黃磷生產(chǎn)中的能耗和節(jié)能措施

肖茜

摘要：黃磷是工業(yè)生產(chǎn)中的重要原料，其在電子工業(yè)、農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品和肥料等多個領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。但是在生產(chǎn)黃磷的過程中，會因為各種原因而消耗大量的能量。文章對黃磷生產(chǎn)中的能耗進(jìn)行了分析，并探討了節(jié)能措施。

關(guān)鍵詞：黃磷生產(chǎn)；能耗；節(jié)能措施；工業(yè)原料；工業(yè)生產(chǎn) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TQ126 文章編號：1009-2374（2016）25-0095-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.046

隨著我國可持續(xù)發(fā)展觀的不斷深入，國家對工業(yè)生產(chǎn)的能耗要求變得越來越嚴(yán)格。而黃磷的生產(chǎn)不僅會消耗大量的能源，生產(chǎn)中排出的廢物還會對環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，從而影響人們的正常生活。根據(jù)黃磷生產(chǎn)的實(shí)際情況來看，其生產(chǎn)過程中主要是以煤作為主要的燃料，并且在我國的工業(yè)生產(chǎn)中，黃磷的生產(chǎn)能耗是所有工業(yè)生產(chǎn)中最高的。由于煤在燃燒過程中還會產(chǎn)生大量的污染物，從而污染空氣。目前，一些黃磷生產(chǎn)廠家已經(jīng)注意到生產(chǎn)過程中的能耗問題，所以逐漸開始對黃磷生產(chǎn)的能耗進(jìn)行控制。根據(jù)黃磷生產(chǎn)的現(xiàn)狀來看，企業(yè)只有對生產(chǎn)能耗進(jìn)行有效控制，才能取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，幫助企業(yè)在市場競爭中取得較大的優(yōu)勢。

1 黃磷及其生產(chǎn)

黃磷為白色或淡黃色半透明固體，柔軟、冷、脆，顏色較深。暴露在空氣中，在黑暗中生產(chǎn)綠色磷光的白煙。在潮濕的空氣中約40℃的火，在干燥的空氣略高。白磷可直接與鹵素、硫、金屬加工、硝酸生產(chǎn)磷酸和氫氧化鈉或氫氧化鉀生成磷化氫和次亞磷酸鈉。應(yīng)避免接觸高氯酸鉀、高錳酸鉀、過氧化氫和其他氧化物。

黃磷的生產(chǎn)工藝較為簡單，將磷礦石、硅石和焦炭按一定比例和粒度放入電爐里，在1000多℃的高溫下發(fā)生分解、還原反應(yīng)，磷蒸汽與爐塵一起被冷卻、漂洗后得到產(chǎn)品，高溫爐渣則直接從電爐中排出。

黃磷是一種極重要的基礎(chǔ)工業(yè)原料，主要用于化工、農(nóng)藥等多個領(lǐng)域。目前我國的總產(chǎn)量居世界首位，共有黃磷生產(chǎn)廠上百家，生產(chǎn)裝置主要分布在云南、貴州、四川、湖南四省，云、貴、川三省黃磷生產(chǎn)能力超過全國80%。由于黃磷的生產(chǎn)會消耗大量的能源，并對周圍環(huán)境造成極大影響，屬于高能耗、高污染的產(chǎn)業(yè)，所以發(fā)達(dá)國家將黃磷生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到發(fā)展中國家。

2 磷礦對綜合能耗的影響

在黃磷的生產(chǎn)中，在生產(chǎn)一噸黃磷的情況下，將會用到8.5～9.5噸磷礦，而生產(chǎn)中用到的所有原料重量為12～14噸。對于黃磷的生產(chǎn)而言，其中磷礦對綜合能耗的影響主要有三個方面的內(nèi)容，首先是磷礦的運(yùn)輸、其次是磷礦的品位、最后是爐料的質(zhì)量。

2.1 磷礦的運(yùn)輸

在我國黃磷工業(yè)的起步階段，我國的東南沿海地區(qū)是黃磷的主要消費(fèi)地區(qū)，這也就決定我國的黃磷生產(chǎn)企業(yè)集中在這些地區(qū)。而我國的磷礦主要產(chǎn)自于湘、鄂、云、貴、川五個省份，這樣就導(dǎo)致磷礦的產(chǎn)地與黃磷生產(chǎn)企業(yè)之間的距離很遠(yuǎn)，以南京一家黃磷生產(chǎn)企業(yè)為例，要將磷礦從礦區(qū)運(yùn)送至企業(yè)所在地，需要經(jīng)過3600km的鐵路運(yùn)輸，其中將1噸磷礦運(yùn)送至1km的距離需要消耗0.013kg的煤，按每8.7噸磷礦生產(chǎn)出1噸黃磷來計算，則生產(chǎn)1噸黃磷需要消耗0.407噸煤。

由于黃磷的燃點(diǎn)極低，所以保存的時候需要將其浸沒在水中，并且用包裝桶對其進(jìn)行密封處理，所以要運(yùn)輸1噸磷礦實(shí)際需要運(yùn)輸1.2噸的重量。如果磷礦生產(chǎn)企業(yè)建在磷礦所在地，則將運(yùn)送至南京時每噸黃磷消耗的煤將為0.056噸，比將黃磷生產(chǎn)企業(yè)建在南京要少消耗0.351噸。所以將黃磷生產(chǎn)企業(yè)建在礦區(qū)時，能夠顯著提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，并且能讓鐵路運(yùn)輸?shù)膲毫Φ玫骄徑猓€能減少對環(huán)境的污染。

2.2 磷礦的品位問題

對于磷礦的生產(chǎn)而言，在磷礦中五氧化二磷的含量不斷升高的情況下，制磷電爐消耗的電能將會不斷降低，這樣就導(dǎo)致磷礦生產(chǎn)企業(yè)一般是使用品位較高的磷礦進(jìn)行黃磷生產(chǎn)。這樣的生產(chǎn)方式下會將大量的低品位磷礦丟棄，不能讓磷礦資源得到全面利用，還會將磷礦開采過程中的能耗分?jǐn)偟礁咂肺涣椎V上，從而導(dǎo)致磷礦的開采能耗大幅度上升。這就意味中每增加0.05噸標(biāo)準(zhǔn)煤的磷礦開采能耗，就將會讓黃磷的綜合能耗增加0.43～0.48噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

2.3 爐料的質(zhì)量

在生產(chǎn)黃磷的過程中，如果磷礦的化學(xué)組成經(jīng)常出現(xiàn)較大的變化，則會導(dǎo)致黃磷生產(chǎn)的過程中不能對電爐工藝進(jìn)行較好的主動控制，這樣不但會讓黃磷的質(zhì)量和產(chǎn)量下降，還會導(dǎo)致生產(chǎn)過程中的電耗增加。根據(jù)黃磷的實(shí)際生產(chǎn)能耗來看，穩(wěn)定性較高的磷礦比品位較高的磷礦更有利于減少能耗。在上述黃磷生產(chǎn)企業(yè)中，其曾經(jīng)使用五氧化二磷含量波動范圍為16%的磷礦進(jìn)行黃磷的生產(chǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中很難掌握爐料的配比，從而導(dǎo)致爐渣中五氧化二磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7%～8%，每噸黃磷的生產(chǎn)將會導(dǎo)致電爐多消耗19000kWh的電能。所以磷礦生產(chǎn)的過程中可以將磷礦配置為二氧化硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)與氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.8，并且五氧化二磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%左右的原料礦或使用品質(zhì)相當(dāng)?shù)牧椎V代替。這樣既能讓熱法加工路線的優(yōu)勢得到較好發(fā)揮，對低品位磷礦進(jìn)行較好的利用，從而讓磷礦能耗和黃磷綜合能耗降低，又能讓磷礦的質(zhì)量和品位得到保障，減少生產(chǎn)中對電能的消耗。

3 磷企業(yè)的應(yīng)對措施

3.1 對新設(shè)計裝置

在設(shè)計黃磷裝置的過程中，必須要對原料預(yù)處理設(shè)計、電爐設(shè)計、短網(wǎng)設(shè)計、變壓器選型和廠址選擇等問題進(jìn)行綜合考慮。首先，要將大型的制磷企業(yè)建立在礦區(qū)，然后再將黃磷運(yùn)送至加工企業(yè)；其次，要對變壓器進(jìn)行嚴(yán)格的選型，讓變壓器能夠節(jié)省更多的電能，并且要讓變壓器符合短網(wǎng)的使用要求；最后，要從制磷裝置綜合能耗、變壓器功率利用系數(shù)、電爐運(yùn)行周期、磷礦化學(xué)組分以及磷礦物理特性等方面對綜合能耗進(jìn)行考慮，從而選擇原料預(yù)處理的技術(shù)路線。

在計算制磷電爐設(shè)計的時候有很多公式可以使用，對電爐的電氣參數(shù)和幾何尺寸進(jìn)行計算的時候主要有五種方法，分別是將安德烈常數(shù)作為原始計算值；以爐底功率強(qiáng)度作為常數(shù)；將電機(jī)電流密度和電位梯度作為常數(shù)、將熔池電阻率作為常數(shù)；將電流和電壓的比值作為常數(shù)；將電爐電壓和電流單位體積功率強(qiáng)度設(shè)定為

常數(shù)。

在使用以上的計算方法時，有兩個方面需要注意：首先，常數(shù)的值并不是保持不變的，如小型制磷電爐和大型的計算常數(shù)就會存在很大的區(qū)別，同時計算中的常數(shù)會隨著爐料焦比的變化而不斷變化；其次，爐料焦比會隨著焦炭和磷礦化學(xué)組分的變化而變化，從而導(dǎo)致爐料的理化性質(zhì)會出現(xiàn)較大的變化，對電爐參數(shù)的選擇造成一定的影響，同時這樣還會對爐內(nèi)電阻的變化造成一定影響，從而對爐內(nèi)電流和熱量分配的合理性造成影響，所以很難找到能夠滿足各種條件的計算公式。

而要讓計算方法滿足要求，就需要對磷礦的物性和化學(xué)組分進(jìn)行檢測，然后在生產(chǎn)實(shí)踐和數(shù)理統(tǒng)計的基礎(chǔ)上設(shè)計電爐本體，從而得到較好的效果。這也說明了對于制磷電爐的設(shè)計而言，焦炭和磷礦的物性數(shù)據(jù)和化學(xué)組分將是其基礎(chǔ)。另外，還要根據(jù)變壓器的容量，對爐蓋結(jié)構(gòu)和材質(zhì)、電極密封形式、外殼冷卻方式、電爐結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)和電爐的幾何尺寸進(jìn)行合理的選擇，因為這些都會對電爐電耗造成一定的影響。

3.2 已投產(chǎn)裝置

對于已經(jīng)建成并投入實(shí)際使用的電爐而言，二次電壓和二次電流調(diào)節(jié)范圍以及電極密封形式、爐蓋結(jié)構(gòu)和材質(zhì)、爐殼冷卻方式和電爐的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)等都已經(jīng)被確定，所以只能以此為基礎(chǔ)對電爐進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而讓其處于最佳的生產(chǎn)狀態(tài)。對于電爐內(nèi)熱量分配而言電極熔池配置極為重要，只有當(dāng)三根電極熔池的外圓在電極布置圓中心軸線上相交的時候，才能讓三根電極的熔池相聯(lián)并且重疊部分最小。這樣可以讓電爐熔池內(nèi)熔融爐料溫度在副反應(yīng)溫度之下，并且能達(dá)到磷酸鹽還原溫度以上，從而讓爐內(nèi)副反應(yīng)對電能消耗的影響變?yōu)樽钚。瑺t內(nèi)各區(qū)域的熱量分配比例處于最佳狀態(tài)、電流流向合理并且爐內(nèi)熔池電阻處于合適的范圍內(nèi)。在這樣的情況下，爐內(nèi)的爐渣和爐氣溫度合適，既能讓爐渣的流動性得到保障，又能讓爐渣和爐氣帶走的熱量降到最低。另外，通過這樣的方法還能將爐殼熱損失降到最低，而要使電極熔池的外圓相交于電極布置圓的中心軸線上，必須使每根電極的熔池直徑適中。

3.3 平衡測試

為了讓綜合能耗降低，制磷企業(yè)還需要進(jìn)行平衡測試和能源普查，加強(qiáng)對計量工作的管理，對蒸汽進(jìn)行合理的使用，對管線和設(shè)備進(jìn)行較好的保溫處理，從而使蒸汽的利用率得到提升，同時還要盡量采用節(jié)能技術(shù)，對生產(chǎn)中的水進(jìn)行循環(huán)利用。而要使焦炭的利用率得到提升，還需要盡量使用冶金工業(yè)篩選分下來的小顆粒

焦炭。

3.4 確保爐料焦比

對于黃磷的生產(chǎn)而言，單純地追求高品位的磷礦會比磷礦的質(zhì)量和品位穩(wěn)定耗能更多。所以在生產(chǎn)黃磷的過程中，需要對磷礦的品種進(jìn)行嚴(yán)格的挑選，要將不同的磷礦分開放置，對其進(jìn)行分析后才能開展生產(chǎn)活動，并且要使?fàn)t料焦比處于合理的狀態(tài)。

4 討論與建議

由于黃磷的生產(chǎn)涉及到很多能耗環(huán)節(jié)，所以其實(shí)際生產(chǎn)過程中很容易出現(xiàn)能耗過高的現(xiàn)象。隨著人們對環(huán)境保護(hù)的重視程度越來越深，減少黃磷生產(chǎn)過程中的能耗不僅對黃磷生產(chǎn)企業(yè)很重要，還對社會的環(huán)境有很大影響，所以黃磷生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中要通過各種有效方式對能耗進(jìn)行控制，從而不斷提升黃磷生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)

效益。

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（責(zé)任編輯：王 波）