一种半水-二水法磷酸生产装置及方法
技术领域
本发明涉及湿法磷酸生产工艺领域，具体涉及一种半水-二水法磷酸生产装置及方法。
背景技术
磷酸是一种重要的中间化学产品，其用途概括起来有两个方面，即化肥生产和工业磷酸盐的生产，而湿法磷酸则主要用于化肥生产。
湿法磷酸的生产工艺主要有二水法、半水法和半水-二水法，其中二水法装置占80％，而半水法和半水-二水法装置仅占20％。半水-二水法工艺目前已成熟，相比较二水法和半水法工艺，半水-二水法磷酸工艺不仅可以提高磷酸浓度、减少原材料消耗，还能提高P2O5收率、提高石膏纯度；半水-二水法磷酸将二水法磷酸浓度从25％P2O5提高到45％P2O5，每生产一吨P2O5可节约蒸汽1.78吨。
目前国内有极少数的半水-二水法磷酸装置建成，但其对磷矿质量要求高，设备及管道堵塞严重，开工率低，产品成本高，不能满足化肥生产的需求。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的技术问题提供一种半水-二水法磷酸生产装置及方法，适应越来越差的磷矿，采用湿法磨矿、湿矿粉进料，采用新型半水反应、半水物养晶、二水转化、二水物养晶一体化槽及新工艺，减少建设占地及投资，优化工艺操作，增加开工率，满足化肥生产的需求。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种半水-二水法磷酸生产方法，该方法包括半水反应、半水养晶、半水过滤、二水转化、二水养晶和二水过滤。
进一步的：半水反应所用的半水反应槽、半水养晶所用的半水养晶槽、二水转化所用的二水转化槽和二水养晶所用的二水养晶槽为一体化槽，槽体内设纵向布置的梯型隔墙和横向布置的梯型挡墙，该梯型隔墙将槽体分隔成15个区，命名为No.1～No.15区；其中：No.1～No.6区为半水反应槽、No.7～No.9区为半水物养晶槽、No.10～No.12区为二水转化槽、No.13～No.15区为二水物养晶槽。
在一些具体的技术方案中：该方法包括以下步骤：
(1)来自磷矿浆过滤机的含水≤15％湿磷矿粉，经计量后进入半水反应槽No.1区，98％浓硫酸与来自半水物过滤机后返酸泵的(P2O5≥33.5％)稀磷酸返酸混合后分别加入半水反应槽No.1区、半水反应槽No.2区、半水反应槽No.3区进行反应生成磷酸H3PO4和半水硫酸钙(CaSO4)2·H2O；半水反应槽No.4区、半水反应槽No.5区、半水反应槽No.6区不加料，硫酸与磷矿粉继续反应依次溢流过反应槽No.1区至No.6区；
(2)来自半水反应槽No.6区的磷酸料浆溢流进入半水物养晶槽No.7区、半水物养晶槽 No.8区和半水物养晶槽No.9区，98％浓硫酸与(P2O5≥33.5％)稀磷酸返酸混合后分别加入半水物养晶槽No.7区、半水物养晶槽No.8区进行调浆；
调浆后使得半水物养晶槽No.8区和半水物养晶槽No.9区的料浆符合如下条件：磷酸料浆含固量33％～35％，P2O5含量为40～45wt％，半水反应收率≥90％，结晶温度控制在≤98℃；
(3)来自半水物养晶槽No.9区的半水磷酸料浆输送至半水物闪蒸冷却器，闪蒸冷却降温 15～25℃，一部分料浆经半水过滤给料泵去半水物过滤机二次过滤加洗涤，其余部分返回养晶槽No.8区；
(4)在No.10的二水转化槽中用浓硫酸调整游离H2SO4的重量百分比含量≤7.0％，硫酸钙由(CaSO4)2H2O转化成CaSO4·2H2O，液相中P2O5含量15～18％，二水转化槽的料浆输送至二水闪蒸冷却器，闪蒸冷却降温2～10℃，经冷却二水磷酸料浆返回二水转化槽No.10区；
(5)二水物养晶槽No.15的磷酸料浆输送至二水物过滤机，经二级过滤、二级洗涤，得到含水率≤25％的二水磷石膏。
进一步的：步骤(3)中的二滤液作为成品磷酸，该成品磷酸中P2O5的含量为 40～45wt％；一滤液与洗涤液混合后返回反应槽No.1区、No.2区、No.3区及养晶槽No.7 区、No.8区，半水物过滤机的滤饼半水磷石膏用来自二水物过滤机的二滤液洗涤，洗涤后的半水磷石膏与来自二水物过滤机的一滤液与洗涤液混合后一起输送至二水转化槽 No.10区。
进一步的：步骤(1)中：在No.1～No.6的半水反应槽中始终保持氧化钙CaO的重量百分比含量高于游离硫酸H2SO4的重量百分比含量1.5％～2.5％，反应温度控制在95～102℃
进一步的：步骤(2)中：在养晶槽No.7区～No.9区中始终保持游离硫酸H2SO4的重量百分比含量高于氧化钙CaO的重量百分比含量1.0％～3.5％。
进一步的：步骤(3)中输送至养晶槽No.8区的料浆是去半水物过滤机料浆量的3～4 倍。
一种用于实现上述的半水-二水法磷酸生产装置，该装置包括一体化槽，所述的一体化槽体内设梯形隔墙挡墙将槽体分隔成15个区，分别为No.1～No.6区的半水反应槽、No.7～No.9区的半水物养晶槽、No.10～No.12区的二水转化槽、No.13～No.15区的二水物养晶槽；
98％浓硫酸的输入管道依次分别与No.1～No.3区的半水反应槽、No.7～No.8区的半水物养晶槽和No.10～No.11区的二水转化槽相连；
湿磷矿粉的输入管道与No.1的半水反应槽相连；
No.9区的半水物养晶槽底部的输出端与半水闪蒸冷却器相连，半水闪蒸冷却器的一个输出端与半水物过滤机相连，另一个输出端与No.8区的半水物养晶槽相连；
半水物过滤机底部的半水环管分离器的一滤液和洗涤液输出端分别与No.1～No.3区的半水反应槽和No.7～No.8区的半水物养晶槽相连；半水物过滤机底部的半水环管分离器的二滤液输出端作为成品磷酸输出；
No.12区的二水转化槽与二水闪蒸冷却相连，二水闪蒸冷却的输出端与No.10区的二水转化槽相连；
No.15区的二水物养晶槽的输出端与二水物过滤机相连，二水物过滤机底部的二水环管分离器的两个输出端均与半水物过滤机的上部相连。
本发明技术方案中：半水反应的过程是硫酸分解湿磷矿粉，生成40～45％P2O5磷酸和半水磷石膏(CaSO4)2H2O。
更进一步的：一体化槽体内No.1～No.6区为半水反应槽，No.1与No.2区、No.2与No.3 区、No.3与No.4区、No.4与No.5区、No.5与No.6区的上端通过设在梯型隔墙或梯型挡墙上的气液相通道连通，No.1与No.6区的上端通过设在梯型隔墙上的气相通道连通， No.1与No.2区、No.2与No.3区、No.4与No.5区、No.5与No.6区的下端通过设在梯型挡墙上的底部清理孔连通；
一体化槽体内的No.7～No.9区为半水物养晶槽，No.6与No.7区、No.7与No.8区、No.8与No.9区的上端通过设在梯型隔墙挡墙上的气液相通道连通，No.7与No.8区、No.8 与No.9区的下端通过设在梯型挡墙上的底部清理孔连通；
一体化槽体内的No.10～No.12区为二水转化槽，No.10与No.11区、No.11与No.12区的上端通过设在梯型挡墙上的气液相通道连通，No.10与No.11区、No.11与No.12区的下端通过设在梯型挡墙上的底部清理孔连通；
一体化槽体内的No.13～No.15区为二水物养晶槽，No.12与No.13区、No.13与No.14 区、No.14与No.15区的上端通过设在梯型隔墙挡墙上的气液相通道连通，No.13与No.14 区、No.14与No.15区的下端通过设在梯型挡墙上的底部清理孔连通。
在一些技术方案中：No.1～No.15十五个区各设一个搅拌桨口。
在一些更为优选的技术方案中：No.1区设四个进料口，No.2区、No.3区、No.7区各设一个进料口、No.8区设二个进料口、No.9区设二个出料口、No.10区设四个进料口、 No.12区设一个出料口、No.15区设二个出料口。
本发明技术方案中：浓硫酸用量及稀磷酸返酸量与磷矿的组成及特性相关，需要通过磷矿评价试验确定，该评价试验为本领域公知的。
本发明的有益效果：
本发明磷矿原料为含水≤15％的湿磷矿粉，细度(-100目过筛率)：≥80％，湿磷矿粉最大粒径≤2mm，可采用湿法磨矿、矿粉经过滤后无需干燥，湿磨磷矿比干磨磷矿节约用电约40％，每磨一吨矿节电约16度，杜绝干矿粉对环境的污染。本发明可减少建设占地及投资，优化工艺操作，增加开工率，装置更加环保。
附图说明
图1为本发明装置的示意图。
其中：1-半水反应槽No.1区，2-半水反应槽No.2区，3-半水反应槽No.3区，4-半水反应槽No.4区，5-半水反应槽No.5区，6半水反应槽No.6区，7-半水养晶槽No.7区，8-半水养晶槽No.8区，9-半水养晶槽No.9区，10-二水转化槽No.10区，11-二水转化槽No.11 区，12-二水转化槽No.12区，13-二水养晶槽No.13区，14-二水养晶槽No.14区，15-二水养晶槽No.15区，16-半水物过滤机，17-二水物过滤机，18-半水石膏槽，19-半水石膏泵，20-半水闪蒸循环泵，21-半水闪蒸冷却器，22-半水缓冲槽，23-半水过滤给料泵，24- 二水闪蒸循环泵，25-二水闪蒸冷却器，26-二水过滤给料泵，27-二水滤液泵，28-半水环管分离器，29-二水环管分离器，30-返酸泵，31-1号半水磷酸缓冲罐，32-2号半水磷酸缓冲罐，33-成品磷酸泵，34-1号二水磷酸缓冲罐，35-2号二水磷酸缓冲罐,36-二水返酸泵，37-二水一洗泵，38-二水二洗泵，39-二洗水槽。
图2为一体化槽的结构示意图。
图3是图2中A-A断面示意图。
其中：1a为进料口，2a为出料口，3a为抽气口，4a为清理门，5a为搅拌桨口，6a为搅拌桨，7a为气液相通道，8a为底部清理孔，9a为气相通道，10a为槽体，11a为梯形隔墙， 12a为梯形挡墙。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
一种半水-二水法磷酸生产装置，该装置包括一体化槽，所述的一体化槽体内设梯形隔墙挡墙将槽体分隔成15个区，分别为No.1～No.6区的半水反应槽(分别为1-半水反应槽No.1区，2-半水反应槽No.2区，3-半水反应槽No.3区，4-半水反应槽No.4区，5-半水反应槽No.5区，6-半水反应槽No.6区)、No.7～No.9区的半水物养晶槽(分别为7-半水养晶槽No.7区，8-半水养晶槽No.8区，9-半水养晶槽No.9区)、No.10～No.12区的二水转化槽(分别为10-二水转化槽No.10区，11-二水转化槽No.11区，12-二水转化槽No.12 区)、No.13～No.15区的二水物养晶槽(分别为13-二水养晶槽No.13区，14-二水养晶槽 No.14区，15-二水养晶槽No.15区)；
一体化槽体(10a)内No.1～No.6区为半水反应槽，No.1与No.2区、No.2与No.3区、No.3与No.4区、No.4与No.5区、No.5与No.6区的上端通过设在梯型隔墙(11a)或梯型挡墙(12a)上的气液相通道(7a)连通，No.1与No.6区的上端通过设在梯型隔墙(11a)上的气相通道(9a)连通，No.1与No.2区、No.2与No.3区、No.4与No.5区、No.5与No.6区的下端通过设在梯型挡墙上的底部清理孔(8a)连通；
一体化槽体(10a)内的No.7～No.9区为半水物养晶槽，No.6与No.7区、No.7与No.8区、No.8与No.9区的上端通过设在梯型隔墙(11a)或梯型挡墙(12a)上的气液相通道(7a)连通，No.7与No.8区、No.8与No.9区的下端通过设在梯型挡墙(12a)上的底部清理孔(8a) 连通；
一体化槽体(10a)内的No.10～No.12区为二水转化槽，No.10与No.11区、No.11与No.12 区的上端通过设在梯型挡墙(12a)上的气液相通道(7a)连通，No.10与No.11区、No.11与 No.12区的下端通过设在梯型挡墙(12a)上的底部清理孔(8a)连通；
一体化槽体(10a)内的No.13～No.15区为二水物养晶槽，No.12与No.13区、No.13与 No.14区、No.14与No.15区的上端通过设在梯型隔墙(11a)或梯型挡墙(12a)上的气液相通道(7a)连通，No.13与No.14区、No.14与No.15区的下端通过设在梯型挡墙(12a)上的底部清理孔(8a)连通。
No.1～No.15十五个区各设一个搅拌桨口(5a)以及搅拌桨(6a)；No.1区设四个进料口(1a)，No.2区、No.3区、No.7区各设一个进料口(1a)、No.8区设二个进料口(1a)、No.9区设二个出料口(2a)、No.10区设四个进料口(1a)、No.12区设一个出料口(2a)、No.15区设二个出料口(2a)。
所述一体化槽的No.1区、No.7区、No.13区上各设一个抽气口(3a)；No.1区、No.6区、No.7区、No.12区、No.13区侧壁各设一个清理门(4a)。
No.9区的出料口通过过滤系统与No.10区的进料口连通。
98％浓硫酸的输入管道依次分别与No.1～No.3区的半水反应槽、No.7～No.8区的半水物养晶槽和No.10～No.11区的二水转化槽相连；
湿磷矿粉的输入管道与No.1的半水反应槽相连；
No.9区的半水物养晶槽底部的输出端通过半水闪蒸循环泵(20)与半水闪蒸冷却器 (21)相连，半水闪蒸冷却器(21)的一个输出端通过半水过滤给料泵(23)与半水物过滤机(16)相连，另一个输出端与No.8区的半水物养晶槽相连；
半水物过滤机(16)底部的半水环管分离器(28)的一滤液和洗涤液输出端通过1号半水磷酸缓冲罐(31)和返酸泵(30)分别与No.1～No.3区的半水反应槽和No.7～No.8 区的半水物养晶槽相连；半水物过滤机(16)底部的半水环管分离器(28)的二滤液输出端通过2号半水磷酸缓冲罐(32)和成品磷酸(33)作为成品磷酸输出；
No.12区的二水转化槽通过二水闪蒸循环泵(24)与二水闪蒸冷却(25)相连，二水闪蒸冷却(25)的输出端与No.10区的二水转化槽相连；
No.15区的二水物养晶槽的输出端通过二水过滤给料泵(26)与二水物过滤机(17)相连，二水物过滤机(17)底部的二水环管分离器(29)的一个输出端通过1号二水磷酸缓冲罐(34)以及二水滤液泵(27)与与半水物过滤机(16)的上部相连；二水环管分离器(29)的另一个输出端依次通过2号二水磷酸缓冲罐(35)以及稀磷酸泵(36)也与半水物过滤机(16)的上部相连。
来自半水过滤给料泵(23)的半水磷酸料浆经半水物过滤机(16)一滤区过滤出来的一滤液与洗涤区过滤出来的洗涤液混合后去1号半水磷酸缓冲罐(31)，洗涤区的洗涤水是用来自二水滤液泵(27)的二水磷酸；经半水物过滤机(16)二滤区过滤出来的二滤液去2号半水磷酸缓冲罐(32)；半水物过滤机(16)用来自二水返酸泵(36)的二水返酸进行进行冲盘，二水返酸与半水磷石膏混合后一并去半水石膏槽(18)。
来自二水过滤给料泵(26)的二水磷酸料浆经二水物过滤机(17)一滤区过滤出来的一滤液与一洗区过滤出来的一洗液混合后去2号二水磷酸缓冲罐(35)作为半水物过滤机(16)的冲盘水，一洗区的洗涤水是用来自二水一洗泵(37)的二洗液，二洗区的洗涤水是用来自二水二洗泵(38)的二洗水，来自界区的洗涤水给二水物过滤机(17)冲盘后进入二洗水槽(39)作为二洗水使用(不与磷石膏混合，经洗涤后的二水磷石膏直接排去界区)；经二水物过滤机(17)二滤区过滤出来的二滤液去1号二水磷酸缓冲罐(34)作为半水物过滤机(16)的洗涤水。
实施例1
一种半水-二水法磷酸生产新方法，包括半水反应、半水养晶、半水过滤、二水转化、二水养晶、二水过滤，所述生产过程包括：磷矿湿磨工段、矿浆过滤工段、半水磷酸反应工段、半水磷石膏养晶工段、半水磷酸过滤工段、二水磷酸转化工段、二水磷石膏养晶工段，二水磷酸过滤工段，步骤如下：
(1)磷矿石粒度≤20mm由桶仓经圆盘给料机、计量胶带输送机计量后进入湿磨球磨机，经过计量的水和磷矿石在球磨机中研磨得到磷矿浆，磷矿浆含水45％～50％，经滚筒筛的筛分，合格的矿浆经筛下溜槽流到矿浆槽内，对没有过筛的物料由筛筒端口送至环形胶带输送机进入磷矿球磨机再次研磨。矿浆槽内的矿浆由渣浆泵送至水力旋流器，从水力旋流器溢流出的合格矿浆流到矿浆成品罐贮存，水力旋流器内不合格矿浆底流到返浆管进磷矿球磨机再次研磨。矿浆贮罐内的合格矿浆由隔膜泵通过矿浆管道送至浓密系统浓密到含水 65％～70％。
(2)含水65％～70％磷矿浆经陶瓷过滤机过滤后，得到含水≤15％湿磷矿粉，细度(-100目过筛率)：≥80％，湿磷矿粉最大粒径≤2mm。
(3)来自磷矿浆过滤机的湿磷矿粉(含水≤15％)，经计量后进入反应槽No.1区，98％浓硫酸与(P2O5≥33.5％)稀磷酸返酸经计量混合后分别加入反应槽No.1区、反应槽No.2区、反应槽No.3区进行反应生成磷酸H3PO4和半水硫酸钙(CaSO4)2·H2O，反应槽No.4区、反应槽No.5区、反应槽No.6区不加料，硫酸与磷矿粉继续反应依次溢流过反应槽No.1区至No.6区，在反应槽中始终保持氧化钙CaO的重量百分比含量高于游离硫酸H2SO4的重量百分比含量1.5％～2.5％，反应温度控制在95～102℃。
(4)来自反应槽No.6区的磷酸料浆溢流进入半水物养晶槽No.7区、养晶槽No.8区、养晶 槽No.9区，98％浓硫酸与(P2O5≥33.5％)稀磷酸返酸经计量混合后分别加入养晶槽No.7 区、养晶槽No.8区进行调浆，在养晶槽No.7区～No.9区中始终保持游离硫酸H2SO4的重量百分比含量高于氧化钙CaO的重量百分比含量1.0％～3.5％；调浆后使得半水物养晶槽No.8区和半水物养晶槽No.9区的料浆符合如下条件：磷酸料浆含固量33％～35％，含P2O540～45％,半水反应收率≥90％,结晶温度控制在≤98℃，半水磷酸料浆由半水物闪蒸循环 泵20送入半水物闪蒸冷却器21，闪蒸冷却降温15～25℃，一部分料浆经半水过滤给料泵 去半水物过滤机16，其余部分返回养晶槽No.8区。且输送至养晶槽No.8区的料浆是去半水物过滤机(16)料浆量的3～4倍。
(5)来自养晶槽No.9区的磷酸料浆经专用的转台式半水物过滤机16二次过滤加洗涤，二 滤液作为成品磷酸含P2O540～45％，经专用磷酸缓冲罐32成品磷酸泵33送去成品磷酸槽， 游离硫酸H2SO4的重量百分比含量≤2.0％。一滤液与洗涤液经专用磷酸缓冲罐31返酸泵 30返回反应槽No.1区、No.2区、No.3区及养晶槽No.7区、No.8区，半水物过滤机16 的滤饼半水磷石膏用来自二水物过滤机17的二滤液(经二水滤液泵27输送来)洗涤，洗 涤后的半水磷石膏用来自二水物过滤机17的一滤液与洗涤液经稀磷酸泵36冲入半水石膏 槽18，用半水石膏料浆泵19打入二水石膏转化槽No.10区。
(6)在二水转化槽中用浓硫酸调整游离硫酸H2SO4的重量百分比含量≤7.0％，硫酸钙由 (CaSO4)2H2O转化成CaSO4·2H2O，液相中P2O5含量15～18％，转化槽12的料浆由二水闪蒸循环泵24送入二水闪蒸冷却器25，闪蒸冷却降温2～10℃，经冷却二水磷酸料浆返 回二水转化槽No.10区。
(7)二水物养晶槽No.15的磷酸料浆经二水过滤给料泵26送入转台式二水物过滤机17，经 二级过滤、二级洗涤，得到含水率≤25％的二水磷石膏。
本发明不同于已有的半水-二水磷酸工艺，针对越来越差的磷矿，采用节能环保的湿法磨矿；半水反应、半水物养晶、二水转化、二水物养晶在一体槽内一气呵成，装置更加紧凑、更加节能；采用专用环管气液分离器、专用磷酸缓冲罐增加装置开工率，降低生产成本。经采用本发明的磷矿原料、磷酸产品、磷石膏的组成及工艺参数如下：
