一种用化学能代替热能实现节能减排低碳循环经济的方法 【技术领域】
本发明涉及节能减排低碳循环经济领域，特别涉及一种在湿法磷酸副产磷石膏制取硫酸联产水泥过程中利用化学能代替热能实现节能减排低碳循环经济，以及磷石膏制硫酸联产水泥装置环境保护治理领域。
背景技术
磷复肥是保障国家粮食安全的重要基础，而湿法磷酸的净化技术的突破又使大量的热法磷酸向湿法磷酸过渡，其磷石膏是湿法磷酸生产高浓度磷复肥的最大副产物。目前全世界的磷石膏年排放量超过3亿吨，其中我国的磷石膏年排放量超过5000万吨。虽然全世界的科技工作者通过几十年甚至上百年的努力研究磷石膏的利用问题，开发的技术很多，但其利用率不足10％，目前的攻关方向还停留在怎样安全储存方面，给社会环境和安全生产带来大量隐患。本申请人山东鲁北企业集团总公司经过30多年对磷石膏综合利用的研究，建设了“磷铵-硫酸-水泥”联产多套装置的绿色产业链，并申报了多国专利，使磷石膏的利用率达到105％(其中水泥掺加5％的石膏做缓凝剂)，通过磷石膏的综合利用，即解决了磷铵生产过程中产生的废渣——磷石膏的堆存、占地、污染问题，又促进了水泥行业的发展，合理利用了闲置资源，缓解了我国硫资源短缺的矛盾，化害为利、变废为宝，确保我国磷复肥行业可持续发展，符合国家循环经济产业政策要求，是集经济效益、社会效益、环保效益于一体的好项目。
但是由于该技术为综合利用配套技术，各生产过程之间关联度高，流程长，能耗偏高，其经济上虽优于硫磺制酸和硫铁矿制酸，但成本高于冶炼气制酸，造成推广速度缓慢。
在湿法磷酸副产磷石膏制硫酸联产水泥的生产过程中，合理利用湿法磷酸过程中的副产磷石膏，是影响前后生产过程的关键，也是决定整个生产过程中工艺配套是否合理、能耗和生产成本是否过关的关键。在磷复肥行业中，90％以上的属湿法磷酸，磷矿石经萃取磷酸后，副产的磷石膏为二水合物，由于副产的磷石膏很容易吸水，不管是二水法还是半水-二水法，其副产的磷石膏均含有25％左右的游离水，机械方式无法脱除，致使副产磷石膏产品粘湿结块，无法直接用于生产硫酸和水泥。为了储存和适应硫酸和水泥生产的需求，现有技术均采用加热的方式，将上述副产的二水基磷石膏烘干成半水石膏，以使其所含游离水量小于6％。通常每获得1吨烘干的磷石膏，需消耗标煤70公斤，同时由于磷石膏的结晶小，水份含量大，又有结晶水，还有氟、磷、镁等杂质存在，所以烘干磷石膏时不但消耗煤资源，且排放的尾气气体中腐蚀性强，对周围环境造成污染，如用湿法水除尘不但消耗大量珍贵的水资源，且易造成二次污染。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种在湿法磷酸副产磷石膏在制取硫酸联产水泥过程中，利用化学能代替热能去除掉湿法磷酸副产磷石膏中的游离水，无需消耗煤炭及其他能源，即可制得符合制硫酸联产水泥的合格磷石膏原料，既实现了生态低碳循环，又实现了节能减排，降低了生产成本，对环境保护作用巨大。
本发明所述用化学能代替热能实现节能减排低碳循环经济的方法是将湿法磷酸生产过程中副产的二水合磷石膏CaSO4·2H2O浆料(因石膏中含有少量的磷，通常称之为磷石膏)在通入硫酸和补加蒸汽达到温度105-115℃的条件下，反应转化成半水合磷石膏CaSO4·1/2H2O，分离出淡磷酸后，得到含游离水为20～25％的半水合磷石膏；然后在室温条件下进行鼓风冷却，使半水合磷石膏转化成二水合磷石膏，在转化过程中，吸收了其自身所含的游离水，得到游离水含量为1-5％的二水合磷石膏，从而获得了适用于联产硫酸和水泥的合格原料磷石膏。
本发明利用半水合石膏转化为二水合石膏过程的化学能代替热能实现节能减排生态低碳循环经济，无需消耗煤炭资源即可达到磷石膏制硫酸联产水泥所需原料磷石膏的要求。
本发明所述方法，既节省了烘干磷石膏所含游离水过程中的煤炭资源消耗，又解决了因烘干过程中所排放的含有腐蚀性尾气对周围环境造成污染的问题，实现了生态低碳经济，对环境具有保护作用。
本发明所述的在湿法磷酸副产磷石膏制取硫酸联产水泥过程中利用化学能代替热能实现节能减排低碳循环经济的方法包括以下主要步骤：
(以下按磷石膏水合物的转化形式，根据本生产行业习惯，将反应过程分为二水区、半水区、后二水区以及分离、打散储存等步骤。)
(1)二水区——磷矿分解制备磷酸和副产二水合磷石膏
首先磷矿粉通过计量后加入反应槽与自过滤机返回的浓度为22-26％淡磷酸
进行预分解：
Ca5F(PO4)3+7H3PO4＝＝＝＝＝5Ca(H2PO4)2+HF
分解温度控制75-80℃
预分解时间2.5～3.5小时
然后将上述的Ca(H2PO4)2与过量(理论用量的105％)的硫酸反应生成38％磷酸和含20～25％游离水的二水磷石膏。
5Ca(H2PO4)2+5H2SO4+10H2O＝＝＝＝＝5CaSO4·2H2O+10H3PO4
温度控制75-80℃
反应时间5～6小时
由于上述反应为放热反应，余热用真空冷却装置移走并回收利用。
将上述反应物用泵送至卧式螺旋沉降离心机内进行分离，得38％磷酸成品，分离出稠厚的二水磷石膏料浆进入半水磷石膏结晶转化槽。
(2)半水区——二水合磷石膏转变为半水合磷石膏：
稠厚的二水磷石膏料浆进入半水结晶转化槽后，同时加入按二水磷石膏料浆质量百分比为10-15％的93％硫酸，控制液固比达到2.5-3∶1，用蒸汽将料浆加热至105-110度，反应1～2小时，使二水物磷石膏转变为半水物磷石膏。
(3)分离：
将含有半水磷石膏的料浆送至过滤机进行过滤和洗涤，料浆经真空抽滤得滤液，去二水区进行预分解磷矿粉，滤饼用一洗液、冲盘污水稠浆、清水三次洗涤，洗液返回半水区，用于控制液固比，过滤机排出的半水磷石膏含有15-20％的游离水。
(4)后二水区——半水合磷石膏吸收游离水后得二水合磷石膏：
过滤机排出的含有15-20％的游离水的半水磷石膏，用鼓风机冷却0.5～1小时，半水磷石膏吸收游离水后得到二水磷石膏，所含游离水降至1-5％，并硬化。
(5)打散储存：
硬化后的含游离水1-5％的二水物磷石膏，经打散破碎机打散破碎后，用胶带输送机直接输送至石膏储仓储存，直接作生产水泥的原料，不再需消耗煤资源进行干燥。
上述未述及的其他工艺操作条件，可参照的湿法磷酸副产磷石膏制取硫酸联产水泥现有技术。
与原工艺流程相比较，实施本发明所述用化学能代替热能实现低碳循环经济的新方法后，不仅缩短了磷石膏制硫酸联产水泥的工艺生产流程，且不需消耗煤炭资源对磷石膏进行烘干，既节能降耗、又降低成本，减少污染、改善劳动环境。
实施用化学能代替热能实现低碳循环经济的新方法后，对解决国内外湿法磷酸副产磷石膏的综合利用具有推进作用。
实施用化学能代替热能实现低碳循环经济的新方法后，对促进国内外磷石膏制硫酸联产水泥技术的可持续发展，具有重大的现实意义。
【附图说明】
附图1为本发明所述方法的流程示意图
【具体实施方式】
在年产15万吨磷铵副产磷石膏制20万吨硫酸联产30万吨水泥生产过程中用化学能代替热能实现低碳循环经济的新方法的具体工业化试验举例如下：
首先磷矿粉通过计量后加入反应槽中与返回的淡磷酸在控制温度80℃的情况下进行预分解，然后与理论用量105％的硫酸反应生成38％磷酸和二水磷石膏，反应产生的余热用真空冷却装置移走、回收利用。将反应物用耐腐耐磨泵送至卧式螺旋沉降离心机后进行分离得38％磷酸做成品，分离出稠厚的二水磷石膏料浆进入半水结晶转化槽，同时向半水结晶转化槽内加入按二水磷石膏料浆重量百分比为15％的93％硫酸，控制液固比达到3∶1，利用少量的蒸汽(按每吨料浆通入5Kg的蒸汽)将料浆加热至105℃，使之反应2小时间后，待二水物磷石膏转变为半水磷石膏，将含有半水磷石膏的料浆送至真空橡胶带式过滤机进行过滤和洗涤，料浆经真空抽滤所得滤液，去二水区进行预分解磷矿粉，滤饼用一洗液、冲盘污水稠浆、清水三次洗涤，洗液返回半水区控制液固比，真空橡胶带式过滤机排出含有15％的游离水半水磷石膏，用鼓风机冷却半小时后半水磷石膏吸收游离水后得含3％游离水的二水磷石膏，将含游离水3％的二水磷石膏经打散破碎机打散破碎后，用胶带输送机直接输送至石膏储仓做生产水泥的原料，不需消耗煤资源对磷石膏进行烘干干燥。
经工业化生产试验证明，在年产15万吨磷铵副产磷石膏制20万吨硫酸联产30万吨水泥装置实施用化学能代替热能实现低碳循环经济的新方法，省去了磷石膏烘干装置和中和料浆浓缩工序，不但降低了建设投资，在实际生产过程中与原流程相比较，年节约电能853.2万KWh，节支460.7万元。年节约燃煤2.8万吨，节支2240万元。年节约蒸汽45000吨，节支675万元。共年节约成本3375.7万元。与原流程相比较，实施用化学能代替热能实现低碳循环经济的新方法后，年减排二氧化碳75145万吨，年减排二氧化硫559吨。节约建设投资2600万元。与原流程相比较，实施用化学能代替热能实现低碳循环经济的新方法后，其中磷铵综合能耗由0.122吨标煤/吨降为0.103吨标煤/吨；水泥综合能耗由0.1677吨标煤/吨降为0.1412吨标煤/吨；硫酸综合能耗由0.259吨标煤/吨降为0.221吨标煤/吨，节能效果明显，其生产效果和节能效果符合国家节能减排的要求。