大型磷酸一铵装置工程设计优化

沈立莹，施光辉，王艳红

（云南云天化股份有限公司红磷分公司，云南开远 661699）

大型磷酸一铵装置工程设计优化

沈立莹，施光辉，王艳红

（云南云天化股份有限公司红磷分公司，云南开远 661699）

磷酸一铵装置工程集成了国内目前先进的生产技术，充分利用低位余热加热磷酸、气化液氨，利用磷酸与气氨的反应热干燥磷酸一铵产品，节约能源消耗；利用流化床冷却工艺技术，解决了产品冷却和成团结块问题；采用塔式和管道湿法洗涤工艺技术洗涤尾气，有效改进尾气排放指标；与国内同类型装置相比，取消了热风炉、冷却机等设备，优化了工艺流程，在降低能源消耗的同时更容易操作，降低了投资费用及生产成本。

磷酸一铵；优化；生产工艺；技术；产品

云南云天化股份有限公司红磷分公司（以下简称“红磷分公司”）20万 t/a磷酸一铵（英文缩写MAP）装置建于2012年5月，生产工艺为采用不同含固量的原料浓磷酸配置为P2O5浓度大于45%的磷酸，用泵送入喷粉塔的管式反应器中，在管式反应器内与气氨反应生成中和度为0.9～1.1的磷铵料浆直接喷入喷粉塔，通过加压—喷雾的反应工艺与塔底吹入的冷却空气逆流冷却干燥后制得满足标准要求的产品粉状磷酸一铵。喷雾干燥塔为塔底鼓风的流化床式喷雾干燥塔（砖混砌体与碳钢结合的硬塔）；配酸设施布置了磷酸加热器（石墨换热器），增加了磷酸带入喷雾干燥塔的热量；充分利用磷酸与氨的反应热及高温磷酸带入的热量；装置未设计产品干燥的热风炉及冷却、破碎、筛分装置；同时设置多个散料仓，方便调节产品养分；利用磷酸浓缩产生的冷凝液作为热源来蒸发液氨，降温冷却后的冷凝液送到硫酸脱盐水站直接使用，达到了能源与水资源的综合利用的同时也降低了产品的综合能耗。该工程设计工艺取消了干燥、冷却及除尘系统，缩小了装置的占地面积，简化了工艺过程，减少了设备台数及维修费用的同时降低了生产成本。

1 技术原理及生产工艺

1.1 主要化学反应

磷酸一铵的热稳定性好，不易吸潮，在水中溶解度大，且随着温度的升高而急剧增大；在氨与酸的氨化过程放出的热量很大，可利用它蒸发除去溶液中一部分水分，通常磷酸中和 1 kg气氨即蒸发1～2 kg水[1]，这与磷酸浓度和温度有关。磷酸一铵生产的主要化学反应为磷酸与氨之间的反应。磷酸中的氢离子被中和，生成磷酸一铵(MAP)和磷酸二铵(DAP)[2]：

H3PO4＋NH3=NH4H2PO4ΔH0298= -126 kJ H3PO4＋2NH3=(NH4)2HPO4ΔH0298= -203 kJ

反应过程中磷酸与氨反应直接生成NH4H2PO4，并产生少量(NH4)2HPO4，首先生成的是NH4H2PO4，再发生以下反应：

NH4H2PO4＋ NH3= (NH4)2HPO4

1.2 装置生产工艺简述

自磷酸装置来的浓磷酸（P2O5≥48%）、磷酸酸渣与洗涤液循环槽来的洗涤液进入配酸槽进行配酸、加热，使浓磷酸中 P2O5≥45%、温度达 80 ℃左右，自液氨罐区来的液氨经氨蒸发器后变为压力为～0.8 MPa的气氨，磷酸和气氨经计量后进入安装于喷雾干燥塔上的管式反应器内反应，反应后的反应料浆通过反应器排液口上的喷头直接进入喷雾干燥塔顶部中心呈雾滴状喷出，物料沿喷雾干燥塔自由下落，料液中的大部分水分由于减压而闪急蒸发，与鼓风机鼓入塔底的冷却空气逆流接触，发生气固相的质、热传递，使空气被加热增湿，磷酸一铵料浆被冷却固化，经塔底流化床的进一步冷却固化后，出塔体的磷酸一铵温度约 50 ℃，水分小于2%，去散料仓调节养分后达到产品标准要求的产品送包装系统包装。

在喷雾干燥塔顶设有一级管道尾气洗涤器，洗涤液采用洗涤水或稀磷酸循环洗涤，并设有可靠的洗涤液收集设施，部分洗涤液抽出送配酸槽回收。从喷雾干燥塔顶管道洗涤器出来的含尘尾气进入文丘里洗涤后，经洗涤塔除沫分离后，经风机抽送至50 m烟囱放空，文丘里洗涤液循环使用(图1)。

图1 磷酸一铵装置工艺流程简图Fig.1 Process flow diagram of monoammonium phosphate plant

2 磷酸一铵装置技术现状分析

目前国内磷酸一铵装置在生产工艺上分传统法和料浆法两种，反应塔（喷雾塔）有软塔（橡胶塔）和硬塔（砖砌体）两种，由于在生产过程中磷酸一铵会结成团或结块状物且产品要求水分≤2%，装置在设计时均配有热风炉、干燥塔、打散机、破碎、筛子等设备，尾气处理有干法除尘+湿法洗涤和纯湿法洗涤两种。近年来磷酸一铵装置技术普遍采用已有丰富运行经验的浓磷酸与气氨中和反应的生产工艺，使约0.45 MPa气氨送入管式反应器中，磷酸与气氨在管式反应器中进行剧烈的绝热中和反应生成 170～175 ℃的磷酸一铵料浆。管式反应器中的压力为0.25～0.30 MPa，料浆通过管式反应器排液口上的喷头自喷雾干燥塔的顶部中心呈液滴状喷出，室外冷空气借助喷雾干燥塔的抽力自塔底吸入并沿塔上升，冷空气上升过程中与下落的磷酸一铵料浆热液滴相遇，发生气固相的质、热传递，使空气被加热增湿，使磷酸料浆被冷却固化，出塔体底部的磷酸一铵温度约60 ℃，水分小于2%，经筛分破碎后去包装。含尘和气态氟的尾气经湿式洗涤后达标排放。

红磷分公司的20万t/a磷酸一铵装置工程项目在设计和建设时综合论证了目前粉状磷酸一铵的先进技术优势及地理环境特点，在工程设计时就取消了热风炉、干燥机、筛分机等设备，生产流程简短；国内同类装置在原料工序也有采用磷酸加热技术，但主要的设备喷雾干燥塔为橡胶塔，装置中设有破碎机、筛分机等设备，装置的设备多、能耗相对就较高些，增加了操作控制的难度；国内同类装置在尾气处理中有采用干法除尘+湿法洗涤的，由于干法除尘运用重力沉降的原理，除尘器需定期人工清理，清理时工作量大，清理周期长，投入的人工多，人为工作量的增加导致装置职业卫生的防护较难控制；通过对比论证后，项目在尾气处理方面采用两级湿法洗涤，不需人工清理，较好地降低了生产成本。

3 技术优化思路

采用浓缩湿法磷酸与氨反应制得MAP的流程称为传统法生产流程，早期传统法粉状MAP采用反应釜加压中和喷雾自然干燥法[3]；即气氨与磷酸在反应釜中加压中和反应，反应后的料浆通过气流喷头在干燥塔中将料浆闪蒸冷却成粉状固体。产品在干燥塔底部通过一个耙料机收集物料，再用输送设备将其送入筛分破碎设备，早期设计的粉状磷酸一铵装置无干燥冷却设备时产品含水一般在6%—9%（质量分数），产品容易结块，影响产品的储存与使用，因此，以往设计时均增加了转筒干燥和冷却设备，使产品水分含量小于2%，降低产品结块的概率。

随着磷肥技术的快速发展，特别是管式反应器的成功应用并不断改进使磷肥生产技术跃上了一个新的平台，粉状磷酸一铵的生产技术中对管式反应器的应用也得到了较好地优化。根据粉状磷酸一铵目前的生产技术水平，结合红磷的生产实际和技术水平，20万t/a磷酸一铵工程设计时从原料、生产流程、设备及尾气治理等方面进行技术优化，经生产实践证明，经优化后建设的MAP装置工艺简单、流程短，产品质量达到国家标准要求。

3.1 原料的优化

为提高反应的磷酸温度，在配酸过程中对磷酸进行预加热，热源利用磷酸浓缩产生的高温冷凝液或低压蒸汽。将液氨先加热汽化再用于生产，这样可充分利用磷酸与气氨产生的反应热用于干燥产品。蒸发液氨的热源利用磷酸浓缩产生的高温冷凝液，充分引入了蒸汽与冷凝水的梯级利用原理，尽可能地减少装置的能源消耗。

3.2 生产流程的优化

在充分利用磷酸与氨反应热的情况下，经计算和实地考察后，决定反应塔选择带流化床砖砌体的喷雾干燥塔，取消干燥、破碎、筛分等工序，大大缩短了工艺流程和减少了设备。在磷酸配酸过程中进行加热，提高磷酸带入管式反应器的热量，考虑蒸汽的梯级利用原理，充分利用磷酸浓缩装置的冷凝液对磷酸配酸进行加热，进一步提高装置中磷酸与气氨反应热，为产品无热风炉干燥提供热源保障；充分利用磷酸与气氨的反应热量来干燥产品，装置中不设置热风炉，节约能源，实现了清洁、节能的生产目的；利用流化床来打散、冷却成团的磷酸一铵，装置中不设置冷却机，减少装置操作控制的难度，优化了装置的工艺流程；由于采用硬塔，通过加大尾气风机风量，可在喷粉干燥塔内形成较大的负压，产品在喷粉干燥塔中下落时急速闪蒸，产品的水分低；塔内形成负压后，仅通过调节流化床风机进口阀开度就能达到调节流化床风量的目的，流化床风机可不用时常运行。尾气采用二级湿法处理，第一级洗涤用酸在喷雾干燥塔内洗涤，第二级洗涤器（文丘里）设置在管道上，用水循环洗涤，两级的洗涤液送到配酸槽使用，形成了污水循环利用、零排放的目标。

由于气氨与磷酸直接在管式反应器内反应，磷酸中所含的容易结垢的倍半氧化物均同时参与反应，直接冷却干燥磷酸一铵的生产产品，避免形成致密结垢层，堵塞设备及管道，且采用蒸汽加热后清洗容易脱离，因此维护较为方便。装置开停车能耗和物料基本没有损失，充分消化利用渣酸、洗涤酸，生产较为方便。料浆通过管式反应器排液口上的喷头自喷雾干燥塔的顶部中心呈液滴状喷出，室外冷空气借助喷雾干燥塔的抽力自塔底吸入并沿塔上升，冷空气上升过程中与下落的磷酸一铵料浆热液滴相遇，发生气固相的质、热传递，使空气被加热增湿，使磷酸料浆被冷却固化，出塔体的磷酸一铵温度约50 ℃，经输送后满足产品包装的要求。

3.3 尾气治理优化

为提高收尘效率，保护环境，收尘设施必须集中考虑，集中布置，用尽量少的风机和洗涤器将各个污染源串接起来进行洗涤后排空[4]。出喷雾塔的反应尾气采取两级湿法洗涤的方式进行处理，工艺水（或系统内污水）和尾气洗涤塔的洗涤液送至喷粉塔顶部对喷粉塔尾气进行初步洗涤，洗涤后的洗液落入接液盘，经溢流管回到洗涤循环槽内继续循环使用，引出部分洗涤液到原料工序进行配酸用，干燥尾气经喷雾干燥塔顶部一级管道洗涤器洗涤除去大部分MAP粉尘后，再经文丘里洗涤器充分洗涤，尾气洗涤塔除雾后，装置实现了废气、粉尘达标排放的要求。

4 项目消耗与产品质量情况

项目认真执行各项节能降耗的法规、规定和设计规范，主要生产装置中采取了许多行之有效的节能措施。项目建设以来，工艺过程控制采用DCS控制系统，对影响工艺的关键参数进行控制和调节，以进一步降低能耗；为减少装置工艺水的消耗，生产过程中尽可能考虑了工艺水的重复利用，泵的密封水全部回收用于工艺补充水和酸性循环冷却水的补充水。其产品消耗定额与产品质量均能满足设计要求，各物料消耗均控制较好，主要原料气氨和磷酸的收率均得到很大程度的提升，产品综合能耗控制在较低的水平，提升了产品价格的竞争优势。装置主要消耗详见表1。

表1 MAP装置消耗定额（以每t实物计）Table 1 MAP unit consumption quota

装置可根据客户需要生产不同养分含量的MAP产品，正常情况下均组织生产为 60%MAP（10-50-0）产品，项目试生产以来连续三年的产品质量达到表2中产品质量情况要求。在实际生产过程中，根据不同原料磷酸的酸浓和含固量的情况，适时添加少量硫酸可明显减少系统的粘结和堵塞，对改善产品的粒子外观也有一定的作用[5]，生产的产品颜色灰白、均匀、不中空，产品质量稳定，较好地满足了国家标准对产品的质量要求。

Engineering Design and Optimization of Large Monoammonium Phosphate Plant

SHEN Li-ying，SHI Guang-hui，WANG Yan-hong
（Yunnan Yuntianhua Group Co., Ltd. Red Phosphorus Branch,Yunnan Kaiyuan 661699, China）

Monoammonium phosphate plant in our company integrates the current domestic advanced production technologies, it makes full use of low grade waste heat to heat phosphoric acid and gasify liquid ammonia, and the plant uses reaction heat of phosphate and ammonia gas to dry monoammonium phosphate product to save energy consumption; using the technology of cooling process of fluidized bed solves the problems about product cooling and caking; tower and pipeline wet scrubbing technology is used for washing tail gas to effectively improve the emission indicators; compared with the same type of domestic plants, the cooling machine, hot blast furnace and other equipments are removed, the process is optimized, energy consumption is increased, and the operation is simplified, which lowers investment cost and production cost.

monoammonium phosphate; optimization; production process; technology; products

TQ 115

A

1671-0460（2015）09-2207-03

2014-12-25

沈立莹（1975-），男，云南开远人，高级工程师，工程硕士，2000年毕业于昆明理工大学化学工程专业，研究方向：从事磷酸、硫酸、磷肥生产的技术管理与技术服务工作。E-mail：hlsly@mail.honglin.cn。