AZF工藝生產(chǎn)粒狀磷酸一銨的可行性研究

蘇小林，徐志強，何新建

（湖北大峪口化工有限責任公司，湖北 鐘祥 431910）

傳統(tǒng)法工藝生產(chǎn)磷酸二銨（DAP）能效高、控制方便、質(zhì)量穩(wěn)定，適合用于大裝置，但近年來傳統(tǒng)法磷酸二銨產(chǎn)品市場同質(zhì)化競爭激烈，產(chǎn)能嚴重過剩。粒狀磷酸一銨（GMAP）通常使用料漿法生產(chǎn)，具有規(guī)模小、能效低、養(yǎng)分低、水溶磷含量低等劣勢，市場占有率不高。筆者研究利用AZF工藝生產(chǎn)GMAP，提高裝置的靈活性，使裝置可以根據(jù)GMAP、DAP 和復合肥等產(chǎn)品的利潤情況合理安排生產(chǎn)。

利用AZF 工藝生產(chǎn)GMAP，主要需要研究的內(nèi)容是料漿中和度降低后的反應熱變化，如何建立新的熱平衡、水平衡和物料平衡，并據(jù)此確定各項工藝控制參數(shù)［1］。

1 工藝技術(shù)路線和流程

AZF雙管式反應器工藝，在造粒機和干燥機內(nèi)同時設(shè)置管式反應器。干燥機管式反應器（DPR）利用液氨和濃磷酸生產(chǎn)粉狀MAP，中和度控制在1.00 ～1.05，利用反應熱蒸發(fā)干燥機內(nèi)物料的水分［2］。生成的粉狀MAP 從干燥機進入造粒環(huán)路，經(jīng)篩分后作為返料進入造粒機中。造粒機管式反應器（GPR），使用輸入的磷酸、硫酸、液氨和洗滌液反應，控制中和度在1.4 左右以維持磷銨的最大溶解度。在GPR 中生成的料漿在轉(zhuǎn)鼓造粒機中二次氨化，中和度達到1.8以上，生成DAP。AZF工藝相較TVA工藝（預中和轉(zhuǎn)鼓氨化?；に嚕┳畲蟮膬?yōu)勢是利用DPR分散了一部分反應熱和液相量，降低了造粒機的返料比，充分利用了反應熱［3］。

湖北大峪口化工有限責任公司原裝置采用改進的AZF工藝，氨化粒化流程只采用造粒機單管式反應器，主要是利用洗滌系統(tǒng)作為第二反應器。在傳統(tǒng)法優(yōu)等品DAP 生產(chǎn)中，洗滌系統(tǒng)承擔了近1/3的氨化反應。

AZF 工藝生產(chǎn)GMAP技術(shù)按照AZF雙管式反應器流程的設(shè)計思路，恢復DPR。利用DPR 在干燥機內(nèi)噴霧自熱干燥生產(chǎn)粉狀MAP，利用GPR 在造粒機內(nèi)造粒。這樣既可以分散反應熱，降低返料比和提高生產(chǎn)負荷，又可以增加系統(tǒng)的結(jié)晶核，保證造粒工序的需要。整個生產(chǎn)工藝流程基本不變（除增加DPR 之外，僅停止氨軸、內(nèi)染色和外包裹系統(tǒng)），只調(diào)整部分控制參數(shù)。AZF 工藝生產(chǎn)GMAP的工藝流程見圖1。

圖1 AZF工藝生產(chǎn)GMAP工藝流程

2 工藝衡算

2.1 衡算條件說明

以某公司常規(guī)濕法濃磷酸平均全分析指標進行產(chǎn)品質(zhì)量測算，表1為其全分析指標。

表1 濃磷酸全分析指標 %

生產(chǎn)GMAP時，GPR和DPR中料漿中和度一般控制在1.00～1.05，下面均按中和度1.00 進行相關(guān)衡算。假定GMAP 產(chǎn)品w（H2O）為1.5%，按照配方計算公式［4］，產(chǎn)品w（N）10.82%、w（P2O5有效）52.73%、w（總養(yǎng)分）63.55%。

濃磷酸溫度使用實測值40 ℃；液氨純度按99.95%計算，密度取0.617 6 t/m3，系統(tǒng)氨損失按1%計算；系統(tǒng)水耗按7 t/h 計算，主要是洗滌系統(tǒng)工藝補水，溫度為15 ℃；假設(shè)環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境空氣水含量可忽略，環(huán)境空氣的密度為1.207 kg/m3。根據(jù)料漿法GMAP 裝置生產(chǎn)粉狀MAP［5］的經(jīng)驗和采用自熱干燥生產(chǎn)模式的實際條件，可以在滿足尾氣相對濕度等條件下盡可能降低風量，并結(jié)合裝置尾氣系統(tǒng)實際處理能力，假定進入造粒系統(tǒng)的環(huán)境干空氣為37 000 m3/h，進入干燥系統(tǒng)的干空氣（冷卻系統(tǒng)回流風和環(huán)境補風，溫度60 ℃）為70 000 m3/h；假定造粒尾氣溫度為90 ℃，造粒機出料溫度為88 ℃，干燥尾氣溫度為70 ℃，干燥機出料溫度為70 ℃；假定返回造粒機的返料量為200 t/h。

查閱各種工具書，取涉及的各種物質(zhì)標準摩爾生成焓［6］（見表2）。

表2 各物質(zhì)標準摩爾生成焓 kJ/mol

2.2 造粒系統(tǒng)衡算

利用Excel 分別建立造粒系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)的衡算表，輸入前述各項參數(shù)，并不斷調(diào)整系統(tǒng)投料量發(fā)現(xiàn)，取GPR 濃磷酸投料量為24 m3/h，DPR 濃磷酸投料量為12 m3/h，相關(guān)數(shù)據(jù)較為合理。由于磷酸一銨反應熱較高，GPR 濃磷酸投料量大于24 m3/h，則造粒系統(tǒng)反應溫度偏高，液相量偏大，需要降低返料溫度或者增加返料量；DPR 濃磷酸投料量為12 m3/h，是在保證裝置生產(chǎn)負荷下取的較為經(jīng)濟的值，如果太大，則干燥系統(tǒng)尾氣水含量太高，有尾氣吸露結(jié)疤風險，如果太小，則效果不明顯。

造粒系統(tǒng)衡算見表3。

表3 造粒系統(tǒng)衡算

造粒系統(tǒng)熱量衡算見表4。

表4 造粒系統(tǒng)熱量衡算

從表3、表4 可以看出，造粒系統(tǒng)熱量損失占帶入系統(tǒng)熱量的7.4%。由于造粒機相較于干燥機要小得多，熱量損失要小于干燥機，該數(shù)據(jù)與實際生產(chǎn)情況較為吻合。

經(jīng)過計算，造粒尾氣的絕對濕度（水與干尾氣的質(zhì)量比）為0.275 2 kg/kg，在90 ℃時的相對濕度為44.3%。為保證造粒條件（溫度、濕度、液固比等）處于造粒曲線范圍內(nèi)（見圖2），造粒機及尾氣系統(tǒng)是高濕環(huán)境，上述計算結(jié)果較為適合。

圖2 造粒曲線

造粒機規(guī)格為φ3 750 mm × 8 000 mm，造粒尾氣風機額定風量為75 000 m3/h，正常生產(chǎn)變頻值80%。在該工況下造粒尾氣量為58 496 m3/h，在造粒機內(nèi)風速為1.47 m/s，與某公司采用AZF雙管式反應器流程生產(chǎn)DAP 時造粒機內(nèi)風速（1.243 m/s）［1］相近，比較合適。

2.3 干燥系統(tǒng)衡算

干燥系統(tǒng)擬采用自熱平衡的干燥模式，全部采用冷卻系統(tǒng)回流風和環(huán)境補風作為干燥介質(zhì)，溫度暫按60 ℃進行衡算。干燥系統(tǒng)衡算見表5。

表5 干燥系統(tǒng)衡算

干燥系統(tǒng)熱量衡算見表6。

表6 干燥系統(tǒng)熱量衡算

從表5、表6 可以看出，干燥系統(tǒng)熱量損失占帶入系統(tǒng)熱量的17.3%（一般干燥機熱損失不超過20%），計算結(jié)果比較合理。

經(jīng)過計算，干燥尾氣的絕對濕度為0.109 8 kg/kg，在70 ℃時的相對濕度為48.8%，可以滿足生產(chǎn)需求。在該工況下，干燥尾氣量為80 041 m3/h，折82.51 t/h，在干燥機內(nèi)的風速為1.77 m/s，可以滿足生產(chǎn)需求。

前述造粒系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)均采用自熱平衡干燥模式進行工藝計算，在實際生產(chǎn)中，初始開車時為提升系統(tǒng)溫度，會有少量燃煤消耗，在生產(chǎn)正常時應逐步減少并最終實現(xiàn)零煤耗運行。

3 總結(jié)

利用AZF雙管式反應器流程生產(chǎn)粒狀磷酸一銨較單管式反應器流程生產(chǎn)磷酸二銨產(chǎn)能更大、能效更高，技術(shù)可行，可以提高裝置的靈活性，建議繼續(xù)深入研究并推廣實施。