新型半水物湿法磷酸工艺流程

梁万达，廖 莉

（内江市市中区新华路，四川 内江 641000）

0 引言

湿法磷酸是磷复肥和磷酸盐工业的基础原料，在国计民生中具有非常重要的地位。目前，湿法磷酸生产流程主要为二水物流程，该流程是湿法磷酸生产上应用最早、最为广泛的生产流程，经过100多年的实践、改进，已发展成一个完整的、现代化的工业流程，在湿法磷酸产量和建厂数目上一直占有较大的比重［1］。

国内通过多年对半水物、半水-二水物和二水-半水物流程湿法磷酸装置进行摸索和改进，已实现装置大型化、国产化、自动化，并且能连续稳定运行。

1 现有湿法磷酸生产工艺流程的不足

由于生产工艺技术的限制，现有湿法磷酸流程存在如下不足之处：（1）中低品位磷矿使用受限，目前国内外湿法磷酸生产都倾向于使用高品位低杂质的富矿，随着磷矿富矿逐渐枯竭，磷矿开采成本和湿法磷酸生产成本均将逐渐增加；（2）P2O5总收率不高；（3）成品磷酸质量普遍不高，特别是二水物流程生产的稀磷酸杂质多、固含量高、游离硫酸浓度高，导致后续净化处理难、成本高等，影响使用，半水物流程生产的磷酸浓度和质量有所提高，但还有改进提升的必要；（4）副产品磷石膏利用困难，磷石膏杂质多、纯度低，加上含有过多水溶磷，增加了磷石膏的综合利用难度；（5）单位产品原料消耗高，由于成品磷酸中游离硫酸浓度高、磷石膏中磷含量高，增加了原材料硫酸和磷矿的消耗。

2 新型半水物湿法磷酸工艺流程介绍

新型湿法磷酸生产工艺流程包括新型二水物流程和新型半水物流程，这里仅介绍新型半水物流程。

2.1 新型半水物湿法磷酸生产原理

新型半水物湿法磷酸工艺流程是在传统流程的基础上经创新改进开发的，同样遵循传统湿法磷酸流程的基本原理。

磷矿与循环料浆（或返回系统的磷酸）进行预分解反应，磷矿首先溶解在过量的磷酸溶液中生成磷酸二氢钙（化学反应方程见式（1））：

同时磷酸溶液中还含有氟化氢、未反应的磷矿、部分硫酸钙、酸不溶物、磷酸盐及其他杂质［2］。

然后利用特制的分离器提纯磷酸料浆，溶解在磷酸溶液中的磷酸二氢钙被带入提纯的磷酸料浆中，与硫酸反应生成硫酸钙晶体，控制操作条件使硫酸钙晶体成长为整齐粗大的结晶（化学反应方程见式（2））［2］：

结晶料浆经过滤、洗涤工序分离出提纯白石膏和磷酸溶液。

2.2 新型半水物湿法磷酸生产流程及主要优点

新型半水物湿法磷酸生产流程见图1。

图1 新型半水物湿法磷酸生产流程

流程说明：首先，磷矿在分解槽内与高浓度磷酸料浆反应、分解，这是流程的关键控制点；第二步，经特制的分离器提纯磷酸料浆，这是流程的控制难点；第三步，提纯磷酸料浆与硫酸反应，生成半水石膏晶体，在石膏结晶槽内控制反应条件使石膏结晶继续长大为整齐粗大的α-半水硫酸钙结晶，这是流程的又一难点和关键点；流程还有石膏和磷酸的分离、石膏产品的洗涤、提纯料浆渣的后续反应分离处理和系统尾气吸收处理等工序。

新型半水物湿法磷酸工艺流程的主要优点：（1）成品磷酸浓度高，质量好，w（P2O5）可达40%～45%；（2）磷矿的P2O5分解转化率可达99%以上，磷的总收率可达98%以上；（3）石膏品质好，纯度可达99.7%以上，石膏中的晶间磷含量得到有效控制，w（P2O5总）＜0.3%；（4）半水硫酸钙结晶水含量远低于二水硫酸钙，能为烘干脱水节约大量热能；（5）反应中氟的逸出率高，可回收利用；（6）硫酸和磷矿消耗低于现有半水物流程；（7）装置开车率接近现有二水物流程装置；（8）设备、管道及防腐材料等全部实现国产化；（9）采用DCS系统（分散控制系统）控制，自动化程度高，生产中工艺条件控制稳定，操作难度小，易于操作控制。

此外，该流程在不增加生产原辅材料的基础上继承了半水物流程的优点，还可以利用中低品位磷矿进行生产，同时生产中约75%的磷石膏转化为高纯洁白的半水石膏，生产过程中大大减少固体废物磷石膏的产生与处理量。高纯洁白的半水石膏是生产建材产品的重要原料，是生产高附加值高强石膏、硫酸钙晶须等产品的绝佳原料。

2.3 新型半水物湿法磷酸流程工艺指标

新型半水物流程、二水物流程、半水物流程湿法磷酸生产工艺消耗对比见表1。

表1 新型半水物流程、二水物流程、半水物流程湿法磷酸生产工艺消耗对比（按吨P2O5计）

新型半水物流程、二水物流程、半水物流程湿法磷酸生产工艺P2O5总收率对比见表2。

表2 新型半水物流程、二水物流程、半水物流程湿法磷酸生产工艺P2O5总收率对比 %

新型半水物流程、二水物流程、半水物流程湿法磷酸生产工艺成品磷酸质量对比见表3，石膏品质对比见表4。

表3 新型半水物流程、二水物流程、半水物流程湿法磷酸生产工艺成品磷酸质量对比 %

表4 新型半水物流程、二水物流程、半水物流程湿法磷酸生产工艺石膏品质对比 %

根据表1 至表4 中生产数据的对比，可以得出：（1）新型半水物流程的磷酸物耗优于国家推荐要求［3-4］；（2） 新型半水物流程P2O5总收率约98%，高于二水物流程（P2O5总收率约96%）、半水物流程（P2O5总收率约95%）；（3）新型半水物流程磷酸中MER 值、游离硫酸含量均较二水物流程磷酸和半水物流程磷酸低，固含量与半水物流程磷酸一致；（4）新型半水物石膏纯度高于99.7%，总磷、水溶磷及其他杂质极低，品质远优于二水物流程、半水物流程石膏。新型半水物流程装置生产的半水石膏已应用于石膏粉和石膏晶须生产，生产的硫酸钙晶须已在汽车制动片、玻璃钢设备、造纸、塑料编织袋、公路沥青、油漆等生产中添加应用，使用后均收到满意效果，可大量代替天然优质石膏生产的晶须产品。

3 开发新型半水物湿法磷酸工艺流程的意义

（1）可以促进磷化工产业的可持续性发展。利用中低品位磷矿生产湿法磷酸；生产过程中可大量减少固体废物磷石膏的产生量，即降低磷石膏的堆放和处理量。

（2）可以促进磷化工产业升级。降低磷酸生产中的原材料消耗和能耗，提高产品湿法磷酸浓度和质量，促进磷酸的高效利用，增加产品附加值。

（3）可以将固体废物磷石膏开发成产品，提高企业经济效益。湿法磷酸生产过程中减少的固体废物磷石膏转化成了高品质高纯白石膏产品，该产品可以用作建材产品的原料，也可作为工业原料经深加工制成高强石膏、硫酸钙晶须等高附加值产品。

4 结语

新型半水物湿法磷酸工艺技术起源于四川大学专利［5］，在此专利技术基础上，通过工艺改进、巧妙设计和组合运用多种特制的反应、分离设备，并在大小装置上进行优化工艺控制实践，通过理论与实践的结合，创新改进开发出了具有自主知识产权、自动化程度高、便于操作控制的新型半水物湿法磷酸工艺流程，已成功实现工业化应用，进行了后续产品的深加工研究和使用。该流程继承了半水物流程的优点，可利用中低品位磷矿生产湿法磷酸，流程具有低能耗、低消耗、成品磷酸浓度高、P2O5总收率高等特点，特别是磷酸生产过程中可有约75%的磷石膏转变成高纯洁白的半水石膏（纯度可达99.7%以上），大大减少固体废物磷石膏的产生。高纯洁白的石膏是建材市场的重要原料，是用于生产高附加值产品的绝佳原料。该流程符合国家“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见和“十四五”循环经济发展规划以及国家节能减排政策，因此，该工艺技术对提高企业的经济和环保效益具有特别重要的价值，值得推广。