Технология минеральных солей (удо­Брений, пестицидов, промышленных со­лей, окислов и кислот)

ПРОИЗВОДСТВО ФОСФОРА ЭЛЕКТРОВОЗГОНКОИ ИЗ ФОСФАТОВ

Возгонка фосфора в печи типа доменной не получила промыш­ленного развития, несмотря на большое количество исследователь­ских и опытных работ 97-107. Это объясняется сложностью процес­са, высокими капитальными затратами и большей стоимостью фос­фора, чем получаемого электровозгонкой 108. Интерес представляет применение плазменных печей для возгонки фосфора. Но это тре­бует еще значительных изысканий. В настоящее время для воз­гонки фосфора применяются электрические печи4'14'25,109-140 с угольными или графитовыми электродами, погруженными в шихту. Нагревание происходит от пламени электрической дуги, воз­никающей между электродами, и за счет сопротивления самой шихты.

Современные печи большой мощности работают на основной шихте, т. е. при весовом отношении Si02 : СаО, равном 0,8—1,0 (см. выше). Этим достигается значительно меньшая возгонка крем­ния, чем при работе на кислой шихте. Если фосфат содержит мень­ше Si02, чем это необходимо, в шихту вводят чистый кварцевый песок (освобожденный от пыли) или кварцит. Фосфатные руды, со­держащие избыток Si02, обычно не применяются, потому что та­кие руды бедны фосфором и корректировка их состава добавле­нием СаО еще больше уменьшает количество Р2О5 в шихте. При расчете шихты учитывается также содержание в сырье окислов алюминия, щелочей и магния 141>142.

Углерод вводится в виде каменноугольного кокса или антра­цита в количестве 110—120% по отношению к теоретической нор­ме 143'144, рассчитанной для восстановления P2Os до фосфора, Fe203 до железа и С02 до СО. Шихту составляют из кускового мате­риала. Размеры кусков фосфорита и кварцита от 5 до 50 мм, гра­нулированного порошкообразного фосфорита от 5 до 25 мм, антра­цита или кокса 3—25 мм. Более мелкие частицы фосфата отсеи­вают и укрупняют различными способами. Порошкообразную шихту тоже превращают в кусковой материал. В зависимости от свойств исходного сырья применяются следующие способы подго­товки ШИХТЫ24'144.

гранулирование с последующим обжигом (этот способ наи­более пригоден для глинистых фосфоритов);

агломерация при высоких температурах;

спекание смеси тонкоизмельченного фосфорита и кокса;

брикетирование шихты. По этому способу осуществляют смешение измельченного фосфата и связующего, например жид­кого стекла 133 или глины 138, с последующим формованием брике­тов и прокалкой последних при температуре около 750°. Необхо­димость тесного соприкосновения реагентов делает целесообраз­ным введение в брикеты измельченного кокса или угля 52>5®.

Для прокалки и сушки компонентов шихты используются отхо­дящие газы установки (СО). Предварительное прокаливание фос­форита производят с целью дегидратации, декарбонизации, а так­же разложения органического вещества фосфоритов. Это приво­дит к уменьшению расхода электроэнергии 145.

Возгонка фосфора осуществляется в трехфазных печах, рабо­тающих на переменном токе.

Мощность современных печей составляет 35—50 тыс. кет и больше148. Ведутся работы по интенсификации действующих и со­Зданию новых печей мощностью 70 и 100 тыс. кет.

Печи изготовляют из огнеупорного и кислотоупорного кирпича с наружным стальным кожухом для обеспечения герметичности. Под и стенки реакционной зоны выполняются из угольных блоков (рис. 263 и 264). Диаметр ванны печей достигает 8,5 м (при диа­метре кожуха.10,5 м). Они выпускают до 60 т фосфора в сутки.

При использовании мощных печей расход энергии на производство фосфора сокращается147. Так, в печах мощностью до 5 тыс. кет Расход электроэнергии на 1 т фосфора составляет 17,5—18 тыс. Кет • ч, в печах мощностью 25—50 тыс. кет расход энергии сни­жается до 13—15 тыс. кет • ч148. Использование мощных печей вы­годнее также и вследствие уменьшения удельных капитальных за­трат на сооружения и эксплуатационных расходов. Печи средней мощности питаются переменным током напряжением 170—260 в. Повышение напряжения позволяет повысить мощность печи и уве­личить ее производительность. Печи мощностью 35—50 тыс. кет Работают на напряжении 300—500 в.

В трехфазных печах электроды располагают в ряд или тре­угольником. В первом случае печи имеют эллиптическое или пря­моугольное сечение, во втором — цилиндрическую форму или фор­му равностороннего треугольника с закругленными вершинами.

К каждому из трех электродов подключен свой трансформатор для преобразования тока высокого напряжения, нагрузку которого можно регулировать. Чаще всего применяются угольные электроды диаметром 800—1500 мм. Электроды закреплены в электродержа­телях, охлаждаемых через рубашку в нижней части водой. Ток проходит по токонесущим шинам к токонесущему кольцу, оттуда через охлаждаемые водой медные кабели к контактным плитам, удерживающим электроды. По мере сгорания электрод опускают. В верхней его части наваривают новые цилиндрические звенья, заполняемые электродной массой, которая спекается по мере опу­скания электрода (самоспекающиеся электроды).

На рис. 265 приведена схема опытной вращающейся печи для возгонки фосфора мощностью 7500 /сет 25> 126>i29. Внутренний диа­метр вращающегося тигля составляет около 5 м. Скорость враще­ния от 1 оборота за 15 ч до 1 оборота за 100 ч. Электроды графи­товые диаметром 600 мм. Печь работает с напряжением до 325 в. Благодаря вращению печи создается возможность плавить не толь­ко кусковую руду, но и не агломерированные мелкие фосфаты, что удешевляет производство. На этой печи достигнута экономия в расходе электроэнергии на 11%- При этом срок службы футеровки увеличивается в 3—4 раза.

Для восстановления фосфата и расплавления шихты послед­няя в реакционной зоне нагревается до 1500—1600°. Это обеспечи­вает понижение вязкости шлака и легкий выпуск его через летки, находящиеся в стенке печи против электродов. Расстояние от электродов до стенок должно быть таким, чтобы температура у стенок была ниже реакционной. Температура выходящих из печи газов колеблется в пределах 300—500°. Процесс в печи идет непрерывно (с периодической загрузкой шихты и выпуском шлака).

Днище и стены печи до уровня шлака футерованы угольными блоками. Выше стены выложены огнеупорным кирпичом. Сталь­ной свод печи также футерован. Продолжительность службы фу­теровки зависит от качества угольных блоков, соблюдения техно­логического режима и соответствия размеров печи ее мощности. При нарушениях технологического режима износ футеровки на -

Бег электропечей создает напряженную обстановку и приводит к значительным убыткам. Рабочий период между остановками электропечей на капитальный ремонт футеровки должен быть 5—■ 10 лет.

Особенностью печей для возгонки фосфора является их полная герметичность. В печи поддерживается избыточное давление газов порядка 30—60 мм вод. ст.; это предотвращает возможность под­соса воздуха, что привело бы к сгоранию фосфора.

Печные газы содержат по весу около 25% фосфора; остальные 75% —окись углерода с примесью H2S, СО2, N2, РНз, SiF4, водя­ного пара и др.

6 М. Е. Позин

Технологическая схема электровозгонки приведена на рис. 266. Для загрузки печи установлено несколько бункеров, что облегчает равномерное ее заполнение. Дозировка компонентов шихты — фос­форита, кокса и кварца — производится раздельно и смесь посту­пает в бункеры. Последние герметически закрываются крышками,

А в нижнюю их часть непрерывно подается инертный газ — азот или дымовой. Это предохраняет от выделения в атмосферу цеха печного газа. При заполнении бункеров инертный газ выделяется наружу, а при закрытых крышках он поступает в печь. Феррофос - фор сливается из печи один раз в сутки, а шлак через каждые 3—4 ч.

Феррофосфор из печи через летку сливается в ковш, стоящий на железнодорожной платформе, и отвозится на розлив в излож­ницы, из которых извлекается после застывания. Шлак сливают
через две другие летки (расположенные немного выше) по желобу в разборные чугунные кокили, установленные на железнодорожной платформе, и отвозят для переработки в изделия. Если шлак не используется, его выпускают из летки в грануляционную мель­ницу, куда подают воду. Измельченный шлак отвозится в гон­долах.

Выходящий из печи газ, содержащий 220—330 г фосфора в 1 м3 При нормальных условиях (4—6 объемн.% или 20—25 вес.% Р4, 65—85% СО, 2—4% С02, 0,5—1% SiF4) поступает в электрофильтры, где из него выделяется уносимая из печи пыль (шихта). Электрофильтры рабо­тают под напряжением 40—60 тыс. в. Во избежание конденсации фосфора температуру в электрофильтрах под­держивают на уровне 250—300°. С этой целью электрофильтры и газоход ме­жду ними заключены в футерованные кирпичом кожухи, внутри которых циркулирует горячий топочный газ, подаваемый теплоизолированным вен­тилятором. Газ получают сжиганием в топке части печного газа после вы­деления из него фосфора. Температура в электрофильтрах регулируется авто­матически — при недостатке тепла сжи­гается дополнительное количество га­за, а избыток его выбрасывается в трубу. Пыль, оседающая в газоходе между печью и первым электрофильт­ром, сбрасывается шнеком в бункер под электрофильтром. Выгружаемая из бункеров электрофильтров пыль от­возится в отвал.

Из электрофильтров газ поступает в конденсаторы фосфора. Конденсация фосфора достигается в результате промывки газа водой и охлаждения его при этом до 57—60°149. В качестве конден­саторов используют орошаемые циркулирующей водой полые стальные башни, цилиндрические конденсаторы с внутренними пе­регородками или полками, а также, при не очень больших мощно­стях производства, аппараты с вращающимися дисками. Цирку­лирующая в них вода постепенно подкисляется, поэтому ее нейтра­лизуют содой, поддерживая рН = 5,5—6,0. Степень конденсации фосфора достигает 99%.

На рис. 267 приведена схема конденсатора с вращающимися дисками182. Аппарат состоит из колпака, охлаждаемого снаружи
водой, и нижней чаши, обогреваемой через паровую рубашку. Внутри корпуса вращаются (со скоростью 500—700 об/мин) в про­тивоположных направлениях два валика о дисками, погруженными частично в воду. Происходит тонкое распыление воды, образующей Плотную завесу. Газ проходит последовательно через несколько таких промывателей.

Уходящий из конденсаторов газ содержит до 85 объемн.% СО, 0,05% фосфора (потери), 0,2—0,4% РН3, 0,5—1% H2S и дру­гие примеси. Этот газ должен быть очищен от Р, H2S и РН3 для использования окиси углерода в синтезах или же применяться без очистки как топливо. Часть газа сжигают для подогрева электро­фильтров.

Сконденсировавшийся жидкий фосфор собирается под водой в чашах-сборниках, непосредственно присоединенных к конденса­торам. Сборники, а иногда и газоходы, изготовляются из алюми­ниевой бронзы и имеют рубашки для обогрева горячей водой, — это предохраняет жидкий фосфор от затвердевания. Из сборников фосфор сифонируется в отстойник, а из него через мерник — мон - тежю — в обогреваемый водой резервуар на складе. Отсюда горя­чей водой, накачиваемой насосом через подогреватель, жидкий фосфор передавливают по обогреваемым водой трубам в цех фос­форной кислоты, а для отправки потребителю — в железнодорож­ные цистерны, снабженные обогревающими змеевиками и предва­рительно частично залитые водой.

В конденсаторах и во всех сборниках жидкий фосфор нахо­дится под слоем горячей воды с температурой 60°. При сливе фос­фора освобождающийся объем замещается водой, а при заполне­нии фосфором избыток воды сливается в сборник кислой воды, из которого насосом через напорный бак вновь перекачивается в ап­параты.

В отстойнике жидкий фосфор расслаивается с выделением шла­ма. В шлам переходят примеси — неуловленная в электрофильтрах пыль, сажа, кремневая кислота, образовавшаяся при гидролизе со­держащегося в газах фтористого кремния:

3SiF4 + 4Н20 = 2H2SiF6 + Si02 • 2Н20

Образующаяся по этой реакции кремнефтористоводородная кисло­та растворяется в воде и подкисляет ее. Шлам из отстойника пе­риодически сливается через сифон в специальный резервуар. В су­хом веществе шлама содержится до 50% фосфора; его направляют в цех фосфорной кислоты, где сжигают.

Для отделения примесей вместо отстаивания применяют также фильтрацию сконденсированного фосфора на закрытых дисковых фильтрах, работающих под давлением150.

Вследствие огнеопасности, взрывоопасности и вредности произ­водства фосфора, все процессы, связанные с выпуском из - печи и Удалением шлака и феррофосфора, загрузкой электродной массы механизируются и автоматизируются 1Б1.