黄磷生产中的能耗和节能措施

2016-05-30肖茜

中国高新技术企业 2016年25期

肖茜

摘要：黄磷是工业生产中的重要原料，其在电子工业、农药、医药、食品和肥料等多个领域有较为广泛的应用。但是在生产黄磷的过程中，会因为各种原因而消耗大量的能量。文章对黄磷生产中的能耗进行了分析，并探讨了节能措施。

关键词：黄磷生产；能耗；节能措施；工业原料；工业生产文献标识码：A

中图分类号：TQ126 文章编号：1009-2374（2016）25-0095-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.046

随着我国可持续发展观的不断深入，国家对工业生产的能耗要求变得越来越严格。而黄磷的生产不仅会消耗大量的能源，生产中排出的废物还会对环境造成严重的破坏，从而影响人们的正常生活。根据黄磷生产的实际情况来看，其生产过程中主要是以煤作为主要的燃料，并且在我国的工业生产中，黄磷的生产能耗是所有工业生产中最高的。由于煤在燃烧过程中还会产生大量的污染物，从而污染空气。目前，一些黄磷生产厂家已经注意到生产过程中的能耗问题，所以逐渐开始对黄磷生产的能耗进行控制。根据黄磷生产的现状来看，企业只有对生产能耗进行有效控制，才能取得更好的经济效益，帮助企业在市场竞争中取得较大的优势。

1 黄磷及其生产

黄磷为白色或淡黄色半透明固体，柔软、冷、脆，颜色较深。暴露在空气中，在黑暗中生产绿色磷光的白烟。在潮湿的空气中约40℃的火，在干燥的空气略高。白磷可直接与卤素、硫、金属加工、硝酸生产磷酸和氢氧化钠或氢氧化钾生成磷化氢和次亚磷酸钠。应避免接触高氯酸钾、高锰酸钾、过氧化氢和其他氧化物。

黄磷的生产工艺较为简单，将磷矿石、硅石和焦炭按一定比例和粒度放入电炉里，在1000多℃的高温下发生分解、还原反应，磷蒸汽与炉尘一起被冷却、漂洗后得到产品，高温炉渣则直接从电炉中排出。

黄磷是一种极重要的基础工业原料，主要用于化工、农药等多个领域。目前我国的总产量居世界首位，共有黄磷生产厂上百家，生产装置主要分布在云南、贵州、四川、湖南四省，云、贵、川三省黄磷生产能力超过全国80%。由于黄磷的生产会消耗大量的能源，并对周围环境造成极大影响，属于高能耗、高污染的产业，所以发达国家将黄磷生产转移到发展中国家。

2 磷矿对综合能耗的影响

在黄磷的生产中，在生产一吨黄磷的情况下，将会用到8.5～9.5吨磷矿，而生产中用到的所有原料重量为12～14吨。对于黄磷的生产而言，其中磷矿对综合能耗的影响主要有三个方面的内容，首先是磷矿的运输、其次是磷矿的品位、最后是炉料的质量。

2.1 磷矿的运输

在我国黄磷工业的起步阶段，我国的东南沿海地区是黄磷的主要消费地区，这也就决定我国的黄磷生产企业集中在这些地区。而我国的磷矿主要产自于湘、鄂、云、贵、川五个省份，这样就导致磷矿的产地与黄磷生产企业之间的距离很远，以南京一家黄磷生产企业为例，要将磷矿从矿区运送至企业所在地，需要经过3600km的铁路运输，其中将1吨磷矿运送至1km的距离需要消耗0.013kg的煤，按每8.7吨磷矿生产出1吨黄磷来计算，则生产1吨黄磷需要消耗0.407吨煤。

由于黄磷的燃点极低，所以保存的时候需要将其浸没在水中，并且用包装桶对其进行密封处理，所以要运输1吨磷矿实际需要运输1.2吨的重量。如果磷矿生产企业建在磷矿所在地，则将运送至南京时每吨黄磷消耗的煤将为0.056吨，比将黄磷生产企业建在南京要少消耗0.351吨。所以将黄磷生产企业建在矿区时，能够显著提升企业的经济效益，并且能让铁路运输的压力得到缓解，还能减少对环境的污染。

2.2 磷矿的品位问题

对于磷矿的生产而言，在磷矿中五氧化二磷的含量不断升高的情况下，制磷电炉消耗的电能将会不断降低，这样就导致磷矿生产企业一般是使用品位较高的磷矿进行黄磷生产。这样的生产方式下会将大量的低品位磷矿丢弃，不能让磷矿资源得到全面利用，还会将磷矿开采过程中的能耗分摊到高品位磷矿上，从而导致磷矿的开采能耗大幅度上升。这就意味中每增加0.05吨标准煤的磷矿开采能耗，就将会让黄磷的综合能耗增加0.43～0.48吨标准煤。

2.3 炉料的质量

在生产黄磷的过程中，如果磷矿的化学组成经常出现较大的变化，则会导致黄磷生产的过程中不能对电炉工艺进行较好的主动控制，这样不但会让黄磷的质量和产量下降，还会导致生产过程中的电耗增加。根据黄磷的实际生产能耗来看，稳定性较高的磷矿比品位较高的磷矿更有利于减少能耗。在上述黄磷生产企业中，其曾经使用五氧化二磷含量波动范围为16%的磷矿进行黄磷的生产，实际生产中很难掌握炉料的配比，从而导致炉渣中五氧化二磷的质量分数达到7%～8%，每吨黄磷的生产将会导致电炉多消耗19000kWh的电能。所以磷矿生产的过程中可以将磷矿配置为二氧化硫质量分数与氧化钙质量分数比值为0.8，并且五氧化二磷质量分数在25%左右的原料矿或使用品质相当的磷矿代替。这样既能让热法加工路线的优势得到较好发挥，对低品位磷矿进行较好的利用，从而让磷矿能耗和黄磷综合能耗降低，又能让磷矿的质量和品位得到保障，减少生产中对电能的消耗。

3 磷企业的应对措施

3.1 对新设计装置

在设计黄磷装置的过程中，必须要对原料预处理设计、电炉设计、短网设计、变压器选型和厂址选择等问题进行综合考虑。首先，要将大型的制磷企业建立在矿区，然后再将黄磷运送至加工企业；其次，要对变压器进行严格的选型，让变压器能够节省更多的电能，并且要让变压器符合短网的使用要求；最后，要从制磷装置综合能耗、变压器功率利用系数、电炉运行周期、磷矿化学组分以及磷矿物理特性等方面对综合能耗进行考虑，从而选择原料预处理的技术路线。

在计算制磷电炉设计的时候有很多公式可以使用，对电炉的电气参数和几何尺寸进行计算的时候主要有五种方法，分别是将安德烈常数作为原始计算值；以炉底功率强度作为常数；将电机电流密度和电位梯度作为常数、将熔池电阻率作为常数；将电流和电压的比值作为常数；将电炉电压和电流单位体积功率强度设定为

常数。

在使用以上的计算方法时，有两个方面需要注意：首先，常数的值并不是保持不变的，如小型制磷电炉和大型的计算常数就会存在很大的区别，同时计算中的常数会随着炉料焦比的变化而不断变化；其次，炉料焦比会随着焦炭和磷矿化学组分的变化而变化，从而导致炉料的理化性质会出现较大的变化，对电炉参数的选择造成一定的影响，同时这样还会对炉内电阻的变化造成一定影响，从而对炉内电流和热量分配的合理性造成影响，所以很难找到能够满足各种条件的计算公式。

而要让计算方法满足要求，就需要对磷矿的物性和化学组分进行检测，然后在生产实践和数理统计的基础上设计电炉本体，从而得到较好的效果。这也说明了对于制磷电炉的设计而言，焦炭和磷矿的物性数据和化学组分将是其基础。另外，还要根据变压器的容量，对炉盖结构和材质、电极密封形式、外壳冷却方式、电炉结构、电气参数和电炉的几何尺寸进行合理的选择，因为这些都会对电炉电耗造成一定的影响。

3.2 已投产装置

对于已经建成并投入实际使用的电炉而言，二次电压和二次电流调节范围以及电极密封形式、炉盖结构和材质、炉壳冷却方式和电炉的几何尺寸和结构等都已经被确定，所以只能以此为基础对电炉进行调节，从而让其处于最佳的生产状态。对于电炉内热量分配而言电极熔池配置极为重要，只有当三根电极熔池的外圆在电极布置圆中心轴线上相交的时候，才能让三根电极的熔池相联并且重叠部分最小。这样可以让电炉熔池内熔融炉料温度在副反应温度之下，并且能达到磷酸盐还原温度以上，从而让炉内副反应对电能消耗的影响变为最小，炉内各区域的热量分配比例处于最佳状态、电流流向合理并且炉内熔池电阻处于合适的范围内。在这样的情况下，炉内的炉渣和炉气温度合适，既能让炉渣的流动性得到保障，又能让炉渣和炉气带走的热量降到最低。另外，通过这样的方法还能将炉壳热损失降到最低，而要使电极熔池的外圆相交于电极布置圆的中心轴线上，必须使每根电极的熔池直径适中。

3.3 平衡测试

为了让综合能耗降低，制磷企业还需要进行平衡测试和能源普查，加强对计量工作的管理，对蒸汽进行合理的使用，对管线和设备进行较好的保温处理，从而使蒸汽的利用率得到提升，同时还要尽量采用节能技术，对生产中的水进行循环利用。而要使焦炭的利用率得到提升，还需要尽量使用冶金工业筛选分下来的小颗粒

焦炭。

3.4 确保炉料焦比

对于黄磷的生产而言，单纯地追求高品位的磷矿会比磷矿的质量和品位稳定耗能更多。所以在生产黄磷的过程中，需要对磷矿的品种进行严格的挑选，要将不同的磷矿分开放置，对其进行分析后才能开展生产活动，并且要使炉料焦比处于合理的状态。

4 讨论与建议

由于黄磷的生产涉及到很多能耗环节，所以其实际生产过程中很容易出现能耗过高的现象。随着人们对环境保护的重视程度越来越深，减少黄磷生产过程中的能耗不仅对黄磷生产企业很重要，还对社会的环境有很大影响，所以黄磷生产企业在生产过程中要通过各种有效方式对能耗进行控制，从而不断提升黄磷生产的经济

效益。

参考文献

[1] 王佩琳.我国黄磷行业节能减排分析及建议[J].化学

工业，2011，（9）.

[2] 梅毅，梁雪松，杨亚斌，吴立群.黄磷产业的节能降