一種全氧豎爐煉磷聯產合成氣的方法和用于煉磷聯產合成氣的裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種全氧豎爐煉磷生產方法以及用于煉磷聯產合成氣裝置，純氧與配加的水蒸汽從豎爐下部風口通入，磷灰石加碳球團和燃料煤從豎爐頂部加料口加入，形成料柱；煤在燃燒區燃燒，生成的高溫煙氣在上升過程中對向下移動的磷灰石加碳球團和燃料煤逐步加熱；在豎爐中部反應區，磷灰石加碳球團中的磷灰石與碳發生反應生成磷；生成的含磷煤氣從豎爐頂部煤氣出口排出；生成的熔融爐渣從豎爐下部出渣口排出。與現有火法煉磷技術相比，本發明使用磷灰石加碳球團代替磷灰石，磷礦石與焦炭的接觸面積大，促使反應速率加快；使用煤替代焦炭，降低了生產成本；使用純氧助燃，生成的煤氣中不含氮氣及其氧化物，可作為合成氣使用，便于煤氣的綜合利用。
【專利說明】一種全氧豎爐煉磷聯產合成氣的方法和用于煉磷聯產合成氣的裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于火法制磷【技術領域】，具體涉及一種全氧豎爐煉磷聯產合成氣生產方法以及用于煉磷聯產合成氣裝置。
【背景技術】
[0002]黃磷是一種重要的化工原料，以黃磷為原料可以生產多種磷化物和磷酸鹽。目前，國內外黃磷生產采用的主流方法是電爐法制磷。此外，也有高爐法、流化床還原法、等離子體法等方法來生產黃磷。
[0003]我國絕大多數黃磷生產企業采用電爐法制磷。但是，由于電爐法制磷對入爐磷礦的品質要求高，中低品位磷礦(P2O5質量百分數< 20%的塊礦和粉礦)不宜或不能作為電爐法制磷的原料，否則將造成生產困難和生產成本上升。另一方面，我國磷礦資源雖然儲量豐富，但平均品位僅為16% (P2O5質量百分數為16%的塊礦和粉礦)，其中品位低于20%的磷礦占總儲量的69.65%。因此，電爐法制磷在我國受到磷礦品位低的限制。
[0004]20世紀50年代，葉渚沛針對我國磷礦品位低、電力供應緊張的情況，開展了高爐炭熱法制磷技術路線的探索。0.77m3和8m3高爐煉磷試驗證明，高爐煉磷方法能充分有效地直接處理中低品位磷礦，適合大規模生產。但長期以來，由于以下問題而使高爐煉磷未能獲得到推廣。
[0005](I)高爐煉磷 采用塊狀磷礦石和焦炭進料，磷礦石與焦炭的接觸面積小，反應速率低，磷礦石在低于軟融溫度的條件下，其中的五氧化二磷(P2O5)不會發生明顯的還原反應。
[0006](2)高爐煉磷采用熱風作為助燃劑，產生的含磷煤氣中存在大量氮氣(N2),不利于煤氣的后續處理和碳資源的綜合利用。
[0007](3)高爐煉磷采用焦炭(或部分無煙煤)作為燃料和還原劑，不符合我國焦煤資源緊張的情況。
[0008]因此，開發一種能夠利用中低品位磷礦資源的煉磷方法具有重要的意義。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于針對我國磷礦品位低和煤炭資源相對豐富的情況，提出一種全氧豎爐煉磷聯產合成氣的方法，解決高爐煉磷工藝焦炭用量多、副產煤氣利用困難的問題。
[0010]為解決上述問題，本發明采用采用豎爐冶煉的方法，該方法包括:
[0011]將爐料自豎爐頂部加料口加入，純氧和水蒸汽自豎爐下部風口通入；燃料煤在豎爐下部燃燒產生的高溫煙氣逆流加熱下行爐料；在豎爐中部，磷灰石加碳球團中的還原劑碳將磷灰石中的五氧化二磷還原為元素磷，同時燃料煤發生氣化反應，生成的含磷煤氣自豎爐頂部煤氣出口排出，所述含磷煤氣經冷凝單元回收磷，除磷煤氣經煤氣凈化單元處理后得到煤氣；生成的熔融爐渣自豎爐下部出渣口排出。
[0012]所述爐料為磷灰石加碳球團與燃料煤混合得到的配料。[0013]所述的磷灰石加碳球團按如下方法制備:將磷灰石和還原劑碳干燥后磨細至5(T100目，按磷灰石中五氧化二磷(P2O5)與還原劑碳的摩爾比為1:5~1:10的配比混勻，加入粘土漿作為粘結劑制成生球團，經干燥、預熱、焙燒、冷卻工序制得磷灰石加碳球團。磷灰石加碳球團中的還原劑碳可以選用無煙煤、半焦或焦炭中的一種或者多種。制成磷灰石加碳球團的粒度為l(T20mm，強度不低于2000N/個。
[0014]優選的，磷灰石加碳球團中五氧化二磷(P2O5)與燃料煤的碳的摩爾比為1: 1Π: 21，燃料煤可以選用粒度為50-80_的無煙煤、煤球、半焦或焦炭中的一種或者多種。
[0015]優選的，采用氧氣(O2)作為助燃劑，與配加水蒸汽從豎爐下部風口進入爐內，氧氣與水蒸汽的配比須達到控制豎爐下部燃燒區溫度不超過2000°C。
[0016] 上述方法中，燃料煤在豎爐下部燃燒區燃燒產生的高溫煙氣與下行爐料逆流換熱，爐料在豎爐上部預熱區和中部反應區被上升的高溫煙氣逐步加熱。在豎爐中部反應區，磷灰石加碳球團中的還原劑碳將磷灰石中的五氧化二磷(P2O5)還原為元素磷(P2)。
[0017](CaO) 3.(P2O5) +3Si02+5C — 3CaSi03+P2+5C0
[0018]同時,爐料中的部分燃料煤與高溫煙氣發生氣化反應,生成一氧化碳(CO)和氫氣(H2)0
[0019]C+C02 —2C0
[0020]C+H20 — C0+H2
[0021]上述方法中，磷灰石中五氧化二磷(P2O5)的還原反應和燃料煤的氣化反應生成的含磷煤氣自豎爐頂部的煤氣出口排出，熔融爐渣自豎爐下部出渣口排出。
[0022]上述方法中，含磷煤氣的主要成分是磷蒸汽(P2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和一定量氫氣(H2),并含少量、SiF4, PH3等成分。
[0023]上述方法中，自煤氣出口排出的含磷煤氣經除塵單元，采用三級除塵方法除去粉塵后進入冷凝單元，采用噴淋吸收塔回收元素磷(P2),再經煤氣凈化單元凈化煤氣。凈化后的煤氣主要成分為一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和氫氣(h2)。
[0024]本發明還提供了一套用于煉磷并聯產氣的裝置，包括
[0025]一豎爐，一除塵單元，一冷凝單元和一煤氣凈化單元；其中豎爐的煤氣出口和除塵單元連接，除塵單元的氣體出口和冷凝單元連接，冷凝單元的氣體出口和煤氣凈化單元連接。
[0026]與現有火法煉磷技術相比，本發明具有如下優點:
[0027](I)本發明使用磷灰石加碳球團替代塊狀磷灰石，可增大磷灰石與還原劑碳之間的接觸面積，有利于加快磷灰石與還原劑碳的反應，并使反應在溫度較低的豎爐中部反應區進行。
[0028](2)本發明可使用無煙煤、半焦或碎焦炭作為還原劑，可使用無煙煤、煤球、半焦或焦炭作為燃料，降低煉磷的生產成本。
[0029](3)本發明采用氧氣(O2)作為助燃劑，凈化后的煤氣主要成分為一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和氫氣(H2),不含氮氣(N2),煤氣熱值高,便于后續處理和綜合利用。
【專利附圖】
【附圖說明】[0030]圖1為全氧豎爐煉磷聯產合成氣生產流程示意圖，其中:
[0031]1、豎爐；2、除塵單元；3、冷凝單元；4、煤氣凈化單元。
[0032]圖2為全氧煉磷豎爐示意圖，其中:[0033]A、預熱區；B、反應區；C、燃燒區；D、爐缸；1_1、加料口 ；E_1、煤氣出口 1-2、風口 ；E-2、出渣口。
【具體實施方式】
[0034]以下為本發明的一個優選實施例，其僅用作對發明的解釋而不是限制。
[0035]本實施例中，采用品位為20%的磷礦石；固定碳含量為90%的無煙煤作為還原劑碳；固定碳含量為90%，粒度為5(T80mm的無煙煤作為燃料煤。
[0036]如圖1所示，全氧豎爐煉磷聯產合成氣生產流程包括:
[0037](I)將磷礦石和用作還原劑碳的無煙煤干燥后，磨細至50-100目；將磨細的磷礦石和無煙煤按五氧化二磷(P2O5)與固定碳摩爾比1:5~1:10混合均勻，加入粘土漿作為粘結劑制成生球團；經干燥、預熱、焙燒、冷卻，制成粒度為l(T20mm的磷灰石加碳球團。磷灰石加碳球團的強度不低于2000N/個。
[0038](2)將磷灰石加碳球團與用作燃料煤的無煙煤按五氧化二磷(P2O5)與固定碳的摩爾比1:141:21混合配料。如圖2所示，將得到的混合料從豎爐頂部加料口 1-1加入豎爐。
[0039](3)氧氣與配加的水蒸汽從豎爐下部風口 1-2進入豎爐，氧氣與水蒸汽的配比須達到控制豎爐下部燃燒區溫度不超過2000°C。
[0040](4)豎爐I中生成的含磷煤氣自豎爐頂部煤氣出口 E-1排出，熔融爐渣自豎爐下部出渣口 E-2排出。
[0041](5)導出的含磷煤氣經除塵單元2除去粉塵后，送到冷凝單元3回收含磷煤氣中的磷(P2)。
[0042](6)回收磷后的煤氣送入煤氣凈化單元4，凈化處理后的煤氣主要成分為一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和氫氣(H2)，可用作化工生產的合成氣或燃料。
[0043]本實施例涉及的全氧豎爐煉磷方法的物料計算如下:
[0044]按磷礦石的品位為20%，無煙煤中固定碳含量為90%，磷回收率為95%，豎爐熱利用率70%，反應過程中燃料煤和磷灰石加碳球團中碳的最終轉化產物為一氧化碳(CO)和二氧化碳(C02)。其它計算條件為:
[0045]在豎爐中發生的燃料煤的燃燒反應:
[0046](2+ a ) C+ (1+ a ) O2 — 2C0+ a CO2,取 α =1
[0047]在豎爐中部反應區發生的五氧化二磷(P2O5)的還原反應:
[0048](CaO) 3.(P2O5) +3Si02+5C — 3CaSi03+P2+5C0
[0049]磷灰石所含雜質為CaO，SiO2,煤灰分為SiO2
[0050]成洛反應:
[0051]CaCHSiO2 — CaSiO3
[0052]假定氣體出口溫度300°C，爐渣出口溫度1500°C ；
[0053]基于以上計算條件，根據全氧豎爐煉磷過程的物料及熱平衡，計算可得生產I噸成品磷消耗無煙煤約為9.2噸，氧氣10315Nm3，副產煤氣(C0+C02+H2) 15472Nm3。
【權利要求】
1.一種全氧豎爐煉磷聯產合成氣的方法，包括: 將爐料自豎爐頂部加料口加入，所述爐料為磷灰石加碳球團與燃料煤的混合物；純氧和水蒸汽自豎爐下部風口通入；燃料煤在豎爐下部燃燒產生的高溫煙氣加熱下行爐料；在豎爐中部，磷灰石加碳球團中的還原劑碳將磷灰石中的五氧化二磷還原為元素磷，同時燃料煤發生氣化反應，生成的含磷煤氣自豎爐頂部煤氣出口排出，所述含磷煤氣經冷凝單元回收磷，除磷煤氣經煤氣凈化單元處理后得到煤氣；生成的熔融爐渣自豎爐下部出渣口排出。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷灰石加碳球團按如下方法制備: 磷灰石和還原劑碳干燥后，磨細至50-100目，按磷灰石中五氧化二磷與還原劑碳的摩爾比1: 5^1:10混勻，加入粘土漿作為粘結劑制成生球團，經干燥、預熱、焙燒、冷卻，制成磷灰石加碳球團。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述還原劑為無煙煤、半焦或碎焦炭中的一種或多種；所述磷灰石加碳球團的粒度為l(T20mm，強度不低于2000Ν/個。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷灰石加碳球團中五氧化二磷與所述燃料煤中碳的摩爾比為1:14~1:21。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料煤的粒度為5(T80mm，所述燃料煤為無煙煤、煤球、半焦或焦炭中的一種或多種。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述豎爐下部燃燒區溫度不超過2000°C。
7.一種用于煉磷聯產合成氣的裝置，其特征在于，所述的裝置包括一豎爐，一除塵單元，一冷凝單元和一煤氣凈化單元；所述豎爐的煤氣出口和所述除塵單元連接，所述除塵單元的氣體出口和所述冷凝單元連接，所述冷凝單元的氣體出口和所述煤氣凈化單元連接。
【文檔編號】C01B25/027GK103897737SQ201210587573
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月28日 優先權日:2012年12月28日
【發明者】趙月紅, 張文翠, 王樹民, 王志, 溫浩, 許志宏 申請人:中國科學院過程工程研究所