综合回收利用磷铁的新工艺研究

1、综合回收利用磷铁的新工艺研究张海燕1,李军1,王邵东2,王涛1(1.四川大学化学工程学院,四川成都610065;2.瓮福(集团有限责任公司摘要:提出一种回收利用磷铁的新工艺,并通过实验证明了该工艺的可行性。将磷铁和碳酸钠的混合粉末进行低温和高温两段氧化焙烧使磷和铁分离,然后浸取、过滤,滤液经浓缩、结晶、干燥制得磷酸三钠产品,滤饼经两次逆流洗涤、烘干制得氧化铁红产品。通过正交实验研究了物料配比、焙烧温度、焙烧时间对五氧化二磷转化率和氧化铁红产品中三氧化二铁含量的影响,并回归出模型方程。在最优工艺条件下,五氧化二磷转化率为97.10%,制得的磷酸三钠中十二水磷酸钠质量分数为98.43%,氧化铁红中

2、三氧化二铁质量分数为96.67%。制得符合国家标准的氧化铁红(G B/T16831989氧化铁红颜料和磷酸三钠产品(HG/T25171993工业磷酸三钠。关键词:磷铁;氧化铁红;磷酸三钠中图分类号:T Q131.12文献标识码:A文章编号:1006-4990(200910-0050-03New technology for com prehen si ve recovery and utili za ti on of ferrophosphorusZhang Haiyan1,L i Jun1,W ang Shaodong2,W ang Tao1(1.School of Che m ical E

3、ngineering,S ichuan U niversity,Chengdu610065,China;2.W engfu(GroupCo.,L td.Abstract:Ne w technol ogy f or comp rehensive recovery and utilizati on of ferr ophos phorus was put for ward.Its feasibility has been p r oved by experi m ents.I n this p r ocess,the m ixed powder of ferr ophos phorus and s

4、 odiu m carbonate was calcined in l ow and high te mperature t w o stages under oxygen at m os phere,s o as t o separate phos phorus and ir on.Then thr ough leaching and filtering,the filtrate was turned int o tris odiu m phos phate(TSPp r oduct after condensati on,crystallizati on,and drying. Filte

5、r cake was turned int o ir on oxide red p r oduct thr ough t w ice countercurrent washing and drying.M ean while,influences of technol ogical conditi ons,such as material m ixed rati o,calcining temperature and r oasting ti m e on conversi on rate of P2O5as well as on Fe2O3content of ir on oxide red

6、 p r oduct were investigated by orthogonal experi m ents and regressi on model equa2 ti on was obtained.Under op ti m al conditi ons,conversi on rate of P2O5in ferr ophos phorus was97.10%,content of s odiu m phos phate dodecahydr ote of p repared TSP p r oduct was98.43%,and content of Fe2O3in ir on

7、oxide red was96.67%.Both of ir on oxide red and TSP met G B/T16831989(Ir on Oxide Red Pig mentand HG/T25171993(I ndustrial Tris odiu m Phos phate,res pectively.Key words:ferr ophos phorus;ir on oxide red;tris odiu m phos phate(TSP磷铁是电炉法生产黄磷的副产物。由于磷矿中含有少量铁,在高温下与矿石中的磷反应变成磷化铁。磷铁是一种混合物,其成分比较复杂,一般认为有以下几种

8、化合形态:FeP,Fe2P,Fe3P,FeP2。磷铁通常作为冶金工业炼制特种钢的合金和脱浆剂1。在化学工业上,国内外对于磷铁的利用仅仅局限于对磷元素的利用,放弃了附加值更高的铁元素。笔者提出一种综合回收利用磷铁的新工艺,即采用碳酸钠分段氧化焙烧法使磷铁中的铁和磷分离并回收利用,分别制得氧化铁红2和磷酸3三钠产品。1实验部分1.1实验原料磷铁粉末(小于47m粒子质量分数90%,碳酸钠(分析纯。磷铁为某黄磷厂副产物,其主要成分:w(P=26.85%,w(Fe=72.16%,w(Ca=0.44%,w(Mg=0.22%,w(其他=0.33%。1.2实验仪器马弗炉,恒温水浴锅,真空泵,干燥箱(1802,

9、电子天平(1/100,分析天平(1/10000,旋转真空蒸发仪。1.3实验原理为了充分回收磷铁中的铁元素、保证氧化铁红产品的品质,将磷铁粉末与碳酸钠混合后,采取低温和高温分段氧化焙烧的工艺。其主要反应如下:2FeP+4O2Fe2O3+P2O54Fe2P+11O24Fe2O3+2P2O505无机盐工业I N ORG AN I C CHE M I CALS I N DUST RY第41卷第10期2009年10月 2FeP +3Na 2CO 3+4O 22Na 3P O 4+Fe 2O 3+3CO 24Fe 2P +6Na 2CO 3+11O 24Na 3P O 4+4Fe 2O 3+6CO 21.

10、4实验方法工艺流程示意图见图1。主要步骤如下:1将磷铁粉末和碳酸钠以一定比例混合均匀并烘干;2将混合粉料在500低温焙烧2h,用洗涤滤饼的洗水吸收焙烧中产生的P 2O 5气体形成磷酸钠盐溶液;3将低温焙烧后冷却至室温的物料在700850高温焙烧14h,用洗涤滤饼的洗水吸收焙烧中产生的P 2O 5气体形成磷酸钠盐溶液;4用结晶磷酸三钠后的母液浸取高温焙烧后冷却至室温的物料,在8090至少浸取1h,浸取结束后过滤,获得滤饼和滤液;5将滤饼用水两次逆流洗涤后烘干得到氧化铁红成品,滤饼的洗水吸收低温焙烧和高温焙烧产生的P 2O 5气体;6将步骤(2和(3得到的磷酸钠盐溶液与步骤(4得到的滤液混合得磷酸

11、三钠溶液,经浓缩、结晶、干燥得到磷酸三钠成品,结晶过程中产生的母液返回至浸取步骤 。图1碳酸钠两步焙烧法回收利用磷铁工艺流程示意图该工艺优点:1克服了现有技术的不足,采用分段氧化焙烧法使磷铁废渣中的铁元素和磷元素得到充分利用,制得氧化铁红和磷酸三钠两种产品;2将滤饼洗水吸收低温焙烧和高温焙烧产生的P 2O 5气体形成的磷酸钠盐溶液与滤液混合制备磷酸三钠,大大提高了磷元素的回收率;3滤饼采用两次逆流洗涤,既节约了水资源,又降低了能耗。1.5分析方法溶液中P 2O 5测定采用磷钼酸喹啉重量法;氧化铁红中Fe 2O 3测定采用高锰酸钾滴定法。2结果与讨论2.1正交实验2.1.1实验方案设计根据单因素

12、实验得出结论,高温焙烧时间、高温焙烧温度、物料配比(碳酸钠与磷铁的质量比对于磷转化率和氧化铁红中Fe 2O 3含量都有一定的影响。为考察3个因素的交互影响,设计出一个3因素5水平的正交实验。该正交实验含有3个零水平,共有17组实验,实验设计见表1。表2列出了表1各因素水平及编码表水平因素高温焙烧时间/m in高温焙烧温度/物料配比上星号臂/Y =+1.215180850 1.60上水平/+1170836 1.57零水平/0120775 1.45下水平/-170713 1.33下星号臂/Y =-1.215607001.30表2正交实验设计及实验结果实验编号X 1X 2X 3Y 1实测值/%Y 1

13、预测值/%Y 1误差/%Y 2实测值/%Y 2预测值/%Y 2误差/%111196.8397.290.4795.5696.280.75211-196.5796.740.1896.2896.410.1431-1192.3891.40 1.0691.7790.63 1.2441-1-191.2690.960.3390.5790.380.215-11187.6587.870.2586.7186.860.176-11-186.3487.24 1.0485.3286.41 1.287-1-1185.1284.870.2984.0383.850.218-1-1-184.9084.360.6483.7983

14、.020.929 1.2150094.8595.360.5494.4294.800.4010-1.2150085.9285.620.3584.8784.610.31110 1.215096.4895.02 1.5196.1894.45 1.79120-1.215088.0189.67 1.8887.1088.96 2.131300 1.21592.8793.340.5192.2992.640.381400-1.21593.0192.730.3092.4492.220.241500093.7893.740.0493.2793.270.001600093.8993.740.1693.3993.27

15、0.131793.8493.740.1193.3493.270.08注:高温焙烧时间为X 1,高温焙烧温度为X 2,物料配比为X 3;P 2O 5转化率为Y 1,Fe 2O 3质量分数为Y 2。152009年10月张海燕等:综合回收利用磷铁的新工艺研究正交实验的结果,及按回归方程得到的计算结果。由表2看出,实验结果与计算结果符合得较好。2.1.2数学模型的建立对实验结果进行二次回归分析,得出以P2O5转化率和Fe2O3质量分数为指标、3个影响因素为变量的二次回归方程及其方差分析结果,见表3。得出了对于Y1和Y2两个指标的3因素2次回归模拟方程:表3回归方程的方差分析项目Y1回归系数Y1的FY1

16、显著性Y2回归系数Y2的FY2显著性常数-150.24042-205.04005X10.11929151.0610.18824127.671 X20.3889045.2710.4597537.041 X391.065060.590122.136390.220 X1X22.3742610-43.6002.1692310-42.320 X1X3-3.0754710-32.41710-30-0.0235790.110 X2X33.7725810-35.68210-30-0.0126300.0490 X21-9.0712210-321.101-9.8851510-319.321 X22-2.49891

17、0-43.910-2.7798310-43.730 X23-31.583941.000-37.273471.070回归方程25.99122.151注:显著性(1代表显著,0代表不显著。Y1=-150.24024+0.11929X1+0.38890X2+91.06506X3+2.3742610-4X1X2-3.0754710-3X1X3+3.7725810-3X2X3-9.0712210-3X21-2.498910-4X22-31.58394X23Y2=-205.04005+0.18824X1+0.45975X2+122.13639X3+ 2.1692310-4X1X2-0.023579X1X3

18、-0.012630X2X3-9.8851510-3X21-2.7798310-4X22-37.27347X23方差分析表明,得出的两个回归方程都是显著的。根据正交实验,综合考虑P2O5转化率和Fe2O3质量分数两个指标,模拟出最优工艺条件:物料配比为1.47,高温焙烧温度为836,高温焙烧时间为173m in。此时P2O5转化率可达到97.8879%, Fe2O3质量分数可达到96.8823%。2.2检验性试验为了验证正交实验回归出的模拟方程的准确性,在最优条件下进行实验操作,P2O5转化率为97.1033%,与预测值相对偏差为0.80%;Fe2O3质量分数为96.6753%,与预测值相对偏差为0.21%,说明2次正交回归实验所得方程可以很好地模拟实际反应的结果。得出制得的磷酸三钠产品中Na3P O412H2O质量分数为98.43%。3结论利用磷铁废渣制备氧化铁红联产磷酸三钠新工