熱法磷酸與濕法工業磷酸的技術經濟分析

梅 毅,樊 蕾,梁雪松,趙建國

(1.云天化集團有限責任公司,云南昆明 650228;2.云南省化工研究院)

熱法磷酸與濕法工業磷酸的技術經濟分析

梅 毅1,樊 蕾2,梁雪松2,趙建國2

(1.云天化集團有限責任公司,云南昆明 650228;2.云南省化工研究院)

以工業級磷酸為目標產品,以黃磷和濕法磷酸加工為起點,以黃磷產業與濕法磷酸生產已有的上下游生產技術為基礎,從循環經濟的角度出發,系統開展了熱法與濕法兩條不同加工路線的技術經濟分析;引入了原料和產品價格,把熱濕兩種工藝分別作為一個系統加以分析研究,將各系統生產的所有產品的利潤用于沖抵工業磷酸成本來討論比較其競爭力;重點開展了動力、硫磺價格對熱濕兩種加工路線所生產工業磷酸的成本分析比較;提出了發展循環經濟的建議,指出了在實施黃磷生產尾氣制碳一化工產品、渣熱綜合利用后,濕法磷酸凈化制工業磷酸的成本高于熱法磷酸。

熱法磷酸;濕法磷酸;凈化

磷酸的工業生產方法分為電熱法、濕法、窯法3種路線。電熱法工藝生產的磷酸產品可以直接作為工業磷酸使用,而濕法、窯法工藝生產的磷酸均需要進一步凈化才能達到工業級磷酸的質量要求。電熱法工藝以工業黃磷為原料,經燃燒 -氧化、水合 -吸收后制得磷酸。濕法磷酸凈化生產的工業磷酸(以下稱濕法工業磷酸)是從農用級濕法磷酸出發,通過化學沉淀、溶劑萃取或溶劑沉淀等技術路線制備。目前,工業上大規模廣泛應用的濕法磷酸凈化技術以溶劑萃取工藝為主[1]。筆者以磷礦為原料,以產業化技術為基礎,以循環經濟為主線,開展電熱法磷酸(以下稱熱法磷酸)和濕法工業磷酸的技術經濟分析。

1 研究基礎

1.1 研究范圍

以磷礦、硫磺、焦炭、硅石等為起始原料,再充分利用副產物作為資源開展產品的深加工,形成一條較為完整的產業鏈。熱法磷加工包括黃磷、磷酸、甲酸鈉、甲酸、五鈉、甲酸鉀、微晶玻璃 7套裝置,以黃磷加工為磷酸再加工為甲酸作為整個系統的平衡,其產業鏈及其物料平衡示意圖見圖 1[2]。濕法磷加工包括國內主流的硫磺制硫酸、濕法磷酸、濕法磷酸凈化、氟硅酸鈉、磷石膏砌塊 5套裝置,磷石膏砌塊結合國內規劃,使用量為副產磷石膏總量的 30%,其產業鏈及其物料平衡示意圖見圖 2。

圖 1 熱法磷加工產業鏈及其物料平衡示意圖

圖 2 濕法磷加工產業鏈及其物料平衡示意圖

1.2 裝置規模

選取成熟并具有競爭力的裝置規模進行分析研究。濕法磷加工單系列裝置規模:硫酸裝置規模為80萬 t/a(以 100%H2SO4計),磷酸裝置規模為30萬 t/a(以 100%P2O5計),濕法磷酸凈化裝置規模為 2萬 t/a(以 100%P2O5計),氟硅酸鈉裝置規模為 3.5萬 t/a,磷石膏砌塊裝置規模為 3.25萬 t/a (50萬 m2/a);熱法磷加工單系列裝置規模:黃磷裝置規模為 1萬 t/a,磷酸裝置規模為 5萬 t/a(以85%H3PO4計),甲酸鈉裝置規模為 2萬 t/a,甲酸裝置規模為 1萬 t/a,五鈉裝置規模為 5萬 t/a,甲酸鉀裝置規模為 2萬 t/a。

1.3 裝置投資、消耗定額與產品價格

消耗定額因各企業所采用工藝與設備技術、生產規模、人員素質、自動化水平、企業管理等的不同存在較大的差異,濕法路線和熱法路線生產工業級磷酸的消耗定額也有所不同。表 1依據圖 1、圖 2所示產業鏈及裝置規模給出了熱法磷加工和濕法磷加工生產的典型的國內先進的消耗定額[3-6]。表 1中固定資產按14 a折舊,殘值率4%,年折舊率為6.86%;固定資產其他費用按 5 a攤銷;其他管理費按工資福利費的 1.3倍計算;銷售費用按銷售收入的 3%計算;修理費和其他制造費用按固定資產原值的 7%計算;人員工資和福利費按 3.5萬元/a計算;不考慮土地費用與財務費用。表 1中原料與副產品價格依據 2010年 5—6月市場值確定。

表 1 兩條技術路線生產工業磷酸消耗與成本表

微晶玻璃裝置在利用磷渣過程中僅僅計入了高溫熱能的利用;肥料級磷酸考慮到磷酸品質的問題,按 60%(質量分數)DAP產品進行成本與利潤核算(1 t 60%DAP產品利潤為 300元)。

2 成本分析

2.1 能源價格對工業磷酸成本的影響

通過對上市公司及其相關企業的調研、分析,得到如下電價與動力煤、焦炭、蒸汽的關聯關系,并將此關聯關系帶入工業磷酸的成本分析之中。

注:動力煤價是指燃值為 20 935 kJ/kg時的煤價。

圖 3～8給出了兩條技術路線生產工業磷酸的成本曲線。從圖 3可以看出,熱法磷酸生產中降低成本的核心是黃磷尾氣的利用,其次是黃磷渣熱量的利用,通過渣氣的利用,折算為工業磷酸 (以 1 t 100%P2O5計,下同)的成本差額高達 5 400元。圖 4給出了濕法磷酸磷石膏利用的成本差異。由圖 4看出,電力價格超過 1.95元/(kW·h)后,利用磷石膏的成本反而超過了未利用磷石膏的成本,其原因是將電、煤、焦炭、蒸汽進行關聯計算,電、焦炭、蒸汽均隨煤價上升而上升,為了便于分析,固定了產品價格,而磷石膏制砌塊最大的成本在于用煤將二水石膏轉化為半水石膏,煤、電價格上升到一定水平后,若仍固定產品售價,則形成了價格與成本的倒掛。從圖 5～8可以看出,隨著黃磷尾氣、黃磷渣的利用,熱法磷酸的競爭力逐步增強。在電力價格為0.49元/(kW·h)時,圖 5顯示,不開展黃磷循環經濟,濕法工業磷酸占有絕對優勢,濕法工業磷酸成本比熱法磷酸低 1 908元/t;但通過開展黃磷尾氣與黃磷渣的利用,濕法工業磷酸的成本反而比熱法磷酸高 3 495元/t(見圖 8);黃磷尾氣得不到利用,僅僅開展磷渣熱能利用,濕法工業磷酸成本仍比熱法磷酸低 1 253元/t(見圖 6);開展黃磷尾氣利用但不開展磷渣熱能利用,濕法工業磷酸成本比熱法磷酸高2 840元/t(見圖 7)。

表 2給出了不同黃磷循環經濟方式與濕法工業磷酸的臨界電力價格,超過臨界電力價格,熱法磷酸的競爭力弱于濕法工業磷酸。考慮到目前黃磷生產的周期性,圖 5～8、表 2均給出了熱法生產 50%負荷時的比較值。從圖 3與表 2可以看出,黃磷渣的利用主要是其熱能,當能源價格低于一定值后,其熱能利用就失去了經濟意義(未考慮微晶玻璃隨能源價格上漲而上漲的因素)。

表 2 黃磷循環經濟方式與濕法工業磷酸的臨界電力價格

為了進一步考察熱法磷加工路線的競爭力,將表 1副產品甲酸鉀、甲酸、磷鐵的價格下調 10%,得到圖 9的成本比較圖。從圖 9可以看出,熱法磷加工負荷分別為 100%,50%時,其臨界電力價格仍然高達 1.03,0.78元/(kW·h)。

圖 9 熱法加工副產品銷售價格下調10%后工業磷酸成本對比圖

2.2 硫磺對工業磷酸成本的影響

圖 10 硫磺價格對濕法工業磷酸的成本影響

圖 10給出了濕法工業磷酸與硫磺價格變化的關系,同時給出了當電力價格分別為 0.49, 1元/(kW·h)時的熱法磷酸成本。從圖 10可以看出,實施黃磷尾氣與磷渣的綜合利用后,當電價為0.49元 /(kW·h)時,熱法磷酸成本遠遠低于濕法工業磷酸;當電價為 1元/(kW·h)且每噸硫磺價格低于 1 190元時,濕法工業磷酸的成本低于熱法磷酸。圖 10濕法工業磷酸成本曲線的電價仍為0.49元/(kW·h),如果考慮電價與熱法磷酸1元/(kW·h)持平,其硫磺價格的平衡點為2 410元/t。

3 結論與建議

1)黃磷產業下游最大的用戶是工業磷酸,黃磷產業不開展循環經濟就沒有出路,而黃磷循環經濟的重點是黃磷尾氣制碳一化工產品。2)通過黃磷產業中黃磷尾氣、磷渣綜合利用,在工業電價低于1.2元/(kW·h)時,熱法磷酸的綜合成本將低于濕法磷酸凈化制備工業磷酸成本。3)據測算,實施黃磷產業的循環經濟后,黃磷產業的萬元綜合能耗為0.541 4 t標煤,低于濕法工業磷酸 0.980 2 t標煤的綜合能耗。4)黃磷產業循環經濟的良好發展,有賴于產業規模的集中度。5)濕法工業磷酸的競爭力有賴于磷石膏及氟硅資源的高附加值綜合利用。

[1] 鐘本和,李軍,郭孝東.濕法磷酸凈化技術研究現狀及發展方向[J].無機鹽工業,2008,40(2):9-12.

[2] 梅毅,梁雪松,楊亞斌,等.黃磷產業的節能降耗與資源利用[J].現代化工,2010,30(10):80-83.

[3] 繆振虎,劉榮,沈浩,等.濕法磷酸凈化技術研究及其應用[C]//2010國際精細磷化工技術交流大會論文集.湖北宜昌:中國化工信息中心,2010:38-44.

[4] 梅毅,方曉峰.濕法磷酸凈化與熱法磷酸競爭力分析[J].云南化工,2007,34(5):18-22.

[5] 鐘本和,陳亮,李軍,等.溶劑萃取法凈化濕法磷酸的新進展[J].化工進展,2005,24(6):596-601.

[6] 楊亞斌,梅毅,樊蕾,等.熱法磷酸生產副產蒸汽的回收利用技術[J].無機鹽工業,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,正高級工程師,研究生學歷,長期從事磷化工研究與技術開發工作,入選國家“新世紀百千萬人才工程人選”,曾獲國家技術發明獎、省部級獎多項。

聯系方式:meiyi-412@sina.com