海口磷礦二水-半水法萃取磷酸試驗

倪雙林，陳洪來，查坐統

（云南省化工研究院云南昆明 650228）

海口磷礦二水-半水法萃取磷酸試驗

倪雙林，陳洪來，查坐統

（云南省化工研究院云南昆明 650228）

以海口磷礦為原料進行二水-半水法萃取磷酸試驗研究，試驗獲得了二水-半水工藝制取磷酸的優惠工藝條件。該工藝條件下獲得的磷收率較二水流程高2個百分點，獲得的磷石膏質量達建材石膏要求。

濕法磷酸；二水-半水工藝；海口磷礦

濕法磷酸生產根據硫酸鈣結晶形式的不同，分別有二水物流程、半水物流程、無水物流程、二水-半水再結晶流程及半水-二水再結晶流程（包括稀酸流程和濃酸流程）。20世紀30年代，美國道爾流程的出現為二水物流程的工業化奠定了基礎，經過多年不斷的改進、優化，二水物流程以其技術成熟、開車率高及對磷礦適應性強等優勢為大多數濕法磷酸企業所采用。但是二水物流程自身存在一定的缺陷：其一是因為石膏晶間P2O5損失，以及磷礦鈍化現象的存在，磷礦中P205的得率總是不高，同時也造成磷石膏質量不純，使磷石膏的綜合利用有困難；其二產品磷酸P2O5濃度不高，磷酸進一步加工利用時需進行濃縮。磷酸濃縮需消耗大量蒸汽，能源價格不斷上漲導致磷酸濃縮成本大幅上升。為了進一步提高磷礦P2O5收率，減少磷石膏中的雜質含量，推進磷石膏的綜合利用，上世紀60年代濕法磷酸生產中出現了再結晶流程（半水-二水再結晶濃酸流程及稀酸流程、二水-半水再結晶流程）。其中，半水-二水再結晶濃酸流程有著最佳的經濟技術指標和節能減排效果，為越來越多的國外公司所采用，但該流程對原料磷礦要求較高，在我國沒有大規模推廣應用。

二水-半水再結晶流程通過再結晶過程使前段石膏中損失的P2O5得到回收，使磷的損失減少到最低限度，流程的磷收率可達99%以上。該流程是以二水物流程為基礎的再結晶流程，對原料磷礦適應性強，其副產的半水磷石膏雜質含量少、結晶水含量少，為磷石膏的綜合利用創造了極為有利條件，是一種適合我國中低品位磷礦及磷石膏綜合利用的濕法磷酸生產工藝流程。

1 二水-半水法萃取磷酸試驗

1．1 工藝流程

試驗裝置包括二水反應、二水料漿過濾、結晶轉化、半水料漿過濾4個工序。工藝流程見圖1。

含固量約62%的磷礦漿及從結晶轉化段返回的回磷酸用計量泵送入方格反應槽1區。98%的濃硫酸用計量泵送入方格反應槽2區。磷礦漿、硫酸和磷酸在反應槽中進行化學反應，生成二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O）結晶和磷酸混合的料漿。反應生成的二水料漿經過方格反應槽3、4區后進入消化槽養晶待過濾。將消化槽二水料漿送至過濾機進行液固分離。得到的濾液一部分作為成品磷酸取出系統，另一部分濾液和二水石膏（不洗滌）送入轉化中間槽。用計量泵將中間槽內料漿送入轉化槽，同時向轉化槽內送入硫酸、并升溫使二水石膏脫水轉化為半水石膏。達到一定的停留時間后，結晶轉化槽的半水料漿通過溢流口溢流至養晶槽養晶待過濾。將合格的半水料漿送至半水過濾機進行過濾、洗滌，洗滌采取3次逆流方式。濾液和一洗液作為回磷酸返回方格反應槽1區，固相物為半水石膏送往磷石膏利用工序。

圖1 二水-半水法萃取磷酸模試裝置工藝流程Figure 1 Dihydrate－hem ihyd rate extraction phosphoric acid mode plant process

1.2 結果與討論

1.2.1 對原料磷礦的要求

試驗所用磷礦為云南海口磷礦，磷礦組成見表1所示。

二水-半水再結晶流程是以二水物流程為基礎，其對磷礦品質的要求和二水物流程一致。試驗結果也表明該礦能很好的適應二水-半水再結晶工藝流程，獲得的半水石膏結晶粗大、均勻，過濾性能優異。

表1 試驗用磷礦化學組成Table 1 Chem ical composition of test phosphate rock w／%

1.2.2 優惠工藝條件

以反應溫度、磷酸質量分數、硫酸質量分數、停留時間等工藝參數進行條件實驗，獲得的優惠工藝條件見表2。

表2 優惠工藝條件Table 2 Favorable conditions

1．2．3 磷礦轉化率

優惠工藝條件下獲得的半水石膏中w（P2O5不溶）為0.08%～0.20%，平均0.11%；半水石膏中w（P2O5水溶）為0.05%～0.10%，平均0.08%。根據上述數據和原料磷礦組成計算磷礦分解率、石膏洗滌率。二水-半水法萃取磷酸P2O5分解率最高可達99.65%，平均99.52%。洗滌率最高99.78%，平均99.65%，由此得到磷礦的轉化率為99.17%。相對二水物流程最高約97%的轉化率，二水-半水再結晶流程的磷轉化率較二水流程提高約2個百分點。

1.2.4 雜質離子在兩相中的分配

雜質離子在兩相中的分配見表3。

表3 雜質離子分配Table 3 Impurity ions distribution w／%

二水-半水再結晶流程在結晶轉化過程中控制較高的反應溫度及液相SO3質量分數，在二水段中與二水石膏一起沉淀了的磷酸鐵、鋁雜質再次溶解進入酸相［1］。表3數據表明磷礦中94%以上的倍半氧化物及氧化鎂進入到酸相中。

1.2.5 成品磷酸及磷石膏組成

二水-半水再結晶流程在半水轉化過程中為縮短結晶轉化時間及為獲得較好的半水晶體，控制較高的反應溫度和硫酸濃度，這就使得磷石膏中殘磷和雜質含量下降的同時也會造成產品磷酸中金屬離子濃度的上升。二水流程及二水-半水再結晶流程的成品磷酸、磷石膏組成見表4、表5。

表4 成品磷酸組成Tab le 4 Com position of finished phosphoric acid w／%

表5 磷石膏組成Tab le5 Composition of phosphogypsum w／%

表4數據表明，二水-半水再結晶流程得到的產品磷酸，金屬離子含量較二水流程高，其中MER值達0.122［MER＝（Fe2O3＋Al2O3＋MgO）／P2O5］，超過了企業生產優質DAP要求的≤0.105的要求。另一方面，由于酸中非金屬離子含量降低，將對磷酸凈化產生有利的影響，因為金屬離子在采取有機溶劑萃取時比非金屬離子較易除去，而非金屬離子含量少可以提高磷的收率［2］。對于配套有溶劑萃取凈化濕法磷酸裝置的企業該工藝有一定優勢，而沒有濕法磷酸凈化裝置的企業，需經過實驗和生產進一步明確該工藝獲得的成品磷酸用途。

表5數據表明，二水-半水再結晶流程得到半水石膏其可溶磷、總氟、可溶性氧化鎂、可溶性氧化鈉、可溶性氧化鉀含量均達到國家建材石膏的要求，即二水-半水再結晶流程獲得的半水石膏可直接用于石膏建材產品的生產，這對濕法磷酸企業推進磷石膏的綜合利用有非常重要的現實意義。

1.2.6 半水石膏晶體

半水物結晶形狀通常呈柱狀、球形或柱狀聚合體。圖2是本次試驗中獲得的半水物結晶。從圖2可看出，半水石膏晶體顆粒呈柱狀較為粗大，有部分聚晶，其過濾性能優于二水石膏。半水晶體脫離反應系統后有一定的穩定時間可以充分滿足石膏的過濾洗滌。

圖2 試驗中獲得的半水石膏結晶Figure 2 Hem ihydrate crystals obtained from test

1.2.7 半水石膏穩定性

二水-半水再結晶工藝條件下得到的半水物結晶為α-半水石膏，其在常溫下極易轉化為二水石膏。試驗中測試了半水石膏結晶水隨時間的變化情況，結果見圖3。

圖3 半水石膏結晶水含量隨時間的變化情況Figure 3 W ater content in hem ihydrate crystal changes over time

從圖3看出，半水石膏置于空氣中2 h后結晶水含量上升較快，8 h后結晶水含量趨于穩定即半水石膏完全吸水轉化為二水石膏。從其結晶水含量的變化情況看，半水石膏在空氣中的穩定性不超過2 h，若半水石膏不及時進行處理，則會吸水重新轉化為二水石膏，轉化后的二水石膏板結、堅硬，對石膏的綜合利用有一定影響。

1.2.8 腐蝕試驗

在結晶轉化區選用了超級奧氏體不銹鋼904L，奧氏體不銹鋼316L和雙相不銹鋼S2205進行掛片試驗，腐蝕結果見表6。

表6 腐蝕試驗結果Table 6 Corrosion test resu lts

根據腐蝕標準評判，316L在該工藝條件下不耐腐蝕，S2205為Ⅲ類第4級耐蝕等級，904L為Ⅲ類第5級耐蝕等級。試驗結果表明在二水物流程中常用的奧氏體不銹鋼316L不能滿足該工藝的要求，要進行工業化生產的企業必須對設備材質進行研究。

2 結語

1）在海口磷礦二水-半水法萃取磷酸試驗中，二水-半水再結晶流程的特點得到了體現：磷收率達99%以上，較二水物流程有明顯提升；相同原料磷礦得到的產品磷酸P2O5質量分數較二水流程高2～5個百分點；半水石膏殘磷及雜質含量低，可直接用于石膏建材產品生產，對磷石膏綜合利用有積極的意義。

2）二水-半水法流程對原料磷礦要求不高，一般二水流程用磷礦即可滿足二水-半水再結晶流程的生產。

3）二水-半水再結晶流程獲得的成品磷酸金屬離子含量較二水物流程高，其用途需經過實驗進一步明確；獲得的α-半水石膏常溫下不穩定，對α-半水石膏的排放、堆存及使用需進一步研究；二水-半水再結晶流程對設備材質的要求較二水物流程高，工業化生產必須在設備材質、選型等方面進行研究。

［1］ 吳佩芝.濕法磷酸［M］.北京：化學工業出版社，1987.

［2］ 鄭之銀.二水-半水濕法磷酸工藝中試研究與經濟性分析［J］.磷肥與復肥2012，27（1）：20-23.

Pilot Study on Dihyd rate－hem ihydrate Process for WPA Production w ith Haikou Phosphate Rock as Raw Material

NIShuang-lin，CHEN Hong-lai，CHA Zuo-tong
（Chemical research institute of Yunnan province，Kunming 650228，China）

Pilot study on dihydrate－hemihydrate process for WPA production with Haikou phosphate rock as raw material was done.The optimum conditions of the dihydrate－hemihydrate process were obtained.Comparedwith dehydrate process，the phosphorus recovery ratewas improved by 2 percentage points，the quality of phosphogysum met the request of building gypsum.

wet－process phosphate；dihydrate－hemihydrate process；Hai Kou phosphate rock

TQ126.3

： A

： 1004-275X（2014）01-0011-04

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.01.003

收稿：2013-12-06

倪雙林（1974－），男，云南曲靖人，工程師，主要從事化工工藝研究。