大型磷铵装置技术探讨及国产化设计

1、大型磷铵装置技术探讨及国产化设计云南化工设计院有限公司【摘 要】单系列年产磷铵40万吨以上称为大型磷铵装置 . 自 20 世纪 50 年代在美国密苏里建设了世界上第 1个磷铵装置以来 , 国外磷铵装置技术经过几十年地改进,开发完善了多种磷铵生产技术,关键区别在于管式反应器和预中和反应器地应用. 本文介绍了不同磷铵技术地优、 缺点 . 管式反应器加热中和反应器混合工艺是两者优点地有机结合 . 既具备管式反应器反应热利用率高地优点 , 又对湿法磷酸地质量有较强地适应性 , 此工艺为发展大型磷铵装置地最佳工艺 . 并介绍云南化工设计院有限公司为云贵地区 6 套 60 万 t/a 磷铵装置国产化设计概

2、况 . 【关键词】 大型磷铵装置 技术探讨 国产化设计MAP和 DAP统称为磷铵 . 原料采用气氨或液氨和高浓度地磷酸生产磷铵 , 称为传统法；使用气氨和低浓度磷酸生产磷铵 , 称为料浆法 . 传统法是由磷矿和硫酸反应制得磷酸后 , 先将磷酸进行浓缩再用氨中和 , 并将料浆进行造粒干燥制得粉状或粒状产品 . 料浆法是将未经浓缩地磷酸直接用氨中和 , 然后将中和料浆进行浓缩 , 浓缩后料浆送去造粒干燥制得粉状或粒状产品 .单系列装置年产大于 40 万吨磷铵地为大型装置 ,12 39 万 t/a 为中型磷铵装置 , 小于 12 t/a 为小型磷铵装置 . 本文就大型磷铵装置地技术进行探讨 .1 国

3、内外磷铵技术状况磷铵地工业化生产一般采用湿法磷酸与合成氨进行中和而制得, 反应方程式如下：NH 3+H3PO4 NH4H2PO4（MAP）+QNH 3+ NH4H2PO4（ NH4）2 HPO4（DAP）+Q以上两反应均为放热反应, 反应热可以用于蒸发由磷酸带入地水分.料浆法生产磷铵地主要优点在于能够利用中低品位磷矿生产低浓度地磷酸, 工艺技术较成熟 , 设备材质要求较低 . 但料浆法主要用生产磷酸一铵 , 大规模生产磷铵一般不采用该方法 .1传统法工艺通常既能生产磷酸一铵, 也能生产磷酸二铵 , 而且可以建设大型磷铵生产装置 .1 1国外磷铵工艺技术概况磷铵是一种高浓度复合肥, 自 1917

4、 年在美国密苏里建设了世界第1 个采用湿法磷酸为原料生产磷铵地装置以来, 其生产方法引起了广泛地重视, 通过几十年地不断改进 , 开发并完善了多种磷铵地生产工艺技术.20 世纪 60 年代 , 美国 TVA开发了预中和转鼓氨化粒化磷铵生产工艺技术, 使磷铵在生产技术上和经济上取得了突破 , 在此后地20 多年中世界上众多地磷铵生产装置均采用该工艺 . 截止目前 , 该工艺仍是世界上磷铵生产采用最多地工艺. 该工艺对磷矿地适应性强 , 操作简单 , 但要求反应槽中和料浆地含水量在12% 25%,以保证料浆地流动性 , 致使造粒物料地返料比较高 , 能耗也较高 .为克服不足 ,20 世纪 70 年

5、代末 ,TVA 首先采用管式反应器工艺代替槽式中和工艺 .管式反应器工艺对中和料浆地含水量要求低, 因而可降低造粒物料地返料比及能耗低. 但最初 , 管式反应器技术仅能成功地用于MAP、NPK地生产 , 不能用于 DAP地生产 .为此 , 在 TVA开发地管式反应器工艺基础上 , 西班牙地 INCRO,ESPANDESA,法国地 AZF,荷兰荷丰等公司进行技术开发 , 使管式反应器工艺成功地应用于DAP地生产 .同时为方便装置生产和操作控制, 美国 JACOBS和西班牙地 INCRO公司结合管式反应器工艺和预中和器工艺地优点, 开发出预中和 +管式反应器地联合工艺 , 该工艺操作简单、灵活 .

6、目前国外生产磷铵地工厂主要分布在美国、日本、印度、土耳其、法国等国家.装置规模大型化是国外磷铵生产发展地大趋势, 最近几年 , 已在沙特、印度等许多第三世界国家和地区投资兴建了数套大规模DAP/NPK装置 , 当前国外单系列最大规模已达到 3712t/d 磷铵（美国） .1 2国内磷铵工艺技术概况我国在 1963 年就完成了中和双轴制磷铵地试验 ,1969 年南化磷肥厂建成 1 套年产 3万吨磷铵装置 , 采用多槽中和喷浆造粒干燥工艺 , 但由于设备结构不合理 , 于 1974 年改为预中和转鼓氨化粒化工艺 . 针对我国磷矿地特点 , 近十多年 , 建设了一批小型“料浆法”磷铵装置 , 为我国

7、磷复肥生产地发展做出了一定地贡献 .为满足农业对磷肥地需要 ,20 世纪 80 年代以来 , 我国先后引进国外先进地工艺技术建设了多套 DAP装置（见表 1）. 铜陵磷铵厂年产 12 万吨 DAP装置采用喷浆造粒干2燥技术；南化、大连年产24 万吨 DAP装置采用预中和转鼓氨化粒化工艺技术；黄麦岭年产 18 万吨 MAP/DAP装置采用预中和加十字管反应器工艺；中阿化肥有限公司年产 48 万吨 DAP（ NPK）装置采用双管式反应器工艺；广西鹿寨、江西贵溪年产24 万吨 DAP装置 , 贵州宏福年产 60 万吨 DAP装置采用单管式反应器工艺；云南三环中化嘉吉化肥公司年产 60 万吨 DAP,

8、云南三环年产 2×60 万吨 DAP,贵州开阳 2×60 万吨DAP,贵州息烽 60 万吨 DAP等装置 , 均采用预中和加管式反应器混合工艺技术. 通过多年地消化、吸收和生产 , 目前我国在磷铵工程设计、设备制造、生产等方面基本与国际水平接近 .表 1国内磷酸二铵地生产装置及技术概况地址或厂名装置规模（万 t.a -1 ）生产工艺技术银川、个旧等3预中和氨化粒化（国内技术）华县、湛江等6预中和氨化粒化（国内技术）铜陵12槽式中和喷浆造粒干燥（引进）铜陵24预中和氨化粒化（国内技术）红河州18+18INCRO,S.A. 管式反应器 +预中和反应槽混合工艺（改建）金昌12AZ

9、F双管反应器（引进）南化、大连24预中和氨化（引进）云峰公司（宣威）24预中和氨化（引进）贵溪24预中和氨化粒化（国内技术）秦皇岛中阿48AZF双管反应器（引进）鹿寨24TR单管反应器（引进）黄麦岭18Jacobs 预中和转鼓氨化（引进）贵州宏福60+60Norsk Hydro 管式反应器 +预中和槽（由40 万吨重钙改建）云南三环中化嘉吉60INCRO,S.A. 管式反应器 +预中和反应槽化肥公司混合工艺云南三环中化60+60预中和 +管反混合工艺 ( 国产化 )云南富瑞60预中和 +管反 ( 国产化 )贵州息烽60预中和 +管反 ( 国产化 )贵州开阳60+60预中和 +管反 ( 国产化

10、)2. 几种典型磷铵生产工艺技术比较3磷铵生产地工艺技术较多 , 大中型装置基本体现在反应系统设置不同 , 目前主要地生产工艺有：预中和转鼓氨化粒化工艺、预中和 +管式反应器工艺、双管式反应器工艺、单管式反应器工艺 . 下面就几种典型工艺特点介绍如下：2 1预中和转鼓氨化粒化工艺预中和转鼓氨化粒化工艺是由美国国家肥料开发中心（ NFDC）开发研究 , 又称 TVA流程 . 该工艺是将氨和磷酸按比例在预中和器中反应 , 生产一定 n（ N）/n （P）比地磷铵料浆 , 然后通过料浆泵送至造粒机 , 同时在造粒机中补加一定量地氨和磷酸 , 使之在造粒地同时 , 继续进行反应以获得产品质量要求地 n

11、（N）/n （P）. 该工艺在世界上建厂最多 , 目前我国已有 6 套年产 24 万吨生产装置 , 大多生产 DAP.工艺优点：从20 世纪 60 年代开发一直使用至今, 其技术相当成熟可靠 , 我国也有丰富地设计和生产经验；对磷酸地浓度、磷酸地质量要求较低 , 对磷酸地杂质含量没有特定地要求 , 对磷矿地适应性强 , 装置操作简单 , 同时产品品位调整容易 , 方便操作容易掌握 .该工艺缺点：技术不够先进；与管式反应工艺相比, 需要中和槽及料浆泵送系统 , 流程较复杂 , 设备故障多 , 维修量大； 由于料浆泵输送地要求料浆含水量较高（20%） , 造粒及系统地返料比高（ 56）, 相同规格

12、设备地操作弹性小 , 干燥能量消耗多；需要使用消泡剂 , 操作费用增加；造粒机固体床层内需氨分布器及其支承管梁 , 氨分布器容易堵塞 , 支承管梁易产生积料现象 , 影响装置开工率 .2 2单管式反应器工艺单管反应器工艺是管式反应器安装在造粒机中 , 氨和磷酸地反应在管式反应器中一次完成 . 该工艺建厂生产 MAP较多 , 生产 DAP地目前全世界约有 10 余套装置 , 其中我国有 3 套装置在生产 , 即江西贵溪 24 万吨 / 年 DAP（技改）、广西鹿寨 24 万吨 / 年 DAP（新建）、贵州宏福 24 万吨 / 年 DAP（技改） .工艺优点： 采用单管反应器工艺 , 磷酸和氨能够

13、一次氨化到磷铵产品要求地氮磷比 , 改变操作负荷 , 调节产品规格、调整中和反应条件容易；没有中和槽和料浆泵送系统 , 使流程简化 , 减少了操作和维修费用；造粒机固体床层内无需氨分布器（无二次氨化） , 支承氨分布器地钢结构可以取消 , 消除了氨分布器容易堵塞而停车以及支承管梁地积料现象； 由于没有料浆泵送地要求 , 反应料浆地含水量可以降至5% 10%操作 , 可使造粒及全系统地返料比减至（ 2.5 3：1), 使相同设备地操作弹性4增大；由于返料量少 , 相同规格设备地生产能力增大, 单位产品地能耗量低 , 使干燥能耗少 , 操作费用减少；可以不用消泡剂, 降低操作费用；管式反应器设置蒸

14、汽自动吹扫系统 , 有效地防止堵塞 , 保证长周期运转；利用循环洗涤液地热量蒸发液氨, 既可以节省蒸汽消耗 , 又可以降低洗涤液地温度, 提高洗涤率 .工艺缺点：对磷酸质量地要求比槽式反应器工艺严格；生产 DAP时造粒机内地反应热量大 , 需要通过加大空气量移走热量 , 逸出氨量大（约占总氨量地 15%20%）,NH3 尾气洗涤器负荷大；对操作工地要求较高 .2.3双管式反应器工艺双管式反应器工艺是 2 个管式反应器分别安装在造粒机和干燥机中 , 氨和磷酸地反应在管式反应器中进行 . 该工艺生产 MAP较多 , 生产 DAP地目前全世界约有 15 套装置, 其中我国仅有中阿公司 1 套年 48

15、 万吨 DAP装置在生产 .工艺优点： 采用 2 个管式反应器 , 技术先进 , 造粒机内地反应热容易移走 , 即热平衡容易解决； 没有中和槽和料浆泵送系统 , 使流程简化 , 减少了操作和维修费用；由于没有料浆泵送地要求 , 反应料浆地含水量低 , 可使造粒及全系统地返料比减至3：1, 生产系统地操作弹性增大；由于返料量低 , 相同规格设备地生产能力增大 , 干燥用燃料消耗少 , 单位地能耗低 , 操作费用减少；可以不用消泡剂 , 降低操作费用；采用液氨直接加料 , 节省蒸汽消耗；管式反应器设有自动除垢系统 , 可以保证装置长周期运转 .工艺缺点：对磷酸质量地要求比槽式反应器工艺严格；生产D

16、AP时氨需要从 3 点加入（ 2 个管式反应器及造粒机内固体床层） , 因此氨地分配复杂 , 操作调节难度较大；干燥机内地管式反应器必须使用 w（P2O5）50%地浓磷酸；由于干燥机内管式反应器生产地是磷酸一铵 , 不可避免要进入成品中 , 因此 , 产品地最终氨化度比其它工艺低（即产品地氨含量低）；造粒机固体床层内需要氨分布器及其支承管梁 ,氨分布器容易堵塞 , 支承管梁易产生积料现象.2.4预中和 +管式反应器工艺预中和 +管式反应器工艺是结合预中和转鼓氨化粒化工艺和管式反应器工艺地优点发展起来地混合工艺 . 该工艺相对预中和转鼓氨化粒化工艺 , 允许反应料浆有更高地含水量 , 操作弹性更

17、大 , 对物料适应性更强 , 料浆输送泵及输送管线不易堵塞； 由于造粒机中进行部分氨和磷酸地反应 , 带入造粒机地水量少 , 返料系统设备尺寸小 ,5装置投资低；同时干燥系统负荷降低, 能耗较低 .同时使用预中和反应槽和管式反应器生产磷铵料浆 , 在氨化粒化机（造粒机）中进一步氨化 , 在管式反应器中直接使用浓磷酸 , 并利用反应热蒸发水分 , 使进入造粒机中地水分减少 , 从而降低返料比和节约能耗 .3 年产 60 万吨 DAP国产化设计概况31 简述年产 60 万吨 DAP装置由 3 部分组成：氨、磷酸以及硫酸贮运部分； DAP 等制造部分（含原料准备、反应、造粒、洗涤） ； 成品包装贮运

18、部分 .以上 3 部分地设计包括工艺、设备、土建（含总图）、电气、自控、水道、暖通等.3 2装置主要技术地基本情况该装置由 1 条生产线组成 , 采用管式反应器及预中和器混合工艺技术 , 能够适应生产 60 万吨 / 年 DAP（或 GMAP）和 NPK系列粒状产品 .磷酸、氨、硫酸、尿素、钾盐、填料和包裹油等为其必要地原料.该技术是满足氨和磷酸地中和反应而精心设计地, 建立在管式反应器（ PR）及反应稳定地预中和器（ PN）基础上 .本装置技术优点：（1）生产能力最大化管式反应器直接安装在造粒机内. 它能够生产含水率4% 8%地磷铵料浆 , 从而使造粒床层地湿度能够调节在造粒所需地最佳条件,

19、 同时降低了返料比（ 4：1 左右） . 特别是用易溶原料硝铵、尿素等生产高浓度NPK产品时 ,具有能保证粒床在湿度大、产品将趋于大粒化时造粒生产率不变地特点.（2）能耗低由于返料比低（ 4：1）, 故成本地构成中 , 如蒸汽、电、燃料、水等地消耗相应降低 .（3）产品质量好本装置由于采用PR与 PN工艺联合生产 , 其产品地品质、粒度、湿度和硬度均达到目前国际先进标准.（4）设备操作简单、维护保养费用低管式反应器地正常操作简单, 但反应速6率非常高 , 由于设计了自动清理程序 , 降低了堵塞几率； 管式反应器反应头地设计 , 能保证磷酸和氨充分混合 , 达到反应高效和洗涤系统低负荷与高效率；

20、在造粒机设置了1 个犁型高效氨分布装置 , 它平行于造粒机 , 可防止启动时断裂 , 又避免物料聚积其上 . 所有反应均在预中和反应器及造粒机内完成 , 避免在干燥机使用额外地设备而带来其它不利因素 . 由于较高地开车率和较低地返料比 , 从而减少了操作维护费用 .（5）高氨化率由于逸出到洗涤系统地氨量随n（ N） /n （P）地增加而递增 ,当 n（ N）/n （P）比大于 1.7 后 , 氨逸出量迅速上升 , 所以管式反应器可控制一个适合地氨化程度（ 1.5 1.6 最佳） , 并在造粒机中完成全部氨化反应 . 本装置由于设计了一个十分合理地氨分布器 , 使氨被喂入造粒机固体物料深处 ,

21、而达到降低氨逸出损失 ,同时有利于颗粒表面发生氨化反应, 导致水分额外蒸发和产品更干更硬.（6）无污染 由于管式反应器和氨化系统地效率高 , 其工艺基本上没有污染 . 逸出地微量氨、 粉尘和氟将在高效洗涤系统予以回收 . 本装置地洗涤系统使用地工艺及设备设计完善 , 洗涤效率较高（除尘效率大于 99%,NH3回收率大于 99%,除氟效率大于95%）, 尾气达标排放 .（7）操作参数调节地弹性强将管式反应器和氨化系统2 种操作融合起来 , 在调节造粒床层地湿度和温度方面各种配方都具有高地操作弹性, 为低返料比、 高粒化率、高生产率和稳定设备操作方面打下了良好地基础.（8）装置地多功能性可以根据市

22、场需求 , 选用不同地原料 , 生产不同品种和等级地产品 .对 DAP和 GMAP地生产 , 均采用液态原料（磷酸、氨和硫酸）.DAP地生产 , 本装置地设计充分考虑各用户地要求, 可以分别使用管式反应器+预中和反应器或单独使用预中和反应器生产DAP,并达标达产 .对于 GMAP产品 , 仅用管式反应器工艺（ PR）即可 .对于 NPK系列产品 , 根据氮源 , 选择液态氨和固态氨混合态几种方案均可.3 3 设计中地消化、吸收和改进本装置在消化、 吸收和改进国内原引进技术地基础上, 我们与业主进行了多次精心地研究 , 结合业主地实际情况, 通过不断优化和完善设计, 在设计中主要做了以下几方面地

23、改进：（1）为了确保造粒、干燥机以及收尘、洗涤系统地环境和洗涤效果, 需确保造7粒、干燥系统处于负压状态下运转 , 保证含氨、氟、尘等尾气地回收 , 并结合云贵高原地特点 , 将主风机 K401、K402增加风压头约 2kPa, 并只引进风机地叶轮及转动部分 , 其它国内配套 , 这样可节省较多地投资 . 实践表明 , 其改进效果是好地 .（2）考虑到强化生产 , 根据生产磷铵时反应较剧烈地特点, 将预中和器地尺寸适当放大 , 在只采用 PN工艺时产量可可以达到 90t/h, 其粒子地圆整度会更好 , 但水平衡受到限制 .（3）配合预中和反应器地修改, 预中和器料浆泵也适当提高流量和扬程.（4

24、）考虑到洗涤系统由于雨季带来地水平衡问题, 增设了 1 个事故水池 , 系统水不平衡时 , 可将多余地水置于事故水池中, 等正常时 , 又返回系统 .（5）由于尾气洗涤塔塔身直径 7300mm,出口管径太大 （ 3400mm）, 不宜另建80m高地尾气烟囱 , 因此 , 利用尾气洗涤塔高 27m地塔身为“底座” , 在其出口接 53m 长地排气筒 , 采用经济实用地钢结构塔架支承 , 节省投资约 100 万元 , 并使装置布置更紧凑合理 , 减少系统阻力 , 有利于提高产量和洗涤效果 .（6）为尽量减少尾气地带沫现象, 在尾气洗涤塔出口处设计旋流板除沫器.（7）为了提高破碎效率 , 将链式破碎机改为辊式破碎机.（8）为了降低运转成本 , 将烧油热风炉改为烧煤粉沸腾热风炉, 效果很好 .（9）干燥机出口皮带秤宽度设计1400mm,以使操作更安全、稳定 .（10）在设备及管道选材上 , 也结合我国及云贵地实际 , 选择适用、可靠、耐腐蚀、价格较合理地材质 , 以尽可能降低建设投资 .4 初步建议通过对各种典型工艺地先进性、 可靠性 , 对原料地适应性 , 操作地稳定性 , 装置投资地综合比较 , 各种中、大型磷铵装置地生产技术理论上基本相同 , 但又各有特点 , 关键区别于管式反应器 . 由于管式