一种碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法技术

本发明专利技术公开一种碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法，属于矿产资源综合利用和节能降耗技术领域；该方法可将磷矿的还原率在1300℃下提高至90%以上；该碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法是分别将磷矿、硅石、焦炭粉磨，焦炭粉与碱金属化合物水溶液混合干燥研磨后，与其他两个原料充分混合均匀加水压片，干燥后用氩气作保护气体，在1300℃温度下在管式炉中保温4h~6h，取出放干燥器中冷却至常温，通过分析残渣含磷计算磷矿还原率；该方法磷还原率高，工艺简单，可为窑法磷酸生产提供理论依据和技术支撑。

A carbothermal reduction method for phosphate rock catalyzed by alkali metal compounds

The invention discloses a method of carbon thermal reduction of phosphate ore by alkali metal compound, which belongs to the field of comprehensive utilization of mineral resources and energy saving and consumption reduction technology. This method can increase the reduction rate of phosphate rock to more than 90% at 1300. The square method of the alkali metal compound catalyzes the reduction of phosphorite in phosphate ore by grinding phosphate ore, silica and coke, respectively. When the coke powder is mixed with alkali metal compound in water and lapping, it is mixed with the other two raw materials and evenly mixed with water. After drying, argon is used as the protective gas. At 1300 C, the heat preservation is 4h~6h in a tube furnace. The drying device is cooled to the normal temperature, and the phosphate ore reduction rate is calculated by analyzing the phosphorus containing phosphorus. The method has high reduction rate and simple process, which can provide theoretical basis and technical support for kiln process phosphoric acid production.

【技术实现步骤摘要】
一种碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法
本专利技术公开一种碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法，属于矿产资源综合利用和节能降耗

技术介绍
磷酸作为一种大宗产品，广泛应用食品、医药、农业、航天等多个领域；其生产工艺有湿法磷酸、热法磷酸和窑法磷酸三种，由于湿法磷酸通常采用硫酸直接分解磷矿石，湿法磷酸生产的产品杂质含量较高，后续须净化处理，因此高品质磷酸主要由热法生产。热法磷酸是磷矿石在高温条件下与硅石、焦炭发生还原反应，生成的磷蒸汽经冷却回收、精制而得；产品杂质少，品质高，但其操作温度在1450~1500℃之间，每吨黄磷电耗在13000~15000kW·h之间，属于典型的高耗能产业，使其发展受到限制。以上两种方法对磷矿的品味要求相对过高，我国磷矿的呈多贫少富的特点，加之多年来对富矿无节制的开采，目前富矿几乎消耗殆尽，目前用于黄磷生产的磷矿基本均需进行浮选，这无疑进一步增加磷酸企业的生产成本。窑法磷酸工艺技术是继热法磷酸和湿法磷酸之后又一条工艺路线。窑法磷酸是在1300℃左右将磷矿石、硅石和焦炭在固态还原区进行碳热还原反应生成单质磷，单质磷在窑体内部氧化区被氧化为P2O5，而氧化反应热作为碳热还原反应的热源，P2O5气体经除尘、洗涤、酸吸收后精制为高品质磷酸，因此窑法磷酸具有不用酸，低能耗的特点，且对磷矿品位无要求，故应用前景十分广泛；其发生的反应如下所示：2Ca5(PO4)3F+9SiO2+15C(A)=3/2P4+15CO+9CaO·SiO2+CaF2(1)ΔH=28006KJ/kgP42P2+5O2=2P2O5(2)ΔH=-25498KJ/kgP4CO+1/2O2=CO2(3)ΔH=-22154KJ/kgP4P2O5+3H2O=2H3PO4居于窑法磷酸操作特点，其生产过程只允许有极少量液相出现，而窑法磷酸的生产反应速率主要与少量的液相存在有关，液相量能够显著提高分子的扩散和转移速率，增加磷矿碳热还原速率，使磷转化率升高，但液相量过多就会发生类似热法磷酸的粘结现象，这是窑法磷酸工业化必须要克服的问题。因此，回转窑必须在低于熔融温度下进行，但磷矿的碳热还原反应又是高温高耗能反应，在低温下反应（1）程度较小，磷矿利用率较低，磷转化率难以达到工业要求。所以，针对上述这一矛盾问题，众多科研工作者从窑体结构的优化，助熔剂的选择等方面进行研并取得丰硕的成果，但从化学反应本身入手研究专利技术一种成本较低，工艺简单，易于实现工业化的方法来解决窑法磷酸转化率低的问题，为窑法制备高品质磷酸奠定基础显得尤为重要。现将国内关于磷酸工业提高磷转化率的相关研究归纳如下：US4595574A提出一种利用还原剂与碳源，二氧化硅与磷酸盐矿石结合生产磷酸的直接方法。该方法控制窑床的产品气体的燃烧速率，来控制窑炉中的塔顶温度和窑床温度；为了使反应温度保持在较低的范围以防止熔化。窑进料球组分被共磨并精细研磨以降低所需的床温度以使熔化最小化。CN103539091A涉及一种中低品位磷矿催化还原制备磷酸的方法，属于磷化工处理
将磷矿、硅石和碳质还原剂磨至85%过150目筛后混匀制取混合物料，再加入Al2O3、ZnO、Fe2O3、超细SiO2、MgO和MgCO3中的任一种和粘合剂混匀，挤压成型，经窑法磷酸工艺进行还原反应后制得磷酸。该方法具有以下有益效果：（1）催化剂的加入起到了还原、催化和助熔的作用，有效地降低了磷矿还原反应温度100～200℃，减少能耗，降低生产成本；（2）与众所周知的工艺相比，磷矿在达到相同还原率的前提下，缩短磷矿高温还原反应时间15%～40%，有利于降低能耗，进一步减少生产成本。CN102745658B涉及一种利用碳酸盐型中低品位磷矿生产磷精矿的方法，包括如下步骤：以碳酸盐型中低品位磷矿石为原料，经过破碎、煅烧、消化、碳化后经分离得到磷精矿。该方法能利用碳酸盐型中低品位磷矿生产磷精矿，具有工艺流程简单、反应易操作、磷回收率高、磷精矿中氧化镁含量低的特点，为碳酸盐型中低品位磷矿的利用提供了一条有效途径。CN101412507涉及一种磷矿置换法生产磷酸的方法，其步骤是将二氧化硅和磷矿粉，于旋流窑中进行高温熔融置换反应，置换出的P2O5气体，经水合吸收精制净化后，获得工业级或食品级磷酸产品，熔融炉渣添加钾、钠碱金属氧化物或盐类，喷吹拉丝可制得矿渣棉产品，该专利技术较现有窑法磷酸工艺相比，省去了磷矿的还原、磷的氧化反应，节省了还原用碳，节约设备投资60％左右，炉气粉尘减少90％，单位窑容积、单位时间的生产能力提高50余倍，反应速度提高20倍以上，具有流程精简、操作控制简单、易行、可靠、稳定的特点且工艺过程无废渣、废水产生及排放，放空尾气对大气基本无影响。CN01597038涉及一种通过添加反应促进剂制备磷酸的方法，通过在磷矿粉，硅石粉，碳质还原剂(硅法工艺)中；或在磷矿粉，石灰石粉，碳质还原剂(钙法工艺)中加入盐类或含氮有机化合物反应促进剂，混合成型。送入窑炉，经预热，升温后升至反应温度。产生的磷蒸汽经空气氧化和水化吸收后制得高浓度磷酸。采用本专利技术方法窑气中P2O5含量高，反应温度降低100℃，缩短了反应时间，并可在一个较宽的温度范围内保持磷矿高还原率。解决工业反应器存在的温差问题，并显著降低能耗，解决型料的软融问题，为工业大型化生产打下基础。生产效率高，能耗低，设备投资少。综上所述，围绕解决窑法磷酸转化率低这一问题，开发了多种方法，各有特色和优势，均通过添加一定外加剂来降低黄磷生产的能耗，提高磷矿石的还原率，但在硅石助熔的基础上，添加一定的碱金属化合物作为“催化剂”用于高品质磷酸的生产还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服窑法磷酸的不足，提供一种碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法，这是提高窑法磷酸磷还原率的方法，通过降低体系反应活化能从而降低反应温度，解决窑法磷酸在高还原率生产时伴随高温熔融现象而影响装置正常运行的问题；这种方法生产过程简单、设备成熟、投资少、操作方便、成本低，提高磷转化率的同时不改变现有的生产工艺及设备。本专利技术所述的方面在不改变现有工艺的条件下，达到节能减排，提高磷矿还原率的目的。具体步骤如下：（1）分别将磷矿、硅石、焦炭粉磨过180目筛，筛余量小于5%，待用；（2）将焦炭粉分别与碱金属化合物水溶液混合均匀后在105℃下烘干，研磨，其中碱金属化合物的质量为焦炭粉质量的1%~10%；（3）按酸度值0.80~1.05称取磷矿粉、硅石粉（酸度值为磷矿粉和硅石粉混合中酸性物质SiO2与碱性物质CaO的质量比），按炭过量系数1.05~1.15称取步骤（2）干燥后产物，将三者充分混合待用；（4）将步骤（3）得到的混合物料加水压片，烘干后在氩气保护下在1300℃保温4h~6h，反应结束后冷却至室温，通过分析残渣含磷计算磷矿还原率。本专利技术的原理：在磷矿碳热还原过程中，焦炭作为还原剂具有至关重要的作用，换言之，焦炭活性的强弱直接影响反应进行的程度，提高炭活性可以有效促进反应的进行。近年来，窑法磷酸的研究多集中在助融剂的选择、生产设备的改造、优化以及尾气的处理等方面。助熔剂主要作用是促进磷矿的还原分解，但在正常生产时难以达到磷还原率高于90%；而生产设备的优化与改造，带来研发和成本问题，依旧困扰高品质磷酸的经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：（1）分别将磷矿、硅石、焦炭粉磨过180目筛，筛余量小于5%，待用；（2）将焦炭粉分别与碱金属化合物水溶液混合均匀后在105℃下烘干，研磨，其中碱金属化合物的质量为焦炭粉质量的1%~10%；（3）按酸度值0.80~1.05称取磷矿粉、硅石粉，按炭过量系数1.05~1.15称取步骤（2）干燥后产物，将三者充分混合待用；（4）将步骤（3）得到的混合物料加水压片，烘干后，在氩气保护下于1300℃保温4h~6h，反应结束后冷却至室温，通过分析残渣含磷计算磷矿还原率。

【技术特征摘要】
1.一种碱金属化合物催化磷矿碳热还原的方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：（1）分别将磷矿、硅石、焦炭粉磨过180目筛，筛余量小于5%，待用；（2）将焦炭粉分别与碱金属化合物水溶液混合均匀后在105℃下烘干，研磨，其中碱金属化合物的质量为焦炭粉质量的1%~10%；（3）按酸度值0.80~1.05称取磷矿粉、硅石粉，按炭过量系数1...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏举佩，曹任飞，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53