黃磷電爐干法提磷工藝路線的探析

吳振山

(江蘇德義通環(huán)?？萍加邢薰?江蘇南京 211800)

黃磷電爐干法提磷工藝路線的探析

吳振山

(江蘇德義通環(huán)?？萍加邢薰?江蘇南京 211800)

通過(guò)對(duì)電爐法黃磷生產(chǎn)過(guò)程的分析，提出一種較為理想的環(huán)保工藝技術(shù)路線，并對(duì)采用該工藝路線的旋風(fēng)除塵技術(shù)進(jìn)行化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。分析結(jié)果表明，該工藝穩(wěn)定性好，綜合性?xún)r(jià)比高，值得大型黃磷生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用嘗試。

黃磷；干法提磷；旋風(fēng)除塵

我國(guó)現(xiàn)有的絕大多數(shù)電爐法黃磷生產(chǎn)裝置均采用水洗法提取黃磷，爐氣經(jīng)水洗后再對(duì)磷泥進(jìn)行液固分離及氣固分離。該工藝路線的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性高，設(shè)備維護(hù)成本低；缺點(diǎn)是系統(tǒng)綜合能耗高，磷收率低，循環(huán)水中的砷、氟等有毒成分含量高，對(duì)操作人員及周邊環(huán)境危害極大，需定期處理。較理想的工藝方案是先對(duì)爐氣進(jìn)行氣固分離，然后采取間歇式換熱技術(shù)液化提取黃磷，不僅可降低水洗后氣固分離帶來(lái)的巨大能耗，而且能避免含砷、氟廢水的產(chǎn)生。遺憾的是，數(shù)十年前國(guó)內(nèi)外均曾出現(xiàn)過(guò)利用電除塵技術(shù)對(duì)出磷電爐爐氣進(jìn)行氣固分離的嘗試，但因需定期停車(chē)對(duì)電極板及振打器進(jìn)行維護(hù)，工藝系統(tǒng)綜合成本高，技術(shù)推廣緩慢，未能實(shí)現(xiàn)技術(shù)的進(jìn)一步推進(jìn)。筆者等[1]曾嘗試采取過(guò)濾式氣固分離技術(shù)、間歇式換熱及水洗法工藝路線提取黃磷，并在磷電爐后續(xù)工段引入引風(fēng)機(jī)，經(jīng)過(guò)相關(guān)試驗(yàn)證明該技術(shù)方案可行，但因一次投資較高，相關(guān)企業(yè)積極性不佳。為此，在吸收上述技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討一種次佳工藝技術(shù)方案，以期降低黃磷生產(chǎn)綜合能耗。

1 工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 除塵工藝流程

除塵工藝流程如圖1所示。

出磷電爐的爐氣先經(jīng)過(guò)旋風(fēng)除塵器將其中粒徑大于5 μm的粉塵顆粒剔除，然后進(jìn)入水洗塔分離出含有少量磷泥的黃磷。根據(jù)如圖2所示采用干法過(guò)濾式除塵器收集的磷電爐爐氣粉塵粒度分布，假定不同粒徑下的粉塵密度相同，理論狀態(tài)下采用旋風(fēng)除塵后預(yù)計(jì)可除去爐氣中77%的粉塵。鑒于旋風(fēng)除塵工藝對(duì)粒徑3～5 μm的粉塵也有一定的分離作用，且在實(shí)際運(yùn)行中，粉塵間存在團(tuán)聚、靜電吸附等現(xiàn)象，粉塵分離率一般會(huì)略高于理論值。

圖1 除塵工藝流程

1.2 工藝系統(tǒng)控制要點(diǎn)

該技術(shù)的核心控制點(diǎn)包括除塵器設(shè)備及管路殼體內(nèi)層結(jié)露、粉塵分離率、磷電爐爐頂壓力以及除塵器卸料灰倉(cāng)的氣密性，具體措施如下。

(1) 為保證除塵系統(tǒng)各點(diǎn)不結(jié)露，對(duì)整個(gè)除塵系統(tǒng)采取夾套電伴熱并作保溫處理。夾套內(nèi)溫度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)對(duì)磷收率及系統(tǒng)綜合能耗產(chǎn)生較大影響，根據(jù)黃磷行業(yè)采用過(guò)的LP濾芯除塵器及靜電除塵器的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，夾套溫度控制在280～330 ℃為宜。

圖2 磷電爐爐氣粉塵粒度分布

(2) 風(fēng)機(jī)選型參數(shù)關(guān)系到工藝系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行，若所選風(fēng)機(jī)的流量-壓頭-功率等綜合指標(biāo)過(guò)于保守，當(dāng)出現(xiàn)磷電爐塌料等情況時(shí)，除塵系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足工況使用要求；若指標(biāo)過(guò)高，系統(tǒng)綜合能耗也會(huì)隨之升高。根據(jù)類(lèi)似經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)工況下的2.8～3.0倍、電機(jī)功率選擇理論值的1.5～1.8倍為宜，旋風(fēng)筒的進(jìn)氣量可通過(guò)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或風(fēng)機(jī)出口旁路閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證磷電爐處于低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)依然能夠保持較高的粉塵分離率。

(3) 磷電爐壓力的相對(duì)穩(wěn)定也是關(guān)乎工藝系統(tǒng)能否順利運(yùn)行的關(guān)鍵，可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口閥開(kāi)度以維持磷電爐爐頂壓力在(200±150) Pa。

(4) 灰倉(cāng)出料是系統(tǒng)安全系數(shù)要求最高的環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)可采用連續(xù)出料或間歇式卸料，優(yōu)先選擇間歇式卸料，卸料操作與電極分閘時(shí)間點(diǎn)保持同步，卸料完畢后即對(duì)灰倉(cāng)卸料口進(jìn)行水封或料封。

2 投資分析

2.1 投資估算

2.1.1 一次投資

以處理氣量3 000 m3/h(標(biāo)態(tài))、待處理氣體平均溫度375 ℃、氣體原始粉塵質(zhì)量濃度平均值150 g/m3(標(biāo)態(tài))、除塵后氣體中粉塵質(zhì)量濃度平均值34.5 g/m3(標(biāo)態(tài))、忽略操作壓力及粉塵含量對(duì)待處理氣體體積的影響、系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命20年為估算依據(jù)，系統(tǒng)一次投資匯總見(jiàn)表1。

2.1.2 運(yùn)行費(fèi)用

旋風(fēng)除塵技術(shù)的設(shè)備易損件相對(duì)較少，主要運(yùn)行費(fèi)用是引風(fēng)機(jī)的電費(fèi)以及系統(tǒng)伴熱額外增加的電費(fèi)。除塵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用分項(xiàng)匯總?cè)绫?所示。

表1 系統(tǒng)一次投資匯總

項(xiàng)目 價(jià)格/元備 注設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)1291201套,材質(zhì)Q345引風(fēng)機(jī)560001臺(tái),功率11kW,變頻調(diào)速加熱器1056012.0kW,正常投用8.5kWDN1100電動(dòng)閘閥280001只DN400電動(dòng)閘閥220001只DN300手動(dòng)閘閥54001只保溫材料及輔材240001套控制系統(tǒng)1600001套安裝費(fèi)21300合計(jì)456380

表2 除塵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用分項(xiàng)匯總

項(xiàng)目單價(jià)數(shù)量?jī)r(jià)格/元電費(fèi)1)0.6元/(kW·h)149040kW·h89424循環(huán)冷卻水0.2元/t600t120潤(rùn)滑油25元/L15L375易損件5000元/套1套5000新增人工費(fèi)2)200元/(人·h)158人·h31600

注：1)以強(qiáng)電運(yùn)行功率19.5 kW、弱電運(yùn)行功率1.2 kW統(tǒng)計(jì)；2)包括系統(tǒng)PLC控制、卸料、設(shè)備維修等需要的人工

2.2 效益分析

項(xiàng)目投入運(yùn)行后，每年有2 494.8 t粉塵不再轉(zhuǎn)化為磷泥；在除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，扣除運(yùn)行費(fèi)用，每年可為企業(yè)帶來(lái)166.74萬(wàn)元的直接經(jīng)濟(jì)效益。除塵后黃磷系統(tǒng)的年效益分析匯總見(jiàn)表3。

表3 除塵后黃磷系統(tǒng)年效益分析匯總

項(xiàng)目年耗量年效益/元備 注黃磷尾氣/m3(標(biāo)態(tài))771900849090電/(kW·h)27931452380V/220V新鮮水/m3348.86698低壓蒸汽/t139.6616759約0.3MPa磷損失量/t77.16925920以P4殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

盡管上述技術(shù)方案依然不能徹底阻斷黃磷生產(chǎn)中磷泥的形成，但可大幅減少后續(xù)工段磷泥的生成量，且結(jié)合化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面的分析，工藝路線可行。

該項(xiàng)目投資回收期約3個(gè)月，技改見(jiàn)效快。從經(jīng)濟(jì)效益的絕對(duì)量來(lái)看，其數(shù)值相對(duì)較小，對(duì)降低黃磷生產(chǎn)成本的作用有限，故對(duì)小規(guī)模黃磷生產(chǎn)企業(yè)的吸引力不大，適合大規(guī)模黃磷生產(chǎn)企業(yè)采用。鑒于磷化工行業(yè)整體低迷的現(xiàn)狀，通過(guò)較低的投資實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝設(shè)備的適當(dāng)改進(jìn)以降低運(yùn)行成本，已成為行業(yè)內(nèi)部分企業(yè)能否繼續(xù)生存的核心因素之一，建議有條件的企業(yè)可進(jìn)行工藝技術(shù)嘗試。

[1] 吳振山,劉晨.黃磷提純工藝優(yōu)化方案的可行性分析[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程，2015(5):36- 39.

ExplorationandAnalysisofDryPhosphorusExtractionProcesswithElectricFurnaceforYellowPhosphorus

WU Zhenshan

(Jiangsu Deyitong Environmental Protection Technology Co., Ltd., Nanjing 211800, China)

Through analysis of electric furnace yellow phosphorus production process, a more ideal environment friendly technological process is proposed, and an economical efficiency analysis for chemical technology of the cyclone dust removal technology adopted by the process is carried out. Analysis results show that the process has good stability and high comprehensive cost-performance ratio. It is worth attempting to apply by large- scale yellow phosphorus production enterprises.

yellow phosphorus; dry phosphorus extraction method; cyclone dust removal

TQ126.3+16

A

1006- 7779(2017)04- 0027- 02

2016- 06- 16)

吳振山(1985—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榛きh(huán)保技術(shù)開(kāi)發(fā)以及節(jié)能減排、企業(yè)管理；wuzhenshan@qq.com