电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2009年第28卷增刊

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化 工 进 展

电炉生产黄磷的能耗分析与节能潜力

田 萍1，徐 兵1，张琦弦2，莫晓兰1，梁玉祥1

（1四川大学化工学院，四川 成都 610065；2四川大学轻纺与食品学院，四川 成都 610065）

摘 要：对某厂年产3000 t 黄磷电炉生产工序中热量供应情况进行了全方面了解和调查，利用化工原理“三传一反”的相关知识，通过调查对数据进行了整理和分析，发现有1500 t 左右的废热能量可以被回收，另外可回收黄磷190 t 左右。根据该厂目前的情况，提出了利用干法出渣法、添加电除尘器和列管换热器回收废热，整个电炉生产工序全年可产生100多万元的节能效益。 关键词：黄磷；电炉法；干法出渣；节能

目前，电炉生产黄磷仍然是黄磷生产工艺的

一种重要方法。黄磷是典型的高能耗、高排放的双高产品，近年来产能的快速增长使行业节能减排任务艰巨，目前各级政府、行业组织和生产企业都十分重视黄磷产业的节能减排工作。根据本文作者深入调查，对电炉法生产黄磷的相关参数作了仔细的分析。

1 某厂概况

某厂拥有两套（同时开）运行的电炉，年处理量达3000 t 以上，其工艺流程如图1。黄磷生产工

序工艺流程为传统的电炉法，在2008年实际生产情

况的基础上，作者收集了一系列的有关数据，对电炉法生产黄磷流程进行了仔细分析，利用化工操作单元的相关知识，对其能量利用进行了一系列的计算，发现最近一年黄磷生产线的煤和电消耗总量为7040 t （以折标煤计），其中高达3833 t 的热量未能被回收利用。所以本文作者提出一系列的修改意见，如采用干法出渣、列管式换热器及静电除尘器等技术，回收这部分热量，理论上一年可以节约能量1450 t ，回收黄磷192 t ，产生效益可达257万元以上，抛开成本也可获利110万元。

图1 电炉生产黄磷的流程简图

1—磷矿石，硅石，焦炭；2—破碎机；3—皮带；4—产品黄磷；5—洗气塔；6—尾气；7—喷水管；8—轨道；9—热水槽；10—混合气体出口； 11—石墨电极；12—泥磷；13—电炉；14—出渣口；15—配料斗槽；16—进料斗槽；17—废渣冷却槽；18—皮带；19—提升斗；20—循环水槽；

21—循环水泵；22—污水处理槽；23—分离槽；24—精馏槽

2 利用化工操作单元的“三传一反”分

析工艺的能耗情况

2.1 工艺介绍

电炉生产黄磷的主要反应方程式：

4Ca 5F(PO 4)3+21SiO 2+30C =3P 4+30CO+SiF 4+20CaSiO 3

如图1，磷矿石、硅石和焦炭经分别破碎以后，按一定比例进行配料，混和均匀，通过皮带传送机送入提升斗中，运到两边的进料斗槽里，接着进入电炉进行反应。料斗严密盖紧，以免空气漏入而使

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磷燃烧。三相电炉的操作电压为220～350 V。在电

炉内各电极间产生电弧，使炉内温度维持在1350～

1450 ℃。在此条件下磷矿被硅石和碳还原，生成含

磷蒸气的炉气和熔融的炉渣。炉气（约含质量分数

为25%的磷，其余主要为CO和少量的H2S、CO2、

N2、PH3、SiF4）由导气管引出，反应产生的炉渣

（SiO2、CaO、As2O3等氧化物）和磷铁（Fe2O3被

C还原后和P化合后的生成物）由出渣口排出进行

相应的冷却。而炉气进入冷凝塔（三个串联的空塔），

依次用热水和冷水喷淋，热水塔使磷蒸气冷凝下来，

形成粗磷；冷水塔则用于洗涤尾气（主要含CO），

然后随管道排出作为甲酸钠的生产原料。粗磷进入

精制锅，用热水槽提供的热水进行保温（60～

80℃），使其静置分离。热水槽由锅炉通过加热水

产生蒸气进行加热。合格的黄磷作为最终产品进行

包装或用于生产赤磷，而剩余物泥磷被排出作为生

产磷酸的原料。

表1煤电消耗

能源品种燃料煤电

黄磷 57.3

t·a－1 5685.5×104 kW·h·a－1

表2煤电能耗的折标

当量值

能源介质实物量

折标准煤/t

燃料煤57.3 t 52

电 5685.5×104 kW·h·a－16987.66

企业自耗能总量 7039.66

2.2对系统物料、能量分析

CO

磷蒸气

炉渣

图2 物料流程图

根据图2及表2中的相关析标数据，进行物料

衡算。

（1）物料衡算

输入物料：w磷矿石+w硅石+w焦炭=10+2.5+2=14.5t

输出物料：w CO+w磷蒸汽+w炉渣=2.37+1.055+11=

14.425t

故有：w磷矿石+w硅石+w焦炭≈w CO+w磷蒸汽+w炉渣

（2）能量衡算

原始数据：生产1 t黄磷需要磷矿m l=10 t，焦

炭m2=2 t，硅石m3=2.5 t；

产生泥磷150 kg，电炉耗电 14×104 kW·h/d，

电炉温度t=1350℃；

炉渣温度1350 ℃；炉气冷凝后温度60 ℃；8～

9 t黄磷/8 h，生产时间8 h/d，

6 t热水/d；热水温度t l=60 ℃；年产黄磷3452 t

为了方便计算将各个物质的比热和熔化焓分别

用字母表示如下：

比热容：磷C p1，硅石C p2，焦炭C p3，磷蒸气

C p4，磷固体C p5，一氧化碳C p6，水C p7

熔化焓：磷r1，硅石r2

化学反应方程式：

4Ca5F(PO4)3+30C+21SiO2→3P4+30CO+20CaSiO3+SiF4

（3）热量衡算（以生产1 t黄磷计算）

①电量的横算选取电炉为控制对象。

根据以上原始数据表3及图3，进行计算如下。

a. 电炉实际耗能（电能）Q′

Q′=14×104×3600/8.5=5.929×107 kJ

b. 用于加热物料所需能量Q1

Q1=(m3×Cp3+m3×Cp3+m3×Cp3)×(t－t常)

=(10×103×1.27+2.5×103×0.79+2×103×0.81)×

(1350－25)

=2.16×107 kJ

表3黄磷工艺计算参数表

名称比热容/kJ·kg－1·℃－1融化焓/ kJ·kg－1·℃－1

磷 1.27 483.6

硅石0.79 236.75

焦炭0.81

磷蒸气0.542

磷固体0.192

一氧化碳 1.14

水 4.2

黄磷的摩尔蒸发焓r= 475kJ/（kg·K）

图3 黄磷生产能量流程图