磷肥渣生产绿色纳米碳酸钙新技术研究进展

颜鑫 ,  颜璜杰 ,  卢云峰 ,  王俊杰

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3) : 85 -90.

PDF (2060KB)
现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3) : 85-90. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.015
技术进展

磷肥渣生产绿色纳米碳酸钙新技术研究进展

作者信息 +

Research progress on a new technology for producing green nano calcium carbonate from phosphate fertilizer slag

Author information +
文章历史 +
PDF (2109K)

摘要

首次系统全面地梳理了冷冻法硝酸磷肥生产的基本原理和关键技术,提出了氨化中和反应后期NH3/P2O5<1.5,以防止生成磷酸钙,造成有效磷退化损失的观点;从根源上找到了磷肥渣中碳酸钙粒子粗大的原因:吸收塔中碳化反应的NH3/CO2过小,造成生成NH4HCO3为主反应、生成(NH4)2CO3为副反应,转化塔中以生成Ca(HCO3)2为主反应,再进行 Ca(HCO3)2转化CaCO3的慢速反应,不利于CaCO3粒子的超细化,增大NH3/CO2会影响全系统的氨碳平衡。在不改变NH3/CO2的前提下,磷肥渣采用煅烧分解、铵盐浸取、复合碳化法、对置式多喷嘴预碳化技术为主要特征的新工艺,为磷肥渣生产高纯度绿色纳米碳酸钙提供了技术路线,为传统硝酸磷肥生产工艺的绿色转型提供了可行方案。

Abstract

For the first time,the basic principles and key technologies of the production of nitrophosphate fertilizer by the freezing method were systematically and comprehensively sorted out.It was proposed that NH3/P2O5 should be less than 1.5 in the later stage of the ammoniation neutralization reaction to prevent the formation of calcium phosphate and the degradation loss of available phosphorus.The reason for the coarse particles of calcium carbonate in the phosphorus fertilizer residue was found from the root cause:the NH3/CO2 in the carbonization reaction in the absorption tower was too small,resulting in the main reaction of generating NH4HCO3 and the secondary reaction of generating (NH4)2CO3,and the main reaction in the conversion tower was the formation of Ca(HCO3)2,followed by the slow reaction of converting Ca(HCO3)2 to CaCO3,which was not conducive to the ultra-fine particle size of CaCO3.Increasing NH3/CO2 would affect the ammonia-carbon balance of the entire system.Under the premise that NH3/CO2 could not be changed,a new process characterized by calcination decomposition,ammonium salt leaching,composite carbonization reaction and the counter-flow multi-nozzle pre-carbonization technology was adopted for the phosphorus fertilizer residue,providing a technical route for the production of high-purity green nano-calcium carbonate and a feasible solution for the green transformation of the traditional nitrophosphate fertilizer production process.

Graphical abstract

关键词

冷冻法硝酸磷肥 / 对置式多喷嘴预碳化技术 / 复合碳化法 / 绿色纳米碳酸钙 / 磷肥渣

Key words

frozen-process nitrophosphate fertilizer / opposed multi-nozzle pre-carbonization technology / composite carbonization method / green nano-calcium carbonate / phosphate fertilizer slag

引用本文

引用格式 ▾
颜鑫,颜璜杰,卢云峰,王俊杰. 磷肥渣生产绿色纳米碳酸钙新技术研究进展[J]. , 2026, 46(3): 85-90 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.015

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

氟磷灰石的分子式通常用Ca5(PO4)3F或Ca5F(PO4)3表示,也可以用复盐形式(CaO)9·(P2O5)3·CaF2或9CaO·3P2O5·CaF2表示。二者的原子比完全一样,后者分子质量增大1倍,优点是可以直观地看出氟磷灰石的分子结构组成及比例,理论上纯氟磷灰石的CaO/P2O5(物质的量之比,下同)为3∶1,各组分质量分数分别为:w(CaO)=50%、w(P2O5)=42.3%、w(CaF2)=7.7%。由于氟磷灰石中含有多种杂质,如碳酸钙、碳酸镁、氧化铁、氧化铝、二氧化硅等,通常商品氟磷灰石含w(P2O5)=28%~33%、w(CaO)=55%~65%,其中CaO/P2O5为3.3~4.0[1-3]
在硝酸磷肥生产过程中,由于除钙的方法不同而产生了多种生产方法。迄今为止,技术上成熟、已工业化的方法大致有冷冻法、硝酸-硫酸法、硫酸盐法和硝酸-磷酸混酸法[2]。国内以山西天脊煤化工集团股份有限公司(简称天脊集团,下同)为代表的冷冻法硝酸磷肥生产工艺,采用挪威Norsk Hydro工艺(简称N·H工艺)。该工艺中将产生大量的以碳酸钙为主要成分的磷肥渣,亦称碳酸钙废渣[4]。以往磷肥渣常用于水泥生产原料或土壤改良剂,随着近年来全球宏观经济陷入泥淖,国内房地产行业萎靡不振,水泥行业呈逐步萎缩态势,废渣水泥装置首当其冲,纷纷减产、停产,土壤改良剂用量有限,使得大量磷肥渣被迫进行填埋处理。天脊集团年产硝酸磷肥约900 kt,副产磷肥渣约300 kt,双碳时代如何处理磷肥渣问题已经成为该公司乃至整个硝酸磷肥行业的迫切课题。

1 冷冻法硝酸磷肥生产原理与关键技术

1.1 冷冻法硝酸磷肥生产工艺流程

冷冻法硝酸磷肥的主要工艺环节包括磷矿预处理、硝酸分解磷矿粉、酸不溶物分离、冷冻结晶过滤分离硝酸钙、硝酸钙转化、母液氨化中和、中和料浆蒸发浓缩、造粒与干燥、筛分与冷却等[1-3]。工艺流程经归纳整理如图1所示。
冷冻法硝酸磷肥生产的关键环节是硝酸分解磷矿粉、冷冻结晶分离硝酸钙、Ca(NO3)2·4H2O结晶转化、母液氨化中和4个环节,下面分别从这4个方面来分析其生产原理、探讨关键技术。

1.2 冷冻法硝酸磷肥生产原理与关键技术

1.2.1 硝酸分解磷矿粉的原理与关键技术

硝酸分解氟磷灰石的化学反应如下:
$ \begin{array}{c} (\mathrm{CaO})_{9} \cdot\left(\mathrm{P}_{2} \mathrm{O}_{5}\right)_{3} \cdot \mathrm{CaF}_{2}+20(1+x) \mathrm{HNO}_{3} \longrightarrow \\ 6 \mathrm{H}_{3} \mathrm{PO}_{4}+20 \mathrm{Ca}\left(\mathrm{NO}_{3}\right)_{2}+20 x \mathrm{HNO}_{3}+2 \mathrm{HF}(\mathrm{~g}) \end{array}$
式中,过剩系数x=0.05~0.10,这是一个放热、速度较快的气液固三相反应。
酸解槽中,在40~60℃温度下,采用质量分数为50%~60%、过量(105%~110%)稀硝酸溶液来分解细度为80~200目的磷矿粉,反应时间为1~2 h[1-3]。再经过滤除去酸不溶性杂质,如二氧化硅、泥土、少量难溶的磷矿粉等,制得澄清透明的酸解液,酸解液的主要成分是磷酸、硝酸、硝酸钙,HF出系统后经氟吸收室回收处理为Na2SiF6结晶。酸解过程中工艺条件的优化需要仔细考虑和综合权衡反应温度高低、磷矿粉细度大小、硝酸浓度和过量系数大小、反应时间长短、搅拌强度等因素。若反应温度过低、磷矿粉细度过大、硝酸浓度和过量系数过小、反应时间不足、搅拌强度不够等,都将造成磷矿粉分解不完全,会导致后续分离难度增加,酸不溶物增多[1-3]。反之,将导致生产强度和效率降低,产量下降。

1.2.2 硝酸钙的冷冻分离原理与关键技术

冷冻结晶分离硝酸钙是冷冻法硝酸磷肥生产的关键步骤和核心工艺,直接决定磷肥品质、生产效率和经济效益[4-5]。为了制造高水溶性P2O5的硝酸磷肥,必须使溶液中CaO/P2O5降低到≤2.0,且CaO/P2O5越低,磷肥中水溶性P2O5越高,必须除去大部分硝酸钙[1-2]。同时硝酸钙吸湿性较强,除去大部分硝酸钙也有利于改善硝酸磷肥产品在运输、贮存、施用过程的物理性能[1-3]
冷冻分离原理是利用Ca(NO3)2在酸解液中的溶解度随温度下降而急骤降低的特性,N·H工艺中冷冻温度范围一般为-5~-10℃,产生Ca(NO3)2·4H2O结晶,结晶率可达60%~85%,并经双转鼓过滤机分离的方法,达到除钙的目的[4]。冷冻结晶过程的化学方程式[5]如下:
$\begin{array}{c} 5 \mathrm{Ca}\left(\mathrm{NO}_{3}\right)_{2}+4 y \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \overset{冷冻}{\rightleftharpoons} \\ y \mathrm{Ca}\left(\mathrm{NO}_{3}\right)_{2} \cdot 4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{~s})+(5-y) \mathrm{Ca}\left(\mathrm{NO}_{3}\right)_{2} \end{array}$
式中,除钙比例系数y=3~4,当y=3时,除钙率为60%;当y=4时,除钙率为80%。除钙的具体比例取决于冷冻温度的高低,通过精确控制温度高低、降温速度快慢、搅拌速度快慢,来控制结晶速率和结晶率,确保硝酸钙高效分离[3]。反之,若此环节控制不当,会导致钙残留量过高,影响最终硝酸磷肥的P2O5含量及水溶性。分离Ca(NO3)2后的酸解母液,再依次经氨化中和、蒸发浓缩、造粒、干燥、冷却、包裹后得到冷冻法硝酸磷肥产品[5]

1.2.3 氨化中和原理与关键技术

分离Ca(NO3)2后的酸解母液冷冻后,经氨化中和反应生成磷酸铵和硝酸铵,直接决定最终肥料的氮磷比及养分形态[6]。氨化中和主要目的是中和游离的硝酸和磷酸,至浆液pH达5.0~6.5,反应过程如下:
$\mathrm{HNO}_{3}+\mathrm{NH}_{3} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \mathrm{NH}_{4} \mathrm{NO}_{3}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$
$\mathrm{H}_{3} \mathrm{PO}_{4}+\mathrm{NH}_{3} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \mathrm{NH}_{4} \mathrm{H}_{2} \mathrm{PO}_{4}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$
$\mathrm{NH}_{4} \mathrm{H}_{2} \mathrm{PO}_{4}+\mathrm{NH}_{3} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow\left(\mathrm{NH}_{4}\right)_{2} \mathrm{HPO}_{4}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$
氨化中和反应前期,硝酸酸性强,根据硝酸过量系数的大小,酸解母液的pH一般在0.5~1.0之间,氨化反应属于强酸+弱碱的中和反应,反应速度快,以式(3)为主,式(4)为辅,控制pH在1.6~2.0[6]
氨化中和反应后期,硝酸反应基本完毕,氨化反应以磷酸为主体,而磷酸属于三元中强酸,氨化反应属于中强酸+弱碱的中和反应,以式(4)为主,式(5)为辅,直至出口料浆pH提升至5.6~6.0,形成磷酸一铵和磷酸二铵组成的缓冲溶液,二者都属于水溶性磷,理想的比例是磷酸一铵∶磷酸二铵=3∶2,这要求氨化反应后期合适的NH3/P2O5(物质的量之比,下同)维持在1.3~1.5之间,体系必须始终维持在弱酸性条件下。同时,氨化反应后期酸解母液中磷酸多、硝酸很少,易于发生副反应(6):
$\mathrm{H}_{3} \mathrm{PO}_{4}+\mathrm{Ca}\left(\mathrm{NO}_{3}\right)_{2} \longrightarrow \mathrm{CaHPO}_{4}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{HNO}_{3}$
式中,CaHPO4为枸溶性磷,难溶于水,可溶于2%柠檬酸,属于缓析有效磷。如果进行过度氨化反应,即NH3/P2O5>1.5,使出口浆料pH提升至6.5以上时,就可能发生副反应式(7)和式(8)反应,产生既难溶于水、也难溶2%柠檬酸的磷酸三钙,造成有效磷的退化损失。
$\mathrm{H}_{3} \mathrm{PO}_{4}+3 \mathrm{NH}_{3} \longrightarrow\left(\mathrm{NH}_{4}\right)_{3} \mathrm{PO}_{4}+3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$
$\begin{array}{c} 2\left(\mathrm{NH}_{4}\right)_{3} \mathrm{PO}_{4}+3 \mathrm{Ca}\left(\mathrm{NO}_{3}\right)_{2} \longrightarrow \\ \mathrm{Ca}_{3}\left(\mathrm{PO}_{4}\right)_{2}(\mathrm{~s})+6 \mathrm{NH}_{4} \mathrm{NO}_{3} \end{array}$
因此,冷冻法硝酸磷肥生产过程中氨化反应是绝对不容许过度氨化的,出口浆料pH必须控制在6.5以下。

1.2.4 Ca(NO3)2·4H2O结晶转化原理与关键技术

Ca(NO3)2·4H2O结晶传统处理方式需要用蒸气加热熔融后与氨、碳酸铵或熔融尿素反应,加工为硝酸铵钙[5Ca(NO3)2·NH4NO3]或尿素硝酸钙[Ca(NO3)2·4CO(NH2)2]等产品。硝酸铵钙是一种含速效氮和水溶性钙的新型高效氮肥,可直接被作物吸收利用,同时,硝酸铵钙属于生理碱性肥料,对酸性土壤有改良作用,但可溶性钙含量过高、易吸潮板结及单位养分价格高而受到一定程度的限制[5]
尿素硝酸钙集硝态氮和酰胺态氮于一体,且水溶性钙含量不高,仅为硝酸铵钙的1/2到1/4,但无水尿素硝酸钙生产工艺先后要经历四水硝酸钙的溶解、石灰乳中和、过滤除杂、蒸发浓缩,依次得到二水硝酸钙、一水硝酸钙,然后加入熔融尿素,分别得到二水尿素硝酸钙、一水尿素硝酸钙、无水尿素硝酸钙3个产品,可见工艺相当复杂、能耗高、成本大,且所得最终产品无水尿素硝酸钙的含氮量为34%,含可溶性钙9.5%,氮钙总量都低于尿素46.2%的含氮量[5],附加值升值并不大。迄今为止,尿素硝酸钙在公开的信息中还没有披露产量情况,也没有行业标准,尚不构成一个独立的氮肥或复合肥品种。
天脊集团分离出的Ca(NO3)2·4H2O结晶送往转化器,与两铵液[NH4NO3+(NH4)2CO3]一起反应生成沉淀碳酸钙和硝酸铵溶液。经过滤分离,所得硝酸铵液经浓缩后返回氨化中和器加以循环利用,而沉淀碳酸钙成为磷肥渣的主要成分。该法工艺简单、能耗少、成本低,得到行业的普遍认可。硝酸钙转化反应分两步进行:
一是NH3·H2O和CO2在填料吸收塔内发生下列反应:
$2 \mathrm{NH}_{3} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+\mathrm{CO}_{2} \longrightarrow\left(\mathrm{NH}_{4}\right)_{2} \mathrm{CO}_{3}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$
$\mathrm{NH}_{3} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+\mathrm{CO}_{2} \longrightarrow \mathrm{NH}_{4} \mathrm{HCO}_{3}$
二是(NH4)2CO3、NH4HCO3分别与Ca(NO3)2在转化槽内分别发生下列反应:
$\begin{array}{c} \left(\mathrm{NH}_{4}\right)_{2} \mathrm{CO}_{3}+\mathrm{Ca}\left(\mathrm{NO}_{3}\right)_{2} \longrightarrow \\ \mathrm{CaCO}_{3}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{NH}_{4} \mathrm{NO}_{3} \end{array}$
$\begin{array}{c} 2 \mathrm{NH}_{4} \mathrm{HCO}_{3}+\mathrm{Ca}\left(\mathrm{NO}_{3}\right)_{2} \longrightarrow \\ \mathrm{Ca}\left(\mathrm{HCO}_{3}\right)_{2}+2 \mathrm{NH}_{4} \mathrm{NO}_{3} \end{array}$
$\mathrm{Ca}\left(\mathrm{HCO}_{3}\right)_{2} \rightleftharpoons \mathrm{CaCO}_{3}(\mathrm{~s})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g})$
可见,冷冻法硝酸磷肥由硝酸铵、磷酸一铵(NH4H2PO4)、磷酸二铵[(NH4)2HPO4]、磷酸二钙(CaHPO4)、硝酸钙5种主要成分组成,优等品中总氮+P2O5>40%,属于高浓度二元复合肥。冷冻法硝酸磷肥是一种硝基氮和铵基氮同在、水溶性磷和枸溶性磷共存的氮磷二元复合肥,其独特的氮磷配比和比较全面的中微量元素更适合绝大多数的农作物生长,可以有效地对土地中的微量元素进行补充,增强农作物抗灾、抗旱、抗病等能力,提高农作物的产量[3]。硝态氮的利用率高,与同养分的尿素基氮磷复肥相比,硝基复肥不仅能使作物增产8%~25%,产品品质还有所提高,因而得到广大农民的青睐,只要能有效解决好磷肥渣的问题,冷冻法硝酸磷肥不仅可能取代其他工艺的硝酸磷肥,而且可以大量取代低浓度的普通过磷酸钙,发展空间和潜力都很大。

1.3 磷肥渣碳酸钙颗粒粗大的根源及解决办法

从系统排出的磷肥渣呈白色粉末状,为湿物料,带有一定的氨味,pH为7.2~8.0,呈弱碱性,物料含水量一般在5%~15%,化学成分主要为完全化学合成的沉淀碳酸钙,含量一般为85%~93%,并含有一定量的磷酸盐以及少量氟化物和其他微量元素,白度为75%~85%,达不到工业轻质碳酸钙的质量要求,除了用于水泥行业和土壤改良剂之外,目前还没有发现其他的应用价值,只能进行填埋处理。天脊集团磷肥渣的理化性质如表1所示。
可见,碳酸钙D50将近57 μm,颗粒相当粗大,这归结于吸收塔内的氨水与CO2之间的碳化反应,当NH3/CO2>2时,吸收塔中是以式(9)为主反应的话,转化塔中将以式(11)为主反应,这是一个极速反应,根据结晶原理,极速反应有利于短时间内形成大量碳酸钙晶核,有利于碳酸钙粒子的超细化。反之,当NH3/CO2<2时,吸收塔中以式(10)为主反应,式(9)为副反应,而转化塔中是以式(12)为主反应,以式(11)为副反应,再接着发生式(13)反应,式(13)属于一个可逆的慢速反应,极不利于碳酸钙粒子的超细化,这正是磷肥渣粒子粗大的根源。
如果要从根源上解决碳酸钙粒子粗大的问题,就必须增大吸收塔内的氨碳比,使NH3/CO2>2,将促使碳化反应以式(9)为主反应,进一步地促使转化反应以式(11)为主反应,以式(12)为副反应,从而基本消除式(13)反应对碳酸钙粒径大小的影响。但增大NH3/CO2势必将影响全系统的氨碳平衡,并影响到相关工艺参数,甚至可能影响到冷冻法硝酸磷肥的产量、质量和效率等。磷肥渣的化学成分如表2所示。
值得说明的是,磷肥渣中SiO2可以与HF反应生成SiF4气体和水,然后用NaCl水溶液吸收SiF4反应生成Na2SiF6结晶。未反应的部分SiO2则归入了酸不溶物中,因此,磷肥渣中残留SiO2可以忽略不计。

2 磷肥渣生产绿色纳米碳酸钙新工艺

增大冷冻法硝酸磷肥生产工艺吸收塔中的NH3/CO2,从根源上控制碳酸钙粒径大小,却势必改变全厂的氨碳平衡。因此,在经过深入研究和实验验证之前不能随便改变系统的NH3/CO2
结合现有绿色纳米碳酸钙生产技术,磷肥渣经煅烧→铵盐浸取→过滤洗涤、复合碳化→湿法改性→过滤洗涤→二级干燥→磨粉包装,最终得到纳米碳酸钙产品[7-11]。由于纳米碳酸钙产品来源于工业固废磷肥渣,不同于传统的氢氧化钙浆液生产的纳米碳酸钙,故名绿色纳米碳酸钙,简称绿色纳米钙[7-8],工艺流程如图2所示。
磷肥渣生产绿色纳米碳酸钙工艺流程之关键技术主要有以下3个方面。

2.1 煅烧分解磷肥渣有利于生产高纯度产品

磷肥渣的主要成分是碳酸钙,常温下化学性质非常稳定,易溶于强酸。如采用工业废盐酸来分解,可得到CaCl2溶液,且生产成本较低。但盐酸也会与磷肥渣中的其他金属氧化物发生反应,如Fe2O3、Al2O3、MgO等,造成CaCl2溶液的纯度不高,所得CaCl2价值和用途都不大。
碳酸钙还可以采用高温煅烧方式分解为CaO和CO2,其他金属氧化物则不会发生分解,而CaO的化学性质相当活泼,为后续工序生产纯净的CaCl2-NH3H2O溶液和高纯度的绿色纳米碳酸钙创造了有利条件。磷肥渣的煅烧设备可采用流化床,也可采用回转窑,这需要将磷肥渣预先制成直径为10~30 mm球形或椭球形颗粒,有利于在回转窑中具有适当的移动速度。煅烧反应的温度一般为 1 100~1 200℃,这与石灰窑的煅烧温度是一致的[12],确保在适宜的时间内使碳酸钙得到充分分解。煅烧产生的窑气经旋风分离除尘、洗涤除尘、脱硫脱硝后得到含CO2的纯净窑气用于碳化反应[12],达到绿色低碳和循环经济的目标和效果。

2.2 铵盐浸取进行钙的分离有利于生产高纯度产品

煅烧后的磷肥渣主要成分是CaO,类似于生石灰,呈疏松粉末或球形颗粒,CaO含量为85%~90%,略低于传统的生石灰,如果采用传统生产工艺难以生产出纯度和白度都合格的纳米碳酸钙产品。
采用工业废盐酸来分解煅烧磷肥渣的话,极易与CaO反应生成CaCl2溶液,但盐酸也同样会与其他金属氧化物(如Fe2O3、Al2O3、MgO等)发生反应,造成CaCl2溶液纯度不高,价值不大。
采用NH4Cl与煅烧磷肥渣进行浸取反应来分离钙元素,1 mol/L NH4Cl溶液的pH仅为5.12,酸性极弱,煅烧磷肥渣中只有CaO或Ca(OH)2会快速与NH4Cl溶液进行浸取反应,而惰性得多的Fe2O3、Al2O3、MgO等金属氧化物在弱碱性的氨水溶液中基本上不能进行浸取反应,从而可制得纯度较高的CaCl2-NH3H2O溶液,而难溶的金属氧化物过滤后归入不溶性残渣之中,同时得到了澄清透明的CaCl2-NH3H2O溶液,为后续生产高纯度的绿色纳米碳酸钙创造了条件。浸取反应条件为常温常压,反应速度较快且相当温和,反应温度为25℃、浆液质量分数为10%时,NH4Cl用量为理论用量的105%时,反应时间仅为40~50 min[7-8]

2.3 复合碳化法是生产绿色纳米碳酸钙的理想工艺路线

本文中将可能的碳化工艺路线归纳总结为4种,如表3所示。

2.3.1 CO2碳化法

常温下CaCl2-NH3H2O溶液的碱性较弱,pH仅为10~11,明显小于石灰乳的12.7左右。如果单纯采用CO2碳化反应,属于弱碱NH3H2O与气态弱酸酐CO2之间的慢速反应,溶液中不能产生较大的过饱和度,不利于形成大量晶核,不利于碳酸钙粒子的超细化,只有利于晶体长大。因此,所得碳酸钙产品D50往往达数十微米,再加上可能夹带Cl-,这样的沉淀碳酸钙几乎没有应用价值[8]

2.3.2 碳酸盐碳化法

单纯采用可溶性碳酸盐作为碳化剂进行碳化反应,如Na2CO3、(NH4)2CO3等,极速反应有利于生成纳米级碳酸钙。但碳化剂相对价格昂贵,生产成本高,甚至高于纳米碳酸钙本身的价格,且不能消纳CO2,没有固碳效益,该工艺也几乎没有实际意义[8]

2.3.3 复合碳化法

复合碳化反应为制备纳米碳酸钙的关键步骤[7-11],包括碳酸盐预碳化反应和CO2碳化反应两步,结合了二者共同优点,避免了二者的缺点。预碳化反应将小部分CaCl2-NH3H2O溶液(占总量的5%~20%)与等当量的可溶性碳酸盐进行快速的复分解反应,得到大量CaCO3晶种,为后续的CaCO3粒径大小可调可控创造条件[7-11]。预碳化反应所占CaCl2-NH3H2O溶液的比例大小是决定CaCO3粒径大小的关键,比例越大,CaCO3粒径越小,但固碳效益也越小,碳化剂成本也越高[7-11]。新工艺创造性地采用了对置式多喷嘴预碳化专利技术[13],预碳化釜的独特结构关键在于可形成左右同平面、同轴、相向、对称的一对喷嘴,或者左右前后分别同平面、同轴、相向、对称的多对喷嘴,每一对喷嘴分别喷入相同物质的量的碳化剂溶液和钙源溶液,二者经过快速碰撞、极速碳化反应形成CaCO3晶种浆液,无需设置搅拌装置,降低了电耗[13]。对置式多喷嘴预碳化能有效控制产品粒径大小,提高产品质量、生产效率和CO2的利用率。
占总量80%~95%的CaCl2-NH3H2O溶液进行CO2碳化反应,这是一个CaCO3粒子长大的过程,该步骤比例越大,产品固碳越多,但也越不利于粒径大小的控制[7-11]。本步骤为慢速反应,碳化前期氨的浓度较高、溶液碱性较强、碳化速度相对较快,此时CO2扩散为控制步骤。而CO2碳化反应后期,氨的浓度已经很小,pH仅为7~8,溶液碱性微弱,而CO2浓度、扩散和电离速度都一如既往,此时氨的电离平衡为控制步骤[7-8]。难能可贵的是,复合碳化反应和过滤洗涤后所得的滤液为氯化铵溶液,理论上完全可以满足浸取反应的需要,但由于氨的挥发损失,实际生产中将尽可能采取措施进行氨的回收利用,并适当补充少量氨水[11]
可见,复合碳化法为生产高纯度的绿色纳米碳酸钙提供了技术路径,为冷冻法硝酸磷肥的绿色转型提供了可行方案。

2.3.4 CO2碳化+湿法研磨工艺

CO2碳化法结合湿法研磨工艺,能生产出D50在1~2 μm之间的微细轻质碳酸钙产品,平均粒径介于普通轻质碳酸钙和纳米碳酸钙之间,具有固碳量大,生产成本较低,市场前景广阔等特点,但需要增加湿法研磨装置,投资相对较大[8]。但此处不宜采用干法研磨工艺,因为一般认为干法研磨工艺比较适用于粒径小于2 500目的粉体研磨,超过2 500目时干法研磨工艺的电耗成本显著提高、性价低显著降低,而2 500目仅相当于6.5 μm,相当普通轻钙的平均粒径大小,大于2 500目时适用于湿法研磨工艺[8]

3 结论与展望

首次提出了氟磷灰石的分子式可以用复盐形式(CaO)9·(P2O5)3·CaF2或9CaO·3P2O5·CaF2表示,可以直观地看出氟磷灰石分子结构组成及比例。首次全面系统地梳理了冷冻法硝酸磷肥生产的基本原理和关键技术,提出了氨化中和反应前期和后期不同的反应机理,氨化反应后期NH3/P2O5<1.5,以防止生成磷酸钙,造成可溶性磷退化损失的观点。
从根源上厘清了磷肥渣中CaCO3粒子粗大的原因在于吸收塔中碳化反应NH3/CO2<2,导致以生成NH4HCO3为主反应,同时,转化塔中以直接生成Ca(HCO3)2为主反应,再进行Ca(HCO3)2转化 CaCO3的慢速反应。要从根源上解决磷肥渣中碳酸钙粒径大小问题就必须提高吸收塔中NH3/CO2,强化(NH4)2CO3主反应,在转化塔中需要强化直接生成CaCO3的主反应,才能为控制CaCO3粒径大小创造条件。但改变NH3/CO2将影响全系统的氨碳平衡,需要经更加深入细致的研究和实验验证后才能决定。
在不能改变现有吸收塔中NH3/CO2的前提下,磷肥渣采用煅烧分解、铵盐浸取、复合碳化反应、对置式多喷嘴预碳化技术为主要特征的新工艺,为生产高纯度的绿色纳米碳酸钙提供了技术路径,为冷冻法硝酸磷肥的绿色转型提供了可行方案。

参考文献

[1]

娄厚岳, 李接励, 袁宸, . 硝基复肥生产技术概述[J]. 化肥工业, 2013, 40(5):7-12.

[2]

石学勇, 张兵印. 我国硝基复混肥工艺技术发展现状[J]. 硫磷设计与粉体工程, 2014,(1):39-43,101.

[3]

宋聪聪. 硝酸磷肥生产工艺及其性能[J]. 化工设计通讯, 2019, 45(2):165,178.

[4]

王川, 顾春光, 于文. 硝酸分解磷矿制硝酸磷肥副产工业碳酸钙技术经济分析[J]. 贵州化工, 2013, 38(3):20-23.

[5]

方进, 李菊, 陈铭, . 利用硝酸磷肥副产硝酸钙制备尿素硝酸钙的方法[J]. 化肥工业, 2019, 46(6):30-33.

[6]

樊彩梅, 李双志, 荆宏键, . 一种硝酸磷肥母液氨中和工艺:CN 201210229320.5[P]. 2014-07-16.

[7]

颜鑫, 刘海路, 刘保林, . 绿色纳米碳酸钙生产关键技术与机理研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(1):71-76.

[8]

颜鑫, 李斌, 刘保林, . 电石渣生产绿色微细轻质(纳米)碳酸钙的新工艺研究[J]. 纸和造纸, 2024, 43(1):18-21.

[9]

颜鑫, 卢云峰, 马媛媛, . 氯化钙-氨水体系生产纳米碳酸钙的复合碳化机理研究[J]. 无机盐工业, 2019, 51(7):77-80.

[10]

颜鑫, 魏义兰. 含钙镁废渣综合利用的现状及展望[J]. 无机盐工业, 2022, 54(1):7-11.

[11]

颜鑫, 刘海路, 马媛媛, . 以电石渣为原料生产食品级轻质碳酸钙的绿色新工艺[J]. 现代化工, 2019, 39(2):199-201.

[12]

颜鑫, 卢云峰. 轻质系列碳酸钙关键技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2016:38.

[13]

颜鑫, 刘保林, 刘奕, . 一种对置式偶数喷嘴复合碳化生产纳米碳酸钙的装置及方法:CN 2023103733179[P]. 2025-12-21.

AI Summary AI Mindmap
PDF (2060KB)

4

访问

0

被引

导航
相关文章

AI思维导图

/