300 kt/a濕法磷酸裝置萃取槽存在的問題分析及對策

潘繼斐，谷海明，胡 彬

（云南磷化集團?？诹讟I有限公司，云南 昆明 650113）

作為濕法磷酸生產關鍵設備之一的萃取槽，其結構設計優化一直以來都是行業研究的重點。云南磷化集團?？诹讟I有限公司（以下簡稱公司）現有濕法磷酸生產裝置4套，萃取槽的設計能力以P2O5計分別為10、80、300、400 kt/a。除了10 kt/a萃取槽設計為兩個同心直立圓筒組成外（外筒為料漿反應區，內筒為養晶區），其余3 套均為方格形結構。其中80 kt/a 萃取槽設計為4 區，而300 kt/a 和400 kt/a 因為生產能力較大設計為9 區。筆者主要針對300 kt/a 萃取槽存在的問題進行分析，并提出解決措施。

1 300 kt/a濕法磷酸裝置萃取槽簡介

1.1 萃取槽結構

300 kt/a 濕法磷酸裝置萃取槽由中國石化集團南京工程有限公司設計制造，于2013年3月建成并投入使用。其結構由槽體、槽蓋、支架、攪拌裝置、排風管、硫酸進口管、礦漿進口管、回磷酸進口管、蒸汽加入管等組成。萃取槽（含消化槽）為9區設計，其中前6區為反應區，后3區為消化區，每區尺寸（內）為5 970 mm×5 970 mm×8 000 mm，每區布置有一臺攪拌槳，相鄰兩區上部開有通氣孔。萃取槽槽體結構為混凝土+襯膠+碳磚。槽底襯碳磚，在攪拌槳正對底部加有十字碳磚條，槽頂由混凝土澆灌+襯膠組成，頂部有攪拌器安裝孔、硫酸進口管、礦漿進口管、回磷酸進口管、蒸汽管、排風管等接口。萃取槽槽頂平面簡圖見圖1。

圖1 300 kt/a萃取槽槽頂平面簡圖

1.2 萃取槽工藝流程

w（H2O）39%～42%的磷礦漿由泵輸送到萃取槽反應1 區上的3 個礦漿加入點，經核子密度計和電磁流量計計量后加入萃取槽；w（H2SO4）98%的濃硫酸經計量后，由硫酸管道送到反應槽上的混合三通中與來自過濾系統一洗液泵的回磷酸進行預混合后加入萃取槽反應2 區、3 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）結晶和磷酸料漿混合物，放出含氟氣體。反應生成的大部分料漿由位于反應6區旁的軸流泵打入槽外的低位閃蒸冷卻器中進行真空冷卻，冷卻后的料漿從低位閃蒸冷卻器底部借重力返回到反應1區做回漿循環使用。同時少部分料漿通過反應6區的溢流口溢流，依次進入消化槽的1區、2區、3區養晶待過濾。萃取槽內含氟氣體由尾氣風機從抽風口抽至尾氣系統，經洗滌合格后排空。

2 300 kt/a濕法磷酸裝置萃取槽存在的問題

2.1 “冒煙”問題

300 kt/a 濕法磷酸裝置建成投用后，裝置工藝和配套設備性能均能滿足正常生產要求，但也存在一些問題，其中影響最大的就是裝置在運行一段時間后萃取槽“冒煙”現象比較嚴重。所謂“冒煙”，即萃取槽內磷礦漿與濃硫酸反應產生的含氟氣體不能及時、完全被尾氣系統抽走，而從萃取槽頂遮蓋不嚴密的孔洞逸出的現象。

萃取槽“冒煙”對裝置生產影響很大：一方面污染周邊空氣，造成槽頂日常作業（如取樣、檢修、儀表維護等）受限；另一方面含氟氣體長期跑冒對萃取槽頂部機械設備腐蝕嚴重，形成安全隱患。據不完全統計，萃取槽自投用后，2區和3區攪拌槳至少發生過5次因聯軸器螺栓腐蝕斷裂，導致攪拌槳掉進萃取槽的情況，只能被迫停車打撈。為了緩解萃取槽“冒煙”，滿足環?？己艘?，通常只能降負荷生產。

原因分析：針對萃取槽“冒煙”，公司多次組織技術人員分析原因并與片區濕法磷酸生產企業溝通交流，總結出根本原因是與磷礦石品質下降有關。公司生產所用的磷礦漿，浮選礦占有相當比例，礦石在浮選過程中所用的浮選藥劑帶入磷礦漿中導致磷礦酸解過程泡沫增多，且隨著浮選礦比例的增加，發泡現象愈發嚴重。而萃取槽在正常生產過程中設計控制液位為85%，如礦漿在反應過程中產生泡沫增多，泡沫會占據一定氣相空間，導致槽內氣相空間不足，萃取槽冒正壓，引起萃取槽“冒煙”。

2.2 槽頂襯膠易損壞

300 kt/a 濕法磷酸裝置投用后，先后于2015 年5月和2017年6月進行了兩次大檢修，在這兩次檢修中均發現，萃取槽頂部襯膠鼓包損壞比較嚴重，尤其是在反應2 區和3 區。襯膠損壞處，混凝土腐蝕嚴重，出現大面積凹坑，威脅槽頂結構強度安全。

原因分析：300 kt/a 磷酸裝置采用二水法生產工藝，萃取槽中w（P2O5）在 28% ～ 32%，ρ（SO3）在30 mg/L 左右，還有氫氟酸、氟硅酸等，操作溫度控制在80 ～85°C。因為槽內溫度高且存在強腐蝕性介質，使槽頂膠板出現鼓包現象，當鼓包破裂后，膠板防腐層失效，從而對混凝土基體造成腐蝕。同時反應2 區、3 區為主反應區，在反應過程中大量泡沫覆蓋在料漿液面上，導致液位升高，產生的熱量和含氟氣體不能及時被抽走，隨著攪拌槳的攪動，溫度較高的泡沫與頂部襯膠接觸，進一步加快了襯膠損壞速度。

3 解決措施

從上述分析可知，無論是萃取槽“冒煙”還是反應2 區、3 區膠板損壞嚴重問題，根本原因還是與磷礦品位及品質下降有關。理論上講，提高磷礦品質才是解決問題的根本途徑。但隨著磷礦資源的匱乏，以及磷礦品位及品質的下降，采購優質礦石的成本高，使用浮選礦將成為磷酸生產的必然選擇，浮選過程中帶入的浮選藥劑勢必導致磷礦酸解過程泡沫增多。因此，在現有生產條件下，筆者認為從抑制、消除磷礦酸解過程產生的泡沫，合理優化萃取槽結構入手可能是解決上述問題最有效的途徑。

3.1 消泡措施

通過查閱相關文獻［1］，消除泡沫的措施主要有以下幾點：（1）降低磷礦中碳酸鹽和有機物含量，磷礦中碳酸鹽和有機物已被證實是產生泡沫現象的主要因素，要求磷礦中w（CO2）低于3%，w（有機物）低于0.65%。當磷礦中碳酸鹽和有機物含量較高時，應采取配礦均化的辦法。（2）添加消泡劑（化學消泡）。消泡劑用量一般為過濾料漿量的0.01%～0.30%，以產品P2O5計為0.05%～1.50%。同時添加消泡劑的正確位置應該是產生泡沫的初始位置，即磷礦和硫酸加入萃取槽的位置，添加在別的區會降低消泡劑的利用率和使用效果。（3）機械消泡。公司主要采用添加消泡劑法抑制和消除泡沫，改造前消泡劑月平均用量約為40 t。

3.2 萃取槽結構優化

采取消泡措施能在一定程度上減少萃取槽內反應料漿泡沫，緩解“冒煙”現象，但一段時間后，萃取槽依然還是會“冒煙”，同時由于添加消泡劑量較大，價格昂貴，造成生產成本增加。于是在2016年11月裝置第二次檢修期間，結合萃取槽實際情況和工藝計算，對萃取槽結構進行了部分優化。具體優化內容如下。

（1）將萃取槽設計操作液位（粒漿液面高度與萃取槽高度的比值）由85%降至80%。優化前萃取槽設計操作液位為85%，氣相空間為15%，即料漿液面高度為6.8 m，凈空高為1.2 m。若將萃取槽的操作液位降到80%，氣相空間為20%，即料漿高度為6.4 m，凈空高度增至1.6 m。為保證優化前后萃取槽內反應料漿停留時間受影響較小，且滿足過濾系統物料平衡要求，通過工藝計算，需要將反應6區至消化1區、消化2區至3區的溢流口最低點由原來的5.8 m降至5.5 m，開口形式由三角形改為四邊形，溢流面積增大至1.195 m2。改造前后結構如圖2、3所示。

圖2 改造前溢流口結構簡圖

圖3 改造后溢流口結構簡圖

（2）在萃取槽反應1區與2區、2區與3區氣相孔上方制作天圓地方管件，并將其配管至氟吸收大管上，以增大抽氣量。同時將反應1 區與2 區、2區與3區、3區與4區隔墻上的氣相通道下降0.14 m，并做好防腐處理，以增大槽內氣體流通量。

（3）清理干凈萃取槽內頂部積料，檢查各區槽頂襯膠鼓包損壞情況，重點修復2 區和3 區。將損壞膠板剔除，被礦漿腐蝕的混凝土用堿水中和，配合清水沖洗，刮耐酸膠泥找平，待干燥后重新噴砂，襯雙層耐酸膠板（每層3 mm）。

4 效果評價

300 kt/a 濕法磷酸裝置檢修完畢后恢復開車，待生產操作穩定后，公司相關部門對裝置進行了72 h標定考核。考核期間原料磷礦漿分析數據見表1，考核結果見表2。

表1 考核期間原料磷礦漿分析數據 %

表2 300 kt/a濕法磷酸裝置72 h標定考核

從表1、表2 數據可以看出，考核期間除了硫酸和磷礦消耗因礦漿成分中P2O5含量和礦漿水含量未達到原料指標要求外，裝置生產能力、轉化率、洗滌率和P2O5回收率等均達到考核要求，萃取尾氣煙囪的排氟濃度、排氟速率也達到國家排放標準，萃取槽結構改造未影響其使用功能。裝置檢修完投入生產后，萃取槽“冒煙”基本消失，消泡劑月用量由改造前的40 t 降低為30 t，在2018 年裝置檢修中，發現槽頂襯膠鼓包損壞情況較以前明顯好轉。

5 結語

隨著磷礦資源的匱乏，在當前及以后濕法磷酸生產過程中，想要通過提高磷礦石品質從根源上解決萃取槽“冒煙”問題或許不太現實，但采用消泡措施+萃取槽結構合理優化并舉，或許是一個比較好的問題解決思路。