工业磷酸盐生产所用磷酸的选择

磷酸盐工业生产磷酸类型的选择

中国石化集团南京工程有限公司昆明设计分公司余晨

【关键词】磷酸类型、热法磷酸、湿法磷酸、净化、品质

【摘要】本文介绍了目前主要的两种磷酸类型，即热法磷酸、湿法磷酸及他们的净化酸。由于磷酸的最终用户目标的不同，决定了其竞争力核心也不相同。对于普通工业级磷酸盐产品，价格成本是决定客户选择原料磷酸类型的根本原因。而对于高端精细磷酸盐产品，由于产品价值较高，原料成本因素并不十分敏感。相反高端精细磷酸盐的价格随纯度品质不同差异巨大。这就使生产者选择原料磷酸类型时，更偏重酸的品质。热法磷酸在这些领域仍会长期具备领先优势。

工业磷酸盐生产所用磷酸，既可以使用热法磷酸，也可以使用经过净化的湿法磷酸。另外，预期在二、三年内，还可以使用我国新开发的窑法磷酸。磷酸类型的选择，主要取决于磷酸盐产品的质量要求；原料磷酸的质量和价格，以及相关建厂条件等诸因素。

1. 磷酸类型简述

热法磷酸的生产，是先把磷矿、硅石和焦碳三者置于电炉内，藉电能加热令其熔融并进行还原反应，元素磷呈气态逸出，经冷凝而获得黄磷。然后把黄磷燃烧（氧化）得到五氧化二磷，再经水化成为磷酸。

例如，北美、日本和我国主要采用热法磷酸，而西欧地区则主要采用净化后的湿法磷酸，甚至食品级和医药级的磷酸盐制品也用之生产。这主要取决于磷酸盐产品的质量要求；原料磷酸的价格以及相关建厂条件等诸因素。

在70年代以前，我国工业磷酸盐的生产是以净化湿法磷酸为主，80年代以后就逐步被热法磷酸所取代。目前，只有饲料级磷酸氢钙产品仍然采用净化湿法磷酸来生产，其余各种工业磷酸盐产品的生产，均采用热法磷酸为原料。其主要原因，是当时我国尚未掌握较好的净化技术，用净化湿法磷酸生产的磷酸盐产品质量较差；另一方面，由于当时国内的电价不高，采用热法磷酸为原料，其产品价格仍然有竟争能力。但是，随着世界能源短缺日趋严重，电价节节攀升入，湿法磷酸的净化，越来越受到行业人士的关切。

湿法磷酸的净化，首先要通过沉降分离酸中的“淤渣”。淤渣主要是硫酸钙、氟硅酸盐及铁铝磷酸盐；尔后，还要除去酸中的氟、硫酸根、铁、铝、镁、硅、钙等。必要时，还要除去酸中的砷、铅、镉等有害物。

湿法磷酸净化的方法很多【1】，诸如：化学沉淀法；结晶法；有机溶剂萃取法和离子交换法等。其中，在工业生产比较广泛应用的是化学沉淀法和有机溶剂萃取法这两种净化方法。

化学沉淀法是在湿法磷酸中加入某些化学物质，令其与酸中的杂质形成沉淀，经过滤分离以除去杂质。该法的主要优点是：流程简单、投资少、生产成本低，但是净化效果差，而且会引入其它离子，给后续深度净化带来麻烦。

化学沉淀法是湿法磷酸脱氟或除去各种有害重金属普遍采用的方法之一，代表性方法有中和沉淀法和硫化物沉淀法。例如：

1）除氟和硅：湿法磷酸中的氟，通常以SiF62－形式存在，工业生产常加入钠盐（例如NaCl）或者钾盐，与之形成难溶的Na2SiF6或K2SiF6沉淀，经过滤分离即可除去氟和硅。2）除硫酸根：加入钙盐（要求不高时）或钡盐（要求较高时），与之形成难溶的CaSO4或BaSO4沉淀，经过滤分离即可除去。

3）除铁、铝、镁：加入碱性物（例如Na2CO3、NH3等）与湿法磷酸进行部分中和（PH ＝2.5～3.0），形成一系列非水溶性铁、铝、镁磷酸盐的复杂化合物，经过滤分离即可除去。

4）除砷、铅、镉：加入硫化物（例如Na2S、P2S5等），与之形成难溶的硫化砷或硫化重金属化合物沉淀，经过滤分离即可除去。

早年，我国生产工业级三聚磷酸钠产品时，就是采用上述化学沉淀法对湿法磷酸进行净化。即用纯碱与湿法磷酸进行“两段中和”，初段中和形成上述①②③项沉淀，经压滤排除杂质，清液则加碱继续中和以制取聚磷酸钠产品。生产实践表明，所制得的产品中三聚磷酸钠（Na5P3O10）含量通常只有85～92%，只达到国家标准《工业三聚磷酸钠》GB9983－2004的二级品，难以制得一级品，更无法达到优级品的指标。另外，磷酸中的P2O5的回收率只有75～80％。故90年代以后，我国均采用热法磷酸来生产工业级三聚磷酸钠产品。

国家标准《工业三聚磷酸钠》质量指标

我国用湿法磷酸生产饲料级磷酸氢钙，同样采用上述“两段中和”的化学沉淀净化方法。在初段中和过程所获得的磷酸氢钙，由于含有较多杂质而不符合相关标准，只能作为肥料使用；后段中和才获得饲料级磷酸氢钙饲。两种级别产品的比例（以P2O5计）为0.5/0.5～0.3/0.7。

基于同样原理，采用上述“两段中和”的化学沉淀净化方法，也可以用湿法磷酸为原料，同时生产肥料级和工业级磷酸铵两种产品。但是迄今未见有进行相关中间试验或工业生产的报导。

上述情况说明，单独采用化学沉淀法来净化湿法磷酸，只能生产饲料级的或者品级较低的工业磷酸盐，难以制得高品质的工业磷酸盐产品。

湿法磷酸有机溶剂萃取净化法，该方法是基于磷酸可溶于有机溶剂中，而其它杂质则不被萃出，从而使磷酸与杂质分离而达到净化之目的。净化的过程通常为：湿法磷酸与非水溶性的有机溶剂在一系列混合与分离设备进行逆流接触，使磷酸进入溶剂相，而杂质留在水相内；再用少量水洗涤溶剂相，以进一步除去杂质；最后用水与溶剂相逆流接触进行反萃，使其中磷酸再次进入水相而获纯净产品。常用的有机溶剂有：磷酸三丁酯（TBP）、正丁醇、异丙醚、异丙醇等。

溶剂萃取法的特点是净化效果好，所得产品的纯度高，装置生产能力大，且易于实现连续化和自动化。但是，其溶剂用量大而且价格昂贵，故产品成本高。目前，溶剂萃取法已成为国外净化湿法磷酸最主要的方法之一，许多发达国家采用该法把湿法磷酸净化成工业级和食品级产品。

2006年10月，贵州宏福实业开发有限公司从以色列Bateman公司引进的100kt/a （P2O5）湿法磷酸净化装置投产，就是采用溶剂萃取法。据报导，该装置所生产的净化酸以及用其制取的五钠产品，其质量可以与热法磷酸以及相应的五钠产品相媲美。

注：/表示无数据要求

上述情况说明，采用有机溶剂萃取法来净化湿法磷酸，所获得的净化磷酸品质优良，可以用苯制取高品质的工业磷酸盐产品。

2. 国内溶剂萃取法净化湿法磷酸技术开发和应用现状

采用溶剂萃取法来净化湿法磷酸，国内早就开展过许多试验研究工作。但是，实现工业化试生产，却是在近年来才刚刚起步。此前，国内许多科研院所和高校就先后做过有关小试及中试。例如：昆明理工大学开发了以混合醇（C2H5OH+C4H9OH）为溶剂的沉淀法净化工艺；华东理工大学研究了以二丁基亚砜为溶剂的萃取法净化技术；上海化工研究院以异丙醚和磷酸三丁酯作为萃取剂对湿法磷酸进行净化，进行了多级逆流萃取与反萃取，获得了高浓度净化磷酸；武汉工程大学和四川大学等研究了用TBP（磷酸三丁酯）净化湿法磷酸的相图。

目前，国内已经实现产业化试生产的，是由四川大学和相关企业联合开发的溶剂萃取法湿法磷酸精制技术【2】。

2003年5月，四川大学与贵州宏福实业开发有限公司合作，经过多年的实验室研究，在宏福公司建成了1000吨/年（以P2O5计）净化磷酸的中间试验装置，并于当年7月就打通了工艺流程，2004年10月，试验成果通过了教育部组织的验收和鉴定。该工艺以湿法磷酸为原料，采用目前世界上先进的振动筛板塔作为萃取设备，经过“净化-洗涤－反萃”过程获得了符合国家标准《工业磷酸》的净化磷酸。

*因国家尚未制定湿法磷酸净化制工业级磷酸的标准，目前暂借用热法磷酸的国家标准(GB2091-92)