电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力

1、增刊田萍等：电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力-# 电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力田 萍j徐 兵1，张琦弦2,莫晓兰二梁玉祥1（1四川大学化工学院，四川 成都610065 ； 2四川大学轻纺与食品学院，四川成都610065）摘 要：对某厂年产3000 t黄磷电炉生产工序中热量供应情况进行了全方面了解和调查，利用化工原理 三传一反”的相关知识，通过调查对数据进行了整理和分析， 发现有1500 t左右的废热能量可以被回收，另外可回收黄磷190t左右。根据该厂目前的情况，提岀了利用干法岀渣法、添加电除尘器和列管换热器回收废热，整个电炉生产工 序全年可产生100多万元的节能效益。关键词：黄磷；电炉法；

2、干法岀渣；节能© 1 *>4-2010 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved,http:/'/ki.iidt增刊田萍等：电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力-# © 1 *>4-2010 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved,http:/'/ki.iidt增刊田萍等：电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力-# 目前，电炉

3、生产黄磷仍然是黄磷生产工艺的 一种重要方法。黄磷是典型的高能耗、高排放的 双高产品，近年来产能的快速增长使行业节能减 排任务艰巨，目前各级政府、行业组织和生产企 业都十分重视黄磷产业的节能减排工作。根据本 文作者深入调查，对电炉法生产黄磷的相关参数 作了仔细的分析。1某厂概况某厂拥有两套（同时开）运行的电炉，年处理 量达3000 t以上，其工艺流程如图 1。黄磷生产工 序工艺流程为传统的电炉法，在2008年实际生产情 况的基础上，作者收集了一系列的有关数据，对电 炉法生产黄磷流程进行了仔细分析，利用化工操作 单元的相关知识，对其能量利用进行了一系列的计 算，发现最近一年黄磷生产线的煤和电消耗总

4、量为 7040 t （以折标煤计），其中高达3833 t的热量未能 被回收利用。所以本文作者提出一系列的修改意见， 如采用干法出渣、列管式换热器及静电除尘器等技 术，回收这部分热量，理论上一年可以节约能量 1450 t，回收黄磷192 t，产生效益可达 257万元以 上，抛开成本也可获利 110万元。© 1 *>4-2010 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved,http:/'/ki.iidt增刊田萍等：电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力-# ©

5、; 1 *>4-2010 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved,http:/'/ki.iidt增刊田萍等：电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力-# 图1电炉生产黄磷的流程简图1 磷矿石，硅石，焦炭；2破碎机；3皮带；4产品黄磷；5洗气塔；6尾气；7喷水管；8轨道；9热水槽；10混合气体出口；11石墨电极；12泥磷；13电炉；14出渣口； 15配料斗槽；16进料斗槽；17废渣冷却槽；18皮带；19提升斗；20循环水槽;21循环水泵；22污水处理槽；23分离槽；24精馏

6、槽© 1 *>4-2010 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved,http:/'/ki.iidt增刊田萍等：电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力-# © 1 *>4-2010 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved,http:/'/ki.iidt增刊田萍等：电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力-97 2利用化工操作单元的

7、三传一反”分 析工艺的能耗情况2.1工艺介绍电炉生产黄磷的主要反应方程式：4Ca5F（PO4）3+21SiO2+30C = 3P4+30CO+SiF4+20CaSiO3如图1,磷矿石、硅石和焦炭经分别破碎以后， 按一定比例进行配料，混和均匀，通过皮带传送机 送入提升斗中，运到两边的进料斗槽里，接着进入 电炉进行反应。料斗严密盖紧，以免空气漏入而使磷燃烧。三相电炉的操作电压为 220350 V。在电 炉内各电极间产生电弧， 使炉内温度维持在1350 1450 C。在此条件下磷矿被硅石和碳还原，生成含磷蒸气的炉气和熔融的炉渣。炉气（约含质量分数 为25%的磷，其余主要为 CO和少量的H2S、CO2

8、、 N2、PH3、SiF4）由导气管引出，反应产生的炉渣（SiO2、CaO、AS2O3等氧化物）和磷铁（Fe2O3被 C还原后和P化合后的生成物）由出渣口排出进行 相应的冷却。而炉气进入冷凝塔（三个串联的空塔）， 依次用热水和冷水喷淋，热水塔使磷蒸气冷凝下来， 形成粗磷；冷水塔则用于洗涤尾气（主要含CO）,然后随管道排出作为甲酸钠的生产原料。粗磷进入 精制锅，用热水槽提供的热水进行保温（6080C）,使其静置分离。热水槽由锅炉通过加热水 产生蒸气进行加热。合格的黄磷作为最终产品进行 包装或用于生产赤磷，而剩余物泥磷被排出作为生 产磷酸的原料。能源品种燃料煤电黄磷57.3t -a 5685.5

9、x 104 kW- h a表2煤电能耗的折标能源介质实物量当量值折标准煤/t燃料煤57.3 t52电 5685.5X104 kW- h -a6987.66企业自耗能总量7039.66表1煤电消耗2.2对系统物料、能量分析原料：磷矿石，硅石，焦炭电炉* 生产+ CO宀磷蒸气-炉渣名称比热容/kJ kg C1融化焓/ kJ厂kgC 1磷1.27 483.6硅石0.79 236.75焦炭0.81磷蒸气0.542磷固体0.192一氧化碳1.14水4.2黄磷的摩尔蒸发焓r= 475kJ/ (kg K表3黄磷工艺计算参数表图2物料流程图根据图2及表2中的相关析标数据，进行物料 衡算。（1 ）物料衡算输入物

10、料：w 磷矿石+W硅石+W焦炭 =10+2 5+2=14.5t 输出物料：Wco+W 磷蒸汽+W炉渣 =2.37+1.055+11 = 14.425t故有： W磷矿石+W硅石+W焦炭号Wco+W磷蒸汽+W炉渣（2 ）能量衡算原始数据：生产1 t黄磷需要磷矿ml=10 t，焦 炭 m2=2 t，硅石 m3=2.5 t;产生泥磷150 kg，电炉耗电14 x 10kWh/d 电炉温度t=1350 C；炉渣温度1350 C ；炉气冷凝后温度 60 C ； 89 t黄磷/8 h，生产时间8 h/d，6 t热水/d ；热水温度tl=60 C ；年产黄磷3452 t 为了方便计算将各个物质的比热和熔化焓分

11、别用字母表示如下：比热容：磷Cp1，硅石Cp2,焦炭Cp3,磷蒸气 Cp4，磷固体Cp5，氧化碳 Cp6，水Cp7熔化焓：磷，硅石鼻化学反应方程式：4Ca5F（PO4）3+3OC+21SiO2 3P4+3OCO+2OCaSiO3+SiF4（3）热量衡算（以生产1 t黄磷计算）电量的横算选取电炉为控制对象。根据以上原始数据表3及图3，进行计算如下。a. 电炉实际耗能（电能）Q'Q '=14 x 104x 3600/8.5=5.929 x 107 kJb. 用于加热物料所需能量Q1Q1=（m3XCp3+m3 >Cp3+m3Cp3）xt（ t 常）=（10x 103x 1.27

12、+2.5 x 103 x 0.79+2 x 103 x 0.81） x （1350 25）黄磷气图3黄磷生产能量流程图=2.16x 107 kJc. 用于熔化物料所需热量Q233Q2=r1x m1+r2x m2 =483.67 X 10X 103+236.75X 2.5 X103=5.43 X 106 kJ总能量 Q=Qi+Q2 =2.16X 107+5.43 X 106 =2.71 X 107 kJ 耗能比例w=Q/Q =2.71 X 107/(5.929X 107)X 100% =45.7%d. 主反应放出能量 Qr约占总能耗的12%，其它副的吸热反应消耗能量占总能耗的8%,可以相互抵消一

13、部分，剩余4%的热量可以为物料升温和熔化提能。e. 电炉能量的有效利用率x=w - 4%=45.7% - 4%=41.7%一年电炉耗能总量=14X 10/8.5 X 3452=5685.64XW10h=6987.66t一年需要的有效能量 =6987.66t X41.7%= 2913.85tQ 损失=Q' X1(- 41.7%)=4073.81t能源煤的衡算 热水槽内加热热水至60 C耗需要能量Q3：Q3=Cp7XmX(-t 常)=4.2 X6X 1/0.5 X (25) =1.04 X5k0 一年消耗能量=1.04 X 10X 3452=3590.08 105kJ=13tQ 损失=52

14、 - 13=39t(4 )黄磷的损失衡算根据该厂实际情况：600 kg泥磷生产1 t含70% 的磷酸。因此泥磷中磷含量w=70%< 103X 31/(98100%=36.9% ;生产1 t黄磷有150 kg泥磷，则泥磷中含磷量 m=150 X 36.9%=55.35kg则一年泥磷中磷含量为3452 X 55.35kg=192t(5)黄磷能耗计算黄磷综合能耗=(52+6987.66) X 10/3452=2039kg电单耗=14X10w h/8.5=1.65 X 10煤单耗=51.9t/ ( 0.8 X3452 =18.8 kg3结果与讨论3.1 结果通过热量横算，该工艺在生产黄磷理论耗煤

15、为13 t/a,耗电的理论值为 2913.85 t/a。每年损耗的煤有39 t，电损耗为4073.81 t o实 际消耗量与理论消耗相差很大，热量浪费严重。该 厂的黄磷的综合能耗为2039 kg ,与国外先进生产工艺的能耗指标1610 kg，差距很大。融，因此电炉为主要耗能设备。电炉的实际利用率 为41.7%,与世界先进水平55.5%相比差距也很明显。 3.2原因分析通过对某厂的能源调用情况的调查与计算分析 可知，该厂在能源利用方面还存在这许多漏洞。生 产工艺上主要有以下几点能源的浪费。(1) 电炉生产过程中，每吨黄磷将产生11 t左右的硅钙炉渣(其主要化学组分：SQ239.7% ;CaO48

16、.99% ; P2O5, 2.7% ; SiO2/CaO=0.81),温度 高达1300 C以上。目前黄磷生产行业处理硅碳炉渣大多采用的湿 法出渣，该工艺比较简单，采用循环冷却水将高温 (1300 C左右)炉渣直接接触进行冷却，这样炉渣 的高温显热全部被浪费。这部分热量也是导致电炉 黄磷工艺能耗较高的主要部分。(2) 在制磷生产中，由于原料的加工和输送、 混合中的碰撞和摩擦以及化学反应中一些组分在高 温时的挥发，尤其在生产操作不正常时，将会产生X大量粉尘。因此，必然有许多粉尘进入炉气而被带3 入冷凝系统。炉气中粉尘含量为50150 g /m。这样，炉气如不经过除尘而直接进入冷凝系统，会造 成大

17、量的泥磷，带来磷损失。(3) 该厂在黄磷生产工艺中，将产生的磷等高 温气体直接用水冷凝，既浪费水资源，给排水系统X 600) X造成负担，同时冷凝过程中所放出的显热也随水在 空气中散失造成热量的浪费。3.3建议(1)干法熄渣代替湿法熄渣干法熄渣工艺即采用惰性气体 (一般采用氮气) 与炉渣进行直接接触换热，再利用锅炉将气体热量 回收，达到余热综合利用目的(如图 4)。如图5,高温炉渣经过进入用耐火保温材料砌 筑炉渣换热通道，与工业氮气进行直接接触换热， 将温度降为200 C左右，从换热通道出来的高温氮 气将热量传给锅炉，这样达到热量回收的目的。图4干法熄渣工艺流程简图黄磷的生成是在电炉内进行的，

18、电炉以原料电 阻和电极电弧的形式将电能转换成热能，使炉料熔© 1 *>4-2010 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved,http:/'/ki.iidt增刊田萍等：电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力-99 -10 29765412图5干法熄渣流程设计图1提升机；2次除尘器；3油炉；4二次除尘器；5鼓风机;6循环惰性气体入口； 7 冷却换热段；8 斜道（气体出口）；9 预存段；10 装入装置；11旋转渣罐；12渣排除通道空气23-4567烟道进口图6碳化硅

19、换热器结构图51出口管箱；2进口管箱；3SiC管串；4活动管板；5左右耐火堵板；6弹簧组件；7 折流管箱的产率，回收黄磷 192 t/a；同时另外可以减少污水 排放，产生良好的环境效益。图6为所设计的换热器。进口© 1 *>4-2010 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved,http:/'/ki.iidt增刊田萍等：电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力-# © 1 *>4-2010 China Academic Journal Electr

20、onic Publijihing House. All rights reserved,http:/'/ki.iidt增刊田萍等：电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力-# 从电炉出来的红渣由渣罐经提升机提升到干熄 渣顶部，通过装入装置到预存段， 预存一段时间后， 随着排渣的进行逐渐下降到冷却段，在冷却段通过 与气体进行热交换，再通过出口排除。冷却红渣的循环惰性气体，在干熄炉冷却段与 红渣进行热交换后温度升高，并通过斜道排出干熄 炉，高温循环气体经过一次除尘器分离粗颗粒后进 入锅炉进行热交换，加热导热油，经过二次除尘器 进一步分离细颗粒，由循环风机送入干熄炉。这样炉渣的热量可以被

21、有效利用，可回收热量 1159 t,给工业带来巨大的经济效益，同时可以产生良好的环境效益。（2）在炉气出口先安装一台耐高温的碳化硅换 热器，回收高温气体废热（换热后的气体温度保证 在300 C以上，保证磷以蒸汽形式存在）；然后再安 装一台电除尘器，除去炉气中大量的灰尘。这样，一方面可以回收废气余热，可回收热量 286.5 t，达到节能的目的；另一方面能有效地减少 炉气中带有的粉尘，减少泥磷的产生，大大提高磷4结论黄磷电炉工艺能耗量很大，能源浪费严重。通 过计算分析知在提高黄磷能源利用率方面仍有很大 的发展空间。一方面可以通过新工艺开展象干法熄 渣新工艺的引进，既能回收现在很难解决的固体废 热能量，同时可以带来良好的环境效益，达到节能 减排的目的。另外在抓住能源浪费点后，利用现有 的换热器等技术回收废热也能达到提高能源利用率 的最终目标。同时注意管道和塔的保温也能减少