高效节能减排的磷铵装置中和工艺的优化设计

高效节能减排的磷铵装置中和工艺的优化设计

磷酸铵是优质、高效的复合化学肥料。在最终过程中，约10%的氮和45%的磷含量约为45%。这是现代肥料工业中浓度复合肥的代表。它既可作为磷肥单独使用,也是生产高浓度复合肥的主要原料。磷铵还是重要的工业原料,在防火剂、水处理、生物培养和化工原料等领域有广泛的应用价值,市场需求量大。通常磷铵是由磷酸与氨反应制取。磷酸与氨反应有三种盐生成:磷酸一铵NH4H2PO4、磷酸二铵(NH4)2HPO4和磷酸三铵(NH4)3HPO4。因磷酸三铵稳定性差,故国内外均以磷酸一铵或磷酸二铵为产品进行应用,简称磷铵。磷酸一铵与磷酸二铵相比,磷酸一铵密度较大,稳定性和临界相对湿度较高,氨蒸汽压很低,因而从磷铵的生产、应用、贮运等方面看,磷酸一铵更具优势。磷铵在化肥工业中的生产,国内外均采用湿法磷酸为原料,也就是料浆法磷铵生产工艺。在料浆法磷铵的生产装置中,稀磷酸与气氨的中和反应与磷铵料浆的蒸发浓缩分别是很重要的关键工序。中和工序主要是稀磷酸与气氨进行如下反应:控制磷酸与氨不同的配比,即可得到磷酸一铵或者磷酸二铵。反应生成的磷铵料浆进浓缩工序进行蒸发浓缩。为了更有效地利用和节约能源,蒸发浓缩一般都是采用双效蒸发,即由一效蒸发浓缩与二效蒸发浓缩结合进行。经过两效蒸发浓缩至适当浓度的磷铵料浆,再经过滤后由高压泵打至喷雾干燥工段经喷雾和干燥(或喷浆造粒干燥)成磷铵产品。料浆法磷铵的工艺流程见图1。1反应热中和ro对于稀磷酸与气氨的中和反应工序,较为传统的生产方法是采用槽式中和反应工艺。该工艺的优点是操作较为稳定可靠、缓冲余地较大、物料物性较好;缺点是规模较小时虽可用反应釜,一旦规模较大时则需用较大的反应槽,如100kt/a磷铵规模的反应槽就需约30m3,更大规模磷铵装置的反应槽容积就更大,或需增加反应槽台数。反应槽不仅体积较大、生产强度低、气氨损耗较大、能耗高、环境条件差,而且反应的停留时间长(45~55min),基建投资费用高。其次,磷酸与氨的中和反应是强放热反应,根据热量衡算,以1000kg湿法磷酸为计算基准,磷酸与氨的中和反应热为3.368×105kJ。反应热除将反应物料加热至沸点外,还蒸发出大量水分,产生大量的水蒸汽,可蒸发水量约15%。对稀磷酸与气氨的中和,每1kg气氨反应后可蒸发出1.0~1.3kg水。在槽式中和工艺中,不断从料浆表面蒸发出的水蒸汽不能收集利用,白白浪费了大量热能。同时,气氨进反应槽后容易与反应热所产生的蒸汽一起浮升穿过液层逸出,造成较大的氨损失。槽式中和工艺流程见图2。2反应器优化工艺鉴于槽式中和工艺的缺点与不足,该落后的生产工艺已不能满足生产与节能降耗的要求,目前在设计中吸收和采用了先进的强制循环中和反应器来替代了槽式中和工艺。强制循环中和反应器是该装置中的关键设备,采用先进的强制循环中和反应器对于优化工艺设计,保证产品优质高产,充分利用反应热,达到节能降耗的目的。强制循环中和反应器的型式为强制循环外环流氨化反应器。一般情况下,环流氨化反应器是在磷酸与氨的中和强放热反应中形成过热料浆,利用上升管与下降管中物料的宏观密度差使物料循环流动。在料浆法磷铵生产中,外环流反应器内的物料循环比一般约15。在此情况下,反应器内的物料流动混合状态近似于全混流模型,即在无机械搅拌的情况下,外环流反应器接近于一个全混的搅拌槽反应器。故反应器内物料混合好,湍动剧烈,气泡分散,传质面积大,反应速率快,因而反应时间短(2~7min),设备体积小,占地少,生产强度大,投资省。且操作简便、稳定、可靠性高。一般的外环流反应器没有强制循环泵,反应产物的稳定性稍差,装置的开停车也较麻烦。只要不加入氨,没有反应产生,循环的料浆就失去动力而无法循环。停车时间稍长料浆就会沉淀,为避免堵塞就需放料,再开车又要重新装料,既麻烦又影响系统的开车率。另一方面,考虑到磷铵料浆物料粘度与流体阻力及物料循环流动流速等因素的影响,为使物料循环流动状态更好,在设计中增加了强制循环泵,整个反应器由具有足够蒸发空间的主体闪蒸室、上升管、下降管及强制循环泵组成。利用泵的推动力使物料强制循环流动,避免了上述不利情况的发生。同时采用特殊设计的气氨分布器及多处进氨结构,有利于气氨的分散,使反应更加快速和全面,并防止了装置振动问题的发生,使设备在运行中稳定可靠,提高了生产率。而且该强制循环反应物料完全是在密闭系统中进行,无气氨逸出,氨损失小,环境条件好,反应时产生的蒸汽可以引出加以利用。该反应器具有中和与浓缩的双重功能,中和反应时间短、生产强度高、氨损失小、利用率高、蒸汽易于回收利用、节能、且有设备投资省等优点。为了更好地利用氨与磷酸的中和反应所产生的大量水蒸汽,在设计中将氨与磷酸的中和与二效蒸发浓缩及一效蒸发浓缩有机地结合起来,这样不但省去了中和工序的其它设备,而且将中和反应所产生的大量水蒸汽与一效蒸发浓缩产生的二次蒸汽混合后共同作为二效蒸发浓缩的热源,从而节省了大量能源。采用这样的优化工艺设计,缩短了流程,减少了设备,优化了环境。它不仅流程短、设备少、投资省、能耗低、而且环境条件好,其优越性十分明显,是先进而实用的新技术、新工艺。强制循环中和反应及一效蒸发浓缩与二效蒸发浓缩工艺简称中和浓缩,其工艺流程见图3。中和反应器闪蒸室、下降管、中和反应强制循环泵、上升管统称为强制循环中和反应器;二效加热器、上升管、二效蒸发室、下降管、二效循环泵统称为二效蒸发器;一效加热器、上升管、一效蒸发室、下降管、一效循环泵统称为一效蒸发器。3中和反应器磷铵料浆的蒸发浓缩系统稀磷酸由外管泵送至本工段,经计量后进强制循环中和反应器的下降管。气氨由氨站经外管送至本工段,经计量后进强制循环中和反应器的上升管,与下降管加入的稀磷酸进行中和反应。由于该反应为放热反应,在上升管中形成过热料浆,进中和反应器闪蒸室闪蒸降温,并经下降管进入中和反应强制循环泵,再升压进入上升管形成循环流动,使气液传质与反应过程得到强化。控制稀磷酸与气氨的加入量,使强制循环中和反应器的中和度维持在额定值。强制循环中和反应器在发生氨化反应的同时,也起到了一定的浓缩作用,得到的磷铵料浆进蒸发浓缩系统。来自中和反应器的磷铵料浆进二效蒸发器的下降管,经二效循环泵升压后进二效加热器管程流动,中和反应闪蒸蒸汽及一效蒸发器产生的二次蒸汽的混合蒸汽在壳程中与磷铵料浆换热使之升温后,料浆进入二效蒸发室汽液分离,然后进入下降管经二效循环泵作强制循环流动,以提高二效加热器传热系数。二效蒸发室为负压操作,产生的蒸汽尾气去混合冷凝器,与循环上水质热传递并冷凝冷却后通过大气腿对二效蒸发室形成负压,循环水则返回循环水站。混合蒸汽在二效加热器中与料浆换热后形成的凝液则送往湿法磷酸装置过滤工段使用。经二效蒸发器浓缩的料浆,在二效循环泵的作用下进一效蒸发器的下降管,经一效循环泵升压后进一效加热器管程,经过与在二效蒸发器内相同的强制循环流动进行蒸发浓缩。一效加热器壳程则采用生蒸汽作为热源,所产生的冷凝水则送往喷雾干燥工段使用回收余热。经一效蒸发器浓缩至合符要求含水量的磷铵料浆,由一效循环泵打至过滤器过滤,再去高压泵加压后送去喷雾干燥工段。4中和与浓缩优化工艺设计取得了重大成熟自上世纪80年代初我院开发设计10kt/a磷铵装置建成投产以来,其后,我院与大专院校、工厂共同编制的60kt/a“料浆法”磷铵装置关键设备的研制可行性研究报告,正式列入了“八五”国家重大技术装备科技攻关计划。我院开发设计的30kt/a磷铵装置和国内料浆法磷铵第一套60kt/a装置相继建成,并一次开车成功。经过技术人员多年的努力,在实现料浆法磷铵国产化装置大型化的开发设计工作中,取得了重大突破和进展。在设计中由于采用了以强制循环中和新工艺新技术代替旧的槽式中和反应工艺,反应物料完全是在密闭系统中进行,无气氨逸出,氨损失小,环境条件好,且简化了流程,节省了投资。另一方面,将中和与浓缩结合起来进行优化工艺设计,利用反应时产生的蒸汽与一效蒸发浓缩产生的二次蒸汽混合后共同作为二效蒸发浓缩的热源,从而节省能源,有一举两得之利,取得减排与节能的双重效果。根据计算,以产品规模200kt/a磷铵装置为例,一年就可节约蒸汽30kt以上。我院自从将中和与浓缩优化工艺设计在实际工程中应用数年以来,为各生产厂家所设计建成并投入运营的磷铵装置已有多套。磷铵产品规模有100kt/a、150kt/a、200kt/a、300kt/a不等,均建成顺利开车成功,产能与产量均达到设计要求。装置生产运行稳定、产品质量可靠。且减少了设备投资,节能降耗、操作连续稳定、大幅降低了氨的损耗