中低品位胶磷矿流态化还原的动力学及过程强化机理研究

Phosphate rock is an important raw material for the production of phosphoric acid and other phosphorous chemicals. Our country is rich in phosphate resources. However, most of the ore is middle-low grade collophane. It is difficult to separate phosphorous from the middle-low grade collophane and high loss of phosphorus is occurred in the separation. Therefore, the research on straight utilization of middle-low grade collophane to produce high grade phosphorus acid is appealed. The reaction thermodynamics and kinetics of gas-solid redox system for middle-low grade collophane are systematically studied in this object. The reaction kinetics model will be built on the basis of analysis of reaction mechanism function. The micromixing between collophane and additive particles can be intensified by optimization internal component of fluidized bed. After analysis the properties of carbon adhesion on the surface of collophane particles in the reductive atmosphere and the structure/morphology of the product, the mechanism of intensification effect of reduction of fluidized collophane caused by carbon adhesion will be deduced. The research will provide the theory evidence for reduction of fluidized middle-low grade collophane and straight utilization of collophane to produce phosphorus acid. It also will furnish the mineral processing technology and theory for the same type phosphate rock.

磷矿是生产磷酸等磷化工产品的重要原料。我国磷矿资源丰富，但主要是中低品位胶磷矿。中低品位胶磷矿的选矿难度大，磷在选矿过程中的损耗高。因此，对直接利用中低品位磷矿生产高质量磷酸技术的研究愈加更显迫切。课题以湖北产中低品位胶磷矿为研究对象，系统研究其在流化状态下气-固还原反应热力学和动力学，在反应机理函数分析的基础上建立中低品位胶磷矿气-固还原反应动力学模型。通过优化流化床内构件增强胶磷矿和添加剂颗粒的微观混合。通过分析还原气氛下矿粉表面的附碳特性以及产物的固态结构和形态，推测附碳处理强化胶磷矿粉流态化还原反应的机制。研究成果为中低品位胶磷矿流态化还原工艺和直接利用中低品位胶磷矿生产磷酸提供理论依据，丰富同类磷矿的矿物加工工艺和理论。

作为基础元素，磷的主要来源于自然界中的磷矿石，经过处理用于生产各种磷产品。磷矿通常用来制备磷酸，生产磷酸的方法主要为湿法、热法和窑法磷酸，其中湿法磷酸相对成本低，但产品杂质含量较高，不能直接作为高品质磷酸使用；窑法磷酸尚处于研究阶段；热法生产磷酸强度相对较高，但能耗过大是其不足。虽然我国有丰富磷矿资源储量，但都以中低品位磷矿为主。因此，开发节能减耗、清洁生产的工艺以提高中低品位磷矿利用率，对促进我国磷化工行业的可持续发展具有重大意义。本文以中低品位磷矿为矿源，焦炭作为还原剂，以反应时间、反应温度、碳过剩系数、硅钙摩尔比和磷矿粒径为自变量，磷矿中P2O5的还原率为响应变量，对磷矿碳热还原的工艺参数进行响应面法(RSM)优化。研究表明，五个因素之间均存在交互作用，优化所得最佳工艺条件为反应时间92 min，反应温度1340 ℃，焦炭过剩系数1.27，硅钙摩尔比1.28，磷矿粒径75~106 μm。对矿渣进行XRD和XRF表征，分析表明，矿样中的氟磷酸钙还原度很高。经试验验证，优化条件下得到P2O5还原率(96.88%)，与模型预测值(99.40%)相近。选用其它四种不同来源的中低品位磷矿验证了该优化的工艺条件，所得还原率分别为95.02%，95.37%，95.86%，96.21%。在优化工艺条件下，中低品位磷矿利用率有所提高，能耗有所降低。在单因素优化实验条件的基础上，对不同粒径磷矿碳热还原反应过程进行了非等温动力学研究。结合Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法、Kissinger 法和Coat-Redfern(CR)法，确定了反应表观活化能、指前因子和机理函数。结果表明不同粒径的磷矿碳热还原反应机理均符合收缩核模型，机理函数的积分表达式为G(α)=1-〖(1-α)〗^(1/2)。随着磷矿粒径的减小，其碳热还原反应的活化能和指前因子的对数值也随之减小。磷矿粒径由100~150μm 减小到38~48μm 时，其活化能E 从375.57 kJ/mol 减小到324.72kJ/mol。对工业废弃物粉煤灰作为助熔剂熔融磷矿碳热还原反应的可行性进行了研究。结果表明在条件相同时，粉煤灰助熔体系的磷矿还原率始终优于二氧化硅助熔体系。动力学研究结果表明与二氧化硅助熔相比，粉煤灰助熔时的活化能降低了31.57 kJ/mol。