大型磷酸一銨裝置工程設(shè)計(jì)優(yōu)化

沈立瑩，施光輝，王艷紅

（云南云天化股份有限公司紅磷分公司，云南開遠(yuǎn) 661699）

大型磷酸一銨裝置工程設(shè)計(jì)優(yōu)化

沈立瑩，施光輝，王艷紅

（云南云天化股份有限公司紅磷分公司，云南開遠(yuǎn) 661699）

磷酸一銨裝置工程集成了國內(nèi)目前先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，充分利用低位余熱加熱磷酸、氣化液氨，利用磷酸與氣氨的反應(yīng)熱干燥磷酸一銨產(chǎn)品，節(jié)約能源消耗；利用流化床冷卻工藝技術(shù)，解決了產(chǎn)品冷卻和成團(tuán)結(jié)塊問題；采用塔式和管道濕法洗滌工藝技術(shù)洗滌尾氣，有效改進(jìn)尾氣排放指標(biāo)；與國內(nèi)同類型裝置相比，取消了熱風(fēng)爐、冷卻機(jī)等設(shè)備，優(yōu)化了工藝流程，在降低能源消耗的同時更容易操作，降低了投資費(fèi)用及生產(chǎn)成本。

磷酸一銨；優(yōu)化；生產(chǎn)工藝；技術(shù)；產(chǎn)品

云南云天化股份有限公司紅磷分公司（以下簡稱“紅磷分公司”）20萬 t/a磷酸一銨（英文縮寫MAP）裝置建于2012年5月，生產(chǎn)工藝為采用不同含固量的原料濃磷酸配置為P2O5濃度大于45%的磷酸，用泵送入噴粉塔的管式反應(yīng)器中，在管式反應(yīng)器內(nèi)與氣氨反應(yīng)生成中和度為0.9～1.1的磷銨料漿直接噴入噴粉塔，通過加壓—噴霧的反應(yīng)工藝與塔底吹入的冷卻空氣逆流冷卻干燥后制得滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品粉狀磷酸一銨。噴霧干燥塔為塔底鼓風(fēng)的流化床式噴霧干燥塔（磚混砌體與碳鋼結(jié)合的硬塔）；配酸設(shè)施布置了磷酸加熱器（石墨換熱器），增加了磷酸帶入噴霧干燥塔的熱量；充分利用磷酸與氨的反應(yīng)熱及高溫磷酸帶入的熱量；裝置未設(shè)計(jì)產(chǎn)品干燥的熱風(fēng)爐及冷卻、破碎、篩分裝置；同時設(shè)置多個散料倉，方便調(diào)節(jié)產(chǎn)品養(yǎng)分；利用磷酸濃縮產(chǎn)生的冷凝液作為熱源來蒸發(fā)液氨，降溫冷卻后的冷凝液送到硫酸脫鹽水站直接使用，達(dá)到了能源與水資源的綜合利用的同時也降低了產(chǎn)品的綜合能耗。該工程設(shè)計(jì)工藝取消了干燥、冷卻及除塵系統(tǒng)，縮小了裝置的占地面積，簡化了工藝過程，減少了設(shè)備臺數(shù)及維修費(fèi)用的同時降低了生產(chǎn)成本。

1 技術(shù)原理及生產(chǎn)工藝

1.1 主要化學(xué)反應(yīng)

磷酸一銨的熱穩(wěn)定性好，不易吸潮，在水中溶解度大，且隨著溫度的升高而急劇增大；在氨與酸的氨化過程放出的熱量很大，可利用它蒸發(fā)除去溶液中一部分水分，通常磷酸中和 1 kg氣氨即蒸發(fā)1～2 kg水[1]，這與磷酸濃度和溫度有關(guān)。磷酸一銨生產(chǎn)的主要化學(xué)反應(yīng)為磷酸與氨之間的反應(yīng)。磷酸中的氫離子被中和，生成磷酸一銨(MAP)和磷酸二銨(DAP)[2]：

H3PO4＋NH3=NH4H2PO4ΔH0298= -126 kJ H3PO4＋2NH3=(NH4)2HPO4ΔH0298= -203 kJ

反應(yīng)過程中磷酸與氨反應(yīng)直接生成NH4H2PO4，并產(chǎn)生少量(NH4)2HPO4，首先生成的是NH4H2PO4，再發(fā)生以下反應(yīng)：

NH4H2PO4＋ NH3= (NH4)2HPO4

1.2 裝置生產(chǎn)工藝簡述

自磷酸裝置來的濃磷酸（P2O5≥48%）、磷酸酸渣與洗滌液循環(huán)槽來的洗滌液進(jìn)入配酸槽進(jìn)行配酸、加熱，使?jié)饬姿嶂?P2O5≥45%、溫度達(dá) 80 ℃左右，自液氨罐區(qū)來的液氨經(jīng)氨蒸發(fā)器后變?yōu)閴毫椤?.8 MPa的氣氨，磷酸和氣氨經(jīng)計(jì)量后進(jìn)入安裝于噴霧干燥塔上的管式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)，反應(yīng)后的反應(yīng)料漿通過反應(yīng)器排液口上的噴頭直接進(jìn)入噴霧干燥塔頂部中心呈霧滴狀噴出，物料沿噴霧干燥塔自由下落，料液中的大部分水分由于減壓而閃急蒸發(fā)，與鼓風(fēng)機(jī)鼓入塔底的冷卻空氣逆流接觸，發(fā)生氣固相的質(zhì)、熱傳遞，使空氣被加熱增濕，磷酸一銨料漿被冷卻固化，經(jīng)塔底流化床的進(jìn)一步冷卻固化后，出塔體的磷酸一銨溫度約 50 ℃，水分小于2%，去散料倉調(diào)節(jié)養(yǎng)分后達(dá)到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品送包裝系統(tǒng)包裝。

在噴霧干燥塔頂設(shè)有一級管道尾氣洗滌器，洗滌液采用洗滌水或稀磷酸循環(huán)洗滌，并設(shè)有可靠的洗滌液收集設(shè)施，部分洗滌液抽出送配酸槽回收。從噴霧干燥塔頂管道洗滌器出來的含塵尾氣進(jìn)入文丘里洗滌后，經(jīng)洗滌塔除沫分離后，經(jīng)風(fēng)機(jī)抽送至50 m煙囪放空，文丘里洗滌液循環(huán)使用(圖1)。

圖1 磷酸一銨裝置工藝流程簡圖Fig.1 Process flow diagram of monoammonium phosphate plant

2 磷酸一銨裝置技術(shù)現(xiàn)狀分析

目前國內(nèi)磷酸一銨裝置在生產(chǎn)工藝上分傳統(tǒng)法和料漿法兩種，反應(yīng)塔（噴霧塔）有軟塔（橡膠塔）和硬塔（磚砌體）兩種，由于在生產(chǎn)過程中磷酸一銨會結(jié)成團(tuán)或結(jié)塊狀物且產(chǎn)品要求水分≤2%，裝置在設(shè)計(jì)時均配有熱風(fēng)爐、干燥塔、打散機(jī)、破碎、篩子等設(shè)備，尾氣處理有干法除塵+濕法洗滌和純濕法洗滌兩種。近年來磷酸一銨裝置技術(shù)普遍采用已有豐富運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的濃磷酸與氣氨中和反應(yīng)的生產(chǎn)工藝，使約0.45 MPa氣氨送入管式反應(yīng)器中，磷酸與氣氨在管式反應(yīng)器中進(jìn)行劇烈的絕熱中和反應(yīng)生成 170～175 ℃的磷酸一銨料漿。管式反應(yīng)器中的壓力為0.25～0.30 MPa，料漿通過管式反應(yīng)器排液口上的噴頭自噴霧干燥塔的頂部中心呈液滴狀噴出，室外冷空氣借助噴霧干燥塔的抽力自塔底吸入并沿塔上升，冷空氣上升過程中與下落的磷酸一銨料漿熱液滴相遇，發(fā)生氣固相的質(zhì)、熱傳遞，使空氣被加熱增濕，使磷酸料漿被冷卻固化，出塔體底部的磷酸一銨溫度約60 ℃，水分小于2%，經(jīng)篩分破碎后去包裝。含塵和氣態(tài)氟的尾氣經(jīng)濕式洗滌后達(dá)標(biāo)排放。

紅磷分公司的20萬t/a磷酸一銨裝置工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和建設(shè)時綜合論證了目前粉狀磷酸一銨的先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢及地理環(huán)境特點(diǎn)，在工程設(shè)計(jì)時就取消了熱風(fēng)爐、干燥機(jī)、篩分機(jī)等設(shè)備，生產(chǎn)流程簡短；國內(nèi)同類裝置在原料工序也有采用磷酸加熱技術(shù)，但主要的設(shè)備噴霧干燥塔為橡膠塔，裝置中設(shè)有破碎機(jī)、篩分機(jī)等設(shè)備，裝置的設(shè)備多、能耗相對就較高些，增加了操作控制的難度；國內(nèi)同類裝置在尾氣處理中有采用干法除塵+濕法洗滌的，由于干法除塵運(yùn)用重力沉降的原理，除塵器需定期人工清理，清理時工作量大，清理周期長，投入的人工多，人為工作量的增加導(dǎo)致裝置職業(yè)衛(wèi)生的防護(hù)較難控制；通過對比論證后，項(xiàng)目在尾氣處理方面采用兩級濕法洗滌，不需人工清理，較好地降低了生產(chǎn)成本。

3 技術(shù)優(yōu)化思路

采用濃縮濕法磷酸與氨反應(yīng)制得MAP的流程稱為傳統(tǒng)法生產(chǎn)流程，早期傳統(tǒng)法粉狀MAP采用反應(yīng)釜加壓中和噴霧自然干燥法[3]；即氣氨與磷酸在反應(yīng)釜中加壓中和反應(yīng)，反應(yīng)后的料漿通過氣流噴頭在干燥塔中將料漿閃蒸冷卻成粉狀固體。產(chǎn)品在干燥塔底部通過一個耙料機(jī)收集物料，再用輸送設(shè)備將其送入篩分破碎設(shè)備，早期設(shè)計(jì)的粉狀磷酸一銨裝置無干燥冷卻設(shè)備時產(chǎn)品含水一般在6%—9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），產(chǎn)品容易結(jié)塊，影響產(chǎn)品的儲存與使用，因此，以往設(shè)計(jì)時均增加了轉(zhuǎn)筒干燥和冷卻設(shè)備，使產(chǎn)品水分含量小于2%，降低產(chǎn)品結(jié)塊的概率。

隨著磷肥技術(shù)的快速發(fā)展，特別是管式反應(yīng)器的成功應(yīng)用并不斷改進(jìn)使磷肥生產(chǎn)技術(shù)躍上了一個新的平臺，粉狀磷酸一銨的生產(chǎn)技術(shù)中對管式反應(yīng)器的應(yīng)用也得到了較好地優(yōu)化。根據(jù)粉狀磷酸一銨目前的生產(chǎn)技術(shù)水平，結(jié)合紅磷的生產(chǎn)實(shí)際和技術(shù)水平，20萬t/a磷酸一銨工程設(shè)計(jì)時從原料、生產(chǎn)流程、設(shè)備及尾氣治理等方面進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，經(jīng)優(yōu)化后建設(shè)的MAP裝置工藝簡單、流程短，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1 原料的優(yōu)化

為提高反應(yīng)的磷酸溫度，在配酸過程中對磷酸進(jìn)行預(yù)加熱，熱源利用磷酸濃縮產(chǎn)生的高溫冷凝液或低壓蒸汽。將液氨先加熱汽化再用于生產(chǎn)，這樣可充分利用磷酸與氣氨產(chǎn)生的反應(yīng)熱用于干燥產(chǎn)品。蒸發(fā)液氨的熱源利用磷酸濃縮產(chǎn)生的高溫冷凝液，充分引入了蒸汽與冷凝水的梯級利用原理，盡可能地減少裝置的能源消耗。

3.2 生產(chǎn)流程的優(yōu)化

在充分利用磷酸與氨反應(yīng)熱的情況下，經(jīng)計(jì)算和實(shí)地考察后，決定反應(yīng)塔選擇帶流化床磚砌體的噴霧干燥塔，取消干燥、破碎、篩分等工序，大大縮短了工藝流程和減少了設(shè)備。在磷酸配酸過程中進(jìn)行加熱，提高磷酸帶入管式反應(yīng)器的熱量，考慮蒸汽的梯級利用原理，充分利用磷酸濃縮裝置的冷凝液對磷酸配酸進(jìn)行加熱，進(jìn)一步提高裝置中磷酸與氣氨反應(yīng)熱，為產(chǎn)品無熱風(fēng)爐干燥提供熱源保障；充分利用磷酸與氣氨的反應(yīng)熱量來干燥產(chǎn)品，裝置中不設(shè)置熱風(fēng)爐，節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)了清潔、節(jié)能的生產(chǎn)目的；利用流化床來打散、冷卻成團(tuán)的磷酸一銨，裝置中不設(shè)置冷卻機(jī)，減少裝置操作控制的難度，優(yōu)化了裝置的工藝流程；由于采用硬塔，通過加大尾氣風(fēng)機(jī)風(fēng)量，可在噴粉干燥塔內(nèi)形成較大的負(fù)壓，產(chǎn)品在噴粉干燥塔中下落時急速閃蒸，產(chǎn)品的水分低；塔內(nèi)形成負(fù)壓后，僅通過調(diào)節(jié)流化床風(fēng)機(jī)進(jìn)口閥開度就能達(dá)到調(diào)節(jié)流化床風(fēng)量的目的，流化床風(fēng)機(jī)可不用時常運(yùn)行。尾氣采用二級濕法處理，第一級洗滌用酸在噴霧干燥塔內(nèi)洗滌，第二級洗滌器（文丘里）設(shè)置在管道上，用水循環(huán)洗滌，兩級的洗滌液送到配酸槽使用，形成了污水循環(huán)利用、零排放的目標(biāo)。

由于氣氨與磷酸直接在管式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)，磷酸中所含的容易結(jié)垢的倍半氧化物均同時參與反應(yīng)，直接冷卻干燥磷酸一銨的生產(chǎn)產(chǎn)品，避免形成致密結(jié)垢層，堵塞設(shè)備及管道，且采用蒸汽加熱后清洗容易脫離，因此維護(hù)較為方便。裝置開停車能耗和物料基本沒有損失，充分消化利用渣酸、洗滌酸，生產(chǎn)較為方便。料漿通過管式反應(yīng)器排液口上的噴頭自噴霧干燥塔的頂部中心呈液滴狀噴出，室外冷空氣借助噴霧干燥塔的抽力自塔底吸入并沿塔上升，冷空氣上升過程中與下落的磷酸一銨料漿熱液滴相遇，發(fā)生氣固相的質(zhì)、熱傳遞，使空氣被加熱增濕，使磷酸料漿被冷卻固化，出塔體的磷酸一銨溫度約50 ℃，經(jīng)輸送后滿足產(chǎn)品包裝的要求。

3.3 尾氣治理優(yōu)化

為提高收塵效率，保護(hù)環(huán)境，收塵設(shè)施必須集中考慮，集中布置，用盡量少的風(fēng)機(jī)和洗滌器將各個污染源串接起來進(jìn)行洗滌后排空[4]。出噴霧塔的反應(yīng)尾氣采取兩級濕法洗滌的方式進(jìn)行處理，工藝水（或系統(tǒng)內(nèi)污水）和尾氣洗滌塔的洗滌液送至噴粉塔頂部對噴粉塔尾氣進(jìn)行初步洗滌，洗滌后的洗液落入接液盤，經(jīng)溢流管回到洗滌循環(huán)槽內(nèi)繼續(xù)循環(huán)使用，引出部分洗滌液到原料工序進(jìn)行配酸用，干燥尾氣經(jīng)噴霧干燥塔頂部一級管道洗滌器洗滌除去大部分MAP粉塵后，再經(jīng)文丘里洗滌器充分洗滌，尾氣洗滌塔除霧后，裝置實(shí)現(xiàn)了廢氣、粉塵達(dá)標(biāo)排放的要求。

4 項(xiàng)目消耗與產(chǎn)品質(zhì)量情況

項(xiàng)目認(rèn)真執(zhí)行各項(xiàng)節(jié)能降耗的法規(guī)、規(guī)定和設(shè)計(jì)規(guī)范，主要生產(chǎn)裝置中采取了許多行之有效的節(jié)能措施。項(xiàng)目建設(shè)以來，工藝過程控制采用DCS控制系統(tǒng)，對影響工藝的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以進(jìn)一步降低能耗；為減少裝置工藝水的消耗，生產(chǎn)過程中盡可能考慮了工藝水的重復(fù)利用，泵的密封水全部回收用于工藝補(bǔ)充水和酸性循環(huán)冷卻水的補(bǔ)充水。其產(chǎn)品消耗定額與產(chǎn)品質(zhì)量均能滿足設(shè)計(jì)要求，各物料消耗均控制較好，主要原料氣氨和磷酸的收率均得到很大程度的提升，產(chǎn)品綜合能耗控制在較低的水平，提升了產(chǎn)品價格的競爭優(yōu)勢。裝置主要消耗詳見表1。

表1 MAP裝置消耗定額（以每t實(shí)物計(jì)）Table 1 MAP unit consumption quota

裝置可根據(jù)客戶需要生產(chǎn)不同養(yǎng)分含量的MAP產(chǎn)品，正常情況下均組織生產(chǎn)為 60%MAP（10-50-0）產(chǎn)品，項(xiàng)目試生產(chǎn)以來連續(xù)三年的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到表2中產(chǎn)品質(zhì)量情況要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同原料磷酸的酸濃和含固量的情況，適時添加少量硫酸可明顯減少系統(tǒng)的粘結(jié)和堵塞，對改善產(chǎn)品的粒子外觀也有一定的作用[5]，生產(chǎn)的產(chǎn)品顏色灰白、均勻、不中空，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，較好地滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

Engineering Design and Optimization of Large Monoammonium Phosphate Plant

SHEN Li-ying，SHI Guang-hui，WANG Yan-hong
（Yunnan Yuntianhua Group Co., Ltd. Red Phosphorus Branch,Yunnan Kaiyuan 661699, China）

Monoammonium phosphate plant in our company integrates the current domestic advanced production technologies, it makes full use of low grade waste heat to heat phosphoric acid and gasify liquid ammonia, and the plant uses reaction heat of phosphate and ammonia gas to dry monoammonium phosphate product to save energy consumption; using the technology of cooling process of fluidized bed solves the problems about product cooling and caking; tower and pipeline wet scrubbing technology is used for washing tail gas to effectively improve the emission indicators; compared with the same type of domestic plants, the cooling machine, hot blast furnace and other equipments are removed, the process is optimized, energy consumption is increased, and the operation is simplified, which lowers investment cost and production cost.

monoammonium phosphate; optimization; production process; technology; products

TQ 115

A

1671-0460（2015）09-2207-03

2014-12-25

沈立瑩（1975-），男，云南開遠(yuǎn)人，高級工程師，工程碩士，2000年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：從事磷酸、硫酸、磷肥生產(chǎn)的技術(shù)管理與技術(shù)服務(wù)工作。E-mail：hlsly@mail.honglin.cn。