利用隧道窯生產(chǎn)聚磷酸銨研究

趙江華，肖 升，陶紹程，謝 娟，謝昌明

（1. 甕福達(dá)州化工有限責(zé)任公司，四川 達(dá)州 635000；2. 甕福技術(shù)研究院，貴州 貴陽 550002）

0 引言

聚磷酸銨（APP）是一種以NH4+為陽離子的含氮聚磷酸鹽，通式為（NH4）n+2PnO3n+1。n表示聚合度，通常n≤20 為低聚合度，低聚合度的聚磷酸銨有較好的水溶解性，可以用作高濃度的緩釋復(fù)合肥或水溶肥；n＞20時，聚磷酸銨溶解性差，高純度高聚合度水不溶性聚磷酸銨被用于制備防火涂料、阻燃塑料。據(jù)統(tǒng)計，2018 年我國聚磷酸銨產(chǎn)品總消費(fèi)量為7.5 萬t，以阻燃劑等工業(yè)用量居多，約占總消費(fèi)量的60%［1］。我國水溶性聚磷酸銨產(chǎn)品尚處于起步階段，聚磷酸銨類磷肥作為新興磷肥產(chǎn)品有著巨大的發(fā)展前景。以磷酸尿素縮合法生產(chǎn)聚磷酸銨，干燥聚合設(shè)備為其核心設(shè)備。筆者借助公司磷酸鐵裝置的隧道窯開展聚磷酸銨投料試驗。

1 試驗用設(shè)備及方法

1.1 設(shè)備

隧道窯隧道有效尺寸1.50 m×0.26 m×39.00 m，以電為熱源，溫度可達(dá)500 ～600 ℃。隧道的上面、下面為電加熱棒，中間為托輥，盛裝物料的匣缽放置在托輥上，電機(jī)通過齒輪帶動托輥運(yùn)轉(zhuǎn)，托輥帶動匣缽運(yùn)轉(zhuǎn)。匣缽尺寸0.32 m×0.32 m×0.10 m，設(shè)備最快運(yùn)轉(zhuǎn)速度7 m/h，設(shè)備設(shè)計功率約500 kW。加熱區(qū)長約27 m，自然冷卻區(qū)長約12 m。加熱段劃分14 個區(qū)域分區(qū)控溫，每個區(qū)域30 min升溫50 ℃，每個區(qū)域安裝溫度探頭，隧道窯四周為保溫墻。

1.2 試驗方法

使用公司肥料級磷酸，按m（P2O5）/m（N）=2.7加入肥料級尿素，配制原料料漿。調(diào)節(jié)隧道窯溫度以及齒輪轉(zhuǎn)速、匣缽布料厚度以及匣缽單雙層擺放方式，觀察所得聚磷酸銨產(chǎn)品發(fā)泡情況以及產(chǎn)品水溶性。

2 試驗過程

2.1 加熱溫度、時間、匣缽放置方式對聚合效果的影響

將隧道窯1 至5 區(qū)的溫度升至185 ℃，將原料料漿加熱熔融，平均分配到匣缽內(nèi)，料漿質(zhì)量約750 g，布料厚度為0.75 cm，共布置11 排，長度3.52 m，每排3個匣缽，8排單層，3排雙層，料漿全部進(jìn)入隧道后，托輥轉(zhuǎn)動運(yùn)行45 min，此時料漿分布在隧道窯2、3、4區(qū)，停電機(jī)，控制條件觀察現(xiàn)象?？疾觳煌Ａ魰r間、不同反應(yīng)溫度以及單雙層布料對產(chǎn)品的影響，抽取靠近入口第1 排、第4排、第5排及第11排產(chǎn)品進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 不同停留時間及反應(yīng)溫度下試驗結(jié)果

固態(tài)肥料級聚磷酸銨產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)為：產(chǎn)品中水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.5%，外觀顏色為白色，平均聚合度為2 ～20，聚合率為70%～99%。其中，聚合度、聚合率對產(chǎn)品水溶性指標(biāo)影響最大。通常，聚合度越高，聚合率越低，則產(chǎn)品水溶性越差，產(chǎn)品不易合格。磷酸尿素縮合法制取聚磷酸銨過程中，反應(yīng)越劇烈，發(fā)泡高度越高，冷卻固化后內(nèi)部越蓬松，產(chǎn)品脆硬，溶解速率越快，溶解度越高，水溶指標(biāo)更易合格；發(fā)泡高度低，塊料較硬，多數(shù)情況為反應(yīng)未完全，組分中正磷酸銨鹽占比較多，水溶指標(biāo)不易合格；產(chǎn)品偏黃，例如面層焦黃的產(chǎn)品多數(shù)情況為加熱體系中溫度不均勻，局部溫度過高所致，生成的產(chǎn)品局部聚合度偏高，聚合率也高，產(chǎn)品的水溶性指標(biāo)可能不合格，同時外觀偏黃影響產(chǎn)品銷售。若產(chǎn)品為白色漿狀，說明反應(yīng)未完全；產(chǎn)品黏壁，雖然對產(chǎn)品質(zhì)量不影響，但影響產(chǎn)品的正常剝離，在工業(yè)化過程中，須考慮特殊的剝離措施或選擇不黏壁的材料作設(shè)備的材質(zhì)。

當(dāng)隧道窯溫度設(shè)置為185 ℃時，距離入口5.25 m處的第一排料漿在進(jìn)入隧道總停留時間90 min 后，料漿未固化仍有流動性，說明該條件不能滿足試驗需求。提高隧道窯溫度至200 ℃，再聚合40 min后直接取出，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品外觀焦黃，發(fā)泡高度約3.75 cm，脆硬，黏壁；產(chǎn)品水溶性試驗表明，底部有少許懸浮物，目測達(dá)標(biāo)。第4 排料漿，上下層放置匣缽，在相同條件下，下層的聚合效果較差，體現(xiàn)為發(fā)泡較低，產(chǎn)品較硬，水溶性較差；同時，也說明隧道窯體系內(nèi)部存在明顯的溫度差。對比第1 排、第5排、第11 排產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，停留時間過長，反而影響產(chǎn)品外觀及水溶性。

2.2 匣缽放置方式、布料厚度對聚合效果的影響

設(shè)置隧道窯溫度為190 ℃，繼續(xù)考察不同停留時間、不同布料厚度以及單雙層布料的影響，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同匣缽放置方式、布料厚度下試驗結(jié)果

由表2可知，匣缽布料厚度為1.50 cm（料漿質(zhì)量1.5 kg） 時，單層放置聚合發(fā)泡高度能達(dá)到9 cm。相同條件下，雙層放置匣缽會出現(xiàn)上層焦黃，而下層未聚合完全現(xiàn)象。在高溫、一定受熱時間下，聚磷酸銨料漿可能與鋼制匣缽中的鐵發(fā)生反應(yīng)，影響產(chǎn)品外觀顏色。

3 小結(jié)

經(jīng)驗證，用隧道窯作為干燥聚合設(shè)備能生產(chǎn)出合格的聚磷酸銨產(chǎn)品。須注意以下幾點：隧道窯溫度建議設(shè)置在185 ℃以上，且設(shè)置為185 ℃時，料漿從進(jìn)料到出料的停留時間不能低于100 min，前端為匣缽預(yù)熱，實際有效聚合時間為80 min；建議匣缽布料厚度不能超過1.5 cm，料漿加入量不超過1.5 kg，否則會出現(xiàn)發(fā)泡溢流；建議單層匣缽布料，雙層會出現(xiàn)上層產(chǎn)品過熱，而下層受熱不均，達(dá)不到聚合效果；料漿在匣缽發(fā)泡聚合后，存在黏匣缽的問題，須考慮產(chǎn)品的取出方式。

輥道式隧道因其傳動結(jié)構(gòu)為電機(jī)帶動齒輪、齒輪帶動托輥、托輥帶動匣缽，且傳動軸承、電機(jī)布局于加熱體系外部，傳動體系運(yùn)行相對穩(wěn)定可靠。溫度可相對精準(zhǔn)控制到500 ～600 ℃，運(yùn)轉(zhuǎn)速度慢，物料的停留時間較長，基本能實現(xiàn)連續(xù)地進(jìn)出料。從其結(jié)構(gòu)、功能、試驗情況，輥道式隧道可能更適合于生產(chǎn)高聚合度、水不溶性聚磷酸銨。