黄磷炉渣提取白炭黑和磷酸氢钙的研究

论文摘要

黄磷炉渣是电炉法生产黄磷时产出的固体废弃物,工业上每生产1吨黄磷将产出8～10吨炉渣。根据我国黄磷的生产现状,目前我国黄磷企业实际年产出黄磷炉渣600～750万吨,其中云南省年产出黄磷炉渣300～400万吨。目前,黄磷炉渣主要用于生产农用硅钙肥、水泥、混凝土、磷渣砖及瓷质砖,产品品质较低,且用量有限,大部分以废渣堆积,既浪费资源,又污染环境。黄磷炉渣富含CaO和SiO2及少量铁、铝、镁和其它元素,可用于生产含钙和含硅产品。本论文通过采用磷酸浸出黄磷炉渣,以磷酸二氢钙和磷酸氢钙的形式分离渣中钙元素及其它杂质元素后,通过精制、煅烧等工艺制备出优质的白炭黑产品,同时利用浸出液得到磷酸氢钙产品,开发了一条处理黄磷炉渣的新工艺。黄磷炉渣中硅、钙主要以CaO·SiO2、3CaO·2SiO2和2CaO·SiO2等形式存在,热力学研究表明,在采用磷酸进行浸出时,这些化合物能与磷酸自发反应,分别生成水合二氧化硅和磷酸二氢钙、磷酸氢钙,同时黄磷炉渣中含有的杂质元素如Fe（以磷铁形式存在的铁除外）、Al、Mg等也将与磷酸反应生成相应的磷酸盐,根据这些磷酸盐在水中及磷酸溶液中溶解度的变化规律,通过采用过量的磷酸使用量以使黄磷炉渣磷酸浸出完毕后浸出液中含有足够的游离磷酸,可提高磷酸二氢钙和磷酸氢钙及杂质元素磷酸盐在浸出液中的溶解度,保证它们溶解在浸出液中,而硅则以水合二氧化硅沉淀析出,实现硅钙分离的目的,同时得到白炭黑和磷酸二氢钙或磷酸氢钙产品。实验研究表明:采用磷酸浸出黄磷炉渣,以磷酸二氢钙和磷酸氢钙分离钙等元素后,浸出渣经洗涤、干燥、煅烧,可得到SiO2含量达到95%以上的白炭黑样品。磷酸浸出黄磷炉渣的最佳工艺条件为:磷酸用量80ml,反应温度为自然升降温,反应时间0.5小时,液固比5:1,搅拌速度400rpm。黄磷炉渣磷酸浸出过程可用有固相产物生成的粒径不变的收缩未反应核模型描述,磷酸浸出过程的表观速率受液膜层的扩散过程控制,在303.15K时的液膜扩散系数为1.68×10-4m2/s。由于黄磷炉渣中含有的C、以磷铁形式存在的铁不与磷酸反应,在采用磷酸浸出黄磷炉渣时它们将残留在浸出渣中,同时磷酸浸出时生成的杂质磷酸盐也将有一部分残留在浸出渣中,因而浸出渣含有较多的杂质,所以通过磷酸浸出得到的白炭黑样品外观呈灰白略带淡红色,白度仅达到61.51%,需进行进一步处理。根据热力学分析,采用硝酸溶液进行精制处理,渣中含有的杂质元素C、Fe（以FePO4形式存在的铁除外）、Al、Ca、Mg等均能与硝酸反应,分别生成二氧化碳和相应的可溶性硝酸盐,与浸出渣分离。实验研究表明:由黄磷炉渣经磷酸浸出得到的粗制白炭黑产品,采用硝酸溶液精制,精制除铁率可达到99%,精制白炭黑产品中铁含量可降至0.02%左右,产品白度达到90%以上。精制的最佳工艺条件为:初制白炭黑原料15克时,硝酸浓度8%,反应时间2.0小时,反应温度70℃,液固比4:1,搅拌速度300rpm。精制除铁过程可用有固相产物生成（惰性物料层）的粒径不变的收缩未反应核模型描述,精制过程的速率受界面化学反应过程控制,精制化学反应的表观活化能Ea=30.662kJ/mol,化学反应级数为0.6746。以黄磷炉渣为原料,采用磷酸浸出,以磷酸二氢钙和磷酸氢钙分离钙元素后,经精制、洗涤、干燥等工艺处理后,得到的白炭黑产品其它各项指标均能达到白炭黑产品的质量要求,但其外观仍然呈现灰白色,白度仅达到67.83%,但样品通过700℃煅烧0.5小时后可得到符合HG/T3061-1999标准的A级白炭黑产品。该产品经X-射线衍射和电镜分析确定为无定形二氧化硅、样品平均粒径66～68μm,粒径在2～200μm之间的二氧化硅占90%以上,二氧化硅含量达到97%,白度88%,比表面积205cm2/g,DBP吸油值2.01ml/g,Fe、Cu、Mn等杂质含量均能达到白炭黑产品的质量要求。黄磷炉渣采用磷酸浸出分离得到的浸出液,含有大量的磷酸二氢钙、磷酸氢钙、16～18%的游离磷酸及炉渣带入的杂质元素氟。为了有效的利用浸出液中的游离磷酸和得到含氟合格的磷酸氢钙产品,本研究采用真空蒸发、浓缩结晶、分离,母液返回浸出阶段循环利用,结晶体二次重溶制备磷酸氢钙的工艺处理磷酸浸出液。为了充分利用渣中的钙元素制备磷酸氢钙产品,将磷酸浸出液和滤渣一洗液混合后进行浓缩结晶,经分离磷酸二氢钙和磷酸氢钙混合晶体后,母液返回浸出阶段用于黄磷炉渣的浸出,当混合液真空浓缩至原液量的50%时,母液返回黄磷炉渣浸出,与直接浸出比较,可使工业磷酸用量降低37.5%,有效利用浸出液中的游离磷酸,使工业磷酸的用量明显降低。磷酸浸出液和一洗液的混合液经真空浓缩得到磷酸二氢钙和磷酸氢钙混合晶体后,经二次溶解、一步中和,可得到含氟量为0.08～0.10%的饲料级磷酸氢钙产品。产品质量中的钙、磷、氟均达到HG2636-2000饲料级磷酸氢钙产品的质量要求。本论文采用磷酸浸出黄磷炉渣,经精制、洗涤、干燥、煅烧及浸出液结晶循环利用等工艺处理,同时得到市场容量极大的白炭黑和磷酸氢钙产品,论文在产品开发思路和工艺技术方面具有创新性。项目属固体废弃物资源循环再利用技术,可充分利用废弃物资源,达到可持续发展的目的,解决黄磷生产企业的废物处理问题,具有明显的社会效益和经济效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 黄磷炉渣的应用现状
• 1.1.1 生产农用硅钙肥
• 1.1.2 生产水泥
• 1.1.3 在混凝土中的应用
• 1.1.4 制磷渣砖及瓷质砖
• 1.1.5 制微晶玻璃
• 1.1.6 制白炭黑
• 1.2 白炭黑的国内外发展现状
• 1.2.1 白炭黑的制备技术研究进展
• 1.2.2 白炭黑的生产和市场
• 1.3 本研究的目的和意义
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第二章 热力学分析及相关理论分析
• 2.1 磷酸浸出过程热力学分析
• 2.2 精制过程热力学分析
• 2.3 磷酸二氢钙和磷酸氢钙的溶解度分析
• 2.4 杂质元素的溶解度分析
• 2O系电位—PH图'>2.5 Ca—P—H₂O系电位—PH图
• 2.6 小结
• 第三章 黄磷炉渣磷酸浸出实验研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原材料
• 3.2.2 实验装置及主要仪器设备
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.4 分析方法
• 3.3 实验结果及讨论
• 3.3.1 磷酸用量的影响
• 3.3.2 温度的影响
• 3.3.3 液固比的影响
• 3.3.4 时间的影响
• 3.3.5 搅拌速度的影响
• 3.3.6 原料粒度的影响
• 3.3.7 加料方式的影响
• 3.3.8 差热—热重分析
• 3.4 小结
• 第四章 黄磷炉渣制白炭黑的精制试验研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验部分
• 4.2.1 精制处理方法的选择和基本原理
• 4.2.2 试验原料及主要设备
• 4.2.3 试验方法
• 4.2.4 分析方法
• 4.3 结果及讨论
• 4.3.1 硝酸浓度的影响
• 4.3.2 反应时间的影响
• 4.3.3 反应温度的影响
• 4.3.4 液固比的影响
• 4.3.5 搅拌速度的影响
• 4.4 小结
• 第五章 黄磷炉渣浸出和精制过程动力学研究
• 5.1 黄磷炉渣浸出过程动力学研究
• 5.1.1 理论分析
• 5.1.2 试验方法
• 5.1.3 浸出过程动力学模型的建立
• 5.2 浸出渣精制过程动力学研究
• 5.2.1 理论分析
• 5.2.2 试验方法
• 5.2.3 结果及讨论
• 5.4 小结
• 第六章 煅烧过程的试验研究
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 试验方法
• 6.1.2 产品表征
• 6.2 结果及讨论
• 6.2.1 热分析（TG-DTA）
• 6.2.2 干燥温度的影响
• 6.2.3 干燥时间的影响
• 6.2.4 煅烧时间对白炭黑产品性能的影响
• 6.2.5 煅烧温度对白炭黑产品性能的影响
• 6.2.6 X-射线衍射分析
• 6.2.7 电镜分析
• 6.2.8 白炭黑产品粒度分析
• 6.2.9 白炭黑产品的化学成分及相关指标分析
• 6.3 小结
• 第七章 磷酸浸出液循环利用及制取磷酸氢钙的试验研究
• 7.1 浸出液利用方案的选择和原理
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 实验方法
• 7.2.2 分析方法
• 7.3 结果和讨论
• 7.3.1 磷酸浸出液的循环利用试验
• 7.3.2 磷酸氢钙的制备
• 7.4 小结
• 第八章 验证性试验研究及应用前景分析
• 8.1 本项目的工艺流程
• 8.2 磷酸浸出过程验证性试验
• 8.3 精制过程验证性试验
• 8.4 白炭黑和磷酸氢钙产品质量
• 8.5 应用前景分析
• 8.6 环境效益初步分析
• 8.6.1 固体废弃物减排效益分析
• 8.6.2 废气
• 8.6.3 废水
• 8.6.4 环境影响总评价
• 8.7 小结
• 第九章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录：
• 在攻读博士期间发表的论文
• 攻读博士期间的获奖情况