[发明专利]磷矿石熔融生产五氧化二磷的方法

说明书

技术领域

本发明属于磷化工技术领域，具体介绍了一种用中低品位磷矿石直接加热熔融生产五氧化二磷的方法。

背景技术

五氧化二磷是磷酸的酸酐，是制取磷酸的重要中间体，目前世界上生产五氧化二磷工艺方法是将黄磷在绝干空气中氧化燃烧，生成高温的五氧化二磷蒸气，该蒸气经冷却后析出制得五氧化二磷产品。

在工业上，五氧化二磷水合便生成磷酸，五氧化二磷是磷酸的代名词，为了深入了解本发明的技术背景，有必要介绍磷酸的生产方法。

目前世界上生产磷酸的工业方法有三种：一种是用硫酸分解磷矿石得到磷酸，称为湿法磷酸；一种是用电炉将磷矿石用焦炭还原成黄磷，再将黄磷在另一套装置中氧化成五氧化二磷经水合得到磷酸，称为电热法磷酸；第三种方式为窑法磷酸，是将磷矿石、硅石、焦炭按一定比例混合配矿后，造粒或成型并用釉质等材料浸渍包被，送入回转窑或隧道窑中进行固态还原氧化反应，产生P₄蒸气与CO可燃性混合气体，该混合气体直接与空气发生氧化反应，生成P₂O₅和CO₂气体并放出大量热量，该反应热提供给混合物料还原反应吸热所需，氧化产生的P₂O₅气体经水合制成磷酸。

以上三种磷酸生产工艺各有特点和缺陷。

湿法磷酸生产成本较低，但要消耗大量硫酸，我国是硫资源缺乏的国家，每年要向国外进口大量硫磺，硫磺的持续涨价，已经严重威胁到我国磷化工及磷肥产业的生存和发展；同时，湿法磷酸在生产过程中，要产生大量磷石膏，占用土地，污染环境；其次，湿法磷酸生产只能使用P₂O₅＞28％的高品位磷矿，我国是一个贫磷矿国家，从而造成磷矿开采大量弃贫采富，矿山采矿率不足30％，严重浪费我国磷资源，这种生产磷酸的方法是难以为继的；最后，磷酸品质差、浓度低，不净化只能生产肥料，磷的转化率只能达到90％，所以湿法磷酸应用领域主要集中肥料产业。

热法黄磷制酸已有上百年的历史，生产的磷酸品质高，能生产下游各种精细磷酸盐，但由于采用电炉法工艺电能消耗高，每生产一吨黄磷需耗15000度电，产生的废气一氧化碳难以利用，污染大并且产生磷泥，磷酸生产与黄磷装置分置，使磷氧化反应放出的热量没有很好利用白白浪费。

美国早在上个世纪三十年代开展了窑法磷酸研究，西方石油公司采用KPA工艺，在一个设备里利用磷的氧化热提供给还原磷矿所需，所得P2O5提供给水合塔生产磷酸，采用的主要设备是回转窑，并获得美国专利，专利号U.S.P4397826，但该方法未能实现工业化。

国内窑法工艺吸取了国外的经验，以隧道窑及回转窑作反应器，采用新工艺对混合物料成型、包被，将氧化区与还原区隔开。回转窑工艺以长沙矿冶研究院为代表，以发明名称为“一种直接还原磷矿石生产磷酸的方法”获得中国专利，专利号为ZL93111447.0，隧道窑工艺以化工部肥料研究所为代表，以发明名称为“一种制取高浓度磷酸的方法”获得中国专利，专利号为ZL89100292.8。但上述两种窑法工艺都存在氧化还原难以完全分区，物料需要特别成型、浸渍、包被处理，工艺路线长生产成本高，五氧化二磷后续产品磷酸品质低于热法磷酸，磷矿石的转化率低，只能达到85％，造成对磷资源的浪费，废渣中残留磷高，废渣难于被建材产业直接利用，废热利用难度大对能源的有效利用率低，系统因易结圈和气密困难，连续操作困难等缺点。

中国科学院化工冶金研究所提出了工艺改进方法，并获得名称为“熔融还原热法制取磷酸及磷酸盐的工艺”的中国专利，专利号为ZL97100773.X，该工艺将喷射冶金技术，熔融还原技术和煤气、元素磷氧化燃烧制备磷酸技术结合为一体，即煤-氧-矿复合喷吹，在熔融条件下完成元素磷的还原，并在同一个反应器内完成元素磷的氧化燃烧，进而制取五氧化二磷或磷酸盐。该工艺方法仍然存在诸多缺陷，如：系统的启动需要高温磷铁水；多种反应在同一个反应器内完成，操作和控制困难；氧化区的高温五氧化二磷气体与熔融还原区由于无明显还原性气氛隔离带，容易造成五氧化二磷返吸，使还原率降低只能达到90％；高速磷矿粉、煤粉与五氧化二磷气体逆流接触，使五氧化二磷气体带尘，严重影响产品质量；该系统只能以间歇式生产不能实现连续化运行，废渣磷含量高，难以利用等缺陷，该技术难以实现工业化。

发明的内容