磷肥工业废气污染源监察要素分析

杨光忠，赵朋飞，王华俊，邓 方，胡金映

(1.武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北 武汉 430074；2.湖北省辐射环境管理站， 湖北 武汉 430072)

0 引 言

在环境保护的日常工作中，污染源监察是指环境监察部门依据环保法律、法规对辖区内污染源所释放污染物的排放、污染治理、污染事故的责任归属以及有关环保法规执行情况进行的现场调查、取证并参与处理具体执法的行为.污染源监察具有广泛性、日常化、及时性和局限性特点[1].强化污染源监察是适应我国经济快速增长、环境问题集中暴发、环保问题急待解决的需要.

磷肥工业关乎我国国家安全和国民经济命脉.“十一五”期间，我国磷肥工业得到了长足发展，产品总量已位居世界第一，产品结构不断优化，逐步以大型高浓度磷复肥(即磷铵)为主[2].在磷肥工业快速发展的同时，废气排放量亦在急剧增加，造成的环境污染日趋严重，环境纠纷日趋增多，环境问题日益突出.但目前我国环境监察队伍人员专业素质不能适应新时期的要求[3]，为此，国家环保部已开展对不同行业的环境监察要素进行研究.迄今为止我国已发布味精、制浆造纸等4个行业的现场环境监察指南，但对磷肥工业环境监察要素研究尚属空白，加强对磷肥工业污染源的研究已迫在眉睫.本文结合相关磷肥企业，对磷肥工业废气污染源产排环节点和产排污系数进行系统分析，为我国制定磷肥工业环境监察技术规范提供技术参考，为提高全国磷肥工业环境监察水平的提高提供技术服务.

1 生产工艺及产排污环节分析

现阶段，我国的磷肥工业以生产磷铵为主，包括磷酸的制备和磷酸一铵或磷酸二铵的生产两个部分.磷铵产品的生产工艺主要有传统法和料浆法.传统磷铵工业的生产方法是先将二水物湿法磷酸浓缩为50%～54% P2O5(质量分数)的浓磷酸，然后氨化、造粒、干燥制得磷铵.料浆法是直接用二水物湿法磷酸为原料氨化、中和、浓缩，经干燥制得磷铵[4].我国的磷矿开采已有90多年历史，高品位磷矿的开采已近尾声，采出的磷矿绝大多数属中低品位，生产出的磷酸不能直接满足料浆法生产磷酸二铵的需要，为节约能耗和生产成本，目前和将来一段时间内多以料浆法生产磷酸一铵，以传统法生产磷酸二铵.

1.1 湿法磷酸生产工艺及产排污环节

我国磷铵生产企业都采用湿法磷酸工艺.矿山采出的磷矿石经破碎、筛分后进入磨机.破碎、筛分产生的含尘废气G1经除尘器处理后排放.矿石在磨机中磨制成含水约35%的磷矿浆，通过矿浆泵送入萃取反应槽与硫酸反应，生成的磷酸送到闪蒸冷却器，冷凝液回收至循环水池，未凝气G3中主要含有水蒸汽和少量氟化物，由真空泵排出，属无组织排放.萃取槽及消化槽排出的含氟气体经文丘里洗涤塔、旋流板塔循环洗涤，洗涤后的尾气G2高空排放，尾气中的污染因子为氟化物，洗涤液为氟硅酸溶液，回收后综合利用.消化后的料浆经过滤机过滤，滤液为稀磷酸，石膏滤饼经脱水后送往磷石膏渣场堆存.滤液经真空浓缩得到含P2O5质量分数为48%～52%的磷酸.闪蒸室中逸出的含HF、SiF4、水蒸气及少量磷酸雾的气体，经系统旋风除沫器分离出气体中夹带的酸雾，进入两级氟吸收塔进行洗涤吸收，得到含10%氟硅酸溶液，该溶液回收综合利用.洗涤后的气体再进入冷凝器后，用循环冷却水冷凝，不凝性气体G4经真空泵高空排放，不凝气体中主要污染物为氟化物.

磷酸生产工艺流程及产排污环节如图1.

图1 湿法磷酸工艺流程及产排污环节图

1.2 料浆法磷酸一铵生产工艺及产排污节点

随着我国磷矿资源特别是高品位磷矿资料的减少，料浆法生产工艺已成为我国高浓度磷肥工业的主导工艺路线之一[5].

其工艺过程为：将磷酸泵入氨化反应器，与气氨反应生成磷酸一铵料浆，用泵将料浆送入蒸发闪蒸室蒸发水分，经双效蒸发浓缩后的料浆由泵送往干燥塔逆流干燥(或转鼓造粒干燥)，同时室外冷空气经热风炉加热后借助喷雾干燥塔的抽力自塔底吸入，干燥后的成品经底部排出.热风炉加热产生的废气G5主要含SO2、烟尘，经脱硫除尘设施处理后高空排放；干燥废气G6经沉降室沉降和洗涤后高空排放，废气中主要含有少量粉尘、氨、氟化物.干燥后的产品经粉碎机粉碎后进行计量包装.产生的含尘废气经除尘器处理，再喷水洗涤后高空排放.

生产工艺流程及产排污环节如图2.

图2 料浆法磷酸一铵生产工艺流程及产排污环节图

1.3 传统法磷酸二铵生产工艺及产排污环节

磷酸二铵生产工艺包括反应、造粒工序、干燥、筛分及尾气洗涤等工序[6].

其生产过程为：将浓磷酸泵入预中和槽，加入氨和二级洗涤系统洗涤液进行中和反应，反应废气进入二级洗涤系统，反应产物通过料浆泵送入反应造粒系统.或将浓磷酸直接泵入管式反应器，并加入氨和预洗涤器洗涤液进行中和反应，反应产物进入反应造粒系统，补加氨继续反应，反应废气经预洗涤器洗涤后进入二级洗涤系统，成粒后的物料送入干燥机.热风炉产生的热风经除尘器除尘后直接进入干燥机，干燥机产生的尾气G7经旋风除尘器和洗涤塔处理后高空排放.干燥机中结块或大块物料通过尾部的滚筒筛自动破碎，破碎后的物料提升到筛分系统，筛分产生的粉尘进入布袋除尘器，筛分合格物料经冷却、包裹后包装出售.旋风除尘和布袋除尘回收的物料返回反应造粒系统回用，预洗涤器、旋风除尘、布袋除尘后的废气进入二级洗涤系统进一步处理后高空排放.

生产工艺流程及产排污环节如图3.

图3 传统法磷酸二铵生产工艺流程及产排污环节图

2 产排污系数

不同的原料路线、工艺过程和多种多样的管理模式，导致产排污系数也不尽相同.本文在调研湖北、云南、贵州、四川、江苏等地磷铵产品生产企业的基础上，采用非线性最小二乘方法[7-8](麦夸特法，Marquardt[9-10])进行分析，应用柯布-道格拉斯方程对建立的多元非线性模型进行拟合，推算出不同生产工艺废气中粉尘、氟化物的产排污系数经验模型.

2.1 建立模型

柯布-道格拉斯方程是美国数学家C.W. Cobd和经济学家P.H. Douglas提出的模型：

(1)

用于分析时，式(1)中的y表示产生量，x1，x2，…，xm表示自变量，a，b1，b2，…，bm为待定参数.

根据生产工艺技术的现场调查，对磷铵生产企业进行划类选典，将y定义为产污量，kg/t；x1表示磷矿消耗，t/t；x2表示磷矿石中氟含量，%；x3表示环境管理水平；a，b1，b2，b3为所求参数.

令c1=a，c2=b1，c3=b2，c4=b3，模型方程则变为：

(2)

对于排污系数，在产污量确定基础上主要取决于污染防治措施，引入变量x4表示污染物去除率(0≤x4<1)，则模型方程为：

(3)

2.2 模型分析

2.2.1 企业产排污数据 调研企业环保相关技术数据见表1.

2.2.2 产排污统计分析结果

a.料浆法磷酸一铵产排污统计分析结果.

将表1中统计数据代入式(2)，经拟合计算后系数ci的相关阵为：

①粉尘

则磷酸一铵工艺废气中粉尘产污系数经验模型为：

(4)

由式(3)得，磷酸一铵工艺废气中粉尘排污系数经验模型为：

(5)

模型检验，F值为164.835 2，显著水平p=0.006 0，达极显著水平.决定系数R2=0.994 0，说明该模型能很好地拟合实际调研数据.

表1 企业环保相关技术数据

注：对于环境管理水平，运用《磷肥行业清洁生产评价指标体系(试行)》中定性评价方法确定.

②氟化物

ci氟化物=

则磷酸一铵工艺废气中氟化物产污系数经验模型为：

(6)

由式(3)得，磷酸一铵工艺废气中氟化物排污系数经验模型为：

(7)

模型检验，F值为438.550 3，显著水平p=0.035 1，达显著水平.决定系数R2=0.999 2，说明该模型能很好地拟合实际调研数据.

b.传统法磷酸二铵产排污统计分析结果

将表1中统计数据代入式(2)，经拟合计算后系数ci的相关阵为：

①粉尘

则磷酸二铵工艺废气中粉尘产污系数经验模型为：

(8)

由式(3)得，磷酸二铵工艺废气中粉尘排污系数经验模型为：

(9)

模型检验，F值为256.856 9，显著水平p=0.003 9，达极显著水平.决定系数R2=0.996 1，说明该模型能很好地拟合实际调研数据.

②氟化物

ci氟化物=

则磷酸二铵工艺废气中氟化物产污系数经验模型为：

(10)

由式(3)得，磷酸二铵工艺废气中氟化物排污系数经验模型为：

(11)

模型检验，F值为247.082 1，显著水平p=0.046 7，达显著水平.决定系数R2=0.998 7，说明该模型能很好地拟合实际调研数据.

3 结论与建议

本文从生产工艺进行分析，明确了湿法磷酸、料浆法磷酸一铵和传统法磷酸二铵产排污环节，通过建立多元非线性模型，运用麦夸特法推算出了磷酸一铵工艺废气中粉尘及氟化物，磷酸二铵工艺废气中粉尘及氟化物4个产污系数经验模型和磷酸一铵工艺废气中粉尘及氟化物，磷酸二铵工艺废气中粉尘及氟化物4个排污系数经验模型，在一定程度上可为磷肥工业废气污染源监察、企业环境管理提供技术参考，促进磷肥生产企业健康和谐发展.结合研究要素提出如下建议：a.提高各级环境监测站的监测能力建设，有针对性地对磷肥工业不同产排污环节特征污染物排放量的监测，体现行业环境管理特点.b.加强对环境监察人员的技能培训，将现有环境监察研究成果及时转化为生产力，从生产全过程加大监管力度，推动污染减排，科学执法、服务于民.

参考文献：

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[3] 梅明．环境监察概论[M]．北京：高等教育出版社，2008：3-6.

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[5] 应建康，吕松，钟本和，等．关于料浆法磷铵工艺几个问题的说明[J]．磷肥与复肥，2004，19(5)：30-32.

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