AZF工藝生產粒狀磷酸一銨的可行性研究

蘇小林，徐志強，何新建

（湖北大峪口化工有限責任公司，湖北 鐘祥 431910）

傳統法工藝生產磷酸二銨（DAP）能效高、控制方便、質量穩定，適合用于大裝置，但近年來傳統法磷酸二銨產品市場同質化競爭激烈，產能嚴重過剩。粒狀磷酸一銨（GMAP）通常使用料漿法生產，具有規模小、能效低、養分低、水溶磷含量低等劣勢，市場占有率不高。筆者研究利用AZF工藝生產GMAP，提高裝置的靈活性，使裝置可以根據GMAP、DAP 和復合肥等產品的利潤情況合理安排生產。

利用AZF 工藝生產GMAP，主要需要研究的內容是料漿中和度降低后的反應熱變化，如何建立新的熱平衡、水平衡和物料平衡，并據此確定各項工藝控制參數［1］。

1 工藝技術路線和流程

AZF雙管式反應器工藝，在造粒機和干燥機內同時設置管式反應器。干燥機管式反應器（DPR）利用液氨和濃磷酸生產粉狀MAP，中和度控制在1.00 ～1.05，利用反應熱蒸發干燥機內物料的水分［2］。生成的粉狀MAP 從干燥機進入造粒環路，經篩分后作為返料進入造粒機中。造粒機管式反應器（GPR），使用輸入的磷酸、硫酸、液氨和洗滌液反應，控制中和度在1.4 左右以維持磷銨的最大溶解度。在GPR 中生成的料漿在轉鼓造粒機中二次氨化，中和度達到1.8以上，生成DAP。AZF工藝相較TVA工藝（預中和轉鼓氨化粒化工藝）最大的優勢是利用DPR分散了一部分反應熱和液相量，降低了造粒機的返料比，充分利用了反應熱［3］。

湖北大峪口化工有限責任公司原裝置采用改進的AZF工藝，氨化粒化流程只采用造粒機單管式反應器，主要是利用洗滌系統作為第二反應器。在傳統法優等品DAP 生產中，洗滌系統承擔了近1/3的氨化反應。

AZF 工藝生產GMAP技術按照AZF雙管式反應器流程的設計思路，恢復DPR。利用DPR 在干燥機內噴霧自熱干燥生產粉狀MAP，利用GPR 在造粒機內造粒。這樣既可以分散反應熱，降低返料比和提高生產負荷，又可以增加系統的結晶核，保證造粒工序的需要。整個生產工藝流程基本不變（除增加DPR 之外，僅停止氨軸、內染色和外包裹系統），只調整部分控制參數。AZF 工藝生產GMAP的工藝流程見圖1。

圖1 AZF工藝生產GMAP工藝流程

2 工藝衡算

2.1 衡算條件說明

以某公司常規濕法濃磷酸平均全分析指標進行產品質量測算，表1為其全分析指標。

表1 濃磷酸全分析指標 %

生產GMAP時，GPR和DPR中料漿中和度一般控制在1.00～1.05，下面均按中和度1.00 進行相關衡算。假定GMAP 產品w（H2O）為1.5%，按照配方計算公式［4］，產品w（N）10.82%、w（P2O5有效）52.73%、w（總養分）63.55%。

濃磷酸溫度使用實測值40 ℃；液氨純度按99.95%計算，密度取0.617 6 t/m3，系統氨損失按1%計算；系統水耗按7 t/h 計算，主要是洗滌系統工藝補水，溫度為15 ℃；假設環境溫度為20 ℃，環境空氣水含量可忽略，環境空氣的密度為1.207 kg/m3。根據料漿法GMAP 裝置生產粉狀MAP［5］的經驗和采用自熱干燥生產模式的實際條件，可以在滿足尾氣相對濕度等條件下盡可能降低風量，并結合裝置尾氣系統實際處理能力，假定進入造粒系統的環境干空氣為37 000 m3/h，進入干燥系統的干空氣（冷卻系統回流風和環境補風，溫度60 ℃）為70 000 m3/h；假定造粒尾氣溫度為90 ℃，造粒機出料溫度為88 ℃，干燥尾氣溫度為70 ℃，干燥機出料溫度為70 ℃；假定返回造粒機的返料量為200 t/h。

查閱各種工具書，取涉及的各種物質標準摩爾生成焓［6］（見表2）。

表2 各物質標準摩爾生成焓 kJ/mol

2.2 造粒系統衡算

利用Excel 分別建立造粒系統和干燥系統的衡算表，輸入前述各項參數，并不斷調整系統投料量發現，取GPR 濃磷酸投料量為24 m3/h，DPR 濃磷酸投料量為12 m3/h，相關數據較為合理。由于磷酸一銨反應熱較高，GPR 濃磷酸投料量大于24 m3/h，則造粒系統反應溫度偏高，液相量偏大，需要降低返料溫度或者增加返料量；DPR 濃磷酸投料量為12 m3/h，是在保證裝置生產負荷下取的較為經濟的值，如果太大，則干燥系統尾氣水含量太高，有尾氣吸露結疤風險，如果太小，則效果不明顯。

造粒系統衡算見表3。

表3 造粒系統衡算

造粒系統熱量衡算見表4。

表4 造粒系統熱量衡算

從表3、表4 可以看出，造粒系統熱量損失占帶入系統熱量的7.4%。由于造粒機相較于干燥機要小得多，熱量損失要小于干燥機，該數據與實際生產情況較為吻合。

經過計算，造粒尾氣的絕對濕度（水與干尾氣的質量比）為0.275 2 kg/kg，在90 ℃時的相對濕度為44.3%。為保證造粒條件（溫度、濕度、液固比等）處于造粒曲線范圍內（見圖2），造粒機及尾氣系統是高濕環境，上述計算結果較為適合。

圖2 造粒曲線

造粒機規格為φ3 750 mm × 8 000 mm，造粒尾氣風機額定風量為75 000 m3/h，正常生產變頻值80%。在該工況下造粒尾氣量為58 496 m3/h，在造粒機內風速為1.47 m/s，與某公司采用AZF雙管式反應器流程生產DAP 時造粒機內風速（1.243 m/s）［1］相近，比較合適。

2.3 干燥系統衡算

干燥系統擬采用自熱平衡的干燥模式，全部采用冷卻系統回流風和環境補風作為干燥介質，溫度暫按60 ℃進行衡算。干燥系統衡算見表5。

表5 干燥系統衡算

干燥系統熱量衡算見表6。

表6 干燥系統熱量衡算

從表5、表6 可以看出，干燥系統熱量損失占帶入系統熱量的17.3%（一般干燥機熱損失不超過20%），計算結果比較合理。

經過計算，干燥尾氣的絕對濕度為0.109 8 kg/kg，在70 ℃時的相對濕度為48.8%，可以滿足生產需求。在該工況下，干燥尾氣量為80 041 m3/h，折82.51 t/h，在干燥機內的風速為1.77 m/s，可以滿足生產需求。

前述造粒系統和干燥系統均采用自熱平衡干燥模式進行工藝計算，在實際生產中，初始開車時為提升系統溫度，會有少量燃煤消耗，在生產正常時應逐步減少并最終實現零煤耗運行。

3 總結

利用AZF雙管式反應器流程生產粒狀磷酸一銨較單管式反應器流程生產磷酸二銨產能更大、能效更高，技術可行，可以提高裝置的靈活性，建議繼續深入研究并推廣實施。