黄磷电炉干法提磷工艺路线的探析

Exploration and Analysis of Dry Phosphorus Extraction Process with Electric Furnace for Yellow Phosphorus

吴振山 Zhenshan WU

江苏德义通环保科技有限公司江苏南京 211800 Jiangsu Deyitong Environmental Protection Technology Co., Ltd., Nanjing 211800, China

摘要：

通过对电炉法黄磷生产过程的分析，提出一种较为理想的环保工艺技术路线，并对采用该工艺路线的旋风除尘技术进行化工技术经济分析。分析结果表明，该工艺稳定性好，综合性价比高，值得大型黄磷生产企业应用尝试。

关键词：

黄磷; 干法提磷; 旋风除尘;

Abstract：

Through analysis of electric furnace yellow phosphorus production process, a more ideal environment friendly technological process is proposed, and an economical efficiency analysis for chemical technology of the cyclone dust removal technology adopted by the process is carried out. Analysis results show that the process has good stability and high comprehensive cost-performance ratio. It is worth attempting to apply by large-scale yellow phosphorus production enterprises.

Keyword：

yellow phosphorus; dry phosphorus extraction method; cyclone dust removal;

我国现有的绝大多数电炉法黄磷生产装置均采用水洗法提取黄磷，炉气经水洗后再对磷泥进行液固分离及气固分离。该工艺路线的优点是操作简单，工艺系统稳定性高，设备维护成本低；缺点是系统综合能耗高，磷收率低，循环水中的砷、氟等有毒成分含量高，对操作人员及周边环境危害极大，需定期处理。较理想的工艺方案是先对炉气进行气固分离，然后采取间歇式换热技术液化提取黄磷，不仅可降低水洗后气固分离带来的巨大能耗，而且能避免含砷、氟废水的产生。遗憾的是，数十年前国内外均曾出现过利用电除尘技术对出磷电炉炉气进行气固分离的尝试，但因需定期停车对电极板及振打器进行维护，工艺系统综合成本高，技术推广缓慢，未能实现技术的进一步推进。笔者等^[1]曾尝试采取过滤式气固分离技术、间歇式换热及水洗法工艺路线提取黄磷，并在磷电炉后续工段引入引风机，经过相关试验证明该技术方案可行，但因一次投资较高，相关企业积极性不佳。为此，在吸收上述技术优点的基础上，探讨一种次佳工艺技术方案，以期降低黄磷生产综合能耗。

1 工艺系统简介

1.1 除尘工艺流程

除尘工艺流程如图 1所示。

图 1

除尘工艺流程

出磷电炉的炉气先经过旋风除尘器将其中粒径大于5 μm的粉尘颗粒剔除，然后进入水洗塔分离出含有少量磷泥的黄磷。根据如图 2所示采用干法过滤式除尘器收集的磷电炉炉气粉尘粒度分布，假定不同粒径下的粉尘密度相同，理论状态下采用旋风除尘后预计可除去炉气中77%的粉尘。鉴于旋风除尘工艺对粒径3~5 μm的粉尘也有一定的分离作用，且在实际运行中，粉尘间存在团聚、静电吸附等现象，粉尘分离率一般会略高于理论值。

图 2

磷电炉炉气粉尘粒度分布

1.2 工艺系统控制要点

该技术的核心控制点包括除尘器设备及管路壳体内层结露、粉尘分离率、磷电炉炉顶压力以及除尘器卸料灰仓的气密性，具体措施如下。

(1) 为保证除尘系统各点不结露，对整个除尘系统采取夹套电伴热并作保温处理。夹套内温度过高或过低均会对磷收率及系统综合能耗产生较大影响，根据黄磷行业采用过的LP滤芯除尘器及静电除尘器的经验数据，夹套温度控制在280~330 ℃为宜。

(2) 风机选型参数关系到工艺系统能否稳定运行，若所选风机的流量-压头-功率等综合指标过于保守，当出现磷电炉塌料等情况时，除尘系统往往不能满足工况使用要求；若指标过高，系统综合能耗也会随之升高。根据类似经验，风机的风量参数为标准工况下的2.8~3.0倍、电机功率选择理论值的1.5~1.8倍为宜，旋风筒的进气量可通过改变风机转速或风机出口旁路阀的开度进行调节，以保证磷电炉处于低负荷状态时依然能够保持较高的粉尘分离率。

(3) 磷电炉压力的相对稳定也是关乎工艺系统能否顺利运行的关键，可通过调节风机出口阀开度以维持磷电炉炉顶压力在(200±150) Pa。

(4) 灰仓出料是系统安全系数要求最高的环节，本系统可采用连续出料或间歇式卸料，优先选择间歇式卸料，卸料操作与电极分闸时间点保持同步，卸料完毕后即对灰仓卸料口进行水封或料封。

2 投资分析

2.1 投资估算

2.1.1 一次投资

以处理气量3 000 m³/h(标态)、待处理气体平均温度375 ℃、气体原始粉尘质量浓度平均值150 g/m³(标态)、除尘后气体中粉尘质量浓度平均值34.5 g/m³(标态)、忽略操作压力及粉尘含量对待处理气体体积的影响、系统设计寿命20年为估算依据，系统一次投资汇总见表 1。

表 1

系统一次投资汇总

项目	价格/元	备注
设备钢结构	129 120	1套，材质Q345
引风机	56 000	1台，功率11 kW，变频调速
加热器	10 560	12.0 kW，正常投用8.5 kW
DN1100电动闸阀	28 000	1只
DN400电动闸阀	22 000	1只
DN300手动闸阀	5 400	1只
保温材料及辅材	24 000	1套
控制系统	160 000	1套
安装费	21 300
合计	456 380

2.1.2 运行费用

旋风除尘技术的设备易损件相对较少，主要运行费用是引风机的电费以及系统伴热额外增加的电费。除尘系统年运行费用分项汇总如表 2所示。

表 2

除尘系统年运行费用分项汇总

项目	单价	数量	价格/元
注：1)以强电运行功率19.5 kW、弱电运行功率1.2 kW统计； 2)包括系统PLC控制、卸料、设备维修等需要的人工
电费¹⁾	0.6元/(kW·h)	149 040 kW·h	89 424
循环冷却水	0.2元/t	600 t	120
润滑油	25元/L	15 L	375
易损件	5 000元/套	1套	5 000
新增人工费²⁾	200元/(人·h)	158人·h	31 600

2.2 效益分析

项目投入运行后，每年有2 494.8 t粉尘不再转化为磷泥；在除尘系统设计寿命内，扣除运行费用，每年可为企业带来166.74万元的直接经济效益。除尘后黄磷系统的年效益分析汇总见表 3。

表 3

除尘后黄磷系统年效益分析汇总

项目	年耗量	年效益/元	备注
黄磷尾气/m³(标态)	771 900	849 090
电/(kW·h)	2 793	1 452	380 V/220 V
新鲜水/m³	348.86	698
低压蒸汽/t	139.66	16 759	约0.3 MPa
磷损失量/t	77.16	925 920	以P₄残余质量分数3%计

3 结语

尽管上述技术方案依然不能彻底阻断黄磷生产中磷泥的形成，但可大幅减少后续工段磷泥的生成量，且结合化工技术经济等方面的分析，工艺路线可行。

该项目投资回收期约3个月，技改见效快。从经济效益的绝对量来看，其数值相对较小，对降低黄磷生产成本的作用有限，故对小规模黄磷生产企业的吸引力不大，适合大规模黄磷生产企业采用。鉴于磷化工行业整体低迷的现状，通过较低的投资实现对工艺设备的适当改进以降低运行成本，已成为行业内部分企业能否继续生存的核心因素之一，建议有条件的企业可进行工艺技术尝试。

ckwx 参考文献

吴振山,刘晨.黄磷提纯工艺优化方案的可行性分析[J].硫磷设计与粉体工程,2015(5):36-39.