制磷電爐結(jié)構(gòu)對黃磷生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)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(yè)主要分布在云南、貴州、四川及湖北等地區(qū)。云南是國內(nèi)唯一引進(jìn)及改良應(yīng)用德國、俄羅斯大電爐生產(chǎn)技術(shù)的。隨著國家對磷資源保護(hù)性開發(fā)政策的實施及對裝置環(huán)保排放要求和裝備自動化控制標(biāo)準(zhǔn)的逐步統(tǒng)一，云南黃磷企業(yè)從爐型結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)、控制技術(shù)等多方面進(jìn)行了探索，總結(jié)出豐富的生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗，特別是中型電爐(20 MW)黃磷生產(chǎn)技術(shù)，更是世界首創(chuàng)，其在物料消耗、能源消耗、產(chǎn)品質(zhì)量控制方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國外大電爐生產(chǎn)裝置，積極助力實現(xiàn)國家低碳發(fā)展。

云南福石科技有限公司現(xiàn)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(chǎn)。為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)化良性發(fā)展，公司近年陸續(xù)對多套磷爐結(jié)構(gòu)及幾何尺寸開展了優(yōu)化改造，在黃磷生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的控制方面取得一定成效。本文針對 20 MW 磷爐結(jié)構(gòu)及幾何尺寸優(yōu)化改造進(jìn)行論述。

1 磷爐結(jié)構(gòu)對黃磷生產(chǎn)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(zhuǎn)換為熱能，滿足制磷反應(yīng)溫度需求。其爐內(nèi)電阻、電流的形成非常復(fù)雜，同時受電爐幾何尺寸、物料性質(zhì)、操作條件等的影響。所以，電爐的幾何尺寸是裝置的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，同時也是設(shè)計的重要參數(shù)之一。

1.1 爐內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸對黃磷生產(chǎn)的影響

爐內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸主要以內(nèi)高(H)、內(nèi)徑(D)、氣室空間為主。在相同條件下，現(xiàn)就爐內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸對黃磷生產(chǎn)的影響進(jìn)行分析。

氣室空間的作用相當(dāng)于一個緩沖罐[1]。因氣體有可壓縮性，當(dāng)爐內(nèi)氣體壓力增加，或爐內(nèi)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(fā)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(zhì)，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(nèi)生料層厚度。下料管在爐內(nèi)插深越深，氣室空間越大，爐內(nèi)生料層厚度相應(yīng)減??；反之，氣室空間越小，爐內(nèi)生料層厚度相應(yīng)增加。電爐爐頂主要有“平頂” “拱頂”兩種結(jié)構(gòu)，平頂爐的氣室空間相對較大；拱頂爐相對較小。

電爐內(nèi)高(H)是電爐幾何尺寸中很重要的參數(shù)，它決定了爐內(nèi)的料層高度[2]，尤其是爐內(nèi)生料層的厚度。所謂生料層是指爐內(nèi)經(jīng)加熱但尚未改變其物料外形特征的區(qū)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(nèi)在質(zhì)量及特性的變化，考慮適宜的生料層厚度，其手段就是設(shè)計合理的電爐內(nèi)高，并優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)泥磷量，同時改善近年環(huán)保技改后循環(huán)水溫升高影響收磷系統(tǒng)溫度控制的弊端，進(jìn)一步優(yōu)化利用了爐內(nèi)的熱效率。

電爐內(nèi)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(shù)，電爐內(nèi)徑也就確定了。

1.2 電極布置尺寸對黃磷生產(chǎn)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(nèi)電流布置，它的形成非常復(fù)雜，受設(shè)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(tài)平衡，并同時存在的。只有保持良好的爐內(nèi)電流分布，磷酸鹽的化學(xué)還原反應(yīng)才能夠良好的在爐內(nèi)持續(xù)進(jìn)行。在相同條件下，現(xiàn)就電極的布置尺寸對黃磷生產(chǎn)的影響進(jìn)行分析。

電極圓心圓(Dp)選擇過小，將形成中部過熱區(qū)，從而導(dǎo)致爐內(nèi)橫向溫度集中，熱量分布不均勻[3]。電極間距過小，爐內(nèi)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(yán)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(yīng)減小，使?fàn)t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(xiàn)“冷區(qū)”[3]，各相電極熔池互不相連，未使?fàn)t內(nèi)形成一個良好的整體熔池，導(dǎo)致下料不均勻，化料量減少，增加各項消耗，嚴(yán)重時熔池結(jié)殼造成塌料，增加電極折斷風(fēng)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(yán)重時爐壁外部發(fā)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(yīng)發(fā)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(xiàn)負(fù)荷提升及消除爐壁掛料問題，嚴(yán)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(qū)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(wǎng)渦流。反之，各相電極熔池未相切，局部過冷區(qū)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(nèi)外生產(chǎn)經(jīng)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(yīng)降低。

2 磷爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造及效果

目前，大部分黃磷企業(yè)最終入爐使用的磷礦石為由多種不同化學(xué)組份磷礦石兌配的，并形成“有什么用什么、現(xiàn)進(jìn)現(xiàn)用”的常態(tài)。加之，磷礦石機(jī)械強(qiáng)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(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)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(dá)P2O5還原反應(yīng)溫度時，隨碳酸鹽的分解產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象，入爐磷礦石中CO2越高，其在爐內(nèi)爆裂現(xiàn)象越發(fā)劇烈，爆裂時產(chǎn)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(jìn)入洗滌塔，增加系統(tǒng)泥磷量；三是隨爐氣上揚的粉塵未參與還原反應(yīng)即混入粗磷中，物料性質(zhì)未發(fā)生變化，即使是在下工序與產(chǎn)品分離后進(jìn)行蒸餾也無法回收內(nèi)部單質(zhì)磷，導(dǎo)致收率下降；四是爐內(nèi)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(jié)在電極孔周圍，造成絕緣不良，導(dǎo)致頻繁打弧停爐，嚴(yán)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(fēng)險。以上分析都是對黃磷生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)控制的不利因素，需結(jié)合當(dāng)前磷礦石特性及用礦情況，參照其他磷爐結(jié)構(gòu)及幾何尺寸參數(shù)，對2#磷爐結(jié)構(gòu)匹配進(jìn)行優(yōu)化改造。

2.1 磷爐結(jié)構(gòu)改造及幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計

為持續(xù)挖潛裝置效能，2022年1月將爐頂結(jié)構(gòu)由“拱頂”改為“平頂”，并同時優(yōu)化設(shè)計爐內(nèi)幾何尺寸并實施改造。具體幾何尺寸參數(shù)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(jié)構(gòu)優(yōu)化改造 72 h 性能考核?？己似陂g原材料磷礦石按4∶3比例科學(xué)合理兌配高品質(zhì)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(wěn)，爐況及各項溫度運行正常，其裝置運行率100%，運行負(fù)荷 21.38 MW，粗磷品質(zhì)相對改造前較好，工藝控制指標(biāo)波動幅度相對穩(wěn)定。爐渣平均控制指標(biāo)w(P2O5)=2.63%，MK值：0.78。裝置 72 h 性能考核經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 72 h性能考核經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計表

2.3 經(jīng)濟(jì)效益估算

2#磷爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造后，72 h 性能考核經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均比改造前有所下降，特別是黃磷單位產(chǎn)品電爐電耗指標(biāo)，相對較優(yōu)，低于黃磷單位產(chǎn)品能耗先進(jìn)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(dāng)期原材料單價計，噸產(chǎn)品消耗成本降低約454元，按2#磷爐裝置設(shè)計產(chǎn)能 10.5 kt/a 計，年消耗成本降低約477萬元。

3 小結(jié)

結(jié)合黃磷生產(chǎn)原材料磷礦石內(nèi)在化學(xué)組份及特性的變化，為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，服役年限長及與現(xiàn)階段使用磷礦石特性不匹配的磷爐裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化是必要的。其結(jié)構(gòu)幾何尺寸設(shè)計是優(yōu)化的重要關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，結(jié)構(gòu)幾何尺寸設(shè)計時需同時兼顧考慮所使用磷礦石的物理、化學(xué)性能。磷爐結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的控制，能夠進(jìn)一步改善節(jié)能減排成效，高質(zhì)量助力能效“雙碳、雙控”的發(fā)展。