针对中小磷肥厂降低高镁磷矿矿浆含水率研究
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摘要：普通过磷酸钙（简称磷肥）的国家标准中规定一级品的水分小于l5%，但由于每种磷矿的成因、化学组成及物理性质的不同，采用湿法工艺时，高镁磷矿矿浆的流动“起点水分”往往偏高，导致磷肥成品水分随之超标。为抑制和降低镁杂质对磷矿矿浆粘度的危害，针对中小磷肥厂的成本和技术现实需求，本文提出采用稀硫酸替代纯水进入磨浆工艺，从而达到降低矿浆含水率，以确保磷肥产品的质量。
中图分类号： TD932 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/ki.jlny.2016.14.038
1 主要试验设备
试验采用的主要设备有增力电动搅拌器、电热恒温水浴锅、酸度计、电热恒温干燥箱、万分之一电子天平、旋转式粘度计、鄂式破碎机、卧式球磨机、箱式电阻炉、真空泵等。
2 酸性物质的选取
降低磷肥矿浆碱性的方法有很多，最简单的就是投加HCl、HNO3、H2SO4、H2SiF6、H3PO4等无机酸，甲酸、乙酸、乳酸等有机酸等酸性液体。HCl、HNO3本身挥发性强，不适合半封闭球磨机使用，容易造成酸雾弥漫，工作环境恶劣，首先排除；H3PO4成本较高，也不宜使用；H2SiF6作为湿法磷肥的副产物和废弃物，从环保角度出发，有研究者做了H2SiF6回用于磨浆工艺试验，实际生产证明容易造成矿浆起泡，也不推荐使用，现有废H2SiF6大都改作生产氟硅酸钠；有机酸处理后的磷矿石不利于湿法磷酸后续生产，且有机酸价格昂贵，造成水污染，因此也不宜大规模使用。
使用H2SO4较为适合，原因：一是H2SO4是湿法磷肥生产工艺中的必备原料，不存在另购原料的负担；二是H2SO4成本很低，不会增加生产成本；三是不存在引入其他杂质或元素，干扰后续工序。
3 最适矿浆含水率的选取
综合考虑湿法磷肥工艺水分平衡计算和现有工艺不做大调整的两种因素，矿浆含水率为27%基本能保证熟肥的含水率达标。矿浆含水率高于27%，熟肥含水率较高；如果矿浆含水率降到27%以下，会导致在实际生产过程中，矿浆含水率过低，进入化成室加入浓硫酸后，水分因为化学反应剧烈放热挥发加速，导致鲜肥固化速度过快，在化成室搅拌桨上方和下料口处结块， 影响下料和化成皮带输送。如要将矿浆含水率降低到27%以下，解决结块问题的措施：增加搅拌机转速；增加搅拌器的叶片数目，从二级增加至三级；减少料浆在化成室停留时间，加快化成皮带速度，这就需要多次试验解决，增加了工艺的变动成本，所以选择27%含水率较为适宜。
4 H2SO4浓度和矿浆粘度的关系试验
高浓度H2SO4作为强酸，不宜直接加入尚未彻底磨碎的矿浆，会导致H2SO4与磷矿石产生剧烈反应，生成大量不溶性CaSO4覆盖在磷矿石表面，阻碍后续化成工序，所以必须采用低浓度H2SO4，减少H2SO4与磷矿石的反应程度。
根据文献资料和矿浆pH值，有资料提及可以用3%～5%稀H2SO4降低磷矿矿浆含水率。为增加数据有效性和对比度，作者选取0.5%、1%、3%、5%浓度稀H2SO4进行试验较为恰当。在保证矿浆含水率在27%的基准上，选取四种浓度的稀H2SO4与磷矿矿粉进行混合，用搅拌机搅匀后，模拟进入球磨机状态，进行各参数测定。
4.1 H2SO4浓度和pH值对应关系
0.5%、1%、3%、5%四种浓度稀H2SO4，pH值分别为2.54、2.19、1.88、1.65，H2SO4为强酸，H2SO4浓度和pH值基本成线性关系，考虑稀H2SO4的pH值过低，代替纯水进入球磨机后，需要对球磨机等后续设备进行防酸腐蚀处理。
4.2 H2SO4浓度和投加后矿浆粘度对应关系
折线为H2SO4浓度和投加后矿浆粘度相关曲线，曲线为多项式回归分析曲线，在1%浓度稀H2SO4的27%矿浆含水率下2040mpa.s粘度和之前测得用纯水的30%矿浆含水率下1840mpa.s比较接近，1%浓度的稀H2SO4降粘度效果较好，27%含作为水分起点是比较合适的。
使用3%～5%的稀H2SO4和矿粉过于剧烈反应，放热升温明显，气泡较多，导致水分迅速散失，进而致使矿浆变稠，粘度反而迅速上升，不符合生产要求；0.5%～1%的稀H2SO4和矿粉反应轻微，气泡和放热不明显，粘度较低。
4.3 H2SO4浓度和投加后矿浆pH对应关系
0.5%、1%、3%、5%四种浓度稀H2SO4与矿粉混匀后，静置5分钟后，测得投加后矿浆pH值分别为6.35、6.16、4.72、4.56。
当pH值较小时，溶液酸性较强，由于对于单位反应比表面积而言，镁元素由于含量比磷本身就低，磷矿中磷灰石与含镁白云石同时与H2SO4反应，导致反应过于剧烈，矿浆pH偏酸性较强，大量矿物质持续溶解进入，加之水分因反应放热而挥发，导致粘度反而升高。当pH值较高时，溶液的酸性降低，由于矿浆中氢氧化物参加反应，H2SO4中H+离子的中和度下降，因此磷矿与H2SO4反应的速率很慢，矿浆pH呈微酸性，抑制Mg（OH）2等胶体的生成，导致粘度下降。当pH值过高时，H+浓度过低，只能少量抑制Mg（OH）2胶体的生成，导致粘度下降不多。
投加1%稀H2SO4的矿浆从球磨机磨浆完毕后，pH值为6.16，呈微酸性，需要对后续管道设备进行防酸腐蚀处理。
5 结论
当维持矿浆含水率为27%时，用1%浓度的稀H2SO4替代纯水磨浆，其粘度降低66.7%。在2000mpa.s左右相同粘度下， 用1%浓度的稀H2SO4替代纯水磨浆，矿浆减水率为11.1%。投加稀H2SO4可以降低高镁磷矿矿浆含水率，初步解决磷肥生产水平衡问题。但要注意浓H2SO4和纯水混合槽、球磨机内衬、研磨钢球、矿浆到化成室段的管道要进行防腐蚀处理。
参考文献
[1]谢文俊.高（含）镁磷矿生产过磷酸钙的实践[J].磷肥与复肥，2002，17（04）：18-19.
[2] 张雪杰，等.高镁磷矿化学脱镁过程的工艺研究[J].化工矿物与加工，2010（02）：1-3.
作者简介：汪志涛，硕士，襄阳职业技术学院，讲师，研究方向：环保节水、废物再利用研究。