利用磷石膏鉀長(zhǎng)石制取硅鈣鉀肥聯(lián)產(chǎn)硫酸一種配料計(jì)算方法

賈 陽(yáng) 程和信 李哲韜

引言

金正大諾泰爾化學(xué)有限公司是山東金正大生態(tài)工程有限公司的全資子公司，成立于2011年。在貴州甕安投資59.6億元打造的磷資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目，采用磷清潔生產(chǎn)技術(shù)，建設(shè)濕法磷酸循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，開(kāi)發(fā)出節(jié)能降耗、綠色環(huán)保等低碳技術(shù)與產(chǎn)品，努力將其建設(shè)成磷化工國(guó)家生態(tài)生產(chǎn)示范基地；并逐步使該公司成為“資源有依靠、技術(shù)有優(yōu)勢(shì)、服務(wù)有特色”的綜合一體化化工企業(yè)。

我國(guó)磷肥消費(fèi)量位居世界第一，占世界總消費(fèi)量的29.7%左右，是世界最大的磷肥進(jìn)口國(guó)之一。在過(guò)去的十年中我國(guó)的磷肥生產(chǎn)平均年增長(zhǎng)率為7.76%。磷肥工業(yè)的高速發(fā)展也帶來(lái)一些問(wèn)題，在濕法磷酸生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的磷石膏（通常1tP2O5濕法磷酸副產(chǎn)4.5～5.0t磷石膏），2005年國(guó)內(nèi)副產(chǎn)的磷石膏（主要成份CaSO4·2H2O）達(dá)到30Mt/a。同時(shí)，國(guó)內(nèi)磷肥企業(yè)（特別是云南、貴州、湖北、四川等磷復(fù)肥基地）長(zhǎng)年堆存的磷石膏數(shù)量也相當(dāng)驚人，據(jù)2006年7月在沈陽(yáng)召開(kāi)的“磷肥、硫酸行業(yè)推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議了解到：到2005年底，我國(guó)堆存的磷石膏約有100Mt。從全世界范圍來(lái)看，磷石膏的年排放量也達(dá)到280Mt。據(jù)預(yù)測(cè)，2008年全球化肥級(jí)磷酸的需求量將超過(guò)3000萬(wàn)t，其中中國(guó)磷酸的擴(kuò)展將占世界一半以上。隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)上對(duì)磷酸、磷銨和重過(guò)磷酸鈣的需求量增長(zhǎng)，其生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品磷石膏也在不斷增加。中國(guó)目前是世界第一大磷肥生產(chǎn)國(guó)，同時(shí)也是第一大磷石膏副產(chǎn)國(guó)。然而，磷石膏的資源化利用并不令人滿(mǎn)意，目前全世界磷石膏的有效利用率僅為4.5%左右，也就是說(shuō)全世界每年得到綜合利用的磷石膏只有12.6Mt。而我國(guó)磷石膏的有效利用率僅為10%，距國(guó)家“十一五”規(guī)劃工業(yè)固體廢物綜合利用率達(dá)到60%的目標(biāo)尚有較大差距。所以，如不采取措施對(duì)其加以利用，磷石膏的任意排放，不僅占用大量土地，浪費(fèi)了寶貴的硫資源，而且會(huì)污染環(huán)境，給生態(tài)帶來(lái)危害。因此，廢渣安全處理的環(huán)境條件己成為建設(shè)磷肥廠選擇廠址的制約因素，進(jìn)而直接影響磷復(fù)肥工業(yè)的發(fā)展。從環(huán)保和技術(shù)安全角度看，磷石膏廢渣堆存實(shí)非上策，綜合利用已是迫在眉睫的大問(wèn)題。

我國(guó)的可溶性鉀資源工業(yè)含量尚不足1億t（K2O），主要分布在青海省的鹽湖和新疆的羅布泊，不僅品位較低，而且地理位置偏僻，加上淡水資源短缺，因而我國(guó)生產(chǎn)鉀肥的難度大，成本高，產(chǎn)量難以達(dá)到國(guó)內(nèi)近1000萬(wàn)t/年的需求，缺口達(dá)50%以上，嚴(yán)重地制約了優(yōu)質(zhì)高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展，甚至威脅到國(guó)家糧食供給的安全。盡管我國(guó)可溶性鉀鹽資源短缺，但以鉀長(zhǎng)石為代表的含鉀巖石（K2O含量在5～14%之間，平均8%）分布較廣泛，已探明地質(zhì)含量達(dá)1200億噸以上。貴州金正大諾泰爾化學(xué)有限公司附近有十分豐富的鉀長(zhǎng)石資源（主要成份K2O·Al2O3·6SiO2）。

利用磷酸生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的磷石膏和鉀長(zhǎng)石資源等原料制造硅鈣鉀肥聯(lián)產(chǎn)硫酸，企業(yè)能夠取得經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益，促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展。

1 生產(chǎn)工藝

1.1 主要生產(chǎn)工藝

采用三級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器+φ4.5×90m干法回轉(zhuǎn)長(zhǎng)窯煅燒系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)量700t/d。

1.2 主要生產(chǎn)原料

磷石膏粉、鉀長(zhǎng)石、硅砂巖和焦炭末原料生產(chǎn)硅鈣鉀肥聯(lián)產(chǎn)硫酸。

1.3 主要燃料

煅燒燃料采用煤。

利用磷石膏、鉀長(zhǎng)石等原料生產(chǎn)硅鈣鉀肥聯(lián)產(chǎn)硫酸，無(wú)論從理論上，還是工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中都剛開(kāi)始起步，本文從理論上論述利用旋風(fēng)預(yù)熱器干法窯處置磷石膏（直接利用磷石膏代替鈣質(zhì)原料石灰石）制造硅鈣鉀肥聯(lián)產(chǎn)硫酸的一種配料計(jì)算方法。

2 配料計(jì)算

從貴州金正大諾泰爾化學(xué)有限公司生產(chǎn)車(chē)間取樣，對(duì)原燃材料進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 原料

表1 原料化學(xué)成分（%）

2.2 燃料

表2 原煤煤灰化學(xué)成分（%）

表3 原煤及焦炭末工業(yè)分析

2.3 配料方案確定

2.3.1 旋風(fēng)預(yù)熱器干法窯熱工參數(shù)確定

磷石膏、鉀長(zhǎng)石、硅砂巖和焦炭末原料生產(chǎn)硅鈣鉀肥聯(lián)產(chǎn)硫酸，最關(guān)鍵一步的是使磷石膏能夠盡量分解成CaO和SO2，在三級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器和窯尾部分筒體內(nèi)有足夠的還原氣氛，磷石膏分解反應(yīng)：

根據(jù)貴州金正大諾泰爾化學(xué)有限公司生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為保證干法窯后續(xù)配套的電收塵器等設(shè)備使用壽命，降低設(shè)備腐蝕，出一級(jí)旋風(fēng)筒氣體溫度≥350℃；保證三級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器和窯尾部分筒體內(nèi)有足夠的還原氣氛，窯尾煙室氣體溫度≤750℃；干法窯煅燒溫度控制在1250℃。干法窯硅鈣鉀肥產(chǎn)品單位熱耗約900Kcal/kg。

2.3.2 碳硫比的確定

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在控制C/S（摩爾比）=0.7左右時(shí)，磷石膏分解基本完成，再提高C/S值，從經(jīng)濟(jì)上不合理。配料計(jì)算按：

2.3.3 硅鈣鉀肥率值的確定

根據(jù)本項(xiàng)目原、燃料特點(diǎn)及產(chǎn)品品種生產(chǎn)質(zhì)量要求，參考工廠生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定本設(shè)計(jì)的熟料率值控制范圍如下：

KH=0.20±0.05 SM=3.00±0.20 AM=1.60±0.40

2.4 配料計(jì)算

表4 原料干基配比（%）

2.5 生料、硅鈣鉀肥化學(xué)成分

表5 生料、熟料化學(xué)成分（%）

2.6 熟料率值及礦物組成

表6 熟料率值及礦物組成（%）

2.7 原材料理論消耗量

表7 原材料消耗量（kg/kg硅鈣鉀肥）

2.8 硫酸產(chǎn)量

0.572 kg/kg硅鈣鉀肥。

3 結(jié)論

（1）利用生產(chǎn)無(wú)機(jī)肥工業(yè)廢渣磷石膏，硅砂巖、鉀長(zhǎng)石和焦炭末四種原料配料，硅鈣鉀肥率值適宜且其礦物組成合理，滿(mǎn)足本項(xiàng)目石膏制硅鈣鉀肥聯(lián)產(chǎn)硫酸的技術(shù)要求。

（2）金正大諾泰爾化學(xué)有限公司四條生產(chǎn)線(xiàn)建成投產(chǎn)，每年可以處理工業(yè)廢渣磷石膏86萬(wàn)t（干基）以上，硅鈣鉀肥86.8萬(wàn)t，生產(chǎn)公司所需硫酸49.7萬(wàn)t以上，可以充分建立濕法磷酸循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，開(kāi)發(fā)節(jié)能降耗、綠色環(huán)保等低碳技術(shù)與產(chǎn)品。

（3）采用三級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器+回轉(zhuǎn)長(zhǎng)窯煅燒系統(tǒng)，需嚴(yán)格控制碳硫比、KH、SM、AM。

（4）從理論上論述利用旋風(fēng)預(yù)熱器干法窯處置磷石膏制造硅鈣鉀肥聯(lián)產(chǎn)硫酸的一種配料計(jì)算方法。