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《四川大学》 2007年
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磷石膏制硫酸新工艺探讨

王成波  
【摘要】: 磷石膏是湿法磷酸生产时排放出的固体废弃物,每生产1t湿法磷酸(以P_2O_5计)约产生4.8~5.5t磷石膏。全世界磷石膏的年排放量超过2.8亿吨,我国每年磷石膏的排放量超过2200万吨,而其利用率还不足总量的10%。堆放磷石膏不仅占用了大量土地,污染环境,而且给生产企业带来很大的经济负担,磷石膏的综合利用已成为制约磷肥行业实现可持续发展的关键因素之一。 目前关于磷石膏的综合利用,主要集中在以下三个方面:农业上,磷石膏主要用于作硫、钙肥及盐碱土壤的改良剂:建材上,磷石膏主要用于制石膏粉、石膏板,石膏砌块、水泥及其制品;工业上,磷石膏主要用于转化为其它硫形式,如硫酸铵、硫酸钾、硫酸等。本文从磷石膏的杂质含量入手,重点论述了磷石膏中磷、氟等杂质对最终石膏制品质量的影响,磷石膏的预处理工艺(如水洗、石灰中和、煅烧等工艺)和磷石膏的综合利用工艺。综合国内外磷石膏的多种利用途径及不同原料制硫酸的对比,认为磷石膏制硫酸联产水泥是最为有效的利用途径之一。由于磷石膏制硫酸联产水泥是国家鼓励的循环经济工程,可实现硫资源的循环利用,有效解决了磷石膏的污染问题。在查阅大量文献的基础上,总结已有工艺路线的利弊,本文提出了一种比较新颖的思路,用一种新的还原剂——硫磺来代替焦炭。经热力学计算,无水CaSO_4在硫磺的还原作用下,于721℃开始分解,理论上可行。 本文首先在不同温度下,研究了硫磺的气化速度,确立了试验中硫磺的最佳气流速度为:11.0g/h,在此条件下,针对影响磷石膏转化率的因素:反应温度、反应时间、添加剂等,作了单因素试验和正交试验的比较研究。通过单因素试验,我们找到了在相同反应条件下能大幅提高磷石膏转化率的两种添加剂:B_2O_3和V_2O_5,利用850℃下,反应1.5小时的试验数据,本文拟和出了磷石膏转化率和泰勒标准筛目的数学关系式:Y=16.76+0.66×e~(x/37.17);在总结了我国12家典型磷石膏组分的基础上,通过正交试验探讨了反应温度、反应时间等因素对转化率的影响,采用多元线性回归得出了各试验因素对转化率影响的回归方程:T=-2.40128+0.00273A+0.15657B+0.04812C-0.01795D+0.30416E+0.32753F-0.17997G,通过方差分析,得出了每个因素的显著性,其强弱顺序为:A>B>F>E>C>G>D,还确立了试验各因素的最优方案为:A_6B_3F_3E_3C_3G_1D_2(以上T、A、B、C、D、E、F、G分别代表转化率、反应温度、反应时间、SiO_2、AlPO_4、Fe_2O_3、Na_2SiF_6和K_2SiF_6;角标代表各因素的水平数)。并对试验的最优方案作了验证,实验分析证明磷石膏的实际转化率达到了99.12%。最后,本文提出了硫磺还原磷石膏制硫酸的原则工艺流程,该工艺属于资源循环型绿色技术,可降低环境污染,其产生的SO_2浓度高,转化吸收装置投资低,具有较好的应用前景。
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