电炉法黄磷生产中炉渣热能利用

陈万初，丁大祥，李 坤

（贵州省瓮安县瓮福黄磷有限公司，贵州 瓮安 550400）

近年来，我国黄磷工业的技术水平不断提高，单台黄磷电炉的生产能力逐步增大［1］。黄磷生产过程中产生的高温熔融态炉渣排出磷炉后，目前采用水淬冷却工艺处理，即通过急冷，高温炉渣因内部应力而崩裂成小颗粒渣子分散在渣池里，以便于炉渣的装运、堆存处理。炉渣在水淬处理时会产生大量水蒸气，对黄磷装置的设备、建筑和环境带来一定的影响，同时炉渣的热能无法有效利用；生产用水量大，炉渣在后续利用过程中需要烘干处理，能耗和人工成本较高。为此，笔者提出运用风淬冷却工艺解决黄磷炉渣热能利用及水淬渣带来的系列问题。

1 电炉法黄磷生产工艺

原料磷矿石、硅石分别被送入圆筒式干燥机，将w（H2O）降到1.5%以下。磷矿石、白煤、硅石按一定质量配比混合组成炉料，进入磷炉内加热到1 300～1 500℃使磷矿石中的磷酸盐被碳还原为单质磷。整个反应过程在密闭微正压磷炉内完成，磷炉内部温度呈梯级分布，炉渣温度可达1 400℃，而炉料上层和炉气温度要求高于黄磷的升华温度180℃。炉料从炉顶加入，相继经过预热、软化、富焦、熔融等区域，炉渣以熔融态从炉底部排出，还原反应放出的黄磷蒸汽与生成的其他气体汇集成磷炉气经除尘、冷凝后送至黄磷精制装置即可得到黄磷产品。炉渣中含有大量的活性氧化硅和活性氧化铝，遇水和碱性物质Ca（OH）2，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙［2］。

2 炉渣风淬冷却工艺

磷炉排出的高温炉渣先经过一次冷却，冷却风采用二次冷却的二段冷却风，出口风温控制在600～900℃，然后炉渣进入二次冷却。进入二次冷却时物料为半熔融态，物料温度为800～1 100℃，二次冷却分两段进行，一段冷却风出口温度控制在600～900℃，同一次冷却热风一起送去锅炉生产蒸汽，二段冷却风出口温度控制在200～400℃，二次冷却出口物料温度为65～100℃，经冷却后的炉渣去下游［3］。风萃冷却排渣工艺流程见图1。

图1 风萃冷却排渣工艺流程

3 炉渣热能利用分析

炉渣进入风淬冷却系统时温度为913℃，出风淬冷却系统时温度为65～100℃，每吨炉渣回收利用热能为67.4万kJ，炉渣携带热量为153.6万kJ，热能回收利用率达到44%。生产黄磷产品1 t产生炉渣10 t，可利用热能为674万kJ。

3.1 热能用于烘干黄磷生产原料

炉渣经风淬冷却工艺回收的热能可用于磷矿石和硅石的干燥，其热能转换率为65%。烘干后磷矿石和硅石原料中w（H2O）由4%降至1%。生产黄磷1 t消耗磷矿石11.0 t、硅石1.8 t，烘干时进口、出口原料温度分别以15、65℃计，出口热风温度以165℃计。则生产黄磷1 t烘干原料需蒸发的水量为：

磷矿石和硅石中水分汽化潜热：

0.4×1 000×2 257 kJ=902 800 kJ。

磷矿石和硅石中水分吸收热量：

［0.5×1 000×4.2×（65-15）+0.4×1 000×2.0×（165-65）］kJ=185 000 kJ。

磷矿石和硅石加热到65℃需要的热量：

（10.56×0.8+1.73×1.09）×1 000×（65-15）kJ=516 685 kJ。

生产每吨黄磷所用原料烘干需要提供的热量为（902 800+185 000+516 685）kJ/65%=2 468 438.46 kJ，折算为标准煤约为84.33kg。

炉渣热能用于烘干黄磷生产原料时，生产每吨黄磷可节约标准煤84.33 kg。

3.2 热能用于超微粉制备工艺

贵州省瓮安县瓮福黄磷有限公司配套建有10万t/a的炉渣超微粉装置，以炉渣为原料生产0.038 mm（400目）超微粉，用于化肥和建筑材料生产。若磷炉装置采用水淬冷却工艺，炉渣w（H2O）将大于10%，需进行烘干处理，将w（H2O）降至1%。

生产黄磷1 t产生炉渣10 t，有2.2 t用于生产超微粉。烘干时进口、出口物料温度分别以15、65℃计，出口热风温度以165℃计。2.2 t炉渣烘干需蒸发的水量：

炉渣中水分汽化潜热：

（0.2×1 000×2 257）kJ=451 400 kJ。

炉渣中水分吸收热量：

［0.2×1000×4.2×（65-15）+0.2×1000×2.0×（165-65）］kJ=86 200 kJ。

炉渣加热到65℃需要的热量：

［1.98×1 000×0.88×（65-15）］kJ=87 120 kJ。

烘干炉渣所需提供的热量：（451 400+86 200+87 120 kJ/65%=961 107.69 kJ，折标准煤约32.84 kg。

改用风淬冷却工艺后，用于生产超微粉的炉渣无须烘干，节约标准煤32.84 kg。

3.3 风淬冷却工艺优势

风淬冷却工艺与水淬冷却工艺指标比较见表1。由表1可知，风淬冷却工艺可节约水资源和能耗，且环保效益好。

表1 水淬冷却工艺与风淬冷却工艺对比

4 结论

黄磷炉渣采用风淬冷却工艺排渣，节约了水资源，能耗和人工成本相对降低，大大降低了黄磷生产成本，对于下游生产工艺的影响也比较小；环保方面，能有效控制烟气排放。黄磷炉渣风淬冷却工艺在黄磷生产中有很好的应用前景。