热法磷酸与湿法工业磷酸的技术经济分析

梅 毅,樊 蕾,梁雪松,赵建国

(1.云天化集团有限责任公司,云南昆明 650228;2.云南省化工研究院)

热法磷酸与湿法工业磷酸的技术经济分析

梅 毅1,樊 蕾2,梁雪松2,赵建国2

(1.云天化集团有限责任公司,云南昆明 650228;2.云南省化工研究院)

以工业级磷酸为目标产品,以黄磷和湿法磷酸加工为起点,以黄磷产业与湿法磷酸生产已有的上下游生产技术为基础,从循环经济的角度出发,系统开展了热法与湿法两条不同加工路线的技术经济分析;引入了原料和产品价格,把热湿两种工艺分别作为一个系统加以分析研究,将各系统生产的所有产品的利润用于冲抵工业磷酸成本来讨论比较其竞争力;重点开展了动力、硫磺价格对热湿两种加工路线所生产工业磷酸的成本分析比较;提出了发展循环经济的建议,指出了在实施黄磷生产尾气制碳一化工产品、渣热综合利用后,湿法磷酸净化制工业磷酸的成本高于热法磷酸。

热法磷酸;湿法磷酸;净化

磷酸的工业生产方法分为电热法、湿法、窑法3种路线。电热法工艺生产的磷酸产品可以直接作为工业磷酸使用,而湿法、窑法工艺生产的磷酸均需要进一步净化才能达到工业级磷酸的质量要求。电热法工艺以工业黄磷为原料,经燃烧 -氧化、水合 -吸收后制得磷酸。湿法磷酸净化生产的工业磷酸(以下称湿法工业磷酸)是从农用级湿法磷酸出发,通过化学沉淀、溶剂萃取或溶剂沉淀等技术路线制备。目前,工业上大规模广泛应用的湿法磷酸净化技术以溶剂萃取工艺为主[1]。笔者以磷矿为原料,以产业化技术为基础,以循环经济为主线,开展电热法磷酸(以下称热法磷酸)和湿法工业磷酸的技术经济分析。

1 研究基础

1.1 研究范围

以磷矿、硫磺、焦炭、硅石等为起始原料,再充分利用副产物作为资源开展产品的深加工,形成一条较为完整的产业链。热法磷加工包括黄磷、磷酸、甲酸钠、甲酸、五钠、甲酸钾、微晶玻璃 7套装置,以黄磷加工为磷酸再加工为甲酸作为整个系统的平衡,其产业链及其物料平衡示意图见图 1[2]。湿法磷加工包括国内主流的硫磺制硫酸、湿法磷酸、湿法磷酸净化、氟硅酸钠、磷石膏砌块 5套装置,磷石膏砌块结合国内规划,使用量为副产磷石膏总量的 30%,其产业链及其物料平衡示意图见图 2。

图 1 热法磷加工产业链及其物料平衡示意图

图 2 湿法磷加工产业链及其物料平衡示意图

1.2 装置规模

选取成熟并具有竞争力的装置规模进行分析研究。湿法磷加工单系列装置规模:硫酸装置规模为80万 t/a(以 100%H2SO4计),磷酸装置规模为30万 t/a(以 100%P2O5计),湿法磷酸净化装置规模为 2万 t/a(以 100%P2O5计),氟硅酸钠装置规模为 3.5万 t/a,磷石膏砌块装置规模为 3.25万 t/a (50万 m2/a);热法磷加工单系列装置规模:黄磷装置规模为 1万 t/a,磷酸装置规模为 5万 t/a(以85%H3PO4计),甲酸钠装置规模为 2万 t/a,甲酸装置规模为 1万 t/a,五钠装置规模为 5万 t/a,甲酸钾装置规模为 2万 t/a。

1.3 装置投资、消耗定额与产品价格

消耗定额因各企业所采用工艺与设备技术、生产规模、人员素质、自动化水平、企业管理等的不同存在较大的差异,湿法路线和热法路线生产工业级磷酸的消耗定额也有所不同。表 1依据图 1、图 2所示产业链及装置规模给出了热法磷加工和湿法磷加工生产的典型的国内先进的消耗定额[3-6]。表 1中固定资产按14 a折旧,残值率4%,年折旧率为6.86%;固定资产其他费用按 5 a摊销;其他管理费按工资福利费的 1.3倍计算;销售费用按销售收入的 3%计算;修理费和其他制造费用按固定资产原值的 7%计算;人员工资和福利费按 3.5万元/a计算;不考虑土地费用与财务费用。表 1中原料与副产品价格依据 2010年 5—6月市场值确定。

表 1 两条技术路线生产工业磷酸消耗与成本表

微晶玻璃装置在利用磷渣过程中仅仅计入了高温热能的利用;肥料级磷酸考虑到磷酸品质的问题,按 60%(质量分数)DAP产品进行成本与利润核算(1 t 60%DAP产品利润为 300元)。

2 成本分析

2.1 能源价格对工业磷酸成本的影响

通过对上市公司及其相关企业的调研、分析,得到如下电价与动力煤、焦炭、蒸汽的关联关系,并将此关联关系带入工业磷酸的成本分析之中。

注:动力煤价是指燃值为 20 935 kJ/kg时的煤价。

图 3～8给出了两条技术路线生产工业磷酸的成本曲线。从图 3可以看出,热法磷酸生产中降低成本的核心是黄磷尾气的利用,其次是黄磷渣热量的利用,通过渣气的利用,折算为工业磷酸 (以 1 t 100%P2O5计,下同)的成本差额高达 5 400元。图 4给出了湿法磷酸磷石膏利用的成本差异。由图 4看出,电力价格超过 1.95元/(kW·h)后,利用磷石膏的成本反而超过了未利用磷石膏的成本,其原因是将电、煤、焦炭、蒸汽进行关联计算,电、焦炭、蒸汽均随煤价上升而上升,为了便于分析,固定了产品价格,而磷石膏制砌块最大的成本在于用煤将二水石膏转化为半水石膏,煤、电价格上升到一定水平后,若仍固定产品售价,则形成了价格与成本的倒挂。从图 5～8可以看出,随着黄磷尾气、黄磷渣的利用,热法磷酸的竞争力逐步增强。在电力价格为0.49元/(kW·h)时,图 5显示,不开展黄磷循环经济,湿法工业磷酸占有绝对优势,湿法工业磷酸成本比热法磷酸低 1 908元/t;但通过开展黄磷尾气与黄磷渣的利用,湿法工业磷酸的成本反而比热法磷酸高 3 495元/t(见图 8);黄磷尾气得不到利用,仅仅开展磷渣热能利用,湿法工业磷酸成本仍比热法磷酸低 1 253元/t(见图 6);开展黄磷尾气利用但不开展磷渣热能利用,湿法工业磷酸成本比热法磷酸高2 840元/t(见图 7)。

表 2给出了不同黄磷循环经济方式与湿法工业磷酸的临界电力价格,超过临界电力价格,热法磷酸的竞争力弱于湿法工业磷酸。考虑到目前黄磷生产的周期性,图 5～8、表 2均给出了热法生产 50%负荷时的比较值。从图 3与表 2可以看出,黄磷渣的利用主要是其热能,当能源价格低于一定值后,其热能利用就失去了经济意义(未考虑微晶玻璃随能源价格上涨而上涨的因素)。

表 2 黄磷循环经济方式与湿法工业磷酸的临界电力价格

为了进一步考察热法磷加工路线的竞争力,将表 1副产品甲酸钾、甲酸、磷铁的价格下调 10%,得到图 9的成本比较图。从图 9可以看出,热法磷加工负荷分别为 100%,50%时,其临界电力价格仍然高达 1.03,0.78元/(kW·h)。

图 9 热法加工副产品销售价格下调10%后工业磷酸成本对比图

2.2 硫磺对工业磷酸成本的影响

图 10 硫磺价格对湿法工业磷酸的成本影响

图 10给出了湿法工业磷酸与硫磺价格变化的关系,同时给出了当电力价格分别为 0.49, 1元/(kW·h)时的热法磷酸成本。从图 10可以看出,实施黄磷尾气与磷渣的综合利用后,当电价为0.49元 /(kW·h)时,热法磷酸成本远远低于湿法工业磷酸;当电价为 1元/(kW·h)且每吨硫磺价格低于 1 190元时,湿法工业磷酸的成本低于热法磷酸。图 10湿法工业磷酸成本曲线的电价仍为0.49元/(kW·h),如果考虑电价与热法磷酸1元/(kW·h)持平,其硫磺价格的平衡点为2 410元/t。

3 结论与建议

1)黄磷产业下游最大的用户是工业磷酸,黄磷产业不开展循环经济就没有出路,而黄磷循环经济的重点是黄磷尾气制碳一化工产品。2)通过黄磷产业中黄磷尾气、磷渣综合利用,在工业电价低于1.2元/(kW·h)时,热法磷酸的综合成本将低于湿法磷酸净化制备工业磷酸成本。3)据测算,实施黄磷产业的循环经济后,黄磷产业的万元综合能耗为0.541 4 t标煤,低于湿法工业磷酸 0.980 2 t标煤的综合能耗。4)黄磷产业循环经济的良好发展,有赖于产业规模的集中度。5)湿法工业磷酸的竞争力有赖于磷石膏及氟硅资源的高附加值综合利用。

[1] 钟本和,李军,郭孝东.湿法磷酸净化技术研究现状及发展方向[J].无机盐工业,2008,40(2):9-12.

[2] 梅毅,梁雪松,杨亚斌,等.黄磷产业的节能降耗与资源利用[J].现代化工,2010,30(10):80-83.

[3] 缪振虎,刘荣,沈浩,等.湿法磷酸净化技术研究及其应用[C]//2010国际精细磷化工技术交流大会论文集.湖北宜昌:中国化工信息中心,2010:38-44.

[4] 梅毅,方晓峰.湿法磷酸净化与热法磷酸竞争力分析[J].云南化工,2007,34(5):18-22.

[5] 钟本和,陈亮,李军,等.溶剂萃取法净化湿法磷酸的新进展[J].化工进展,2005,24(6):596-601.

[6] 杨亚斌,梅毅,樊蕾,等.热法磷酸生产副产蒸汽的回收利用技术[J].无机盐工业,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,正高级工程师,研究生学历,长期从事磷化工研究与技术开发工作,入选国家“新世纪百千万人才工程人选”,曾获国家技术发明奖、省部级奖多项。

联系方式:meiyi-412@sina.com