MỞ ĐẦU Phân bón là thức ăn cho cây trồng giúp cây trồng tăng trưởng và phát triển và tăng năng suất và sản lượng thiếu phân cây không thể sinh trưởng cho năng suất thấp. Như vậy, phân bón có vai trò rất quan trọng trong việc thâm canh và trồng trọt, bảo vệ cây trồng và nâng cao độ phì nhiêu của đất. Qua nhiều quy trình về chuẩn bị và tuyển chọn quặng, nhiên liệu và nguyên liệu, sau đó được tuyển và trộn thành phối liệu đầu vào. Phối liệu đầu vào được đưa đi nung bằng nhiều phương pháp khác nhau, qua nhiều giai đoạn sản xuất cho ra bán thành phẩm, sau đó bán thành phẩm được làm lạnh nhanh để cho ra được sản phẩm theo yêu cầu về kích thước, hàm lượng… Trong bài báo cáo thực tập này em sẽ nêu rõ về quy trình, phương pháp, nguyên liệu, phối liệu đầu vào… Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu em đã phát hiện ra sự tương đồng của quá trình sản xuất phân bón và quá trình sản xuất photpho vàng Lào Cai về chế độ nung, nhiệt độ nung, và nguyên liệu đầu vào.
Bên cạnh đó quá trình sản xuất photpho vàng gây ra các vấn đề môi trường thải ra một lượng lớn xỉ thải. Khi phân tích hàm lượng và thành phần xỉ thải em thấy có sự giống nhau về thành phần trong phân bón và xỉ thải đó là thành phần silic. Như vậy, trong bài báo cáo này em sẽ làm rõ các nội dung sau: –Quá trình sản xuất photpho vàng và phân lân. –Các vấn đề môi trường trong sản xuất photpho vàng và phân lân.
–Đưa ra phương pháp phân tích hàm lượng silic hữu hiệu trong phân bón. Công nghệ sản xuất photpho và xử lý xỉ thải 1. Một số vấn đề về nguyên lý điều chế photpho vàng Bản chất của quá trình thăng hoa photpho từ nguyên liệu photphat là dùng cacbon để khử photpho trong quặng photphat thông qua hợp chất nóng chảy (gọi là photpho - silic) ở nhiệt độ khoảng 1450 oC. Nhưng để xỉ dễ chảy người ta phải nâng nhiệt độ tới 1600oC.
Vì vậy công nghệ sản xuất phốtpho vàng là một trong những công nghệ tiêu hao nhiều năng lượng nhất. Để giảm tiêu hao nhiệt năng cần quan tâm tới những vấn đề chính sau: - Đảm bảo nhiệt độ nóng chảy của hệ ở mức thấp - Tốc độ khử photpho cao - Đạt mức độ khử cao nhất Trong hệ CaO - P2O5 - SiO2, điểm etecti có nhiệt độ 1350oC, tương ứng với thành phần (% mol): P2O5 – 15. Tỷ lệ SiO2: CaO = 0. Tỷ lệ này gọi là mođun axit, ký hiệu là Ma.
Hệ apatit-quaczit đã được nghiên cứu khá đầy đủ. Mối quan hệ giữa hàm lượng P 2O5 và Ma với nhiệt độ nóng chảy được thể hiện ở các Hình 1 và 2. Hình 1: Nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp apatit-quaczit 6 Hình 2: Nhiệt độ nóng chảy của xỉ phottpho Người ta cũng đã xác định rằng cơ chế của quá trình khử phốtpho là cơ chế mang đặc trưng khuếch tán. Theo cơ chế khuếch tán thì tốc độ chuyển phần tử hoạt tính đến bề mặt tác nhân phản ứng phụ thuộc vào độ nhớt của môi trường, nghĩa là trong trường hợp này phụ thuộc vào môđun axit và nhiệt độ (Hình 3).
Hình 3: Độ nhớt của hỗn hợp nóng chảy photphat-silic phụ thuộc vào nhiệt độ và hàm lượng P2O5, khi Ma =0.8 Mức độ khử phốtpho cũng phụ thuộc vào nhiệt độ (Hình 4), còn tốc độ của quá trình khử chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hạt của các cấu tử, số lượng và loại chất khử. 7 Hình 4: Sự thay đổi hàm lượng P2O5 trong xỉ ở nhiệt độ khác nhau Bằng thực nghiệm người ta thấy rằng, hoạt tính của các chất khử giảm theo thứ tự sau: than gỗ, than cốc, graphit, antraxit, cốc dầu mỏ. Tốc độ khử photpho trong quặng photphat nói chung rất khác nhau do thành phần của chúng không đồng nhất. Hàm lượng tạp chất MgO đến 6% (tương đương trong quặng apatit loại II Lào Cai) không làm giảm tốc độ phản ứng.
Tốc độ phản ứng có thể tăng khi có mặt một hàm lượng nhỏ tạp chất trong quặng photphat. Tạp chất sắt cũng thúc đẩy quá trình khử canxi photphat, nhưng khi hàm lượng sắt lớn sẽ tạo thành nhiều pherophotpho, gây tổn thất photpho. Còn oxit nhôm sẽ làm giảm nhiệt độ chảy của xỉ (Hình 5). Hình 5: Nhiệt độ nóng chảy của xỉ phụ thuộc vào hàm lượng Al2O3 8 Việc thay thế chất trợ dung cũng làm thay đổi tốc độ phản ứng.
Khi thay quặng quaczit bằng quặng nêphêlin, tốc độ của phản ứng tăng 1. Bổ sung silic hoạt tính cũng có thể làm tăng tốc độ của phản ứng khử. Yêu cầu về nguyên liệu Yêu cầu chung đối với nguyên liệu dùng trong sản xuất photpho là phải đồng đều về thành phần hạt. Kích thước hạt nguyên liệu phụ thuộc vào công suất của lò photpho.
Kích thước hạt phải thích hợp sao cho có thể đảm bảo cấp liệu dễ dàng, không gây treo liệu, nguyên liệu dễ đi vào vùng phản ứng. Phối liệu cần đảm bảo thông khí tốt, không bị cuốn theo khí, không bị phân tụ trong lò. Ngoài ra, kích thước hạt còn phải đảm bảo bề mặt tiếp xúc với chất nóng chảy, tạo được điện trở lớn. Khoảng cách giữa giới hạn trên và giới hạn dưới về kích thước hạt phải hẹp.
Khi kích thước hạt lớn hơn giới hạn trên sẽ gây treo liệu, phân tụ trong lò. Ngược lại, khi kích thước hạt nhỏ hơn giới hạn dưới thì dễ bị tạo bướu, sự truyền nhiệt giữa phối liệu và dòng khí tăng, dẫn đến tăng nhiệt độ của khí ra khỏi lò. Riêng đối với than cốc, kích thước hạt nguyên liệu lớn sẽ làm giảm hệ số khử canxi photphat. Về thành phần hóa học, nguyên liệu đưa vào lò photpho cần đảm bảo hàm lượng các tạp chất ở mức thấp nhất, ví dụ: hàm lượng nước tự do và nước liên kết, hàm lượng cacbonat, Fe2O3, Al2O3, K2O, Na2O, S, hợp chất hữu cơ.
Đây là những tạp chất có ảnh hưởng bất lợi đến quá trình phản ứng: Lượng nước có trong phối liệu sẽ gây tiêu hao nhiệt để khử nước, nước sẽ oxy hóa phốtpho, tạo thành metaphotphat bám vào điện cực của lọc điện, làm giảm hiệu quả hoạt động của lọc điện. Sự có mặt của nước trong phối liệu sẽ làm tăng lượng SiF4 trong pha khí, gây axit hóa nước tuần hoàn trong hệ thống ngưng tụ phốtpho, làm tăng lượng slam và do đó làm giảm chất lượng sản phẩm. 9 Lượng cacbonat cũng làm tiêu hao nhiệt năng khi cacbonat phân giải thành CO2. Khí CO2 được tạo ra sẽ oxy hóa photpho thành P 2O5 và oxy hóa cacbon thành CO, do đó làm tăng thể tích khí lò và tổn thất photpho.
Hợp chất hữu cơ làm tăng lượng slam khi ngưng tụ phốtpho - Hợp chất lưu huỳnh làm giảm chất lượng sản phẩm. Xử lý quặng vụn Quặng vụn cần được tạo thành cục với kích thước theo yêu cầu. Có ba phương pháp chủ yếu để tạo cục quặng photphat là ép viên, vê viên và thiêu kết. [4] Theo phương pháp ép viên, vật liệu được tạo ẩm, trộn đều rồi ép dưới áp lực 500 - 1000 kg/cm2, kích thước viên 20-150 mm, sau đó các viên được sấy hoặc nung.
Kích thước quặng đưa vào máy ép thường nhỏ hơn 10 -12 mm. Hạt càng nhỏ thì năng suất thiết bị ép càng cao và độ bền của viên quặng thu được càng lớn. Người ta thường dùng lò tunen để xử lý nhiệt những viên đã ép, chất kết dính thường dùng là đất sét hoặc pek. Nhược điểm của phương pháp này là năng suất thiết bị thấp, máy ép mau bị mòn.
Ngoài ra, phương pháp ép viên không loại được cacbonat và nước chứa trong nguyên liệu. Phương pháp vê viên thường dùng để tạo hạt đối với những nguyên liệu có kích thước hạt nhỏ hơn 0.1 mm; trong đó cấp hạt dưới 0. Thiết bị vê viên thường có dạng đĩa quay hoặc trống quay, chất kết dính có thể là bentonit. Kích thước viên thường từ 12 đến 25 mm.
Phương pháp thiêu kết là phương pháp khá phổ biến. Trong công nghiệp luyện kim, phương pháp thiêu kết chiếm 73.2% lượng quặng đưa vào sản xuất, trong khi phương pháp vê viên chỉ chiếm 27. 10 Ở Nga, từ năm 1978 người ta đã áp dụng phương pháp thiêu kết vào sản xuất photpho. Khi thiêu kết quặng sẽ hình thành khí lò chứa PH 3 (2.
Tiếp đó, photpho được hình thành sẽ tác dụng với hơi nước tạo thành PH3 với hàm lượng có khi lên đến 20 mg/ m3. Nếu dùng chất kết dính là dung dịch 2% Na2SiO3 thì lượng flo trong pha khí tăng tới 11 - 88 mg/ m3. Khi mođun axit trong nguyên liệu bằng 0.9, mức độ khử flo thường đạt 4 - 13%, còn mức độ khử lưu huỳnh khi thiêu kết quặng có thể đạt tới 95 - 98%. Như vậy, ưu điểm của phương pháp thiêu kết là khử được H 2O, CO2, S và tạp chất hữu cơ.
[5] Nguyên liệu dạng cục cũng cần được xử lý nhiệt trước khi đưa vào lò. Ở điều kiện thích hợp sẽ khử được các chất bay hơi như CO 2, H2O, S và tạp chất hữu cơ, nhờ đó sẽ giảm đáng kể các chỉ tiêu tiêu hao của quá trình sản xuất phốtpho. Người ta đã xác định được rằng, khi mức độ khử CO 2 trong nguyên liệu đạt 50% thì thời gian làm việc của lọc điện giữa hai kỳ làm sạch sẽ tăng 1.5 lần, tiêu hao than cốc cho 1 tấn photpho giảm hơn 10% và tiêu hao điện năng giảm 1,5 ngàn KWh. Điều rất quan trọng là giảm 2 – 2.5 lần lượng quặng vụn trong lò, nhờ đó cải thiện điều kiện thông khí của phối liệu, giảm 1.5 lần lượng bụi và giảm slam khi ngưng tụ photpho.
Thường các sơ đồ công nghệ sản xuất photpho vàng khác nhau chủ yếu ở phương pháp chuẩn bị nguyên liệu. Sơ đồ nguyên lý của sản xuất phốtpho được mô tả trên Hình 6. 11 Hình 6: Sơ đồ nguyên lý của nhà máy sản xuất photpho vàng. Bộ lọc điện 3.
Thùng chứa bụi tĩnh điện 4. Ngưng tụ nóng 5. Thùng chứa photpho 6. Thùng chứa nước thải 7.
Ngưng tụ lạnh 8. Bộ lọc tay áo 24. Thùng lắng nước thải 9. Cân tự động 25.
Thùng chứa nước tuần hoàn 10. Thùng lắng photpho 11. Thiết bị nung 27. Thùng chứa photpho 12.
Thùng chứa slam 13. Thùng chứa pherophotpho 29. Thiết bị đốt slam 14. Tháp hấp phụ 15.
Các quá trình xảy ra trong lò điện Quan sát diễn biến của các quá trình xảy ra ở từng vùng (zôn) trong lò photpho, ta có thể thấy những vấn đề cần chú ý như sau khi vận hành lò. Trong zôn 1 xảy ra phản ứng hóa học và quá trình nhiệt. Phản ứng hóa học trong zôn này có thể chia ra làm hai nhóm.