管凌飛 張海燕
(四川化工控股(集團)有限責任公司科技中心,四川成都 610041)
自然界中,作為氟資源能加以利用的礦物僅限于螢石、天然冰晶石和磷礦石。全世界螢石儲量約為6億t,按50%氟含量來計算,氟總量也只有約3億t。而世界已知的磷礦石儲量約600億t,磷礦石中的氟含量為2% ~4%,相對應(yīng)的氟總量為12~24億t,因此,自然界中90%以上的氟資源都伴生在磷礦石中,磷礦是最具利用價值的氟資源之一[1]。
我國不但是螢石資源消耗大國,也是磷礦消耗大國。磷礦主要屬于碳氟磷灰石系列,近幾年來,我國每年開采的磷礦石量達8000多萬t,且每年開采量仍以5%的速度增長,現(xiàn)階段磷礦石的主要用途80%是磷礦用于制取磷肥,12%用于制取黃磷,8%用于生產(chǎn)飼料及其他磷化工產(chǎn)品[2]。目前,國內(nèi)濕法磷酸的產(chǎn)量每年約為l 000萬t,副產(chǎn)氟硅酸(以15%含量計)約375萬t[通常每生產(chǎn)1 t濕法磷酸(100%P2O5)或普鈣均約各副產(chǎn)0.06 t氟硅酸(100%H2SiF6)],由于沒有完全回收利用,每年磷肥尾氣浪費掉的氟資源有150多萬t,遠大于國內(nèi)每年螢石生產(chǎn)量中氟的總量。由于目前我國氟化工生產(chǎn)主要以螢石為原料,而儲量最大的磷礦石中的氟資源并沒有得到有效開發(fā)利用,這種資源利用狀況的不合理,造成了氟資源的極大浪費。
磷肥生產(chǎn)中的含氟廢氣是很好的氟資源,對其回收利用既實現(xiàn)了氟資源的物盡其用,又解決了廢氣外排的環(huán)境污染問題,而含氟廢氣利用的理想方法在于能同時將其中的氟、硅元素轉(zhuǎn)化為有較高經(jīng)濟價值的氟鹽、白炭黑等氟、硅產(chǎn)品,從而將現(xiàn)有含氟廢氣的利用提高到一個新水平。
因此,利用氟硅酸生產(chǎn)氟化氫是開拓氟資源利用的新途徑,制備高純氫氟酸和無水氟化氫將成為磷肥副產(chǎn)氟硅酸深加工和提高產(chǎn)品附加值的方向之一。
利用磷礦生產(chǎn)磷肥過程中,副產(chǎn)氟硅酸(H2SiF6)由8% ~12%、16% ~25%不等。國外對磷礦中氟資源的利用絕大多數(shù)是從氟硅酸開始,制取氟化物和二氧化硅。國內(nèi)對磷礦副產(chǎn)氟硅酸的利用始于20世紀60年代,主要用于氟硅酸鈉的生產(chǎn)。
自20世紀90年代以來,國家就開始加大對磷礦副產(chǎn)氟硅酸的利用力度,在貴州宏福、廣西鹿寨、江西貴溪和湖北荊襄分別引進4套以氟硅酸法生產(chǎn)氟化鋁的生產(chǎn)線;云南氮肥廠則建成了以氟硅酸法年產(chǎn)8.5 kt冰晶石的工業(yè)裝置。目前由氟硅酸轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品主要有氟硅酸鈉、氟化鋁、冰晶石,還有少量的氟硅酸鉀、氟硅酸鎂、氟化鈉等。氟硅酸鈉仍為氟回收的主導(dǎo)產(chǎn)品,因其市場前景欠佳,造成大量積壓,但近幾年來在氟硅酸及其鹽的綜合利用上出現(xiàn)了新起色。
從目前工藝水平上看,國內(nèi)整體上遠落后于國外。我國氟鹽產(chǎn)品中,88%的氟是來自螢石,僅12%來自磷肥副產(chǎn),近期國內(nèi)氟鹽發(fā)展很快,但只是量的增加,工藝技術(shù)幾乎沒有提高,工藝落后已成為制約我國氟鹽發(fā)展的瓶頸。圖1為磷礦制磷酸濕法回收氟資源工藝中氟耗散的分布情況。
2.2.1 氟化氫單產(chǎn)工藝[3]
目前,依據(jù)原理的不同,由氟硅酸制取氟化氫(HF)的工藝可歸納為如下5類。
1)氟硅酸合成CaF2,傳統(tǒng)法制取HF
Bayer/kalichemie公司采用石灰石中和氟硅酸制得CaF2(螢石),其化學(xué)反應(yīng)式為:
美國礦務(wù)局(Bureau of Mines)開發(fā)了由氟化銨制取CaF2的方法:將氟硅酸氨化得到氟化銨和硅膠,控制pH=9.0有利于硅膠的分離。其化學(xué)反應(yīng)式為:
也有采用熟石灰中和氟硅酸制得CaF2的方法,其化學(xué)反應(yīng)式為:
2)氟硅酸熱分解制取HF(H2SiF6熱解,有機溶劑吸收HF,再精餾分離制HF)
瑞士巴斯(Buss)公司研究了熱法分解氟硅酸的工藝:150℃時,氟硅酸受熱分解為氟化氫和四氟化硅。其化學(xué)反應(yīng)式為:
3)硫酸分解氟硅酸制取HF
(1)美國維爾曼-動力煤氣(Wellman Power-Gas)公司研究了硫酸分解氟硅酸制取HF的工藝。該法主要包括H2SiF6的濃縮、脫水和SiF4的解吸、HF的吸收、精餾等過程。經(jīng)增濃、凈化后的H2SiF6用H2SO4分解制取HF。其化學(xué)反應(yīng)式為:
(2)瑞士戴維工藝技術(shù)公司(Kvaemer)AG研究了類似的生產(chǎn)流程,并建成了中試生產(chǎn)裝置。貴州甕福集團采用該技術(shù)已實現(xiàn)工業(yè)化,其工藝流程如下:反應(yīng)器中的HF以硫酸溶液形式排出,經(jīng)蒸發(fā)、凈化得到HF產(chǎn)品。硫酸在過程中被稀釋,經(jīng)解吸脫出殘余的HF后其w(H2SO4)為70% ~75%返回磷酸或磷肥廠循環(huán)使用。然后,用氟硅酸原料液吸收離開反應(yīng)器的SiF4,得到另一部分氟硅酸和二氧化硅,循環(huán)處理。該方法工藝簡單,通過控制濃硫酸和氟硅酸的熱解條件,在熱解工序中實現(xiàn)四氟化硅和氟化氫的分離;但是,濃硫酸消耗量大,系統(tǒng)氟損失較高,工藝條件不好控制。
(3)波蘭研究了戴維公司的生產(chǎn)流程,不同之處在于使H2SiF6形成H2O-SiF4-HF空氣混合物,用w(H2SO4)95%的硫酸進行干燥,吸水后的硫酸送反應(yīng)器中分解H2SiF6,而氣態(tài)HF采用發(fā)煙硫酸吸收,分解過程中產(chǎn)生的稀硫酸用來分解磷礦石生產(chǎn)過磷酸鈣。該方法生產(chǎn)工藝簡單,生產(chǎn)成本較低,用過的硫酸可用于分解磷礦石,已成功實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),但工藝條件不易控制。
(4)俄羅斯專利USSR 174610采用電滲析法提濃氟硅酸溶液,然后加入濃硫酸使其中的氟硅酸分解成四氟化硅和氟化氫。該工藝的缺點是電耗較大,工業(yè)化不經(jīng)濟。
(5)瑞士巴斯(Buss)公司研究了較為完善并已實現(xiàn)工業(yè)化的Buss工藝。
將H2SiF6溶液濃縮至 w(H2SiF6)45%,用w(H2SO4)98%的硫酸分解H2SiF6溶液,產(chǎn)生的SiF4用w(H2SiF6)20%的溶液吸收,H2SO4和HF的溶液進入精餾系統(tǒng),分離出70% ~75%的H2SO4,得到粗級HF氣體,再經(jīng)凈化、除雜制得無水氟化氫(AHF)。副產(chǎn)硅膠沒有得到充分回收利用。
(6)國內(nèi)的銅化集團公司(六國化工)進行了類似的研究探索,利用磷復(fù)肥副產(chǎn)的氟硅酸生產(chǎn)出中等濃度的氫氟酸,該工藝已成功實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),但副產(chǎn)硅膠沒有得到充分回收利用。
4)制取氟硅酸鈉生產(chǎn)HF
一些磷肥廠用堿性水溶液吸收四氟化硅廢氣,制取氟硅酸鈉,再加熱使其分解為氟化鈉和四氟化硅,氟化鈉與濃硫酸反應(yīng)得到HF氣體與硫酸鈉,HF氣體經(jīng)冷凝或用水吸收得到氫氟酸,四氟化硅返回系統(tǒng)循環(huán)利用。該工藝多用于小型磷肥企業(yè),所得產(chǎn)品品質(zhì)不高。
5)制取氟化鹽溶液,電滲析制得HF
美國專利US 3787304采用堿溶液處理氟硅酸溶液,使其生成氟化鹽和二氧化硅,過濾后氟化鹽溶液進行電滲析,重新生成堿溶液和氫氟酸溶液,氫氟酸經(jīng)過蒸餾處理得到無水氟化氫。該工藝的缺點是電耗較大,工業(yè)化生產(chǎn)不經(jīng)濟。
在上述5類工藝中,用硫酸分解氟硅酸制取HF的流程對磷肥廠最為合適。該工藝過程,沒有熱轉(zhuǎn)化,不消耗其他輔助原料,用過的硫酸可用于分解磷礦石,經(jīng)濟效益較好。
2.2.2 氟化氫聯(lián)產(chǎn)工藝
由氟硅酸制取HF的單產(chǎn)工藝都存在一個共同的問題:副產(chǎn)硅膠沒有得到充分回收利用。因此,國內(nèi)外科研單位開始積極研究與開發(fā)聯(lián)產(chǎn)工藝,力爭使副產(chǎn)硅膠得到充分回收利用。
1)沉淀氟硅酸鹽與濃硫酸反應(yīng)生產(chǎn)HF
四川大學(xué)化工學(xué)院磷復(fù)肥及磷酸鹽研究室利用磷肥副產(chǎn)的氟硅酸生產(chǎn)無水氟化氫新技術(shù),其特點是利用能與氟硅酸沉淀的金屬陽離子與之反應(yīng),生成高純度的沉淀氟硅酸鹽,沉淀氟硅酸鹽在高溫下與濃硫酸反應(yīng),可直接生產(chǎn)純度很高的硫酸鹽、四氟化硅和氟化氫。其化學(xué)反應(yīng)式為:
2)氟硅酸制取無水HF的氟氫化鈉/鉀工藝
(1)愛爾蘭都柏林化學(xué)股份有限公司和英國ISC化學(xué)公司開發(fā)了由NaHF2制取HF的工藝(IMC工藝),并成功地進行了工業(yè)規(guī)模試驗。主要過程為:首先用氨中和氟硅酸,分離二氧化硅。然后NH4F與KF作用,釋放出的氨返回中和工段。
結(jié)晶出的KHF2用NaF懸浮液進行復(fù)分解制得NaHF2,KF返回系統(tǒng)循環(huán)使用,其化學(xué)反應(yīng)式為:
分離出NaHF2晶體經(jīng)干燥送回轉(zhuǎn)爐在300℃進行分解,其化學(xué)反應(yīng)式為:
HF經(jīng)冷卻、凈化、精餾得到氫氟酸或無水氫氟酸。
(2)德國Hanover工藝與IMC工藝類似,工藝流程相同,不同之處在于添加等摩爾的氟化鉀生成氟化氫鉀。該方法工藝流程簡捷,氟化鈉(或氟化鉀)作為載體在系統(tǒng)中循環(huán)沒有消耗,副產(chǎn)的硅膠得到充分回收利用,但過濾環(huán)境惡劣,等摩爾的配比很難控制。
(3)吉首大學(xué)與華東研究院研究了類似IMC的工藝流程,與IMC工藝不同之處在于由鉀鹽轉(zhuǎn)化濃縮制得的KHF2經(jīng)結(jié)晶后直接熱分解制取AHF,省去了鈉鹽轉(zhuǎn)化分離與結(jié)晶工序。該方法工藝流程簡捷,氟化鉀作為載體在系統(tǒng)中循環(huán)沒有消耗,副產(chǎn)硅膠得到充分回收利用,但過濾困難,整個系統(tǒng)中能耗較高,經(jīng)濟效益并不明顯。
(4)氟硅酸制取無水HF的二氟氫銨工藝
云南云天化國際化工股份有限公司與天津化工設(shè)計研究院聯(lián)合開發(fā)了氟硅酸生產(chǎn)氫氟酸技術(shù)。利用濕法磷酸副產(chǎn)氟硅酸氨化生產(chǎn)氟化銨溶液,過程分多步進行;再通過控制每一步的氨化條件調(diào)整白炭黑聚集體形貌與比表面積,使產(chǎn)生的白炭黑濾餅易于過濾、洗滌,具有高活性結(jié)構(gòu);過濾后的濾餅用不同濃度的稀氟化銨溶液和清水多次洗滌,回收夾帶的氟母液,氟化銨溶液再進一步生產(chǎn)氫氟酸,使氟硅酸中氟、硅全部轉(zhuǎn)化為氟、硅產(chǎn)品得到利用?;瘜W(xué)反應(yīng)式為:
進人21世紀以來,隨著氟化工業(yè)對氟化氫或氫氟酸需求量的進一步增長,利用氟硅酸為原料開發(fā)氟化氫或氫氟酸技術(shù)已成為人們關(guān)注的熱點。美國是研究、采用氟硅酸生產(chǎn)氫氟酸的最大國家之一,其中的氫氟酸有近60%來自氟硅酸生產(chǎn),其生產(chǎn)技術(shù)已在波蘭的大型磷肥企業(yè)成功應(yīng)用。此外英國、德國、瑞士等國家也都在開發(fā)以氟硅酸為原料生產(chǎn)氟化氫的生產(chǎn)工藝。
磷化工副產(chǎn)氟硅酸生產(chǎn)無水氟化氫是最具開發(fā)前景的方向。據(jù)中國磷肥協(xié)會統(tǒng)計,中國2013年高濃度磷肥的產(chǎn)量規(guī)劃為1.6×107t。按此計算,需消耗磷礦量約為5.8×107t,如果其中的氟回收率以40%計,那么可回收無水氟化氫量約為7.3×105t/a,大大超過中國2008年無水氟化氫的總產(chǎn)量(約4.5×105t)。目前中國已有60余家企業(yè)在生產(chǎn)或計劃生產(chǎn)無水氟化氫,從國內(nèi)外市場的發(fā)展趨勢看,尚有較大的發(fā)展空間。
利用磷肥副產(chǎn)氟硅酸制備高純氫氟酸和無水氟化氫,進一步制造附加值更高的精細氟化工產(chǎn)品,既可為企業(yè)帶來豐厚的經(jīng)濟效益及環(huán)境效益,也可產(chǎn)生明顯的社會效益。因此,今后應(yīng)加大磷礦伴生氟資源產(chǎn)業(yè)化的研究力度,積極開發(fā)高科技、高附加值的產(chǎn)品,向產(chǎn)業(yè)鏈的橫向和縱深發(fā)展,以有限的資源,獲得最大的經(jīng)濟利益,同時,兼顧副產(chǎn)硅膠的綜合利用。
氫氟酸是螢石、磷礦等含氟資源實現(xiàn)化學(xué)深加工、發(fā)展氟化工的關(guān)鍵中間產(chǎn)品。2003年中國氫氟酸需求量約為38.2萬t,2009中國氫氟酸需求量約為91.7萬t。截至2013年10月,國內(nèi)無水氟化氫/氫氟酸的總生產(chǎn)能力有180多萬t,實際產(chǎn)量約100萬t,其中1萬t生產(chǎn)能力裝置已經(jīng)有近60套,超過3萬t的有11家,大型生產(chǎn)裝置能力占AHF總生產(chǎn)能力的主導(dǎo)地位,我國已成為世界第一大氫氟酸生產(chǎn)基地。而磷礦伴生氟資源的無水氟化氫/氫氟酸的產(chǎn)能還不到5萬t/a,因此,從國內(nèi)外市場的發(fā)展趨勢看,磷礦伴生氟制無水氟化氫/氫氟酸尚有較大的發(fā)展空間。表1為國內(nèi)磷礦伴生氟制無水氟化氫裝置產(chǎn)能情況。
表1 國內(nèi)磷礦伴生氟制無水氟化氫裝置產(chǎn)能情況
20世紀90年代以來,國內(nèi)一些大專院校和科研院所開始進行“濕法磷酸裝置副產(chǎn)氟硅酸生產(chǎn)氫氟酸技術(shù)”的研究與開發(fā)。
吉首大學(xué)與華東研究院以氟硅酸為原料,用氨中和得到氟化銨溶液,同時副產(chǎn)二氧化硅,再將氟化銨溶液在一定條件下反應(yīng)得到KHF2,并放出氨,加熱即可得到氟化氫氣體和氟化鉀。
云天化國際化工公司和天津化工研究設(shè)計院共同開發(fā)以質(zhì)量分數(shù)18%的氟硅酸為原料,通入氨氣,中和至pH為8~8.5過濾,洗滌后除去二氧化硅沉淀。氟化銨溶液蒸發(fā)濃縮得到二氟氫銨固體,濃縮產(chǎn)生的氨氣經(jīng)冷凝后送到硫酸或磷銨裝置回收,固體二氟氫銨與硫酸在高溫下反應(yīng),生成的氟化氫氣體經(jīng)凈化、吸收得到氫氟酸或經(jīng)凈化、冷凝得到無水氟化氫。
四川大學(xué)化工學(xué)院磷復(fù)肥及磷酸鹽研究室利用自身優(yōu)勢,自2002年開始對磷肥副產(chǎn)的氟硅酸開展技術(shù)應(yīng)用研究,利用能與氟硅酸沉淀的金屬陽離子反應(yīng),生成高純度的沉淀氟硅酸鹽,沉淀氟硅酸鹽與濃硫酸在高溫下反應(yīng),可以直接生產(chǎn)純度很高的硫酸鹽、四氟化硅和氟化氫。
但以上已磷礦副產(chǎn)氟硅酸制無水氟化氫技術(shù)大都處在小試或中試階段,未完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
貴州甕福藍天氟化工股份有限公司是甕福集團公司與浙江藍天環(huán)保高科技有限公司合資新建的股份公司,該公司采用源自瑞士戴維公司“濃硫酸法”工藝,并集中科研力量對引進的氟硅酸制取有水氟化氫技術(shù)進行改造,采用一步法工藝,將氟硅酸直接分解為氟化氫和二氧化硅。探索出一條不同于螢石法生產(chǎn)無水氟化氫工藝技術(shù)的新途徑,投資約2億元,建設(shè)世界上第一套2萬t/a氫氟酸裝置,已于2008年4月25建成投產(chǎn)。與國內(nèi)目前正處于研發(fā)中的由氟硅酸兩步法制取氟化氫技術(shù)相比,該技術(shù)擁有流程短、能耗少、成本低等優(yōu)點,但對設(shè)備的要求比較高。該裝置生產(chǎn)的無水氟化氫達能到工業(yè)級優(yōu)等品標準,但隨后出現(xiàn)的設(shè)備問題一度阻礙了裝置的連續(xù)運行。首先是在氫氟酸的強烈腐蝕下,硫酸和氟硅酸的混合反應(yīng)器設(shè)備襯里出現(xiàn)破損,給安全生產(chǎn)和環(huán)境帶來風險。緊接著從德國進口的氫氟酸和氟硅酸的分離器在高溫、強腐蝕條件下,僅4個月就被迫報廢。為解決設(shè)備問題,甕福藍天與國內(nèi)設(shè)備廠家針對新工藝特點進行攻關(guān),創(chuàng)新改進了設(shè)備結(jié)構(gòu),使裝置一步步達到長周期運行的條件。從裝置投料試車成功到基本保持穩(wěn)定生產(chǎn),甕福藍天花了大半年的時間。2009年裝置運行基本保持順暢,但在金融危機的大形勢下,沒能實現(xiàn)盈利,處于虧損狀態(tài)。2010年,該裝置扭虧為盈。2011年,該裝置產(chǎn)出無水氟化氫產(chǎn)品1.5萬t,產(chǎn)品質(zhì)量已達到GB7746-1997一等品標準,部分產(chǎn)品質(zhì)量指標達到優(yōu)等品標準,利潤超過3000萬元,真正實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行。至此,由磷肥副產(chǎn)氟硅酸直接制取無水氟化氫的工藝技術(shù)真正在我國落地生根。這標志著我國由氟硅酸制取無水氟化氫的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,該裝置也成為采用該技術(shù)的世界第一套穩(wěn)定運行的工業(yè)化裝置。同時公司與浙江化工研究院合作,即將開發(fā)有機和無機氟化工高端材料,正在鋪就一條提高資源綜合利用、延長磷化工產(chǎn)業(yè)鏈、推動循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的全新道路,將對世界氟化工業(yè)產(chǎn)生深遠的影響。
新工藝很快在甕福集團內(nèi)部實現(xiàn)了復(fù)制,2012年1月12日,位于上杭縣蛟洋工業(yè)園區(qū)的福建甕福藍天公司年產(chǎn)1萬t無水氟化氫項目舉行開工奠基儀式。福建甕福藍天公司年產(chǎn)1萬t無水氟化氫項目,是甕福紫金濕法磷酸配套項目,也是全球第二套從磷礦中回收氟資源加工氟化氫的項目,總投資約1.7億元,于2012年8月建成投產(chǎn),項目建成后可現(xiàn)年銷售收入近1億元,利稅3600萬元。
此外,貴州開磷集團和貴州省化工研究院共同攻關(guān),成功研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無水氟化氫技術(shù),并產(chǎn)出純度為99.94%的無水氟化氫產(chǎn)品,2011年,采用該技術(shù)已建成1000 t/a無水氟化氫中試裝置,技術(shù)指標與目前國際上最為成熟的瑞士戴維技術(shù)相比,單程實際轉(zhuǎn)化率提高60%,目前已申請發(fā)明專利3項。2012年1月1日,貴州開磷集團2萬t/a無水氫氟酸聯(lián)產(chǎn)1萬t/a沉淀白炭黑項目開工,該項目選址于息烽縣小寨壩工業(yè)園核心區(qū),投資1.8億元,已于2012年底建成,投產(chǎn)后年創(chuàng)產(chǎn)值2億元。
在世界螢石資源緊缺的情況下,世界環(huán)境保護要求的日益加強、氟資源的短缺及氟化工業(yè)的快速發(fā)展,均為磷礦伴生氟資源的利用提供良好的機遇和發(fā)展前景。要按照可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟理念要求,加大磷礦資源保護與有效開發(fā)利用的力度,增強技術(shù)創(chuàng)新能力,加大研發(fā)投入,應(yīng)用高新技術(shù)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù),延伸產(chǎn)業(yè)鏈,加強磷礦伴生氟資源的高效利用。
隨著我國磷肥副產(chǎn)氟硅酸及其鹽技術(shù)開發(fā)的成熟,將逐步代替現(xiàn)有的螢石法生產(chǎn)氟化氫及氟鹽,進而形成氟系列產(chǎn)品鏈。磷礦伴生氟資源已是氟化工產(chǎn)業(yè)的重要原料,氟化工及其精深加工產(chǎn)業(yè)鏈作為具有重大帶動作用的行業(yè),是國家重點鼓勵發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。特別是以氟化氫和碳烴物可生產(chǎn)重要的有機氟化工產(chǎn)品如 CFCs(含氯、氟、碳化合物)、HCFCs(含氫、氯、氟碳化合物)、HFCs(含氫、氟、碳化合物)、氟烴單體及其氟聚合物(氟樹脂和氟橡膠)等,同時還可以進一步制造附加值更高的精細氟化工產(chǎn)品。
因此,關(guān)注磷礦伴生氟資源回收利用制無水氟化氫技術(shù)及其工業(yè)化,對促進我國氟化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
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