制磷電爐結構對黃磷生產經濟技術指標的影響

陳 晨

(云南福石科技有限公司，云南 昆明 650117)

我國黃磷行業主要分布在云南、貴州、四川及湖北等地區。云南是國內唯一引進及改良應用德國、俄羅斯大電爐生產技術的。隨著國家對磷資源保護性開發政策的實施及對裝置環保排放要求和裝備自動化控制標準的逐步統一，云南黃磷企業從爐型結構、操作參數、控制技術等多方面進行了探索，總結出豐富的生產技術經驗，特別是中型電爐(20 MW)黃磷生產技術，更是世界首創，其在物料消耗、能源消耗、產品質量控制方面，遠遠優于國外大電爐生產裝置，積極助力實現國家低碳發展。

云南福石科技有限公司現有磷爐裝置4套。其中：15 MW 磷爐1套，20 MW 磷爐3套，均在2015年前建成投產。為實現產業可持續化良性發展，公司近年陸續對多套磷爐結構及幾何尺寸開展了優化改造，在黃磷生產經濟技術指標的控制方面取得一定成效。本文針對 20 MW 磷爐結構及幾何尺寸優化改造進行論述。

1 磷爐結構對黃磷生產的影響

電阻電弧爐是以“電阻熱為主、電弧熱為輔”的方式將電能轉換為熱能，滿足制磷反應溫度需求。其爐內電阻、電流的形成非常復雜，同時受電爐幾何尺寸、物料性質、操作條件等的影響。所以，電爐的幾何尺寸是裝置的關鍵技術參數，同時也是設計的重要參數之一。

1.1 爐內結構尺寸對黃磷生產的影響

爐內結構尺寸主要以內高(H)、內徑(D)、氣室空間為主。在相同條件下，現就爐內結構尺寸對黃磷生產的影響進行分析。

氣室空間的作用相當于一個緩沖罐[1]。因氣體有可壓縮性，當爐內氣體壓力增加，或爐內塌料氣體受阻時，它可有效防止壓力升高將爐氣從爐面噴出的事故發生。同時，磷爐氣通過氣室空間時，可緩沖沉降氣體中大顆粒雜質，這個氣室空間體積受下料管承插深度及爐頂形式的控制。同時，下料管承插深度也控制著爐內生料層厚度。下料管在爐內插深越深，氣室空間越大，爐內生料層厚度相應減小；反之，氣室空間越小，爐內生料層厚度相應增加。電爐爐頂主要有“平頂” “拱頂”兩種結構，平頂爐的氣室空間相對較大；拱頂爐相對較小。

電爐內高(H)是電爐幾何尺寸中很重要的參數，它決定了爐內的料層高度[2]，尤其是爐內生料層的厚度。所謂生料層是指爐內經加熱但尚未改變其物料外形特征的區域。生料層厚度的增減，決定著爐氣過濾效果的好壞。隨著磷礦石內在質量及特性的變化，考慮適宜的生料層厚度，其手段就是設計合理的電爐內高，并優化下料管承插深度及氣室空間。在保證入爐原料粒度符合控制標準時，可有效過濾爐氣中的粉塵含量，降低電爐爐氣出口溫度及壓力，降低3#洗滌塔溫度，提高一次收率并遏制系統泥磷量，同時改善近年環保技改后循環水溫升高影響收磷系統溫度控制的弊端，進一步優化利用了爐內的熱效率。

電爐內徑(D)及電極布置尺寸是相互影響的，需同時綜合計算考慮。確定了電極直徑、電極至爐壁距離、電極間距等參數，電爐內徑也就確定了。

1.2 電極布置尺寸對黃磷生產的影響

電極的布置尺寸主要以電極圓心圓(Dp)、電極至爐壁距離(b值)、電極間距(a值)、電極的直徑(d)為主。電極布置也可理解為爐內電流布置，它的形成非常復雜，受設計、物料組成、操作條件和控制手段等多方面的影響。最理想的電流分布主要有三條，其為電極至熔池再到電極、電極與電極間、電極至爐壁再到電極。三條電流的分布處于動態平衡，并同時存在的。只有保持良好的爐內電流分布，磷酸鹽的化學還原反應才能夠良好的在爐內持續進行。在相同條件下，現就電極的布置尺寸對黃磷生產的影響進行分析。

電極圓心圓(Dp)選擇過小，將形成中部過熱區，從而導致爐內橫向溫度集中，熱量分布不均勻[3]。電極間距過小，爐內熔料電阻變小或熔料溫度升高，熔料電阻率降低，電極間通過的電流增大，電極相電流上升迅速，嚴重時提升電極不足以相電流的控制，甚至電極間短路打弧，另電極間電流增大，電極與爐底及爐壁通過電流相應減小，使爐渣層、爐壁、爐底溫度降低，出渣困難；反之，電極間距過大，電極間電流降低，電極間出現“冷區”[3]，各相電極熔池互不相連，未使爐內形成一個良好的整體熔池，導致下料不均勻，化料量減少，增加各項消耗，嚴重時熔池結殼造成塌料，增加電極折斷風險。

電極與爐壁距離(b值)選擇過小，大部分電流流向爐壁，爐壁溫度升高，縮短爐壁爐襯使用壽命，嚴重時爐壁外部發紅或燒穿；反之，電流流向爐壁過小，爐壁溫度降低，增加爐壁掛料層厚度，電爐熔池縮小，副反應發生增加，化料量減少，即使是通過提高電爐二次電壓操控也難以實現負荷提升及消除爐壁掛料問題，嚴重時，迫使裝置停車。

電極間距(a值)選擇過小，各相電極熔池相切面積增加，局部過熱區面積增加，同時增大與爐壁的距離，爐壁掛料厚度不均勻；其次，爐面電極布置過于擁擠，不便于操作，同時縮短與下料管距離，增加短網渦流。反之，各相電極熔池未相切，局部過冷區面積增加，縮小與爐壁的距離。

電極直徑(d)的大小，是由允許的電流密度而定的[4]。電極直徑選擇過小，通過電極電流密度增大。國內外生產經驗都證實，電極電流密度越高，則電極消耗越大[5]，相對增加停車接電極時間，電極阻抗也隨之增大，電極熱損失量增大；反之，電極電流密度及電極阻抗降低，利于電極消耗控制，同時，電極熱損失量相應降低。

2 磷爐結構優化改造及效果

目前，大部分黃磷企業最終入爐使用的磷礦石為由多種不同化學組份磷礦石兌配的，并形成“有什么用什么、現進現用”的常態。加之，磷礦石機械強度下降，CO2含量較十年前上升2～3倍，P2O5含量下降5%左右。

眾所周知，制磷過程中，CO2的增高及P2O5的下降是不利于制磷電爐經濟技術指標的控制：一是兩者的變化均增加電爐電的消耗；二是磷礦石中的CO2在不達P2O5還原反應溫度時，隨碳酸鹽的分解產生爆裂現象，入爐磷礦石中CO2越高，其在爐內爆裂現象越發劇烈，爆裂時產生粉塵大部分粉塵伴隨爐氣及焦油、氟硅酸鹽等物資上揚進入洗滌塔，增加系統泥磷量；三是隨爐氣上揚的粉塵未參與還原反應即混入粗磷中，物料性質未發生變化，即使是在下工序與產品分離后進行蒸餾也無法回收內部單質磷，導致收率下降；四是爐內粉塵、焦(煤)末等上揚至下料管與爐蓋法蘭處，也容易和磷爐氣氧化后生成偏磷酸凝結在電極孔周圍，造成絕緣不良，導致頻繁打弧停爐，嚴重時甚至抱死電極，致使電極自由擺動緩沖空間不足，增加斷電極風險。以上分析都是對黃磷生產經濟技術指標控制的不利因素，需結合當前磷礦石特性及用礦情況，參照其他磷爐結構及幾何尺寸參數，對2#磷爐結構匹配進行優化改造。

2.1 磷爐結構改造及幾何尺寸優化設計

為持續挖潛裝置效能，2022年1月將爐頂結構由“拱頂”改為“平頂”，并同時優化設計爐內幾何尺寸并實施改造。具體幾何尺寸參數見表1。

2.2 72 h性能考核情況

2022年9月7日至9月10日，組織開展2#磷爐結構優化改造 72 h 性能考核。考核期間原材料磷礦石按4∶3比例科學合理兌配高品質礦與低磷高硅礦入爐使用，其綜合入爐w(P2O5)=22.85%，變壓器運行檔位為3檔，裝置運行平穩，爐況及各項溫度運行正常，其裝置運行率100%，運行負荷 21.38 MW，粗磷品質相對改造前較好，工藝控制指標波動幅度相對穩定。爐渣平均控制指標w(P2O5)=2.63%，MK值：0.78。裝置 72 h 性能考核經濟技術指標見表2。

表2 72 h性能考核經濟技術指標統計表

2.3 經濟效益估算

2#磷爐結構優化改造后，72 h 性能考核經濟技術指標均比改造前有所下降，特別是黃磷單位產品電爐電耗指標，相對較優，低于黃磷單位產品能耗先進值[6]。磷爐電(修正值)、電極、磷礦石、焦炭消耗同比上一年度消耗分別下降0.83%、1.48%、2.6%、2.76%。按當期原材料單價計，噸產品消耗成本降低約454元，按2#磷爐裝置設計產能 10.5 kt/a 計，年消耗成本降低約477萬元。

3 小結

結合黃磷生產原材料磷礦石內在化學組份及特性的變化，為實現產業可持續發展，服役年限長及與現階段使用磷礦石特性不匹配的磷爐裝置結構優化是必要的。其結構幾何尺寸設計是優化的重要關鍵技術參數，結構幾何尺寸設計時需同時兼顧考慮所使用磷礦石的物理、化學性能。磷爐結構幾何尺寸布置合理及匹配使用特性適合的入爐原料，有利于裝置經濟技術指標的控制，能夠進一步改善節能減排成效，高質量助力能效“雙碳、雙控”的發展。