冷冻法硝酸磷肥技术创新及国产化装置建设总结

2020-01-07张凌云赵国军

肥料与健康 2019年5期

张凌云，赵国军

(贵州芭田生态工程有限公司贵州瓮安 550400)

0 前言

硝酸磷肥是指用硝酸分解磷矿所生产的含有N和P2O5的肥料的统称，是复合肥料主要品种之一。硝酸磷肥的主要特点在于硝酸分解磷矿时，硝酸作为酸解剂把磷矿中的磷转化为可被作物吸收的形式，其自身又作为氮素而留在产品中，起到“以氮带磷”的作用。由于硝酸磷肥的生产可以不用或少用硫酸，在经济上具有一定的优越性；副产品四水硝酸钙可用于生产硝酸铵钙等产品，不存在磷石膏固废储存污染，故在环保上也具有一定的优越性。

硝酸磷肥既含有速效的硝态氮和水溶性的P2O5，又含有肥效较持久的铵态氮和枸溶性P2O5，其N∶P2O5有2.0∶1.0、1.5∶1.0、1.0∶1.0多种形式，可满足大多数农作物对N和P2O5吸收比例的要求。此外，在硝酸磷肥的生产过程中，可以将磷矿中的S、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo等中微量元素以及稀土元素活化为水溶性，不仅可以满足农作物的需求，而且可以提高农产品的品质。

冷冻法硝酸磷肥生产工艺技术主要包括磷矿预处理、酸解工序、酸不溶物分离工序、结晶工序、制冷工序、硝酸钙过滤工序、中和工序、浓缩工序、尾气(酸性尾气和碱性尾气)治理工序、含磷污水(酸性污水和工艺冷凝液)处理工序、造粒干燥工序、筛分破碎工序、冷却包裹工序、洗水浓缩工序、空气除湿及除尘工序。

1 国内硝酸磷肥生产发展历程

我国硝酸磷肥的生产发展历尽艰辛：1972年3月7日开始着手引进1套900 kt/a成套装置，并被列入国家“六五”计划，前期调研和评价试验耗时10年；1983年7月25日正式开工建设，建设用时4年，至1987年9月18日生产出第1颗硝酸磷肥。但由于我国磷矿品位低、波动大，加上设备、工艺、技术中存在诸多问题，导致引进装置开车不顺，经历了10多年的艰苦摸索才实现装置达产达标。

国内自行建设的100 kt/a硝酸磷肥装置则因技术、设备、材料不过关，开车不顺，最终停产。

为了促进我国复合肥的发展，原化工部鼓励多家企业建设硝酸磷肥装置，但鉴于引进装置开车过程的艰难和自建装置开车失败，最后都选择了放弃，导致硝酸磷肥错失了在我国发展的机遇。

深圳市芭田生态工程股份有限公司经过市场技术调研，参照国家发展战略规划，尤其是考虑到当前磷石膏堆置面临的困境，决定在贵州建设冷冻法硝酸磷肥生产装置。

2 国产化冷冻法硝酸磷肥生产技术的创新

2.1 酸不溶物分离技术

2.1.1 技术现状

硝酸分解磷矿后的酸解液中存在酸不溶物，目前国内外没有成熟的分离技术，现有分离技术的脱除率仅在10%左右，达不到分离要求。

2.1.2 存在问题

磷矿中所含的酸不溶物质量分数一般在7%～15%，酸解液中含酸不溶物质量分数在2%～4%。大量的酸不溶物存在于生产系统中，不但会增大操作难度，而且会严重影响设备的使用寿命及产品质量。

2.1.3 创新点

(1)对酸解槽搅拌器进行创新，使酸不溶物难以沉淀堆积；设计增设酸不溶物定期排放功能，有效延长了搅拌桨及设备的使用寿命。

(2)研究开发了以卧式螺旋分离机为核心分离设备的工艺技术，酸不溶物脱除率可以达到50%以上。

(3)研究开发了以压滤机和助滤剂为核心技术的酸不溶物分离工艺技术，酸不溶物脱除率可达90%以上。

2.2 硝酸磷肥产品质量提升技术

2.2.1 技术现状

四水硝酸钙过滤工序需要使用一部分低温新鲜硝酸洗涤过滤机中的低温晶体，由于外来的硝酸温度较高，采用0 ℃的过滤母液与硝酸在管壳式换热器中换热，将硝酸温度降至10 ℃左右。

2.2.2 存在问题

管壳式换热器易堵塞，检修频率非常高且很难彻底清理，对除钙效率及最终产品质量的影响很大。

2.2.3 创新点

开发了母液酸冷器，兼有储存溶液、防堵塞、结垢易清理再生的功能，是一种集多种功能于一体的可靠设备。生产实践证明，母液中的冷量得到合理利用，减少了四水硝酸钙因洗涤硝酸温度高而熔化并重新返回酸解系统的循环量，从而降低能耗并减少带入系统的水量；结晶工序除钙率提高5%～10%，硝酸磷肥产品中水溶性P2O5占有效P2O5质量分数提高10%～15%，水溶性P2O5质量分数达到75%以上。

2.3 螺杆压缩制冷技术的应用

2.3.1 技术现状

硝酸磷肥制冷机组一般采用汽轮机+离心式压缩机组。

2.3.2 存在问题

汽轮机+离心式压缩机组需消耗高压蒸汽，故需增加高压锅炉装置的投资；该制冷机组开停车时间长，负荷调整范围窄，维护难度高；对生产连续性要求高，否则制冷机组将处于空载状态，造成能量的大幅损失。

2.3.3 解决措施

根据装置所需的冷量，选用螺杆压缩机组制冷，充分利用液氨蒸发时所需的热量，并开发制冷系统自动化控制方案。

优点：只消耗电，启动快速，开停车方便，负荷调整范围很宽，消除了采用汽轮机带动压缩机组在开车以及短时间停机时能量损失大的缺点；操作简化，运行更加稳定，维护难度、费用大幅降低；设备投资费用节省1 000万元，每年可节省运行费用 600万元。

2.4 中和料浆浓缩含氨蒸汽处理技术的开发

2.4.1 技术现状

中和料浆浓缩含氨蒸汽洗涤塔一般采用1座塔洗涤，分为上下两段，下段洗涤蒸汽中的氟，上段洗涤蒸汽中的氨。

2.4.2 存在问题

洗涤塔洗涤液温度高、易沸腾，需补充的水量多；洗涤后工艺蒸汽除雾效率低，易夹带洗涤液，造成塔器结垢、堵塞及花盘冲刷泄漏；废水中含氨质量浓度一般高达10 000 mg/L左右，导致处理成本高；负压波动大，造成料浆量不稳定，不利于干线造粒装置的稳定运行。

2.4.3 创新点

增设洗涤塔循环液水冷器，减少补充水量，保证洗涤塔洗涤液的循环量；根据2座二合一洗涤塔的操作条件、塔内汽液负荷等对空塔气速进行计算并对塔内件进行选型，确定洗涤塔一分为二，采取二加二的形式，内件采用填料+CTST立体传质塔板的组合方式，大大提高了对含氨尾气的洗涤效率。

2.4.4 运行效果

负压稳定在正常范围内，消除了因负压不稳定对后工序的影响；工艺冷凝液含氨质量浓度降至2 000 mg/L；降低了废水处理装置的投资，同时降低了处理费用。

2.5 废气处理技术的开发

2.5.1 技术现状

硝酸磷肥装置的废气包括碱性废气和酸性废气，酸性废气又分为酸解废气与四水硝酸钙过滤废气。碱性废气一般采用双层填料塔洗涤处理后外排；酸解废气因NOx和氟化物含量较高，一般采用2台填料塔串联洗涤处理后外排；四水硝酸钙过滤废气一般采用筛板塔洗涤后外排。

2.5.2 存在问题

除氟硅酸盐外，碱性废气中还夹带有化肥料浆，造成塔内填料和除雾器非常容易被堵塞，洗涤效果差，废气带液严重，需定期停车处理。酸性废气极易析出氟硅酸盐结晶，洗涤塔运行一段时间后，塔内填料和除雾器容易堵塞，洗涤效果下降，废气带液严重，堵塞严重时需停车处理。由于洗涤塔运行不正常，尾气无法达标排放。

2.5.3 创新点

(1)针对不同废气成分的差异，并根据每座洗涤塔的操作条件、塔内气液负荷等，对塔内件水力学进行计算，最终确定塔内件的结构方案。

(2)中和工序的碱性废气在进入填料塔洗涤之前，增设1座喷淋塔，专门用于清除碱性废气中的氟硅酸盐，以确保填料洗涤塔的正常运行，从而大幅提高了含氨尾气的洗涤效率。

(3)对酸解废气的处理，通过增设二级洗涤塔冷却器以降低洗涤液温度，提高NOx的洗涤效率。

2.5.4 运行效果

实际运行结果表明，上述改造措施非常成功，不仅有效延长了洗涤塔的运行周期，而且洗涤效果也得到了明显改善，外排废气各项指标全部优于设计值。

2.6 废水处理技术的开发

2.6.1 技术现状

硝酸磷肥装置的废水包括含磷酸、硝酸的酸性废水以及浓缩料浆含氨蒸汽冷凝后的含氨碱性废水。含磷酸、硝酸的酸性废水一般采用絮凝重力沉降的方法处理后用作设备清洗、泵密封、四水硝酸钙过滤机洗水循环使用；含氨碱性废水一般汽提后直接排放。

2.6.2 存在问题

(1)含磷酸、硝酸的酸性废水需循环使用，但因水质不稳定、浊度大，达不到使用要求，对泵的正常运行以及四水硝酸钙的工艺控制指标(硝酸含量)影响很大。该酸性废水若不能回用，则需补充新鲜水，其结果是污水量越来越大，需加入浓缩料浆中转化为含氨碱性废水，不仅使蒸汽消耗量大幅增加，而且造成含氨碱性废水量增大。

(2)含氨碱性废水汽提效果不稳定，达不到直接外排的要求，严重影响装置的正常运行。

2.6.3 创新点

(1)开发了氟磷污水处理系统，采用斜板沉降+精滤过滤等先进技术，处理后的污水含固质量浓度≤10 mg/L，能全部循环使用，对装置的稳定运行和节能降耗起到了关键作用。

(2)开发了国内首套硝酸磷肥含氨碱性废水处理工艺技术，即采用电渗析浓缩，得到的淡水经反渗透脱盐、连续电除盐装置进一步脱盐处理后外送至脱盐水系统；电渗析装置产生的浓水送至硝酸磷肥装置回用，不产生外排废水。

2.7 副产品四水硝酸钙生产技术的开发

2.7.1 技术现状

引进装置将副产品四水硝酸钙转化为硝酸铵和碳酸钙，硝酸铵返回中和工序用于调整料浆的氮磷比并降低料浆的黏度，碳酸钙作为生产水泥的原料。

2.7.2 存在问题

硝酸铵返回中和工序调整料浆的氮磷比虽能降低料浆的黏度，但因原料磷矿品位不稳定，对产品氮磷比影响很大，造成产品质量不稳定；碳酸钙作为生产水泥的原料时，因碳酸钙中夹带的硝酸铵受热分解，不仅造成环境污染，而且不利于资源的高效利用。

2.7.3 创新点

开发了硝酸铵钙生产工艺技术，包括：开发了滚筒流化床造粒技术，解决了国内转盘造粒技术的环保问题；开发了四水硝酸钙过滤精制技术；开发了硝酸铵钙蒸发浓缩技术。

2.8 含聚磷酸盐硝酸磷肥生产工艺技术的开发

2.8.1 技术现状

亚拉国际公司生产的硝酸磷肥产品含聚磷酸盐质量分数在15%，而国内硝基复合肥中聚磷酸盐含量很低，大多数是外加聚磷酸盐。

2.8.2 创新点

(1)研究了含聚磷酸盐的硝酸磷肥生产工艺条件。

(2)开发生产出聚合率达10%～15%的含聚磷酸盐的硝酸磷肥产品。

2.9 关键设备国产化技术开发

2.9.1 双转鼓过滤机

双转鼓过滤机是挪威的专利设备，其集过滤、再浆洗涤和置换洗涤于一身，用于分离四水硝酸钙结晶。该设备的转鼓与虹吸管之间的间隙精度小于1 mm，转鼓加工易变形，制造难度大。从国外进口该设备，制造周期长、价格高，无法满足项目施工进度的要求，故贵州芭田生态工程有限公司决定与天津华景化工新技术开发有限公司、四川宜宾江源化工机械制造有限责任公司三方合作，通过5个月的努力，终于圆满完成了设计、制造任务，开创了国内双转鼓过滤机设计、制造的先例。

2.9.2 双轴造粒机

双轴造粒机主要用于造粒，由于结构简单、灵活性大，能够适应工艺操作条件较大的波动，特别适用于黏度大的物料的造粒。

双轴造粒机外形是一个水平的U形槽，槽内设有2根平行的转轴，轴上设置浆叶。返料和料浆分别由返料进口和料浆进口从双轴造粒机前端加入，在2根转轴反向旋转和浆叶的作用下，物料得到充分混合、黏结和涂布，实现团聚造粒；在浆叶的推动作用下，成粒物料不断流向造粒机的尾端并由出料口卸出。双轴造粒机的操作除受到料浆性质影响外，还与返料的粒度组成、返料比、浆叶形状及其安装角度、浆叶转速等有关。

根据贵州瓮安磷矿的实际情况和冷冻法硝酸磷肥的生产特点，研究了双轴造粒机的尺寸、转速、螺旋角等技术参数，开发出了适宜的双轴造粒机，投运后造粒工序运行稳定。

2.9.3 NP料浆浓缩蒸发器

NP料浆浓缩蒸发器用于NP料浆的蒸发浓缩，是一次通过式蒸发器，由于所需浓缩的料浆黏稠、杂质含量高，很容易出现堵塞情况，检修频率非常高。

确定NP料浆浓缩蒸发器的处理能力、列管长度、料浆进分离器的角度等技术参数，是该设备设计的核心。

2.9.4 结晶器

结晶器是冷冻法硝酸磷肥生产装置中的核心设备，采用串联倒槽的方式将12台间歇操作的结晶器槽构成连续操作的结晶系统。

结晶器槽本体由槽顶、槽体、底部封头、冷却盘管、内部支架等组成，在槽体内设有透平浆式搅拌器及相应的电动机减速机等。结晶器槽内盘管分内、中、外3层，中心设有1台由5层浆叶组成的搅拌器，该结构不仅可使结晶颗粒悬浮起来又不至于将结晶颗粒打碎，而且可实现酸解液温度的均匀分布，此外还能扰乱冷却盘管表面所形成的液膜，使其不断更新，便于晶体成长。

2.9.5 滚筒流化床造粒机

滚筒流化床造粒机是一种将预热后的空气输送至带有分布板的流化床底部，使需要造粒的固体粉末呈流化态，液体则由双流体喷嘴喷入流化床，与流化床内处于流态化的物料接触并附着在颗粒表面完成干燥的造粒设备。通过调节出料控制器，滚筒流化床造粒机可生产出不同粒度的颗粒物料。

将滚筒流化床造粒技术应用于硝酸铵钙造粒，需要解决与之不相适应的一系列技术难题，是对硝酸铵钙造粒物性研究深入程度及设计水平的体现。

2.9.6 母液酸冷器

母液酸冷器是由2台串联的储槽并内置多组并联的管式换热管和搅拌器组成。多组并联的管式换热管环形均匀分布在2台储槽内，硝酸溶液走管内，氮磷溶液走管外，在氮磷溶液受热升温的同时使硝酸溶液冷却降温。

与现有技术相比，所开发的新型换热器兼有储存溶液、防堵塞、结垢易清理再生的功能，是一种多种功能相结合的可靠设备。

生产运行实践证明，6种国产化的关键设备运行稳定、故障率低，达到了设计要求。

3 装置建设及运行情况

2012年6月，贵州芭田生态工程有限公司正式成立，并与天津华景新技术有限公司签署协议，共同开发硝酸磷肥工艺包。2013年4月18日，贵州芭田磷化工循环经济生态产业项目一期工程奠基，正式开始建设270 kt/a硝酸(折100%硝酸计)、300 kt/a硝酸磷肥(加钾盐后可达400 kt/a硝酸磷钾肥)副产200 kt/a硝酸铵钙、2×300 kt/a高塔复合肥及配套公用工程项目。2015年3月20日，循环流化床锅炉一次点火成功；5月15日，硝酸磷肥装置化工投料；5月18日，生产出第1颗硝酸磷肥，表明硝酸磷肥装置一次投料开车成功；5月26日，氨化硝酸钙装置全流程打通，生产出第1颗硝酸铵钙。从项目建设启动到装置建成投料出产品，仅用时2年，标志着我国自行设计的首套国产化冷冻法硝酸磷肥生产装置诞生。

硝酸磷肥装置全流程打通后，贵州芭田生态工程有限公司制定了分3步实现达产达标考核的目标，即第1阶段负荷70%、第2阶段负荷85%、第3阶段负荷100%，并安全稳定连续运行72 h。硝酸磷肥装置于2018年1月23日至25日和2018年8月23日至25日进行了2次100%负荷72 h考核，关键指标全部达到考核要求，装置实现达产达标。

3.1 考核期间产量情况

硝酸磷肥装置设计年产能150 kt，折合日产能500 t、班产能250 t、小时产能20.8 t。

如表1所示：由于受到系统清洗的影响时间较长，有2个班的班产量和小时产量在考核期间未达设计值，其他各班全部超过了设计值；最高日产量539.1 t，为设计值的107.8%；日平均产量534.3 t，为设计值的106.9%，达到了100%负荷考核产量要求。

表1 硝酸磷肥装置100%负荷考核产量统计

3.2 考核期间质量情况

硝酸磷肥质量指标要求：w(总氮)≥24.5%，w(P2O5有效)≥9.5%，w(P2O5水溶)/w(P2O5有效)≥55，w(总养分)≥37.0%，w(H2O)≤1.0%，粒度(≤6.0 mm)合格率≥85%。如表2所示，考核期间产品质量全部合格，达到或超过国家标准《硝酸磷肥、硝酸磷钾肥》(GB/T 10510—2007)中一等品的要求。

表2 硝酸磷肥装置100%负荷考核质量统计

3.3 考核期间主要技术经济指标

从考核期间主要技术经济指标的对比数据(表3和表4)可看出：

(1)磷矿粉、液氨、硝酸的设计定额与考核定额不一致，其主要原因是原料磷矿与设计用磷矿存在一定的差异，为了使考核更符合实际情况，根据磷矿品位对设计定额进行了适当调整。

(2)循环水、0.6 MPa蒸汽考核值稍高，主要原因是技术改造后增大了消耗。

表3 硝酸磷肥装置主要设计技术经济指标(以吨产品计)

表4 硝酸磷肥装置100%负荷考核主要技术经济指标统计(以吨产品计)

4 科技成果鉴定情况

2018年10月20日，中国氮肥工业协会组织有关专家在贵州省瓮安县对贵州芭田生态工程有限公司“首套国产化冷冻法硝酸磷肥装置技术”进行了科技成果鉴定。鉴定组专家听取了达产达标考核报告、技术开发和应用报告，并对现场进行了实地考察，经质疑和讨论，高度评价了首套国产化冷冻法硝酸磷肥装置技术成果和应用。专家组认为：

(1)鉴定资料齐全，数据详实可靠，符合鉴定要求。

(2)经过装置72 h达产达标考核，关键指标达到考核要求，装置实现达产达标。

(3)该技术的主要创新点如下：①冷冻法硝酸磷肥工艺技术实现资源综合利用，将磷矿中的钙转化成5Ca(NO3)2·NH4NO3·10H2O产品，无磷石膏排放，为我国化肥工业走出一条新路；②解决了装置酸性废气与碱性废气处理的难题，改善了操作环境，实现了达标排放；③工厂废水分类处理，综合利用，实现工艺废水零排放；④针对国产磷矿改进和创新了酸不溶物的分离工艺，提升了产品质量，延长设备使用周期；⑤在现有设备基础上，开发新式酸冷器，延长了设备运行周期，除钙率达80%，产品P2O5水溶率达到75%以上；⑥硝酸磷肥核心设备双转鼓过滤机、双轴造粒机、NP料浆浓缩蒸发器、结晶器等实现了国产化。

鉴定专家组一致同意通过鉴定，认为该项目具有难度大、创新程度高的显著特点，技术指标先进，整体技术达到国际先进水平。

硝酸磷肥装置达产达标的实现，标志着首套国产化冷冻法硝酸磷肥装置技术开发取得圆满成功。