[发明专利]一种碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法

说明书

本发明公开一种碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法，属于矿产资源综合利用和节能降耗技术领域；该方法可将磷矿的还原率在1300℃下提高至90%以上；该碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法是分别将磷矿、硅石、焦炭粉磨，焦炭粉与碱金属化合物水溶液混合干燥研磨后，与其他两个原料充分混合均匀加水压片，干燥后用氩气作保护气体，在1300℃温度下在管式炉中保温4h~6h，取出放干燥器中冷却至常温，通过分析残渣含磷计算磷矿还原率；该方法磷还原率高，工艺简单，可为窑法磷酸生产提供理论依据和技术支撑。

技术领域

本发明公开一种碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法，属于矿产资源综合利用和节能降耗技术领域。

背景技术

磷酸作为一种大宗产品，广泛应用食品、医药、农业、航天等多个领域；其生产工艺有湿法磷酸、热法磷酸和窑法磷酸三种，由于湿法磷酸通常采用硫酸直接分解磷矿石，湿法磷酸生产的产品杂质含量较高，后续须净化处理，因此高品质磷酸主要由热法生产。热法磷酸是磷矿石在高温条件下与硅石、焦炭发生还原反应，生成的磷蒸汽经冷却回收、精制而得；产品杂质少，品质高，但其操作温度在1450~1500℃之间，每吨黄磷电耗在13000~15000kW·h之间，属于典型的高耗能产业，使其发展受到限制。以上两种方法对磷矿的品味要求相对过高，我国磷矿的呈多贫少富的特点，加之多年来对富矿无节制的开采，目前富矿几乎消耗殆尽，目前用于黄磷生产的磷矿基本均需进行浮选，这无疑进一步增加磷酸企业的生产成本。窑法磷酸工艺技术是继热法磷酸和湿法磷酸之后又一条工艺路线。窑法磷酸是在1300℃左右将磷矿石、硅石和焦炭在固态还原区进行碳热还原反应生成单质磷，单质磷在窑体内部氧化区被氧化为P₂O₅，而氧化反应热作为碳热还原反应的热源，P₂O₅气体经除尘、洗涤、酸吸收后精制为高品质磷酸，因此窑法磷酸具有不用酸，低能耗的特点，且对磷矿品位无要求，故应用前景十分广泛；其发生的反应如下所示：

2Ca₅(PO₄)₃F+9SiO₂+15C(A)= 3/2P₄ +15CO+9CaO·SiO₂+CaF₂ (1)

ΔH=28006 KJ/kgP₄

2P₂+5O₂=2P₂O₅ (2)

ΔH=-25498 KJ/kgP₄

CO+1/2O₂=CO₂ (3)

ΔH=-22154 KJ/kgP₄

P₂O₅+3H₂O=2H₃PO₄

居于窑法磷酸操作特点，其生产过程只允许有极少量液相出现，而窑法磷酸的生产反应速率主要与少量的液相存在有关，液相量能够显著提高分子的扩散和转移速率，增加磷矿碳热还原速率，使磷转化率升高，但液相量过多就会发生类似热法磷酸的粘结现象，这是窑法磷酸工业化必须要克服的问题。因此，回转窑必须在低于熔融温度下进行，但磷矿的碳热还原反应又是高温高耗能反应，在低温下反应（1）程度较小，磷矿利用率较低，磷转化率难以达到工业要求。所以，针对上述这一矛盾问题，众多科研工作者从窑体结构的优化，助熔剂的选择等方面进行研并取得丰硕的成果，但从化学反应本身入手研究发明一种成本较低，工艺简单，易于实现工业化的方法来解决窑法磷酸转化率低的问题，为窑法制备高品质磷酸奠定基础显得尤为重要。