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1、大型料浆法磷铵装置的技术与装备四川大学化工学院应建康钟本和张允湘一、前言进入21世纪以来，我国高浓度磷复肥工业获得了前所未有的高速发展。上世纪80、90年代引进的十多套大中型装置经过多年磨合调整，逐渐适应国产磷资源的特点，大部分生产逐渐步入正常。通过消化吸收引进技术和采用自主开发技术，国内部分经营状态、资源条件较好的磷肥企业，建设、在建了一批大中型磷铵装置。高浓度磷复肥产量占磷肥总量的比例、大中型规模磷铵装置产量占磷铵总量的比例、以及采用传统工艺生产磷铵的大中型磷铵装置的装备国产化比例均不断提高。我国自主开发的“中和料浆浓缩法制磷铵工艺”，最近几年在工艺技术再优化和装置规模大型化方面，也取得了
2、长足的进步。特别是在与传统工艺磷铵装置相结合，优势互补，实现联产的技术创新过程中，不仅弥补了传统工艺磷铵装置的不足，使其增产降耗，改善经营状况，而且料浆法磷铵装置自身的技术和大型装备水平也得到了提升。二、料浆法磷铵工艺原料磷酸生产的技术特点就总体工艺和设备而言，料浆法磷铵工艺与传统工艺在原料稀磷酸的生产上并无不同，因此，国内湿法磷酸生产技术和装备的发展两者是同步的，比如大型湿法磷酸反应器的低位真空冷却技术和设备、大型转台过滤机的开发和应用等。只是料浆法磷铵工艺由于自身特点可以采用多效浓缩，因此允许湿法稀磷酸的浓度较低。由于磷酸浓度低一些，所以对磷矿的质量要求可以宽松一些，允许的反应温度可以高一
3、些，反应时间可以短一些，这些特点经过几年的发展，形成了料浆法工艺“磷酸快速萃取反应技术”，这项技术在现有装置挖潜优化扩能改造中发挥了很大作用。在磷酸料浆过滤工序，料浆法工艺的技术特点是可以采用并流洗涤流程，因此在其他条件相同时，过滤机具有较高的生产强度。料浆法工艺在湿法磷酸生产中的这些技术特点综合起来，使其大型化装置的磷酸系统具有“小马拉大车”的特征。比如湖北宜化集团楚星公司2001年底建成的装置，其磷酸系统按常规设计是年产8万吨PO规模，目前实际能力可达到年产15万吨左右。三、料浆法稀酸氨化反应技术和装备料浆法磷铵工艺与传统磷铵生产工艺的根本区别就是将传统工艺先浓缩磷酸再氨化反应的顺序颠倒过
4、来，即将稀磷酸先进行氨化反应，再将稀磷铵料浆蒸发浓缩，由此产生一系列具有比较优势的工艺特点。在料浆法磷铵工艺的发展过程中，先后采用、开发出槽式全混釜反应器、中和浓缩一体化反应器、外环流反应器、管式反应器等各种类型的稀酸氨化反应器，这些反应器各有优势，也都存在一些不足。近几年建设的大型料浆法磷铵装置，大部分采用新开发的强制循环氨化蒸发反应器。这种新型反应器继承、综合了槽式反应器、一体化反应器和外环流反应器的优点，又尽量避免了不足。与以往各种氨化反应器比较，强制循环氨化蒸发反应器的技术特点表现在：1、与槽式中和反应器相比，由于采用了较大的蒸发室，物料停留时间较长，杂质盐过饱和度消除较充分，因此反应
5、料浆具有槽式氨中和反应杂质析出完全，不易造成后续浓缩设备结垢堵塞的优点，但又无其占地面积大、流程长、转动设备多、电耗大、氨逸出率较高、操作环境差、污染环境等缺点。而且汽液分离较完全，二次蒸汽不带沫，有利于再次利用。2、与中和浓缩一体化反应器相比，由于同样采用强制循环，具有相同的反应管内料浆流速，而且反应段比一体化更长，因此反应更完全，料浆流动性更好。虽然比一体化多了一台运转设备，但循环泵运行非常稳定，基本不出故障，从反应器到稀效浓缩蒸发器的过料也非常容易控制，因此运行稳定性并不差。考虑到稀效浓缩加热器的运行周期大大延长，将运行和停车清洗时间综合考虑，实际上中和浓缩系统的运行更稳定、开车率更高了
6、。3、与外环流氨化反应器相比，由于循环推动力主要来自于循环泵，因此完全消除了停车放料，开车装料的弊病，简化了流程和操作。较高的流速还消除了反应段的“节涌”现象，避免了振动和噪音。虽然增加一台泵要消耗电能，但是240kt/a规模的反应器，消耗功率还不到20kW,与改善料浆性能、降低氨损失、提高开车率、避免振动的收益相比，其所得远远大于所失。4、这种反应器可以将反应产生的二次蒸汽与浓缩I效蒸发的二次蒸汽合并，去II效加热器作加热介质，既避免了放空污染环境和直接冷凝消耗冷却水，又大幅度降低了浓缩蒸汽消耗。根据计算，240kt/a磷铵装置氨化反应每小时要产生4吨多蒸汽，用于浓缩料浆，可以使双效浓缩的汽
7、水比（原始加热蒸汽与被蒸发物料蒸出水量之比）从0.57下降到0.45,节约蒸汽消耗21，接近三效浓缩的消耗水平。5、这种反应器易于实现大型化。由于与料浆浓缩蒸发器具有类似的外形，但只有很小的流动阻力，在装置规模扩大时，反应器始终比浓缩蒸发器小一号，在流程布置和装备制作上，都容易实现大型化。四、料浆浓缩流程的优化和大型化料浆法磷铵工艺的核心是料浆浓缩。由于磷铵料浆的沸点升高损失较小，介质腐蚀性较弱，因此可以采用多效蒸发节约蒸汽。根据模拟计算，料浆浓缩采用双效浓缩最经济。以往小规模装置原设计的浓缩流程均采用相同的双效传热面积，实践中发现II效（稀效）蒸发器相对偏小，因此这些装置在扩能改造中都扩大了
8、II效加热器的相对传热面积。采用强制循环氨化蒸发反应器后，有效利用氨化反应二次蒸汽需要相对更大的II效加热面积。当装置大型化后，大型料浆浓缩循环泵和真空操作的II效蒸发器的造价比规模扩大增加更快，而且过大的加热器清洗花费的时间过长，影响装置开车率。综合考虑各种因素，24万吨/年及以上规模的料浆法磷铵装置，采用“双效三体”浓缩流程更经济合理。即采用2个II效蒸发器，1个I效蒸发器，3个蒸发器的加热器、气液分离器和料浆循环泵采用大致相同的规格。料浆串连流通，二次蒸汽则并联分配。这个流程可以保持I效蒸发器常压或微负压操作，可以有效充分地利用热量，同时为提高一次加热蒸汽温度，强化生产留有余地。料浆浓缩
9、装置大型化的核心是卧式料浆循环泵的研制，目前国内制作的3000立方以上的大型料浆浓缩循环泵已经完全可以满足单系列30万吨规模大型装置的运行要求。大型料浆法磷铵装置的浓缩系统，在能量利用上更加合理。在浓缩循环水流程的安排上，采用单台循环水泵完成循环，操作简便、稳定，而且节能。此外，利用循环水的热量蒸发液氨，在20万吨以上规模的装置上，节能效果也非常显著。五、浓缩料浆的干燥工艺和装备料浆法磷铵的干燥工艺分粒状和粉状两种。由于工艺特点，料浆法粒状磷铵的干燥工艺国内全部采用喷浆造粒干燥工艺，其主体设备带内返料螺旋的喷浆造粒干燥机的最大直径达到4.75米，产量可达年产20万吨。内返料喷浆造粒干燥是粒状磷
10、铵生产中流程最短、设备最少的干燥工艺，发展至今，应该说无论技术还是设备规模，国内都已很成熟了。料浆浓缩工艺生产磷酸一铵（MAP）远比生产磷酸二铵（DAP）合理、优越，这是由其工艺特点决定的。而MAP更适合作为高浓度三元复合肥的基础肥料，随着我国化肥使用水平提高，MAP的这一市场定位将越来越明确。由于粉状产品比粒状更适合作三元复肥的基础肥料，而且粉状产品的加工流程和费用都比粒状产品有优势。市场和生产成本的双重驱动，使这几年新建的大型料浆法磷铵装置大部分采用粉状方案。目前国内料浆法工艺喷雾干燥制粉状MAP的主导流程是“压力喷雾逆流流化床干燥”。浓缩料浆用高压泵送入干燥塔顶，通过压力喷嘴雾化。料浆雾
11、滴在下降过程中与上升热气流逆流换热，蒸发水分。基本成形的细颗粒落入塔底的流化床层，在流化床层中经过相对较长时间的停留，强化与温度最高的进口热空气换热，细颗粒进一步完成干燥。成品细粒通过流化床层上的溢流口进入料封，经低速皮带机输送进成品料斗去包装。这种粉状干燥工艺的产品水分含量低、粒度均匀、物性好；装置运行稳定、单位产品能耗低、单位生产能力基本投资和加工费用小。经过几年的优化完善，主体设备干燥塔的生产强度成倍提高，配套的热风系统、尾气除尘系统在节能、环保方面均有突破。目前单系列最大生产规模可达年产15万吨，已经形成十分稳定、成熟的成套技术和装备。更大规模的生产装置，其粉状干燥系统可采用多系列。六
12、、“联产型”大型料浆法磷铵装置料浆法磷铵工艺近几年的最大创新，就是与传统磷酸浓缩工艺的磷铵装置相结合，发挥工艺优势，实现联产。这项创新技术在改造引进的大型DAP装置时，取得很好的效果，得到广泛关注。采用传统工艺生产DAP的生产装置，通常采用质量较好的磷矿。即使如此，由于我国磷矿资源的特点是氧化镁含量较高，这些装置的产品质量也不能稳定地达到国际通行标准，特别是产品氮含量和水溶磷含量指标。此外，传统磷酸装置的稀酸淤渣必须返回磷酸反应系统循环，极大地降低了湿法磷酸的生产强度；DAP装置的中和造粒尾气洗涤效果是影响系统水平衡、能耗、物料损失和运行稳定性的重要环节。在现有DAP生产企业配套建设料浆法MA
13、P联产装置，其原料起点是原DAP装置的稀磷酸淤渣、浓缩磷酸淤浆和DAP尾气洗涤液的不平衡部分。由于联产装置消化这些含磷原料可以大幅度提高原磷酸装置的产量，因此不需新建磷酸装置，原磷酸装置的配套扩能投资很小（主要是扩大磷矿加工能力等），联产装置自身的吨生产能力投资仅100至200元。这项联产技术既可以用很少的增量投资增加一个优质畅销的大宗产品，大幅度提高企业产出值，又可以优化磷酸和DAP的生产，降低消耗，节约能源，稳定产品质量。采用这项创新技术，贵州宏福实业有限总公司2002年和2003年先后建设了2套年产20万吨以上的大型料浆法粉状MAP联产装置，取得了很好的经济和社会效益。目前采用这项技术正
14、在建设大中型联产装置的还有云南富瑞化工有限责任公司、贵阳中化开磷化肥有限公司、广西鹿寨化肥有限责任公司、湖北大峪口等。料浆法工艺在建设这些大中型联产装置的过程中，既促进了原传统装置的运行和经营，自身的技术、装备和控制水平也不断提高，物料收率、能量消耗、产品加工费用、全员劳动生产率等主要技术经济指标均居国内先进水平。七、结束语“中和料浆浓缩法磷铵工艺”经过25年的开发、完善、大型化，现在已经成为我国磷铵工业的主导工艺路线之一，产量占全国磷铵产量的半壁江山。料浆法磷铵工艺对磷矿的适应性强、能量利用率高、设备材质要求低、装备完全国产化、流程简短、运行稳定、投资省、产品成本低、有害物排放量少等优势日益
15、被人们认识。近年来在装置大型化方面取得的进步，使其更加成熟，包括劳动生产率在内的整体技术水平跻身世界先进行列。由于世界磷矿资源趋于贫化，适宜于较低质量磷矿资源，并且已经成功实现装置大型化的料浆法磷铵工艺将越来越显示出其优越性和生命力。【作者简介】应建康：研究员，主要从事磷复肥特别是“料浆法磷铵工艺”的研究和工程化，是贵州宏福2套MAP联产装置的技术原创人和首席设计师。目前承担了云南富瑞、贵阳中化开磷、广西鹿寨等多套大中型料浆法MAP联产装置的设计、建设工作。钟本和：教授、博导，1955-1959，成都工学院化工系本科学习毕业。1960至今先后在成都工学院、成都科技大学、四川联合大学、四川大学任讲师、副教授及教授、博导，承担国家“六五”至“九五”重大科技攻关项目，获多项重大成果，获奖情况府后。国外专业考察：1986.11-12到苏联肥料及杀虫剂研究院、列宁格勒化工设计院、乌克兰苏姆化工厂、阿尔马雷克磷铵厂等专业考察磷肥及复合肥料。1990.3-1990.5到美国农业化学公司磷酸厂、磷铵厂、重点考察磷酸、磷铵的生产工艺。
