電爐生產(chǎn)黃磷的能耗分析與節(jié)能潛力

1、化 工 進(jìn) 展·94·CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2009年第28卷增刊電爐生產(chǎn)黃磷的能耗分析與節(jié)能潛力田 萍1，徐 兵1，張琦弦2，莫曉蘭1，梁玉祥1摘 要：對(duì)某廠年產(chǎn)3000 t黃磷電爐生產(chǎn)工序中熱量供應(yīng)情況進(jìn)行了全方面了解和調(diào)查，利用化工原理“三傳一反”的相關(guān)知識(shí)，通過調(diào)查對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析，發(fā)現(xiàn)有1500 t左右的廢熱能量可以被回收，另外可回收黃磷190 t左右。根據(jù)該廠目前的情況，提出了利用干法出渣法、添加電除塵器和列管換熱器回收廢熱，整個(gè)電爐生產(chǎn)工序全年可產(chǎn)生100多萬元的節(jié)能效益。 關(guān)鍵詞：黃磷；電

2、爐法；干法出渣；節(jié)能（1四川大學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610065；2四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院，四川 成都 610065）目前，電爐生產(chǎn)黃磷仍然是黃磷生產(chǎn)工藝的一種重要方法。黃磷是典型的高能耗、高排放的雙高產(chǎn)品，近年來產(chǎn)能的快速增長使行業(yè)節(jié)能減排任務(wù)艱巨，目前各級(jí)政府、行業(yè)組織和生產(chǎn)企業(yè)都十分重視黃磷產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排工作。根據(jù)本文作者深入調(diào)查，對(duì)電爐法生產(chǎn)黃磷的相關(guān)參數(shù)作了仔細(xì)的分析。1 某廠概況某廠擁有兩套（同時(shí)開）運(yùn)行的電爐，年處理量達(dá)3000 t以上，其工藝流程如圖1。黃磷生產(chǎn)工序工藝流程為傳統(tǒng)的電爐法，在2008年實(shí)際生產(chǎn)情況的基礎(chǔ)上，作者收集了一系列的有關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)電爐法生產(chǎn)黃磷流程進(jìn)行了

3、仔細(xì)分析，利用化工操作單元的相關(guān)知識(shí)，對(duì)其能量利用進(jìn)行了一系列的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)最近一年黃磷生產(chǎn)線的煤和電消耗總量為7040 t（以折標(biāo)煤計(jì)），其中高達(dá)3833 t的熱量未能被回收利用。所以本文作者提出一系列的修改意見，如采用干法出渣、列管式換熱器及靜電除塵器等技術(shù)，回收這部分熱量，理論上一年可以節(jié)約能量1450 t，回收黃磷192 t，產(chǎn)生效益可達(dá)257萬元以上，拋開成本也可獲利110萬元。圖1 電爐生產(chǎn)黃磷的流程簡(jiǎn)圖1磷礦石，硅石，焦炭；2破碎機(jī)；3皮帶；4產(chǎn)品黃磷；5洗氣塔；6尾氣；7噴水管；8軌道；9熱水槽；10混合氣體出口； 11石墨電極；12泥磷；13電爐；14出渣口；15配料斗槽；16

4、進(jìn)料斗槽；17廢渣冷卻槽；18皮帶；19提升斗；20循環(huán)水槽；21循環(huán)水泵；22污水處理槽；23分離槽；24精餾槽2 利用化工操作單元的“三傳一反”分析工藝的能耗情況2.1 工藝介紹電爐生產(chǎn)黃磷的主要反應(yīng)方程式：4Ca5F(PO4)3+21SiO2+30C=3P4+30CO+SiF4+20CaSiO3如圖1，磷礦石、硅石和焦炭經(jīng)分別破碎以后，按一定比例進(jìn)行配料，混和均勻，通過皮帶傳送機(jī)送入提升斗中，運(yùn)到兩邊的進(jìn)料斗槽里，接著進(jìn)入電爐進(jìn)行反應(yīng)。料斗嚴(yán)密蓋緊，以免空氣漏入而使增刊 田萍等：電爐生產(chǎn)黃磷的能耗分析與節(jié)能潛力 ·95·磷燃燒。三相電爐的操作電壓為220350 V。在

5、電爐內(nèi)各電極間產(chǎn)生電弧，使?fàn)t內(nèi)溫度維持在13501450 。在此條件下磷礦被硅石和碳還原，生成含磷蒸氣的爐氣和熔融的爐渣。爐氣（約含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的磷，其余主要為CO和少量的H2S、CO2、N2、PH3、SiF4）由導(dǎo)氣管引出，反應(yīng)產(chǎn)生的爐渣（SiO2、CaO、As2O3等氧化物）和磷鐵（Fe2O3被C還原后和P化合后的生成物）由出渣口排出進(jìn)行相應(yīng)的冷卻。而爐氣進(jìn)入冷凝塔（三個(gè)串聯(lián)的空塔），依次用熱水和冷水噴淋，熱水塔使磷蒸氣冷凝下來，形成粗磷；冷水塔則用于洗滌尾氣（主要含CO），然后隨管道排出作為甲酸鈉的生產(chǎn)原料。粗磷進(jìn)入精制鍋，用熱水槽提供的熱水進(jìn)行保溫（6080），使其靜置分離。熱水槽

6、由鍋爐通過加熱水產(chǎn)生蒸氣進(jìn)行加熱。合格的黃磷作為最終產(chǎn)品進(jìn)行包裝或用于生產(chǎn)赤磷，而剩余物泥磷被排出作為生產(chǎn)磷酸的原料。原始數(shù)據(jù)：生產(chǎn)1 t黃磷需要磷礦ml=10 t，焦炭m2=2 t，硅石m3=2.5 t；產(chǎn)生泥磷150 kg，電爐耗電 14×104 kW·h/d，電爐溫度 t=1350；爐渣溫度1350 ；爐氣冷凝后溫度60 ；89 t黃磷/8 h，生產(chǎn)時(shí)間8 h/d，6 t熱水/d；熱水溫度tl=60 ；年產(chǎn)黃磷3452 t 為了方便計(jì)算將各個(gè)物質(zhì)的比熱和熔化焓分別用字母表示如下：比熱容：磷Cp1，硅石Cp2，焦炭Cp3，磷蒸氣Cp4，磷固體Cp5，一氧化碳 Cp6，水

7、Cp7熔化焓：磷r1，硅石r2 化學(xué)反應(yīng)方程式：4Ca5F(PO4)3+30C+21SiO23P4+30CO+20CaSiO3+SiF4 （3）熱量衡算（以生產(chǎn)1 t黃磷計(jì)算） 電量的橫算 選取電爐為控制對(duì)象。 根據(jù)以上原始數(shù)據(jù)表3及圖3，進(jìn)行計(jì)算如下。a. 電爐實(shí)際耗能（電能）QQ=14×104×3600/8.5=5.929×107 kJb. 用于加熱物料所需能量Q1Q1=(m3×Cp3+m3×Cp3+m3×Cp3)×(tt常) =(10×103×1.27+2.5×103×0.79+

8、2×103×0.81)× (135025)表1 煤電消耗能源品種燃料煤1電41黃磷 57.3 t·a 5685.5×10kW·h·a表2 煤電能耗的折標(biāo)能源介質(zhì) 燃料煤實(shí)物量 57.3 t當(dāng)量值 折標(biāo)準(zhǔn)煤/t52 6987.66=2.16×107 kJ表3 黃磷工藝計(jì)算參數(shù)表名稱 磷比熱容/kJ·kg1·1融化焓/ kJ·kg1·1電 5685.5×104 kW·h·a1 企業(yè)自耗能總量1.27 483.6 0.79 236.75 0.81 0.

9、542 0.192 1.14 4.27039.66 硅石焦炭 磷蒸氣2.2 對(duì)系統(tǒng)物料、能量分析CO 磷蒸氣磷固體 一氧化碳 水爐渣黃磷的摩爾蒸發(fā)焓r= 475kJ/（kg·K）圖2 物料流程圖根據(jù)圖2及表2中的相關(guān)析標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行物料衡算。（1）物料衡算輸入物料：w磷礦石+w硅石+w焦炭=10+2.5+2=14.5t 輸出物料：wCO+w磷蒸汽+w爐渣=2.37+1.055+11= 14.425t故有：w磷礦石+w硅石+w焦炭wCO+w磷蒸汽+w爐渣 （2）能量衡算圖3 黃磷生產(chǎn)能量流程圖·96·化 工 進(jìn) 展 2009年第28卷c. 用于熔化物料所需熱量Q2Q2

10、=r1×m1+r2×m2 =483.67×10×103+236.75×2.5×103=5.43×106 kJ總能量Q=Q1+Q2 =2.16×107+5.43×106 =2.71×107 kJ 耗能比例w=Q/Q=2.71×107/(5.929×107)×100% =45.7%d. 主反應(yīng)放出能量QR約占總能耗的12%，其它副的吸熱反應(yīng)消耗能量占總能耗的8%，可以相互抵消一部分，剩余4%的熱量可以為物料升溫和熔化提能。e. 電爐能量的有效利用率x=w4%=45.7%

11、4%=41.7%一年電爐耗能總量=14×104/8.5×3452=5685.6×104kW·h=6987.66t一年需要的有效能量=6987.66t×41.7%= 2913.85tQ損失=Q ×(141.7%)=4073.81t能源煤的衡算熱水槽內(nèi)加熱熱水至60耗需要能量Q3：Q3=Cp7×m×(tlt常) =4.2×6×103/8.5×(6025) =1.04×105kJ一年消耗能量=1.04×105×3452=3590.08× 105kJ=1

12、3tQ損失=5213=39 t（4）黃磷的損失衡算 根據(jù)該廠實(shí)際情況：600 kg泥磷生產(chǎn)1 t含70%的磷酸。因此泥磷中磷含量w=70%×103×31/(98×600)× 100%=36.9%；生產(chǎn)1 t黃磷有150 kg泥磷，則泥磷中含磷量m=150×36.9%=55.35kg；則一年泥磷中磷含量為 3452×55.35kg=192t （5）黃磷能耗計(jì)算黃磷綜合能耗=(52+6987.66)×103/3452=2039kg電單耗=14×104kw·h/8.5=1.65×104 煤?jiǎn)魏?51.

13、9t/（0.8×3452）=18.8 kg3 結(jié)果與討論3.1 結(jié)果通過熱量橫算，該工藝在生產(chǎn)黃磷理論耗煤為13 t/a，耗電的理論值為2913.85 t/a。每年損耗的煤有39 t，電損耗為4073.81 t。實(shí)際消耗量與理論消耗相差很大，熱量浪費(fèi)嚴(yán)重。該與國外先進(jìn)生產(chǎn)工廠的黃磷的綜合能耗為2039 kg，藝的能耗指標(biāo)1610 kg，差距很大。黃磷的生成是在電爐內(nèi)進(jìn)行的，電爐以原料電阻和電極電弧的形式將電能轉(zhuǎn)換成熱能，使?fàn)t料熔融，因此電爐為主要耗能設(shè)備。電爐的實(shí)際利用率與世界先進(jìn)水平55.5%相比差距也很明顯。 為41.7%，3.2 原因分析通過對(duì)某廠的能源調(diào)用情況的調(diào)查與計(jì)算分析

14、可知，該廠在能源利用方面還存在這許多漏洞。生產(chǎn)工藝上主要有以下幾點(diǎn)能源的浪費(fèi)。（1）電爐生產(chǎn)過程中，每噸黃磷將產(chǎn)生11 t左右的硅鈣爐渣（其主要化學(xué)組分：SiO239.7%；CaO48.99%；P2O5，2.7%；SiO2/CaO=0.81），溫度高達(dá)1300以上。目前黃磷生產(chǎn)行業(yè)處理硅碳爐渣大多采用的濕法出渣，該工藝比較簡(jiǎn)單，采用循環(huán)冷卻水將高溫（1300左右）爐渣直接接觸進(jìn)行冷卻，這樣爐渣的高溫顯熱全部被浪費(fèi)。這部分熱量也是導(dǎo)致電爐黃磷工藝能耗較高的主要部分。（2）在制磷生產(chǎn)中，由于原料的加工和輸送、混合中的碰撞和摩擦以及化學(xué)反應(yīng)中一些組分在高溫時(shí)的揮發(fā)，尤其在生產(chǎn)操作不正常時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大

15、量粉塵。因此，必然有許多粉塵進(jìn)入爐氣而被帶入冷凝系統(tǒng)。爐氣中粉塵含量為50150 g /m3。這樣，爐氣如不經(jīng)過除塵而直接進(jìn)入冷凝系統(tǒng)，會(huì)造成大量的泥磷，帶來磷損失。（3）該廠在黃磷生產(chǎn)工藝中，將產(chǎn)生的磷等高溫氣體直接用水冷凝，既浪費(fèi)水資源，給排水系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)，同時(shí)冷凝過程中所放出的顯熱也隨水在空氣中散失造成熱量的浪費(fèi)。 3.3 建議（1）干法熄渣代替濕法熄渣 干法熄渣工藝即采用惰性氣體（一般采用氮?dú)猓┡c爐渣進(jìn)行直接接觸換熱，再利用鍋爐將氣體熱量。 回收，達(dá)到余熱綜合利用目的（如圖4）如圖5，高溫爐渣經(jīng)過進(jìn)入用耐火保溫材料砌筑爐渣換熱通道，與工業(yè)氮?dú)膺M(jìn)行直接接觸換熱，將溫度降為200左右，從換

16、熱通道出來的高溫氮?dú)鈱崃總鹘o鍋爐，這樣達(dá)到熱量回收的目的。增刊 田萍等：電爐生產(chǎn)黃磷的能耗分析與節(jié)能潛力·97·的產(chǎn)率，回收黃磷192 t/a；同時(shí)另外可以減少污水排放，產(chǎn)生良好的環(huán)境效益。圖6為所設(shè)計(jì)的換熱器。圖5 干法熄渣流程設(shè)計(jì)圖6循環(huán)惰性氣體入口；7冷卻換熱段；8斜道（氣體出口）； 9預(yù)存段；10裝入裝置；11旋轉(zhuǎn)渣罐；12渣排除通道1提升機(jī)；2一次除塵器；3油爐；4二次除塵器；5鼓風(fēng)機(jī)；圖6 碳化硅換熱器結(jié)構(gòu)圖1出口管箱；2進(jìn)口管箱；3SiC管串；4活動(dòng)管板；5左右耐火堵板；6彈簧組件；7折流管箱5從電爐出來的紅渣由渣罐經(jīng)提升機(jī)提升到干熄渣頂部，通過裝入裝置到預(yù)

17、存段，預(yù)存一段時(shí)間后，隨著排渣的進(jìn)行逐漸下降到冷卻段，在冷卻段通過與氣體進(jìn)行熱交換，再通過出口排除。冷卻紅渣的循環(huán)惰性氣體，在干熄爐冷卻段與紅渣進(jìn)行熱交換后溫度升高，并通過斜道排出干熄爐，高溫循環(huán)氣體經(jīng)過一次除塵器分離粗顆粒后進(jìn)入鍋爐進(jìn)行熱交換，加熱導(dǎo)熱油，經(jīng)過二次除塵器進(jìn)一步分離細(xì)顆粒，由循環(huán)風(fēng)機(jī)送入干熄爐。這樣爐渣的熱量可以被有效利用，可回收熱量1159 t，給工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可以產(chǎn)生良好的環(huán)境效益。（2）在爐氣出口先安裝一臺(tái)耐高溫的碳化硅換熱器，回收高溫氣體廢熱（換熱后的氣體溫度保證；然后再安在300以上，保證磷以蒸汽形式存在）裝一臺(tái)電除塵器，除去爐氣中大量的灰塵。這樣，一方面可以回收廢氣余熱，可回收熱量286.5 t，達(dá)到節(jié)能的目的；另一方面能有效地減少爐氣中帶有的粉塵，減少泥磷的產(chǎn)生，大大提高磷4 結(jié) 論黃磷電爐工藝能耗量很大，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。通過計(jì)算分析知在提高黃磷能源利用率方面仍有很大的發(fā)展空間。一方面可以通過新工藝開展象干法熄渣新工藝的引進(jìn)，既能回收現(xiàn)在很難解決的固體廢熱能量，同時(shí)可以帶來良好的環(huán)境效益，達(dá)到節(jié)能減排的目的。另外在抓住能源浪費(fèi)點(diǎn)后，利用現(xiàn)有的換熱器等技術(shù)回收廢熱也能達(dá)到提高能源利用率的最終目標(biāo)。同時(shí)注意管道和塔的保溫也能減少能量的損失。參 考 文 獻(xiàn)1 徐