利用电浆流分解磷矿的方法及其实施装置

技术领域

本发明涉及磷矿资源回收利用技术领域，更为具体地说是涉及一种磷矿的分解反应方法及其实施装置。

背景技术

目前湿法磷酸的副产物磷石膏堆积如山，严重污染的环境，占据了良田，虽然可以通过高温分解磷石膏得到二氧化硫用来制备硫酸，但因成本高，能耗大，难以在工业化中大力推广。同时磷石膏在建材领域中的利用也有限，因此至今也未能找到一条经济可行的磷石膏分解的技术路线。

另一方面全世界磷矿资源正在逐步贫化，而普通湿法流程需要采用优质磷矿和硫酸，并且酸解后要排除大量磷石膏，故采用湿法生产磷酸的许多工厂也日益艰难。我国列入国家统计的磷矿石储量168亿吨，但大多数磷矿难以选别，大于30％P

目前世界上分解磷石膏生产硫酸都是通过高温反应进行。生产五氧化二磷主要采用采用电炉法生产黄磷，黄磷再经燃烧得到五氧化二磷。由于电炉法生产黄磷能耗极高，因此五氧化二磷的生产成本很高。五氧化二磷利用的主要途径是通过水化得到磷酸(即热法磷酸)，以生产磷酸盐为主的化学品。因能耗高，生产成本高，此方法难以用于肥料行业和许多磷酸工业。

为了解决这一问题，国内外开展了窑法磷酸的研究，试图在回转窑和隧道窑中通过热法直接生产五氧化二磷，再水化得到磷酸。目前国内已取得了一些进展，可以获得磷酸。但目前采用的技术路线要实现大型化仍然困难，同时热能的充分利用也未能实现。因此迫切需要一种新的方法，不仅能在工业上进行大规模生产，而且能将氧化热充分运用于还原过程，使能耗大为降低。实现用湿法磷酸的价格获得高质量热法磷酸，因而也较彻底地解决低品位磷矿的优质化利用。同时因残渣正好是水泥的优质原料，可用于水泥生产，所以也彻底地解决了磷石膏的污染问题。

发明人在2008年和2009年分别提出了燃烧动力波分解磷矿制备五氧化二磷和分解磷石膏生产硫酸的新工艺(ZL200810045181.4，ZL200910059288.9)，这些新的工艺在前期中试中得到重要的进展。为了提高反应速度和转化率，发明人在此基础上又进行了深入的研究，取得了新的研究结果，根据研究结果提出了全新的分解硫磷体系物料的方式，以解决硫磷体系物料分解存在的问题。

发明内容

针对磷矿分解的技术现状与不足，本发明的目是提供一种利用电浆流(等离子体流)分解磷矿的方法及其实施装置，以提高磷矿分解效率，降低硫磷体系物料分解能耗，提高生产效益。

针对本发明的目的，本发明的基本思想是引入电浆流(等离子体流)，以作为磷矿分解过程中新的活性组份，相当于将固固相反应转变为具有活性基团参与的气固相反应，产生一种特殊的催化作用，从而实现加速磷矿分解反应过程。

本发明提供的利用电浆流分解硫磷体系物料的方法，其技术方案的构成主要包括，将待分解反应的硫磷体系物料以物质流的形式送入反应器，在反应器内与喷入的等离子体流充分接触，利用等离子体流使待分解反应的硫磷体系物料由固固相反应转变为气固相反应，在等离子体流中的活性基团参与下于600℃-1800℃进行快速分解反应。

本发明上述方法进一步的技术方案，加入炭参与硫磷体系物料的分解反应，炭的加入量与硫或/和磷的重量比为(1:1)-(1:4)；加入的炭可以焦炭、烟煤等，加入的方式可以是与硫磷体系物料混合后加入的反应器中，也可以粉碎后单独加入到反应器中，甚至可以是气体中带入的炭成份。

本发明上述方法进一步的技术方案，加入硅参与硫磷体系物料的分解反应，硅的加入量与硫磷体系物料中钙的重量比为(1：0.1)-(1:3)；硅的加入方式，可以是与硫磷体系物料混合后加入的反应器中，也可以粉碎后单独加入到反应器中。

本发明上述方法进一步的技术方案，将硫磷体系物料先行加热至400℃-1200℃后，并以空气或氮气为动力在反应器形成流化状态的物质流。

本发明上述方法进一步的技术方案，形成物质流的硫磷体系物料的粒径为0.063mm-4mm。

本发明上述方法进一步的技术方案，等离子体流为经激发含有催化硫磷体系物料分解反应的活性基团的等离子体与高温气体的混合流体。所述活性基团包括自由基，离子态，激发态等，如CO

本发明上述方法进一步的技术方案，等离子体流的气源为由不参硫磷体系物料分解反应具有惰性的气体(如氩气和氮气等)和能够参与硫磷体系物料分解反应的活性气体(如甲烷，煤气等)形成的混合气体。

本发明上述方法进一步的技术方案，硫磷体系物料形成的流化状态的物质流和等离子体流通过碰撞、混合、渗透等方式相互接触，完成体系的快速反应与分解。

在本发明的上述技术方案中，硫磷体系物料分解反应温度可部分或全部由氧化还原反应过程产生的热来保证，当氧化还原反应过程产生的热不能保证时，需要有另外的热源来补充保证。

在本发明的上述技术方案中，硫磷体系物料最好与作为补充热源的一次风送入反应器，在反应器内形成物质流。

实施本发明上述方法的的装置，其构成包括，一个密闭反应器，设置在密闭反应器上的等离子体喷口、硫磷体系物料喷口、气体排出口和分解反应后的固渣排出口，所述等离子体喷口、硫磷体系物料喷口的设置，为能使从等离子体喷口喷出的等离子体流与从硫磷矿物喷口进入密闭反应器内的物质流充分接触。

本发明上述装置一个进一步的技术方案，密闭反应器上设置有一次风进口和二次风喷口，等离子体喷口和固渣出口设置在密闭反应器底部，硫磷体系物料喷口及高温一次风喷口设置在密闭反应器顶部，且等离子体喷口与硫磷体系物料喷口、一次风喷口相对，使从等离子体喷口喷出的等离子体流与物料喷口喷出的物质流在密闭反应器内碰撞，二次风喷口的设置为能使其所产生的波面将反应器内的还原空间与氧化空间相对隔离。

本发明上述装置一个进一步的技术方案，硫磷体系物料喷口及一次风喷口设置密闭反应器下部，等离子体喷口设置在密闭反应器中部，使从等离子体喷口喷出的等离子体流与硫磷体系物料喷口喷出的物质流在密闭反应器内混合与反应，气体出口设置在密闭反应器上部，固渣设置在密闭反应器下部。

本发明上述装置一个进一步的技术方案，所述密闭反应器为管式密闭反应器，反应器的下部设计有气固分离室，等离子体喷口设置在密闭反应器顶部，硫磷体系物料喷口设置在管式密闭反应器的上部管壁上，硫磷体系物料喷口的方向为能使硫磷体系物料以旋转流状态进入反应器，至上而下地进行反应，气体出口和固渣出口设置在气固分离室上。

本发明所要分解的硫磷体系物料，其中硫组分是元素周期表中的炭族，磷组分是元素周期表中的氮族，炭族与氮族是相邻的两个族，它们在性质上有相近的地方，两个反应都涉及到固固相反应，反应的活化能较高，都需要较高的温度，反应时间较长，能耗较大。

在现有技术中，普通的磷矿分解，是采取将磷矿石、硅石与炭等原料以固体形式接触反应，磷矿的还原反应可表达为：

Ca

氧化反应则为：

P

普通磷石膏的分解，也是采取将磷石膏、硅石与炭等原料以固体形式接触反应，磷石膏的反应式可表达为：

CaSO

它们的分解都为固态物质之间的反应，其间都有较高的化学能垒需要克服，并且在传质过程中还存在有各种阻力，使得宏观活化能高，反应温度较高。

采用本发明提供的方法对硫磷体系物料进行分解，将原来固固相反应转化为由活性基团参与的气固相反应，活性基团是由微波、电弧或其它形式激发的等离子体中的活性基团，包含自由基、离子态、激发态等，如CO

采用本发明方法对磷矿石进行分解，以气态炭或固态炭为活性组分与磷矿石反应，其反应过程可表达为：

3Ca

Ca

采用本发明方法对磷石膏进行分解，也可以气态炭或固态炭为活性组分与磷石膏反应，其反应过程可表达为：

CaSO

CaSO

甚至还可以直接得到硫

2CaSO

2CaSO

本发明引进等离子体对硫磷体系物料进行分解，不仅改善了化学反应，而且强化了传质过程，因而使得分解快速进行。其分解快速进行的机理，在分解过程中浸没在等离子体中的物料颗粒因为收集周围的电子和离子，而使得颗粒带负电。这是因电子的质量比离子小得多，而热运动速度通常高于离子，到达颗粒表面的电子通量大于离子。(但尘埃颗粒的带电量不是常数。颗粒通常是电介质材料，范围在几十纳米到几十微米之间，质量约为10

采用本发明方法对硫磷体系物料进行分解，如果再结合发明人前期获得的动力波发明专利技术，利用流体燃烧动力过程产生的波面，将还原空间与氧化空间相对隔离，同时热幅射可以直接穿越波面加热还原反应空间，可实现更高效地反应与传热。

本发明的公开，为充分利用我国的中低品位磷矿和湿法磷酸副产物磷石膏，找到了一条经济可行的技术路线。对于中低品位的磷矿，能以较低的能耗和生产成本生产优质磷酸，工艺过程副产水泥，因此也是一个环境友好的新技术。用来处理湿法磷酸副产物的磷石膏，能快速转化生产硫酸或硫磺，固渣可用于生产水泥。本发明在我国的磷矿资源综合利用与可持续发展方面具有重要的应用价值。

本发明提供的利用电浆流分解磷矿的方法，其实施装置构成包括，一个密闭反应器，设置在密闭反应器底部的等离子体喷口和固渣出口、设置在密闭反应器顶部的磷矿物料喷口和配合物料的高温一次风喷口，设置在闭反应器底部固渣出口，设置在闭反应器筒体壁上的二次风进口和反应气体出口，所述等离子体喷口、磷矿物料喷口和高温一次风喷口的设置，为能使从等离子体喷口喷出的等离子体流与从磷矿物料喷口进入密闭反应器内的物质流充分接触，二次风喷口的设置为能使其所产生的波面将反应器内的还原空间与氧化空间相对隔离；

磷矿分解操作方法：以重量份计，磷矿200～250份，焦炭100～180份，粉碎细磨至大于100～250目，混合后先行加热至约500℃，并通过密闭式送料设备送入反应器上部，并用氮气作为动力，将其压入反应器；等离子体气源为氮气和甲烷的混合气体，由微波场激发的等离子体流从反应器下部向上射出，与上部下来的物质流对撞，形成椭球波面；反应器为圆柱形，从中部切向加入二次空气，宏观温度控制在800～1600℃范围；粉状渣旋流入底部卸出；气体也通过控制旋流气的二次气流的速度，使动力燃烧波在流化床上层表面附近形成，氧化过程在波面附近完成，并同时把热传到中部的还原反应区；氧化后得到的P

附图说明

附图1是本发明所述实施装置的一个实施例的结构示意图。

附图2是本发明所述实施装置的另一个实施例的结构示意图。

在上述图中，1-密闭反应器；2-物质流；3-等离子体流；4-气固分离室。

具体实施方式

下面结合附图说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的说明，以便于人们更加容易地理解本发明。但需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。

实施例1

本实施例为用磷矿(17～24％P

实施例2

本实施例为用磷石膏生产SO