熱法磷酸與濕法工業(yè)磷酸的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

梅 毅,樊 蕾,梁雪松,趙建國

(1.云天化集團(tuán)有限責(zé)任公司,云南昆明 650228;2.云南省化工研究院)

熱法磷酸與濕法工業(yè)磷酸的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

梅 毅1,樊 蕾2,梁雪松2,趙建國2

(1.云天化集團(tuán)有限責(zé)任公司,云南昆明 650228;2.云南省化工研究院)

以工業(yè)級(jí)磷酸為目標(biāo)產(chǎn)品,以黃磷和濕法磷酸加工為起點(diǎn),以黃磷產(chǎn)業(yè)與濕法磷酸生產(chǎn)已有的上下游生產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ),從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā),系統(tǒng)開展了熱法與濕法兩條不同加工路線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析;引入了原料和產(chǎn)品價(jià)格,把熱濕兩種工藝分別作為一個(gè)系統(tǒng)加以分析研究,將各系統(tǒng)生產(chǎn)的所有產(chǎn)品的利潤用于沖抵工業(yè)磷酸成本來討論比較其競爭力;重點(diǎn)開展了動(dòng)力、硫磺價(jià)格對熱濕兩種加工路線所生產(chǎn)工業(yè)磷酸的成本分析比較;提出了發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的建議,指出了在實(shí)施黃磷生產(chǎn)尾氣制碳一化工產(chǎn)品、渣熱綜合利用后,濕法磷酸凈化制工業(yè)磷酸的成本高于熱法磷酸。

熱法磷酸;濕法磷酸;凈化

磷酸的工業(yè)生產(chǎn)方法分為電熱法、濕法、窯法3種路線。電熱法工藝生產(chǎn)的磷酸產(chǎn)品可以直接作為工業(yè)磷酸使用,而濕法、窯法工藝生產(chǎn)的磷酸均需要進(jìn)一步凈化才能達(dá)到工業(yè)級(jí)磷酸的質(zhì)量要求。電熱法工藝以工業(yè)黃磷為原料,經(jīng)燃燒 -氧化、水合 -吸收后制得磷酸。濕法磷酸凈化生產(chǎn)的工業(yè)磷酸(以下稱濕法工業(yè)磷酸)是從農(nóng)用級(jí)濕法磷酸出發(fā),通過化學(xué)沉淀、溶劑萃取或溶劑沉淀等技術(shù)路線制備。目前,工業(yè)上大規(guī)模廣泛應(yīng)用的濕法磷酸凈化技術(shù)以溶劑萃取工藝為主[1]。筆者以磷礦為原料,以產(chǎn)業(yè)化技術(shù)為基礎(chǔ),以循環(huán)經(jīng)濟(jì)為主線,開展電熱法磷酸(以下稱熱法磷酸)和濕法工業(yè)磷酸的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 研究范圍

以磷礦、硫磺、焦炭、硅石等為起始原料,再充分利用副產(chǎn)物作為資源開展產(chǎn)品的深加工,形成一條較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。熱法磷加工包括黃磷、磷酸、甲酸鈉、甲酸、五鈉、甲酸鉀、微晶玻璃 7套裝置,以黃磷加工為磷酸再加工為甲酸作為整個(gè)系統(tǒng)的平衡,其產(chǎn)業(yè)鏈及其物料平衡示意圖見圖 1[2]。濕法磷加工包括國內(nèi)主流的硫磺制硫酸、濕法磷酸、濕法磷酸凈化、氟硅酸鈉、磷石膏砌塊 5套裝置,磷石膏砌塊結(jié)合國內(nèi)規(guī)劃,使用量為副產(chǎn)磷石膏總量的 30%,其產(chǎn)業(yè)鏈及其物料平衡示意圖見圖 2。

圖 1 熱法磷加工產(chǎn)業(yè)鏈及其物料平衡示意圖

圖 2 濕法磷加工產(chǎn)業(yè)鏈及其物料平衡示意圖

1.2 裝置規(guī)模

選取成熟并具有競爭力的裝置規(guī)模進(jìn)行分析研究。濕法磷加工單系列裝置規(guī)模:硫酸裝置規(guī)模為80萬 t/a(以 100%H2SO4計(jì)),磷酸裝置規(guī)模為30萬 t/a(以 100%P2O5計(jì)),濕法磷酸凈化裝置規(guī)模為 2萬 t/a(以 100%P2O5計(jì)),氟硅酸鈉裝置規(guī)模為 3.5萬 t/a,磷石膏砌塊裝置規(guī)模為 3.25萬 t/a (50萬 m2/a);熱法磷加工單系列裝置規(guī)模:黃磷裝置規(guī)模為 1萬 t/a,磷酸裝置規(guī)模為 5萬 t/a(以85%H3PO4計(jì)),甲酸鈉裝置規(guī)模為 2萬 t/a,甲酸裝置規(guī)模為 1萬 t/a,五鈉裝置規(guī)模為 5萬 t/a,甲酸鉀裝置規(guī)模為 2萬 t/a。

1.3 裝置投資、消耗定額與產(chǎn)品價(jià)格

消耗定額因各企業(yè)所采用工藝與設(shè)備技術(shù)、生產(chǎn)規(guī)模、人員素質(zhì)、自動(dòng)化水平、企業(yè)管理等的不同存在較大的差異,濕法路線和熱法路線生產(chǎn)工業(yè)級(jí)磷酸的消耗定額也有所不同。表 1依據(jù)圖 1、圖 2所示產(chǎn)業(yè)鏈及裝置規(guī)模給出了熱法磷加工和濕法磷加工生產(chǎn)的典型的國內(nèi)先進(jìn)的消耗定額[3-6]。表 1中固定資產(chǎn)按14 a折舊,殘值率4%,年折舊率為6.86%;固定資產(chǎn)其他費(fèi)用按 5 a攤銷;其他管理費(fèi)按工資福利費(fèi)的 1.3倍計(jì)算;銷售費(fèi)用按銷售收入的 3%計(jì)算;修理費(fèi)和其他制造費(fèi)用按固定資產(chǎn)原值的 7%計(jì)算;人員工資和福利費(fèi)按 3.5萬元/a計(jì)算;不考慮土地費(fèi)用與財(cái)務(wù)費(fèi)用。表 1中原料與副產(chǎn)品價(jià)格依據(jù) 2010年 5—6月市場值確定。

表 1 兩條技術(shù)路線生產(chǎn)工業(yè)磷酸消耗與成本表

微晶玻璃裝置在利用磷渣過程中僅僅計(jì)入了高溫?zé)崮艿睦?肥料級(jí)磷酸考慮到磷酸品質(zhì)的問題,按 60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))DAP產(chǎn)品進(jìn)行成本與利潤核算(1 t 60%DAP產(chǎn)品利潤為 300元)。

2 成本分析

2.1 能源價(jià)格對工業(yè)磷酸成本的影響

通過對上市公司及其相關(guān)企業(yè)的調(diào)研、分析,得到如下電價(jià)與動(dòng)力煤、焦炭、蒸汽的關(guān)聯(lián)關(guān)系,并將此關(guān)聯(lián)關(guān)系帶入工業(yè)磷酸的成本分析之中。

注:動(dòng)力煤價(jià)是指燃值為 20 935 kJ/kg時(shí)的煤價(jià)。

圖 3～8給出了兩條技術(shù)路線生產(chǎn)工業(yè)磷酸的成本曲線。從圖 3可以看出,熱法磷酸生產(chǎn)中降低成本的核心是黃磷尾氣的利用,其次是黃磷渣熱量的利用,通過渣氣的利用,折算為工業(yè)磷酸 (以 1 t 100%P2O5計(jì),下同)的成本差額高達(dá) 5 400元。圖 4給出了濕法磷酸磷石膏利用的成本差異。由圖 4看出,電力價(jià)格超過 1.95元/(kW·h)后,利用磷石膏的成本反而超過了未利用磷石膏的成本,其原因是將電、煤、焦炭、蒸汽進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算,電、焦炭、蒸汽均隨煤價(jià)上升而上升,為了便于分析,固定了產(chǎn)品價(jià)格,而磷石膏制砌塊最大的成本在于用煤將二水石膏轉(zhuǎn)化為半水石膏,煤、電價(jià)格上升到一定水平后,若仍固定產(chǎn)品售價(jià),則形成了價(jià)格與成本的倒掛。從圖 5～8可以看出,隨著黃磷尾氣、黃磷渣的利用,熱法磷酸的競爭力逐步增強(qiáng)。在電力價(jià)格為0.49元/(kW·h)時(shí),圖 5顯示,不開展黃磷循環(huán)經(jīng)濟(jì),濕法工業(yè)磷酸占有絕對優(yōu)勢,濕法工業(yè)磷酸成本比熱法磷酸低 1 908元/t;但通過開展黃磷尾氣與黃磷渣的利用,濕法工業(yè)磷酸的成本反而比熱法磷酸高 3 495元/t(見圖 8);黃磷尾氣得不到利用,僅僅開展磷渣熱能利用,濕法工業(yè)磷酸成本仍比熱法磷酸低 1 253元/t(見圖 6);開展黃磷尾氣利用但不開展磷渣熱能利用,濕法工業(yè)磷酸成本比熱法磷酸高2 840元/t(見圖 7)。

表 2給出了不同黃磷循環(huán)經(jīng)濟(jì)方式與濕法工業(yè)磷酸的臨界電力價(jià)格,超過臨界電力價(jià)格,熱法磷酸的競爭力弱于濕法工業(yè)磷酸。考慮到目前黃磷生產(chǎn)的周期性,圖 5～8、表 2均給出了熱法生產(chǎn) 50%負(fù)荷時(shí)的比較值。從圖 3與表 2可以看出,黃磷渣的利用主要是其熱能,當(dāng)能源價(jià)格低于一定值后,其熱能利用就失去了經(jīng)濟(jì)意義(未考慮微晶玻璃隨能源價(jià)格上漲而上漲的因素)。

表 2 黃磷循環(huán)經(jīng)濟(jì)方式與濕法工業(yè)磷酸的臨界電力價(jià)格

為了進(jìn)一步考察熱法磷加工路線的競爭力,將表 1副產(chǎn)品甲酸鉀、甲酸、磷鐵的價(jià)格下調(diào) 10%,得到圖 9的成本比較圖。從圖 9可以看出,熱法磷加工負(fù)荷分別為 100%,50%時(shí),其臨界電力價(jià)格仍然高達(dá) 1.03,0.78元/(kW·h)。

圖 9 熱法加工副產(chǎn)品銷售價(jià)格下調(diào)10%后工業(yè)磷酸成本對比圖

2.2 硫磺對工業(yè)磷酸成本的影響

圖 10 硫磺價(jià)格對濕法工業(yè)磷酸的成本影響

圖 10給出了濕法工業(yè)磷酸與硫磺價(jià)格變化的關(guān)系,同時(shí)給出了當(dāng)電力價(jià)格分別為 0.49, 1元/(kW·h)時(shí)的熱法磷酸成本。從圖 10可以看出,實(shí)施黃磷尾氣與磷渣的綜合利用后,當(dāng)電價(jià)為0.49元 /(kW·h)時(shí),熱法磷酸成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濕法工業(yè)磷酸;當(dāng)電價(jià)為 1元/(kW·h)且每噸硫磺價(jià)格低于 1 190元時(shí),濕法工業(yè)磷酸的成本低于熱法磷酸。圖 10濕法工業(yè)磷酸成本曲線的電價(jià)仍為0.49元/(kW·h),如果考慮電價(jià)與熱法磷酸1元/(kW·h)持平,其硫磺價(jià)格的平衡點(diǎn)為2 410元/t。

3 結(jié)論與建議

1)黃磷產(chǎn)業(yè)下游最大的用戶是工業(yè)磷酸,黃磷產(chǎn)業(yè)不開展循環(huán)經(jīng)濟(jì)就沒有出路,而黃磷循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)是黃磷尾氣制碳一化工產(chǎn)品。2)通過黃磷產(chǎn)業(yè)中黃磷尾氣、磷渣綜合利用,在工業(yè)電價(jià)低于1.2元/(kW·h)時(shí),熱法磷酸的綜合成本將低于濕法磷酸凈化制備工業(yè)磷酸成本。3)據(jù)測算,實(shí)施黃磷產(chǎn)業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)后,黃磷產(chǎn)業(yè)的萬元綜合能耗為0.541 4 t標(biāo)煤,低于濕法工業(yè)磷酸 0.980 2 t標(biāo)煤的綜合能耗。4)黃磷產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的良好發(fā)展,有賴于產(chǎn)業(yè)規(guī)模的集中度。5)濕法工業(yè)磷酸的競爭力有賴于磷石膏及氟硅資源的高附加值綜合利用。

[1] 鐘本和,李軍,郭孝東.濕法磷酸凈化技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].無機(jī)鹽工業(yè),2008,40(2):9-12.

[2] 梅毅,梁雪松,楊亞斌,等.黃磷產(chǎn)業(yè)的節(jié)能降耗與資源利用[J].現(xiàn)代化工,2010,30(10):80-83.

[3] 繆振虎,劉榮,沈浩,等.濕法磷酸凈化技術(shù)研究及其應(yīng)用[C]//2010國際精細(xì)磷化工技術(shù)交流大會(huì)論文集.湖北宜昌:中國化工信息中心,2010:38-44.

[4] 梅毅,方曉峰.濕法磷酸凈化與熱法磷酸競爭力分析[J].云南化工,2007,34(5):18-22.

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[6] 楊亞斌,梅毅,樊蕾,等.熱法磷酸生產(chǎn)副產(chǎn)蒸汽的回收利用技術(shù)[J].無機(jī)鹽工業(yè),2008,40(2):45-46.

Techno-econom ic analysis on phosphoric acid by furnace process and phosphoric acid by wet process

Mei Yi1,Fan Lei2,Liang Xuesong2,Zhao Jianguo2
(1.Yuntianhua Group Co.,L td.,Kunm ing650228,China;2.Yunnan Research Institute of Chem ical Industry)

From the perspective of recycling economy,taking the industrial phosphoric acid as a target product,starting from the production of yellow phosphorus and phosphoric acid bywetprocess,based on the existingproduction techniques in the upstream and downstream of yellow phosphorus industry and the production of phosphoric acid bywet-process,a systematic techno-economic analysis on the two different processing routes(furnace process and wet process)wasmade.Prices of raw materials and productswere introduced and the wet and furnace processeswere treated as a system separately in the analysis and research.In order to discuss and compare their competitiveness,the profitmade by all the products of each system was used to offset the cost of industrial phosphoric acid.Especially,the influence of power expense and sulfur price on the costs of the two processing routeswas discussed.In addition,the suggestions about the developmentof recycling economy were put for ward.At last,itwas pointed that the cost of the production process of industrial phosphoric acid from the purification of phosphoric acid bywetprocesswas higher than thatof phosphoric acid by furnace process after the implementation of a series ofmeasures,such as using tail-gas in the yellow phosphorus production to make C1 chemical products and comprehensive utilization ofwaste residue and heat.

phosphoric acid by furnace process;phosphoric acid bywet process;purification

TQ126.35

A

1006-4990(2011)01-0004-04

2010-07-28

梅毅(1963— ),男,正高級(jí)工程師,研究生學(xué)歷,長期從事磷化工研究與技術(shù)開發(fā)工作,入選國家“新世紀(jì)百千萬人才工程人選”,曾獲國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)、省部級(jí)獎(jiǎng)多項(xiàng)。

聯(lián)系方式:meiyi-412@sina.com