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混合碳基熔融还原磷矿的研究

马超  
【摘要】:磷元素不论是对于人体还是植物都是必不可少的化学元素,在很多方面起着不可替代的作用。磷矿作为一种重要的不可再生的自然矿产资源,最常见且分布最广的磷矿是磷灰石,磷矿从矿石中提取后转化成肥料原材料和工业化学原料。在我国磷矿资源主要呈现出总体储量大并且分布集中,但是磷矿品位较低的特点,主要以中低品位胶磷矿为主,杂质多,不易开发利用。本文通过对主要磷化工工艺——湿法磷酸和热法磷酸工艺以及尚未很好工业化的窑法磷酸工艺进行了介绍对比,分析了三种工艺之间的优缺点:湿法磷酸虽然工艺简单但是后续除杂工段繁琐,且除镁除氟仍是较难解决的问题,生产磷酸的浓度较低;窑法磷酸和热法磷酸的生产原理相似,都是通过碳质还原剂与硅质以及磷矿发生还原反应,通过对主要的两种窑法磷酸工艺对比,不论是KPA(美国西方石油公司窑法磷酸)工艺还是CDK(长沙矿冶研究院窑法磷酸)工艺在造球工艺上都有明显的优缺点,不能保证长期高效率的连续生产,至今没能很好的工业化。针对我国磷矿的分布特点,热法磷酸工艺应该是符合我国磷化工产业的发展主流趋势,该工艺产出的磷酸纯度高质量好,为了解决阻碍热法磷酸工艺普遍工业化的能耗高的难题,一方面将速度发展的熔融还原法由炼钢工艺引入磷矿的还原过程中可以明显提高传质传热效率,另一方面通过燃烧塔内余热回收、添加剂助熔等方面进一步降低能耗,能够大幅度地降低整个工艺过程中的能量消耗。在理论分析方面,论文从热力学角度对碳质还原剂还原磷矿的过程进行了分析。通过热力学计算发现,当反应物料为多硅配料预熔渣熔融还原时,理论反应起始温度为1211℃;当反应物料为多钙配料预熔渣熔融还原时,理论反应起始温度为1452℃,明显高于多硅配料的情况。热力学计算结果表明预熔渣为多硅配料时能够明显降低反应起始温度,降低能耗。在此基础上,本文先从单因素变量出发考察所选磷矿熔融还原过程的最佳反应条件,然后利用三种主要碳源:活性炭、石墨粉以及焦炭进行混合作为混合碳源还原磷矿,探索性分析混合碳源对中低品位磷矿还原的效果。在对三种碳源的物性做了相关测试分析之后,实验分别对几种碳源单独还原磷矿的效果做了对比,作为后续实验的参照基准;而后以三种碳源两两混合探索混合碳源的还原效果,并将还原结果与单独碳源还原的效果进行对比分析优劣;最后将三种碳源混合起来还原磷矿,将还原结果与单独碳源的结果进行对比分析优劣。实验结果表明,通过将碳源混合起来还原磷矿,碳源之间不论是两两混合还是三种混合都整体体现出一种协调效应,还原效果明显提高,还原率最高达到98.7%。为了对产生这一协同效应的原因进行分析,从还原效果改善明显的两两混合的碳源比例中选取几种比例做了相应的XRD图谱分析,认为是混合碳源中的二氧化硅结晶度较高能够更好地发挥其助熔剂的作用;同理,对三种碳源混合的情况,也做了类似的分析测试。另外,对于整个探索试验中出现的极个别还原率下降的混合配比,通过XRD图谱分析发现并不能很好的解释这种反常的现象,紧接着利用SEM图谱分析证明反常的混合配比的微观形貌具有明显特征改变,不利于还原反应的发生。


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