湿法磷酸企业价值链分析与成本控制*

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(郑州大学化工与能源学院，国家钙镁磷复合肥技术研究推广中心，河南郑州 450001)

世界上湿法磷酸的产量己占磷酸总产量的85%～90%[1]。湿法磷酸批量生产用于肥料及其他工业迄今已有一百多年的历史。但是，随着技术进步，热法磷酸企业通过对副产物的循环再利用，其生产成本大大降低，竞争优势显著增强。因此，湿法磷酸企业，只有通过价值链分析，发现可以优化或整合的生产环节，并找到优化的措施加以实施，才能控制或降低产品成本，提高自身的竞争力。

1 湿法磷酸企业控制和降低成本的紧迫性

1.1 磷矿日趋贫化，工艺技术落后

中国列入国家统计的磷矿石储量约为170亿t，但折标磷矿储量只约有30亿t，仅能维持70a 的使用年限。而且，大多数磷矿难于选别，P2O5含量在30%(质量分数)以上的富矿只有约11亿t，中低品位磷矿约占90%，且含有大量的铁、铝、硅等有害杂质[2]。由于中国磷矿贫化日趋严重，国土资源部已将磷矿列为2010年后不能满足国民经济需求的20种战略矿产资源之一[3]。因此如何利用低品位磷矿生产湿法磷酸已成为磷化工行业需要解决的重大课题之一，也是制约其发展的瓶颈。

中国湿法磷酸工业起步较晚，与国外相比无论是生产规模还是技术水平都存在一定的差距，尤其是在磷矿的可持续利用方面(国内外湿法磷酸企业对比见表1)。因此，中国的湿法磷酸企业要想在国际市场上站住脚，就必须提升自身的竞争优势，在寻求最优工艺的同时降低生产成本。

表1 国内外湿法磷酸企业对比

1.2 湿法和热法磷酸的竞争日趋增强

湿法和热法磷酸的竞争主要是成本上的竞争。梅毅等[4]研究的湿法和热法磷酸成本构成表明，每生产1 t工业级磷酸(以100%P2O5计)，从矿石出发，湿法和热法固定成本分别为360元和207元，湿法磷酸固定成本高于热法磷酸；而在磷酸的整个成本构成中，前者磷矿占23%、电占5%，后者磷矿占18%、电占58%，可以看出原料和燃动力价格是影响成本的主要因素。

热法磷酸的原料是黄磷，在不考虑循环经济对副产物(如黄磷尾气、黄磷渣等)的资源化利用时，湿法净化磷酸的竞争优势要大于热法磷酸。但是，随着黄磷尾气、黄磷渣的利用，热法磷酸的竞争优势逐步增强。通过黄磷产业中黄磷尾气和黄磷渣的综合利用，在工业电价低于1.2元/(kW·h)时，热法磷酸的总成本将低于湿法磷酸总成本[5]。而且，随着磷矿价格的不断升高，湿法磷酸的竞争优势亦将减弱。因此，湿法磷酸企业应开展副产物氟资源、磷石膏的循环再利用。

2 湿法磷酸企业价值链分析

价值链概念由哈佛商学院教授迈克尔·波特于1985年在他的著作《竞争优势》一书中提出。他描述了顾客价值是如何通过一系列可以导致一个最终产品或服务的活动而形成的[6]。一般而言，企业经营由设计、生产、营销、交货等基本活动以及对产品起辅助作用的活动集合而成，将各种活动分类、归纳就可以形成一条价值链。现阶段宏观、微观环境都使得企业成本呈较大幅度增加，而对于企业若不想在高成本压力下被淘汰，就要努力寻求新的利润增长的制高点，于是深入探究企业价值链已经是一个十分迫切的课题，通过价值链的定位、延伸、分解和创新来提高企业的运营效率，从而化解企业在高成本压力下面临的运营困难和利润下降[7]。

湿法磷酸企业价值链包括生产作业链和辅助价值链，笔者主要阐述生产作业链(见图1)。以硫酸法为例，湿法磷酸生产过程包括磨矿、反应、过滤、浓缩4个工序。

图1 湿法磷酸企业价值链

对于磨矿工序，传统工艺主要是干法磨矿和湿法开路磨矿。屠建春等[8]提出闭路湿磨工艺并成功应用于生产，与干法和湿法开路磨矿相比有很大突破，所得产品粒度适合反应与过滤作业的要求，改善了作业环境，设备的能量转化效率高。

硫酸法生产湿法磷酸，按照生成硫酸钙结晶形式的不同又分为二水物法、半水物法、无水物法和再结晶法。其中二水物法技术成熟，操作稳定可靠，对矿石的适应性强，因此在湿法磷酸生产工艺中占主导地位，是应用最早最广泛的方法。其缺点是磷酸浓度低，磷收率低；产生大量副产物磷石膏和含氟气体。因此，应寻求方法改进、完善二水物法，以提高磷酸浓度和磷收率，回收利用磷石膏和氟资源。

过滤是湿法磷酸生产过程的重要环节，目前中低品位磷矿磷酸料浆过滤强度偏低，过滤设备生产能力不高。可以通过对中低品位矿磷酸料浆过滤过程的分析，寻找出提高过滤分离性能的新工艺。

浓缩工序，其特点是腐蚀性强，有固相物料析出，有含氟水蒸气逸出并夹带有酸雾。优化方法为使磷酸在减压下蒸发、溶液强制循环和多段浓缩等。

3 湿法磷酸企业控制和降低成本的着眼点

3.1 磷矿品位

磷矿质量好坏的评价指标主要包括磷矿品位和有害杂质含量[9]。对于湿法磷酸企业，磷矿品位的高低主要影响经济效益。磷矿品位越低，生产单位质量P2O5的经济效益也越低。因为，磷矿品位低将使得反应槽的容积使用系数降低，使过滤机的生产强度降低，从而导致磷酸产量降低。在磷酸生产中，磷矿品位又是决定系统平衡的重要因素，当生产的磷酸浓度恒定时，磷矿品位越低，按物料平衡计算允许加入过滤系统的洗涤水量也愈少，废渣的洗涤程度就会受到影响。由此可见，磷矿品位愈高，设备的生产强度愈大，产品质量与经济效益也愈好。因此提高磷矿品位以及利用低品位磷矿的技术水平，将是决定湿法磷酸生产成本的关键因素。

3.2 湿法磷酸中的杂质

湿法磷酸中的主要杂质见表2。这些杂质在湿法磷酸加工过程中，会增加酸的消耗，降低产品质量，导致装置的生产能力下降，使设备腐蚀加剧，降低设备开车率等。在湿法磷酸中如果杂质含量太多，还会使磷矿反应过程及硫酸钙结晶过程不能正常进行，生产出的磷酸由于含杂质太多也无法浓缩或进一步加工利用。因此有效除去杂质也是湿法磷酸降低产品成本的着眼点之一。

表2 湿法磷酸中的主要杂质

3.3 副产物的处理及再利用

生产湿法磷酸的副产物主要是磷石膏和废气。磷石膏中含有残留酸、氟化合物、重金属和放射性物质。废气中主要有害气体是氟气，含氟气体无论是气体形式还是液体形式均有强烈的腐蚀性。湿法磷酸的竞争优势主要取决于磷石膏及氟硅资源的高附加值的循环再利用。图2为中国比较先进的湿法磷酸加工产业链[5]。

图2 湿法磷酸加工产业链

3.4 原材料价格对产品成本的影响

对于湿法磷酸，原材料价格是影响其竞争力的重要因素。随着磷矿价格的波动，湿法、热法磷酸的成本变化可以用式(1)和式(2)表示[4]:

Y1=4.40X1+3 150

(1)

Y2=4.18X2+3 757

(2)

式中：X1为湿法磷酸所用原料矿价格，元/t；Y1为湿法磷酸制造成本，元/t；X2为热法磷酸所用原料矿价格，元/t；Y2为热法磷酸制造成本，元/t。其他条件不变，在二者所用原料矿的价格相差30元/t时，湿法磷酸的生产成本均低于热法磷酸。随着磷矿价格的升高，湿法磷酸竞争优势减弱(从直线方程的斜率可知，湿法磷酸直线方程斜率大于热法磷酸，说明磷矿在湿法磷酸制造成本中所占比重大于热法磷酸)。但是这种竞争优势减弱的趋势是缓慢的，因为湿法磷酸所用原料矿价格上浮造成成本增加的同时必然伴随热法磷酸成本的增加，表现在式(1)(2)直线斜率相差较小。

4 基于成本控制的企业价值链优化的战略决策

4.1 提高磷矿品位以及低品位磷矿的利用水平

中国磷矿资源大部分是杂质含量较高且难于富集的中低品位磷矿。对低品位磷矿应尽可能进行选矿富集，提高品位。富集的方法很多，包括药剂浮选、水洗脱泥、擦洗分级、重介质选矿、光电选矿及煅烧消化等。然而对低品位磷矿进行富集需要价格昂贵的设备，这就间接增加了生产成本，如果能直接利用低品位磷矿生产湿法磷酸将给磷酸企业的生产成本带来重大突破。国外对此项技术研究得比较成功的是PECO/PCS流程，被誉为“一种具有革命性的新工艺”[10]。中国刘代俊等[11]对此新工艺进行了探索，分析研究了流程中的酸解动力学和结晶动力学。四川大学磷化工重点实验室也对低品位磷矿的有效利用做了长期的研究工作，对稀土磷矿的综合利用及获得纯净石膏方面取得了重大进展[12]。

4.2 湿法磷酸的净化除杂

4.3 应用絮凝剂改善湿法磷酸料浆分离性能

磷酸料浆的过滤分离会影响后续产品的质量，对其进行分离处理的目的在于有效地除去磷酸料浆中的磷石膏。四川大学杨小丽等[13]研究了絮凝剂对湿法磷酸过滤性能的影响，实验结果表明，絮凝剂可以显著提高磷酸料浆的分离性能。

4.4 湿法磷酸装置应注重节能降耗

节能降耗、降低成本已是湿法磷酸企业实现可持续发展、增强企业竞争力的重要举措。湿法磷酸装置主要能耗在于电和蒸汽的消耗，因此应想办法降低两者的消耗，可采取的措施有[14]：1)矿浆浓密使用絮凝剂，加快矿浆的沉降速度，提高生产能力；在磷酸料浆中加入絮凝剂，使料浆中的磷石膏形成粗大、均匀、易于过滤的结晶，提高过滤能力，还可以降低磷石膏中的水溶性磷，减少P2O5损失。2)通过反应槽槽型(包括搅拌桨)的改进来降低P2O5损失，提高其回收率。3)磷酸浓缩装置有一级单效蒸发和两级双效蒸发两种，两级双效蒸发与一级单效蒸发相比具有投资省、节能、产品质量好的特点，循环水量也能节省约1/3，同时可以减少蒸汽和电的消耗。4)还有一些措施，例如：采用变截面搅拌桨可以降低电耗；对磷酸装置排出的水进行清污分流、循环使用；反应热(包括稀释热)的移除，确保温度的控制；回收装置的冷凝水等。

4.5 副产品磷石膏的再利用以及尾气的综合治理

湿法磷酸生产过程中磷的损失除了机械损失外，几乎都包含在磷石膏中。磷石膏在工业上主要用于制墙粉、石膏板、水泥缓凝剂、硫酸铵及硫酸和水泥。磷石膏在农业上主要用作硫、钙的补充来源，盐碱土改良剂及某些农药填料，石膏中所含极少量P2O5也具有一定肥效。但磷石膏用于建材领域时应先对其除杂，除杂后磷石膏还可用于生产高附加值无机化工材料，如粉体材料或硫酸钙晶须[15]。

湿法磷酸大多采用富集的磷矿作原料，这种富集的磷矿通常含有3%～4%(质量分数)的氟。硫酸分解磷矿后，氟在蒸气中以HF和SiF4形态存在，在磷酸液相中以氟硅酸及其盐的形态存在。湿法磷酸装置反应尾气一般采用文丘里加湍球塔洗涤或文丘里加空塔喷淋洗涤，以此提高洗涤效率；而低位闪蒸真空冷却的闪蒸尾气则经除沫后用大气冷凝器吸收；不凝性气体经真空泵排放，或采用除沫、二级空塔喷淋吸收和含氟气体管道喷淋相结合的措施来强化吸收，提高含氟尾气吸收质量。

5 结束语

近年来，随着湿法磷酸技术的不断改进，以及对磷酸需求有增无减的趋势，尤其在当前及今后数年磷资源日趋贫化的情况下，湿法磷酸产业在新技术的不断推动下迎来了进一步发展的良好机遇，但是湿法磷酸在控制和降低生产成本方面仍面临严峻的挑战。当前，价值链的研究日趋成熟，基本形成一个完整、清晰的理论体系，价值链的应用发展迅速，在有关方面进行了实践，获得了良好的社会和经济效益。但同时应该看到，湿法磷酸企业内部经济环境比较复杂，价值链在企业中的应用还需不断地深化、发展，在实践过程中不断地得以提高、完善。

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