Решение экологической проблемы производства фосфорных удобрений (суперфосфат)

       Поэтому наилучшим способом гранулирования является гранулирование при повышенной влажности материала в начале процесса и с добавкой порошка при его продолжении. Обычно для нормального ведения процесса гранулирования суперфосфат из апатитового концентрата дополнительно увлажняют до 16—18%; суперфосфат из фосфоритов Каратау — до 12—13%. При такой влажности суперфосфат приобретает пластические свойства, т. е. способность окатываться в шарики различных размеров. С повышением содержания ретура в шихте оптимальная ее влажность снижается. Степень увлажнения шихты в грануляторе и способ распыления подаваемой воды оказывает большое влияние на размер гранул. При недостаточной подаче воды получаются мелкие гранулы, при попадании крупных капель воды гранулы получаются крупнее, чем требуется. При слишком быстрой подаче воды и при плохом ее распылении образуются очень крупные гранулы.

       Частицы возврата, так же как и распыленная вода, являются центрами гранулирования порошковидного суперфосфата. При высоком содержании возврата (ретура) в шихте и недостатке порошковидного продукта частицы не достигают требуемой величины, и материал выходит из гранулятора неокатанным, а при увеличенной подаче воды становится тестообразным.

       Чтобы выход гранул требуемых размеров было возможно больше, необходимо точно дозировать воду, добавляемую при гранулировании, и обеспечить ее тонкодисперсное распыление.

       Только для свежего суперфосфата или содержащего большой процент жидкой фазы (а следовательно, и влаги) не требуется дополнительного введения воды. К вызревшему суперфосфату с относительно низким содержанием жидкой фазы добавляют 2—4% воды от массы суперфосфата, в противном случае гранулирование происходит очень медленно или гранулы совсем не образуются.

     В процессе откатки происходит постепенное  укрупнение гранул. Вначале мелкие частицы образуют не вполне сцементированные конгломераты, слипающиеся в плотные, более крупные зерна, из которых получаются конгломераты еще большего размера. Такой многостадийный процесс укрупнения частиц суперфосфата в процессе гранулирования приводит к образованию смеси откатанных гранул самого различного диаметра. Следовательно, процесс гранулирования можно охарактеризовать лишь по среднему размеру полученных гранул или путем построения кривой распределения частиц по крупности, аналогично характеристике работы размольных установок.

       Большое значение имеет также продолжительность гранулирования и коэффициент заполнения гранулятора материалом. Для того чтобы успело произойти окатывание частиц и образовались нормальные гранулы, требуется 10—12 мин. Заполнение гранулятора не должно превышать 25% его объема. В случае налипания значительного слоя шихты на стенки рабочий объем гранулятора снижается, и поэтому необходимо уменьшить его загрузку. Скорость гранулятора подбирается в зависимости от угла наклона барабана и от производительности гранулятора.

       Гранулы на выходе из гранулятора содержат 14—18% влаги и обычно обладают настолько низкой механической прочностью, что рассыпаются при надавливании пальцем. Поэтому они подвергаются сушке. По мере удаления влаги происходит дополнительная кристаллизация солей и цементация гранул. Изменение прочности гранул в зависимости от влажности показано на рис. 34, б. Достаточной механической прочностью обладают гранулы, содержащие не более 5% влаги.

       Качество гранулированного суперфосфата и производительность оборудования в значительной степени зависят от соблюдения режима процесса гранулирования. Суперфосфат, поступающий на гранулирование, не должен содержать комков, так как это препятствует полной нейтрализации свободной кислоты мелом или известняком. Необходимо строго следить за правильностью составления шихты и ее дозированием в гранулятор. При недостаточной подаче нейтрализующей добавки получается продукт с повышенной свободной фосфорной кислотой. При излишнем количестве известняка или мела затрудняется гранулирование и снижается содержание Р2О5 в гранулированном суперфосфате. Существенное влияние на прочность гранул оказывают степень нейтрализации суперфосфата, интенсивность и продолжительность окатывания, температурный режим сушки. Продолжительность окатывания суперфосфата изменяется в зависимости от влажности шихты; при высокой влажности шихты на окатывание требуется меньше времени, чем при низкой влажности. Увеличение продолжительности окатывания против нормы вызывает чрезмерный рост гранул.

       При повышенном содержании влаги в гранулированном суперфосфате после сушки затрудняется его просев (замазываются сита). И, наоборот, излишнее удаление влаги ведет к пересушиванию материала, в результате чего возрастает унос суперфосфатной пыли с отходящими топочными газами.

       При правильной подготовке шихты, нормальном ведении процессов гранулирования и сушки продукт, выходящий из сушильного барабана, содержит 80—84% гранул размером от 1 до 4 мм. Отклонение от норм технологического режима ведет к снижению выхода товарной фракции и увеличению ретура. Увеличение содержания крупных гранул вызывает повышенную нагрузку на грохота и дробилки. При дроблении крупных гранул часть из них чрезмерно измельчается, что ведет к еще большему увеличению ретура в технологический цикл. При повышенном выходе мелочи также происходит перегрузка грохота и снижается выход товарной фракции. Только при точной дозировке сырья, ретура и нейтрализующей добавке, правильном ведении процессов гранулирования и сушки достигаются хорошие выходы гранулированного суперфосфата. Это возможно при достаточно четком обслуживании гранулятора, которое заключается в непрерывном и равномерном питании гранулятора шихтой заданного состава, регулировании подачи воды и степени ее распыления. Подачу воды регулируют с помощью вентилей на водопроводной линии. О влажности материала и необходимости увеличения или уменьшения ее подачи судят по внешнему виду суперфосфата, окатываемого в грануляторе, для чего требуется определенный опыт. Для лучшего наблюдения за процессом гранулирования суперфосфата внутреннее пространство гранулятора освещается со стороны выхода материала сильной лампой с рефлектором. Нельзя допускать зависания шихты в бункерах перед ленточными дозаторами. Время от времени следует прочищать течку, по которой окатанный материал из гранулятора должен свободно поступать в сушильный барабан.

     Контроль  процесса гранулирования суперфосфата заключается в периодической  проверке интенсивности и равномерности  питания грануляторов шихтой, состава  шихты, качества компонентов шихты и готового продукта.

       Во время работы грануляторов аппаратчик непрерывно наблюдает за поступлением шихты и распылением воды, регулируя ее подачу. В поступающем на гранулирование суперфосфате проверяют каждый час содержание свободной Р₂0₅ и раз в смену из средней пробы определяют содержание влаги, общей и усвояемой Р₂О₅. Анализ поступающего на нейтрализацию известняка или мела производят из сменных и суточных средних проб. Один раз в два часа проверяют соотношение возврата и свежего суперфосфата.

       Не реже одного раза в два часа проверяют в лаборатории влажность и кислотность гранулированного суперфосфата, выходящего из каждого гранулятора. Через такие же промежутки времени определяют гранулометрический состав продукта, выходящего из сушильных барабанов. Кроме того, проверяют влажность и кислотность готового продукта и его температуру при выходе из сушилок и при затаривании. Каждый час производят замер температуры на входе в сушилку и на выходе из нее, производят проверку дутья под колосниковую решетку и разрежения перед хвостовым вентилятором. Раз в смену проверяют запыленность газа на выходе из сушилок и после очистки в циклонах; определяют количество пыли, выгружаемой за смену из циклонов.

     2.1.3. Термодинамика.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2. Технологическое оформление процесса

2.2.1. Общая характеристика  элементов и связей  суперфосфат

2.2.2. Описание технологической  схемы

     В настоящее  время вновь проектируемые и  большинство действующих заводов  переводятся на непрерывный способ производства. Схема непрерывного способа производства суперфосфат приведена на рис. 1. Измельченный апатитовый концентрат (или фосфоритная мука) системой транспортеров, шнеков и элеваторов передается со склада в автоматический весовой дозатор, из которого дозируется в смеситель непрерывного действия.

     Серная  кислота (75%-ная башенная H₂SO₄) непрерывно разбавляется водой в дозаторе-смесителе до концентрации 68% H₂SO₄, контролируемой концентратомером, и подается в смеситель, в котором производится механическое смешение фосфатного сырья и серной кислоты. Образующаяся пульпа из смесителя передается в реакционную суперфосфатную камеру непрерывного действия, где происходит образование суперфосфата( схватывание и затвердевание пульпы в начальный период созревания суперфосфатной массы). Из суперфосфатной камеры измельченный суперфосфат подкамерным конвейером передается в отделение дообработки – склад суперфосфата, по которому равномерно распределяется разбрасывателем.   

 
 

     Фосфатная

                                                  H₂O                           H₂SO₄

      мука                    2                              3                       4

     

              1                                                                  5       Газы на

                                                        абсорбию

                                                              6

      суперфосфат

      8

                                                     7

 

     Рис.1. Схема производства суперфосфата непрерывным  способом:

     1 –  смеситель; 2 – весовой дозатор фосфата; 3,4 – напорные баки для серной кислоты и воды; 5 – кислотный дозатор; 6 – суперфосфатная камера; 7 – транспортер суперфосфата; 8 – разбрасыватель суперфосфата на складе.

 

     2.2.1. Общая характеристика  элементов и связей  суперфосфат.

     Большинство фосфорных и комплексных минеральных удобрений представляют собой разнообразные соли фосфорной кислоты. Технологические процессы их производства генетически связаны с процессами производства фосфорной кислоты, оксида фосфора(V) и элементарного фосфора. Они опираются на одно и то же фосфатное сырье и имеют близкую технологическую и аппаратурную базу. Ассортимент фосфорных удобрений существенно меняется. Резко снижается производство низкоконцентрированных удобрений (фосфоритная мука, шлаки, простой суперфосфат) после некоторого роста наметилась тенденция снижения производства двойного суперфосфата. Это можно объяснить существенным увеличением объема производства комплексных (многосторонних) удобрений, содержащих фосфор. Однако, несмотря на интенсивное внедрение в сельское хозяйство комплексных удобрений, двойной суперфосфата все же сохранил свое значение.

     Двойной суперфосфат получают фосфорнокислотным  разложением природных фосфатов. Так как, для производства фосфорной  кислоты используется то же фосфорное  сырье, то производство двойного суперфосфата складывается из двух последовательных стадий:

     - производство  фосфорной кислоты, используемой  как реагент во второй стадии;

     - фосфорнокислотное  разложение фосфатов с получением  двойного суперфосфата.

     Фосфорную кислоту производили ранее исключительно  кислотным разложением фосфатов, поэтому производство двойного суперфосфата можно рассматривать как процесс двойного воздействия кислот на фосфат, откуда продукт и получил свое название "двойной". Сегодня же, фосфорную кислоту производят отдельно и используют для получения различных других продуктов, поэтому в данной работе не рассматривается ее производство.

     В первую очередь необходимо рассмотреть  физико-химические основы производства двойного суперфосфата. Разложение фосфатов фосфорной кислотой представляет гетерогенный необратимый процесс, протекающий  по уравнению:

     Ca₅(PO₄)₃F + 7H₃PO₄ + 5H₂O = 5Ca(H₂PO₄)₂*H₂O + HF - ∆H,

     ∆H = 132 кДж

     В этом процессе фосфорная кислота является не только реагентом кислотного разложения, но и носителем фосфора, что обеспечивает получение продукта с высоким  содержанием усвояемого P₂O₅.

     Процесс взаимодействия фосфорной кислоты  с трикальцийфосфатом протекает  в две стадии. На первой стадии компоненты реагируют в подвижной суспензии, жидкая фаза которой содержит фосфорную  кислоту, монокальцийфосфат и другие растворимые продукты реакции. Эта стадия, идущая сначала с высокой скоростью, замедляется по мере нейтрализации кислоты и заканчивается при насыщении жидкой фазы фосфатами кальция. Продолжительность этой стадии зависит от организации технологического процесса и типа аппаратуры и колеблется от секунд до нескольких часов.

     На  второй стадии происходит кристаллизация монокальцийфосфата (дигидрофосфата кальция), приводящая к изменению состава  жидкой и твердой фаз реакционной  смеси.

     Высокая степень разложения фосфата на первой стадии может быть достигнута лишь при определенной концентрации фосфорной кислоты, равной 30-40% P₂O₅. На второй стадии, которая является определяющей для процесса разложения фосфата в целом, наибольшая скорость разложения достигается в растворах, содержащих около 45% P₂O₅. С учетом этих требований выбирается технологический режим производства суперфосфата.

     В производстве двойного суперфосфата используются три  метода, различающиеся аппаратурным оформлением, концентрацией используемой фосфорной кислоты и температурным режимом процесса.