高浓氨介质体系加压强化磷石膏碳酸化转化过程应用基础研究

For the purpose of solving the problems of the long reaction time, the low carbonation conversion ratio, and the high production cost of ammonium sulfate, a new process of enhanced phosphogypsum carbonation and conversion in ammonia medium, had been proposed with large scale comprehensive utilization of phosphogypsum. This enhanced phosphogypsum carbonation process is characterized by high concentration of ammonia medium and increased CO2 pressure. By way of multidisciplinary research method, the key scientific problems, involving the thermodynamics and phase equilibrium rules, the reaction mechanism and kinetics, the influence mechanism of impurity from phosphogypsum, reaction parameters optimization and process scale-up law, will be deeply studied for this enhanced phosphogypsum carbonation process. Therefore, a new technology system will be built for comprehensive utilization of phosphogypsum by enhanced carbonation with high efficiency and low cost. Moreover, optimal design of carbonation reactor will be conducted, which is suitable for the phosphogypsum carbonation reaction system with the characteristics of high pressure, high solid content and strong exothermic. An exclusive reactor for this enhanced phosphogypsum carbonation and conversion in ammonia medium with high efficiency and capable of continuous operation, will be manufactured further. Based on the above research results, it will provide sufficient theoretical basis for this phosphogypsum carbonation conversion technology, with large-scale industrial application.

围绕磷石膏大规模资源综合利用，本项目针对磷石膏碳酸化转化过程存在反应时间长、碳酸化转化率低，以及硫酸铵产品生产成本高等问题，提出了采用高浓氨介质体系加压强化磷石膏碳酸化转化新工艺过程。通过多学科研究方法综合交叉，深入开展氨介质体系强化磷石膏碳酸化转化过程热力学及相平衡规律、强化磷石膏碳酸化转化反应机理与动力学、氨介质体系杂质对磷石膏碳酸化转化过程影响机制、工艺优化和过程放大规律研究，由此形成低成本、高效率的磷石膏资源碳酸化转化利用新技术体系，以及进行适用于高压、高固含量及强放热特点的碳酸化反应器优化设计，研制出高效、连续氨介质体系强化磷石膏碳酸化转化过程专属反应器，从而为磷石膏资源碳酸化转化利用技术大规模工业应用提供充足的理论依据。

我国化肥行业产生大量磷石膏弃置堆积不仅占用大量土地，也造成严重的环境污染问题。当前，磷石膏碳酸化转化过程是实现磷石膏大规模资源综合利用的有效途径之一，其主要是利用硫酸钙和碳酸钙在硫酸铵中的溶度积差别，在氨介质体系中使磷石膏中的硫酸钙与CO2发生反应生成碳酸钙和硫酸铵。基于此，本项目围绕磷石膏大规模资源综合利用，提出采用高浓氨介质体系加压强化磷石膏碳酸化转化新工艺过程，通过开展相关基础研究以及专属反应器的研制，从而为磷石膏资源碳酸化转化利用技术大规模工业应用提供充足的理论依据。本项目主要研究成果包括：1）针对现有磷石膏碳酸化转化过程存在反应时间长、碳酸化转化率低，以及硫酸铵产品生产成本高等问题，提出采用高浓氨介质体系在加压及高温条件下强化磷石膏碳酸化转化新工艺，可实现磷石膏在5-10分钟内达到 97%的碳酸化转化率；2）为了降低磷石膏碳酸化转化过程原料及能源消耗，进一步提出了磷石膏预碳酸化-强化碳酸化-降压闪蒸-降膜吸收等整体工艺流程，可实现磷石膏高效碳酸化转化过程同步提高氨和CO2利用率，并有效减少后续硫酸铵母液中和硫酸消耗量以及硫酸铵母液蒸发过程能耗；3）针对高浓氨介质体系加压强化磷石膏碳酸化转化过程具有高压气体和高固含量特征，首次提出将气升式环流反应器应用于强化磷石膏碳酸化转化过程，通过优化环流反应器结构参数，使之满足强化磷石膏碳酸化转化过程具有高压气体和高固含量特征；4）本项目相关基础研究进一步延伸至工业放大过程，现已建成了氨介质体系加压强化磷石膏碳酸化转化过程3000吨/年中试装置和10万吨级工业示范装置，通过采用两级串联加压环流反应器，整个扩试装置开停车过程顺利执行，当停留时间从10-20分钟变化到1-2小时，磷石膏碳酸化转化率均可达到97%以上；5）本项目执行期间共发表研究论文5篇，其中SCI收录3篇，EI收录5篇，申请中国发明专利2项，获得中国发明专利授权1项，圆满完成了本项目研究任务和目标。