Production of NPK Compound Fertilizers in Ammonium Phosphate Unit with Slurry Concentration Process
Abstract：
There are many common characters on equipment configuration between ammonium phosphate production unit with slurry concentration process and compound fertilizer production unit with melt spray granulation process. With appropriate adjustment for technological process and increasing corresponding equipments, ammonium phosphate production unit can produce ammonium phosphate and compound fertilizer. According to the results of material balance calculation and through transformation, ammonium phosphate production unit and compound fertilizer production unit are combined effectively, and timely adjustment for product structure based on the change of market for product demand, which not only increase product market share, but also improve economic benefits of enterprises.
威海恒邦化工有限公司(以下简称恒邦化工公司)目前拥有100 kt/a氨化造粒复合肥生产系统、150 kt/a和60 kt/a料浆法磷酸铵生产系统各1套。近年来，随着国内磷复肥企业产能的扩大，导致国内磷酸铵总产能严重过剩，给磷肥生产企业带来很大的销售压力，产品大部分作为原料供复合肥生产使用。
通过对喷浆造粒复合肥、氨化造粒复合肥[1]及料浆法磷酸铵[2]生产工艺和设备配置的详细研究，发现三者存在极大的相似性。鉴于此，从市场需求角度出发，为缓解市场压力，恒邦化工公司考虑在现有磷复肥生产装置的基础上，结合工艺物料衡算情况，适当调整磷酸铵、复合肥生产工艺流程并增加相关反应器等设备，使60 kt/a料浆法磷酸铵生产系统具备既可生产磷酸铵又可生产复合肥的能力。
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生产工艺对比
氨化造粒复合肥生产工艺是将氯化钾与硫酸加入反应槽加热并在一定条件下反应，逸出的HCl气体经水吸收后可制得一定浓度的盐酸，生成的硫酸氢钾与稀磷酸混合后形成混酸。将混酸与气氨按比例在管式反应器中反应，生成的复合肥料浆直接喷入转鼓造粒机中制得氮、磷、钾一定比例的硫基复合肥。
喷浆造粒复合肥生产工艺是将制备好的料浆在反应器内与氨气按比例进行反应，使料浆中的水分汽化并分离，生成的中和料浆经泵、喷枪雾化后进入转鼓造粒机中制得氮、磷、钾一定比例的硫基复合肥。
料浆法磷酸铵生产工艺是用低浓度的工业稀磷酸先与氨在强制中和反应器内反应制得较稀的中和料浆，然后进行料浆的蒸发浓缩, 有效避免了传统法磷酸浓缩的难题，得到的浓缩料浆经泵、喷枪雾化后进入转鼓造粒机中制得氮、磷一定比例的磷酸铵类肥料。
氨化造粒复合肥、料浆法磷酸铵及喷浆造粒复合肥生产工艺和设备配置对比如表 1所示。
表 1
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项目 |
氨化造粒复合肥 |
料浆法磷酸铵 |
喷浆造粒复合肥 |
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规模 |
100 kt/a |
150 kt/a和60 kt/a |
60 kt/a |
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设计 工序 |
氢钾转化、混酸制备、喷浆造粒、烘干、筛分、冷却、包装等 |
磷酸制备、磷酸中和、料浆浓缩、喷浆造粒、烘干、筛分、冷却、包装等 |
氢钾转化、混酸制备、混酸中和、喷浆造粒、烘干、筛分、冷却、包装等 |
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主要 装置 |
氢钾转化槽 |
全容积80 m3，3室 |
强制中和器 |
Ф 2 000 mm×5 400 mm |
氢钾转化槽 |
全容积80 m3，3室 |
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管式反应器 |
DN 400 mm×3 000 mm |
Ⅰ效闪蒸室 |
Ф 3 200 mm×7 000 mm |
中和反应器 |
Φ 536 mm/Φ 450 mm，新增 |
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造粒机 |
Ф 2 200 mm×8 000 mm，37 kW |
Ⅱ效闪蒸室 |
Ф 3 200 mm×7 000 mm |
混酸储槽 |
Ф 3 000 mm×3 600 mm，新增 |
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一级烘干机 |
Ф 2 800 mm×28 000 mm，75 kW |
中和槽 |
Ф 2 000 mm×2 800 mm，15 kW |
中和槽 |
Ф 2 000 mm×2 800 mm，15 kW |
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二级烘干机 |
Ф 2 600 mm×23 000 mm，55 kW |
造粒机 |
Ф 3 200 mm×12 000 mm，75 kW |
造粒机 |
Ф 3 200 mm×12 000 mm，75 kW |
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冷却机 |
Ф 2 200 mm×20 000 mm，45 kW |
着色滚筒 |
Ф 1 200 mm×4 000 mm，7.5 kW |
着色滚筒 |
Ф 1 200 mm×4 000 mm，7.5 kW |
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包膜机 |
Ф 1 600 mm×6 000 mm，11 kW |
冷却滚筒 |
Ф 1 400 mm×16 000 mm，15 kW |
冷却滚筒 |
Ф 1 400 mm×16 000 mm，15 kW |
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流程 方案 |
氯化钾与浓硫酸反应产生硫酸氢钾后进入混酸储槽，配加磷酸调节磷钾比，然后经料浆泵送至造粒机喷浆造粒，产品再经烘干、筛分、冷却等工序后包装入库 |
稀磷酸与氨气在中和器内反应产生的磷酸铵料浆进行2次闪蒸浓缩，浓缩料浆经料浆泵送至造粒机喷浆造粒，产品再经烘干、筛分、冷却等工序后包装入库 |
氯化钾与浓硫酸反应产生的硫酸氢钾进入混酸储槽，配加磷酸调节磷钾比后由料浆泵送至中和反应器制得中和料浆，中和料浆经料浆泵送至造粒机喷浆造粒，产品再经烘干、筛分、冷却等工序后包装入库 |
2
工艺设计方案
通过对表 1中所涉及的生产工艺进行系统对比可看出，在氨化造粒复合肥及料浆法磷酸铵之间进行适当的工艺技术调整，可满足喷浆造粒复合肥的生产要求，整体设计思路是氢钾共享-2次配酸-区别造粒，具体工艺设计方案如下。
2.1
氢钾共享
通过对表 1中的设计工序进行对比，无论采用氨化造粒工艺或是喷浆造粒工艺生产复合肥，共同点是均设置了氢钾转化工序。考虑到恒邦化工公司现有氢钾转化槽是按照200 kt/a复合肥生产能力设计，设计余量完全能满足后期生产要求，因此氢钾转化工序无需调整。
2.2
2次配酸
氨化造粒工艺和喷浆造粒工艺的另一个共同点就是混酸制备，但考虑到2种生产工艺所生产的产品配方不同，生产过程中应通过2次配酸来解决此问题。氢钾转化工序所制备的合格硫酸氢钾溶液送至一次混酸配制槽，向槽内加入磷酸进行第1次混酸配制，得到的合格混酸部分供氨化造粒工艺使用；剩余的混酸送至二次混酸配制槽，同样向槽内加入磷酸进行第2次混酸配制，指标达到要求后送至料浆法磷酸铵生产装置供喷浆造粒工艺使用。
2.3
区别造粒
自混酸制备工序以后，与原生产工艺相比，复合肥的生产方式发生了变化。一次混酸配制槽中的混酸经泵送至管式反应器内与氨气发生中和反应，形成的高压将反应料浆喷入造粒机内与机内料幕混合造粒；二次混酸配制槽中的混酸经泵送至中和反应器内与氨气发生中和反应、蒸发除去部分水分后，得到的中和料浆依次经二次中和槽、料浆过料槽、料浆泵送至造粒机，被压缩空气雾化后与造粒机内料幕进行造粒。
2.4
其他
在该工艺设计方案中，涉及到2套不同的生产系统，实施的关键点在于2次配制混酸，即如何利用磷酸成为重点。若磷酸分多路进入2套生产系统，其指标控制点随之增加，不利于实际生产的稳定调节。为解决该问题，进行了如下设计：磷酸进入料浆法磷酸铵生产装置的尾洗系统对尾气进行酸洗处理，一次酸洗液经循环泵送至氨化造粒复合肥生产装置的尾洗系统对尾气进行酸洗(之前采用水洗)处理，产生的二次酸洗液对氨化造粒复合肥生产装置的造粒尾气进行最终洗涤，酸洗液最终经循环泵送至混酸制备工序。
按照上述流程对磷酸的使用进行调整，在保证2套生产系统尾气指标符合要求的同时，使过程磷酸规格始终稳定。工艺设计方案流程框图如图 1所示。
图 1
3
设计方案的实施
以硫基15-15-15氨化造粒复合肥与料浆法磷酸一铵(11-49)配套联合生产硫基12-18-15喷浆造粒复合肥为例，工艺设计方案的实施情况及控制要求介绍如下(部分指标为该方案物料及热量衡算获取，不再进行赘述)。
3.1
氢钾转化
如前所述，氨化造粒和喷浆造粒两大复合肥生产工艺在氢钾转化工序的各项指标要求基本一致，完全可以按照氨化造粒复合肥生产工艺要求进行控制。如果是进行系统改造，则需要考虑氢钾转化槽的生产能力能否满足2套生产系统的生产负荷要求。
3.2
一次配酸
一次配酸的主要目的是保证混酸指标满足氨化造粒复合肥生产的要求，配酸依据为硫基15-15-15氨化造粒复合肥物料衡算得出的混酸P2O5、K2O等指标要求，根据要求将尾洗磷酸按照配方比例与氢钾转化工序所制备的硫酸氢钾溶液充分混合均匀。硫基15-15-15氨化造粒复合肥混酸指标如表 2所示。
表 2
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指标 |
参数 |
注： 1)以P2O5计，下同；
2)以K2O计，下同 |
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w(有效磷)1)/% |
10.5～11.5 |
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w(有效钾)2)/% |
12.0～13.5 |
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磷钾比(P2O5/K2O) |
0.80～0.85 |
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w(磷酸)1)/% |
20.5±0.2 |
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混酸密度/(g·mL-1) |
1.46～1.49 |
3.3
二次配酸
二次配酸主要是在一次配酸的基础上调节混酸中有效磷的含量，以此调节混酸中的磷钾比。第1次配制的混酸一部分泵送至氨化造粒管式反应器进行中和反应，其余与尾洗磷酸按照配方比例进行充分混合，制备符合硫基12-18-15喷浆造粒复合肥衡算指标要求的混酸，具体指标如表 3所示。
表 3
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指标 |
参数 |
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w(有效磷)/% |
12.5～13.5 |
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w(有效钾)/% |
10.5～11.4 |
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磷钾比(P2O5/K2O) |
1.15～1.25 |
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w(磷酸)/% |
20.5±0.2 |
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混酸密度/(g·mL-1) |
1.40～1.45 |
3.4
喷浆造粒
二次配酸制备的合格混酸经泵送至中和反应器，与气氨按照配方比例要求进行中和反应，中和度控制在1.15～1.25，在反应过程中蒸发除去部分水分；然后中和料浆进入料浆法磷酸铵生产系统的二次中和槽(后续涉及设备均为磷酸铵系统配置)，经缓冲进入料浆过料槽，与其他熔融原料[3]混合均匀，由喷浆泵将料浆送至造粒机，被压缩空气完全雾化后与母料混合造粒，产品再经烘干、筛分、冷却等工序后包装入库。
3.5
尾洗系统
为保证2套生产系统的水平衡[4]，同时保证生产过程中磷酸各项指标稳定，原料磷酸首先按照料浆法磷酸铵生产工艺流程对造粒尾气进行酸洗，洗涤产生的一次酸洗液送至氨化造粒复合肥干燥冷却的尾洗系统，改水洗为酸洗，洗涤产生的二次酸洗液进入氨化造粒复合肥生产装置的造粒尾洗系统，最终洗涤磷酸被泵送至混酸制备工序，用作混酸的一、二次配酸。
4
方案预期效果
按照上述设计方案，实际生产可完全达到最初的设计意愿，产品质量稳定，2套生产系统可根据市场的需求，灵活生产各种规格的硫基复合肥及磷酸铵产品。
在硫基12-18-15复合肥物料衡算过程中，其料浆带入造粒机的水分(烘干负荷)质量分数高达35%，远高于料浆法磷酸铵生产控制要求的25%。为了保证产品质量符合国家标准《复混肥料(复合肥料)》(GB/T 15063—2009)的要求，采取降低系统生产负荷的方式以确保烘干效果，降低产品水分含量。
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结语
(1) 工艺设计简短，投资省。仅在氨化造粒复合肥及料浆法磷酸铵生产工艺间稍作调整，增设中和反应器、二次配酸槽等设备即可实现改造目标。
(2) 单生产系统，多规格产品。通过生产工艺调整，使料浆法磷酸铵生产系统具备复合肥生产能力，同时增加诸多规格复合肥产品的生产[5]，弥补了氨化造粒复合肥生产装置产品规格单一的不足。
(3) 根据市场需求，灵活生产。在磷肥市场低迷期，磷酸铵生产系统可在保证磷酸铵[6]产量满足自用情况下，改产复合肥产品，增强企业的市场竞争能力。
我国磷肥产能过剩问题尖锐，新增产能持续投产，落后产能退出缓慢，行业利润率下降严重，亏损面扩大；同时，产品结构不合理、产品同质化严重、新型产品占比不高等问题，限制了当前磷肥行业的进一步发展。对于既有复合肥生产系统又有磷肥生产系统的企业，采用上述改造方案，当磷肥市场处于低迷期时，磷肥生产系统可在生产部分磷酸铵产品满足自有复合肥生产系统的需求后，迅速转入复合肥生产状态，摆脱市场限制，将有助于提升企业综合经济效益。
沪公网安备 31010702007066号