元素磷的氧化反應(yīng)并入了熔融還原反應(yīng)器，不但反應(yīng)速度得到了加快，獲得高含量的P2O5爐氣，低含量的P2O5爐渣，而且節(jié)約了設(shè)備，提高了效益，降低了磷酸及磷酸鹽的成本，從而實現(xiàn)磷礦石及煤資源的合理綜合利用。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述

圖1為反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖1.頂噴槍2.底噴槍3.鐵浴4.爐蓋 5.五氧化二磷 一氧化碳 二氧化碳 氫氣6.礦粉 7、氧氣 8.煤粉9.熔劑 10.礦渣 11.磷鐵反應(yīng)器由頂噴槍1、底噴槍2，上部為擴(kuò)張型的立式鐵浴3、爐蓋4，四個部分組成。頂噴槍安裝在爐體上用以噴射煤—氧—礦—熔劑。底噴槍為雙流道預(yù)混式噴槍，安裝在爐底，用以噴射煤粉和氧氣。對于底噴槍，頂噴槍的結(jié)構(gòu)和性能本發(fā)明者在已獲專利中有詳述(中國專利CN 91216746.7，ZL 93104740.4)，所設(shè)計的爐底煤氧噴槍無需冷卻氣保護(hù)，而靠煤粉自身熱解得以保護(hù)，頂噴槍為水冷式。
底噴槍和爐體配套使用，打結(jié)在爐襯內(nèi)，底噴槍預(yù)混端頭與爐底表面相平為宜。
開爐時，爐內(nèi)必須有一定容量的磷鐵熔體，爐內(nèi)熔池高度最好為最大熔池量的三分之一左右。在兌入磷鐵熔體前，底噴槍要不斷地吹入氮氣，以防噴頭堵塞。開始底噴槍吹煤粉和氧氣，即由底噴槍的環(huán)隙煤粉流道，將60目以下的煤粉以氮氣為載體噴入爐內(nèi)，隨后將底噴槍的中心管的氮氣切換成氧氣，保持底噴吹碳氧原子比C∶O＝1.2－2.0，最佳為C∶O＝1.3－1.5。同時，將頂噴槍降至距熔池液面一定高度，頂噴槍的氧流道和煤粉及礦粉流道也要維持一定的氣量，以防噴頭堵塞。熔池溫度達(dá)到1450-1550℃再開始由頂噴槍的中心管吹磷礦-煤粉的混合粉料，其重量比為3∶1(P2O5含量為25％的磷礦)，由中間環(huán)縫吹入氧氣，保持頂噴吹碳氧原子比C∶O＝0.9－1.2，最佳為C∶O＝1.0－1.1。底噴吹C∶O比例大，造成還原氣氛，頂噴吹C∶O比例小，造成氧化氣氛。調(diào)整頂噴槍和底噴槍各噴吹參數(shù)正常。使最佳熔池溫度介于1450～1550℃，通過控制煤粉量和磷礦量來調(diào)正之，增加煤粉量可提高熔池溫度，增加磷礦量，可降低爐溫。爐氣出口溫度小于1600℃，爐渣堿度R＝1.0～1.5，最佳為R＝1.10－1.15。通過控制氣量來控制固體粉料量，并通過氣體輸送混合粉料。
隨著噴吹的進(jìn)行，熔池液面逐漸升高，當(dāng)液面高度超過正常操作允許高度時，提升頂噴槍，停止頂噴槍噴吹加料，為防止底噴槍堵塞，停噴煤-氧時，要維持底噴槍中心管和環(huán)隙中有適當(dāng)?shù)牡獨饬髁?，以爐渣P2O5所需的利用率來判斷反應(yīng)是否結(jié)束(一般為(重量百分比)1-2％)，然后搖爐溢渣，并放出部分液態(tài)磷鐵合金。由反應(yīng)器頂部出來的含P2O5爐氣，經(jīng)除塵后進(jìn)入吸收塔，用吸收劑水或稀磷酸反復(fù)噴淋循環(huán)吸收，溫度控制在40-60℃，可獲得工業(yè)級磷酸，經(jīng)吸收塔后的煤氣可作為工業(yè)用煤氣，還原結(jié)束后，反應(yīng)器底部放出的磷鐵含磷量一般在17～20％，可作為冶金用磷鐵合金。
實施例1在100KW立式鐵浴爐內(nèi)裝入磷鐵熔體，含磷量為17-20％，爐內(nèi)熔池液面高度為最大熔池量的三分之一左右，在兌入磷鐵熔體前，底噴槍要不斷地吹入氮氣，開始兌入磷鐵水時，底噴槍吹煤粉和氧氣，即由底噴槍的環(huán)隙煤粉流道，將煤粉以氮氣為載體噴入爐內(nèi)，隨后將底噴槍的中心管的氮氣切換成氧氣，保持底噴吹碳氧原子比C∶O＝1.2，同時，將頂噴槍降至距熔池液面一定高度，頂噴槍的氧流道和煤粉及礦粉流道也要維持一定的氣量，熔池溫度達(dá)到1450℃時，再開始由頂噴槍的中心管吹硅質(zhì)磷礦粉和煤粉的混合粉料，比例為(重量比)3∶1，由中間環(huán)縫吹入氧氣，保持頂噴吹碳氧原子比C∶O＝1.3，調(diào)整頂噴槍和底噴槍各噴吹參數(shù)，使熔池溫度保持在1450℃左右，在反應(yīng)過程中，由爐頂分批加入控制爐渣堿度的石灰石(CaCO3)，不斷化驗，使?fàn)t渣堿度控制在R＝1.15，當(dāng)液面高度超過正常操作允許高度時，提升頂噴槍，并停止噴吹加料，在元素磷有充足還原條件下，化驗爐渣P2O5的含量，當(dāng)達(dá)到所需的利用率(重量百分比)1.8％時，還原結(jié)束，搖爐溢渣，不噴吹煤粉時，底噴槍切換為噴吹氮氣，反應(yīng)器底部放出的磷鐵含磷量為17-20％，反應(yīng)器頂部放出來的含P2O5爐氣，經(jīng)除塵后進(jìn)入吸收塔，吸收塔水溫控制在40～60℃，用水反復(fù)噴淋循環(huán)吸收，可獲得濃度為17％的磷酸溶液，渣中含P2O5為1.8％，還原率達(dá)90％以上。實施例2所用鐵浴及生產(chǎn)方法同實施例1。所選用的是鈣質(zhì)磷礦粉，鐵浴內(nèi)磷鐵熔體，其含磷量為17-20％，調(diào)整爐渣堿度的是硅石(SiO2)，并控制在R＝1.1，頂噴槍噴吹碳氧原子比C∶O＝1.0，底噴槍噴吹碳氧原子比C∶O＝2.0，爐內(nèi)反應(yīng)溫度為1550℃左右，可獲得濃度為17％的磷酸溶液，渣中含P2O5為1.5％，還原率達(dá)90％以上。
權(quán)利要求
1.一種熔融還原熱法制取磷酸及磷酸鹽的工藝，其特征是在同一反應(yīng)器中，同時實現(xiàn)下部完成磷酸鹽的熔融還原反應(yīng)，上部完成氣態(tài)元素磷的氧化反應(yīng)及煤氣二次燃燒反應(yīng)，開爐時，爐內(nèi)保持一定容量的磷鐵熔體，爐內(nèi)熔池液面高度為最大熔池量的三分之一左右，在兌入磷鐵熔體前，底噴槍要不斷地吹入氮氣，開始兌入磷鐵水時，底噴槍吹煤粉和氧氣，即由底噴槍的環(huán)隙煤粉流道，將煤粉以氮氣為載體噴入爐內(nèi)，隨后將底噴槍的中心管的氮氣切換成氧氣，保持底噴吹碳氧原子比C∶O＝1.2－2.0，同時，將頂噴槍降至距熔池液面一定高度，頂噴槍的氧流道和煤粉及礦粉流道也要維持一定的氣量，熔池溫度在達(dá)到1450-1550℃時，再開始由頂噴槍的中心管吹磷礦粉和煤粉的混合粉料，比例為(重量比)3∶1，由中間環(huán)縫吹入氧氣，保持頂噴吹碳氧原子比C∶O＝0.9－1.2，調(diào)整頂噴槍和底噴槍各噴吹參數(shù)，使熔池溫度保持在1450-1550℃，在反應(yīng)過程中，由爐頂分批加入控制爐渣堿度的熔劑，使?fàn)t渣堿度控制在R＝1.0－1.5，當(dāng)液面高度超過正常操作允許高度時，提升頂噴槍，并停止噴吹加料，在元素磷有充足還原條件下，反應(yīng)達(dá)到平衡時，還原結(jié)束，不噴吹煤粉時，底噴槍切換為噴吹氮氣，反應(yīng)器底部放出的磷鐵含磷量為17-20％，反應(yīng)器頂部出來的含P2O5爐氣，經(jīng)除塵后進(jìn)入吸收塔，用吸收劑反復(fù)噴淋循環(huán)吸收，可獲得工業(yè)級磷酸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融還原熱法制取磷酸及磷酸鹽的工藝，其特征在于所述的頂噴槍是水冷多流道噴槍或雙流道噴槍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融還原熱法制取磷酸及磷酸鹽的工藝，其特征在于所述的底噴吹碳氧原子比最佳為C∶O＝1.3－1.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融還原熱法制取磷酸及磷酸鹽的工藝，其特征在于所述的熔劑是硅石或石灰石。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融還原熱法制取磷酸及磷酸鹽的工藝，其特征在于所述的加入熔劑可含有塊狀焦炭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融還原熱法制取磷酸及磷酸鹽的工藝，其特征在于所述的堿度最佳為R＝1.10－1.15。
7.權(quán)利要求1所述的熔融還原熱法制取磷酸及磷酸鹽的工藝，其特征在于所述的頂噴吹碳氧原子比最佳為C∶O＝1.0－1.1。
全文摘要
本發(fā)明屬化工冶金領(lǐng)域，特別是涉及將熔融還原原理用于制取磷酸及磷酸鹽的一種工藝。在一個具有頂和底噴槍的反應(yīng)器中，底噴吹碳氧原子比C∶O=1.2-2.0，在熔池溫度達(dá)到1450-1550℃時，由頂噴槍的中心管噴吹磷礦粉和煤粉的混合粉料，比例為(重量比)3∶1，由中間環(huán)縫吹入氧氣，保持頂噴吹碳氧原子比C∶O=0.9-1.2，使元素磷有充足還原條件，還原結(jié)束，反應(yīng)器底部放出磷鐵含磷量為17-20％，頂部放出來的含P
文檔編號C01B25/00GK1160018SQ9710077
公開日1997年9月24日 申請日期1997年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月25日
發(fā)明者郭占成, 王仁遠(yuǎn), 于憲溥, 楊學(xué)民, 謝裕生, 許志宏, 王大光 申請人:中國科學(xué)院化工冶金研究所