Разработка усовершенствованной технологии производства экстракционной фосфорной кислоты и получения концентрированных фосфорсодержащих удобрений из фосфоритов Каратау и Центральных Кызылкумов

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мире с сокращением пригодных для земледелия почв и ростом населения планеты обеспечение продовольственной продукцией является первостепенной задачей. В связи с этим обеспечение агропромышленного комплекса минеральными удобрениями, средствами защиты растений, стимуляторами роста и развития растений являются основным направлением повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Правильное применение минеральных удобрений дает до 50% прибавки урожая. Поэтому обеспечение сельскохозяйственного производства необходимыми удобрениями является приоритетной задачей. После провозглашения независимости Республики в результате реализации конкретных широкомасштабных мер были достигнуты высокие результаты научных исследований по развитию технологии производства минеральных удобрений и обеспечению сельского хозяйства азотными, фосфорными и калийными удобрениями. В этой связи следует особо отметить исследования по расширению ассостимента концентрированных фосфорсодержащих удобрений (PS-Agro, аммофосфат, супрефос и т.д.) на основе местного сырья, необходимых для внесения под зябь. Исходя из стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан, направленной на подъем промышленности на качественно новый уровень, дальнейшую интенсификацию производства готовой продукции на базе глубокой переработки местных сырьевых ресурсов, освоение выпуска принципиально новых видов продукции и технологий особое значение преобретает дальнейшее увеличение мощности по добыче и обогащению фосфоритов Центральных Кызылкумов, ее переработки на концентрированные фосфорные и сложные удобрения, обеспечение потребности Республики в фосфорсодержащих удобрениях. На сегодняшний день в мире особое внимание уделяется разработкам технологии концентрированных фосфорных удобрений с вовлечением в производство низкосортных и высокомагниевых фосфоритов в связи с истощением богатых месторождений фосфатного сырья. В этом аспекте важной задачей является разработка технологии двойного суперфосфата с использованием экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК) из магнийсодержащих, низкосортных фосфоритов. При разработке технологии концентрированных фосфорных удобрений необходимо обосновать ряд существующих научных решений, в том числе по следующим направлениям: разработка эффективного метода получения концентрированных и активированных растворов фосфорной кислоты с приемлемыми свойствами; определение оптимальных технологических параметров разложения фосфоритов упаренными, в присутствии нитрата аммония до концентрации 35-40% Р2О5, магнийсодержащими растворами фосфорной кислоты; разработка технологии получения очищенной от сульфатов и фтора ЭФК и аммофоса высшего сорта на ее основе из низкосортных фосфоритов. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Указах Президента Республики Узбекистан № УП-4707 от 4 марта 2015 года «О программе мер по обеспечению структурных преобразований, модернизации и диверсификации производства на 2015-2019 годы» и № У П-4947 от 7 февраля 2017 года «Стратегия действий по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан в 2017-2021 годах» и в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является разработка способов очистки от примесей и активирования ЭФК, технологии переработки высокомагнезиальных фосфоритов на фосфорную кислоту и переработка вторичных фосфатов на концентрированные фосфорные и микроэлементсодержащие удобрения путем разложения активированной ЭФК. Научная новизна исследования заключается в следующем:впервые установлено в широком диапазоне изменения параметров температуры кипения, давление насыщенных паров, теплоты парообразования, электропроводности, pH в системах Н3РО4-Н2О, Н3РО4-MgSO4-H2O, H3PO4-MgSO4-NH4NO3-H2O и магнийсодержащей ЭФК, содержащей нитрат аммония; доказано улучшение физико-химических и реологических свойств концентрированных растворов ЭФК в присутствии нитрат аммония, которое происходит за счет разрушения гидратов сульфата магния; установлена возможность активации фосфорной кислоты из магнийсодержащих фосфоритов в присутствии нитрата аммония; впервые установлена закономерность распределения компонентов фосфатного сырья Каратау при измельчении и влияние размера частиц на степень разложения фосфорита, которая проходит через минимум с увеличением размера частиц и при этом обоснованы причины экранирования поверхности крупных зерен коркой из мелких кристаллов сульфата кальция; установлено влияние магния на процессы разложения фосфоритов и кристаллизации дигидрата сульфата кальция при сернокислотной экстракции фосфорной кислоты; установлена возможность одновременной очистки ЭФК от сульфатов и фтора в едином технологическом цикле производства ЭФК, позволяющая интенсифицировать процессы очистки кислоты за счет сокращения стадий процесса и получить из фосфоритов ЦК экологически чистый продукт -аммофос высшего сорта с содержанием Р2О5 не менее 52%; разработаны технологии получения концентрированных фосфорных удобрений и удобрений с микроэлементами путем разложения вторичных фосфатов концентрированной и активированной нитратом аммония ЭФК и ЭФК, содержащей микроэлементы. Заключение Основными научными и практическими результатами, полученными при выполнении диссертационной работы, являются: 1. Изучением физических и физико-химических свойств в системах Н3РО4 - Н2О, Н3РО4 - MgSO4 - Н2О, Н3РО4 - MgSO4 - NH4NO3 - Н2О установлен механизм влияния сульфата магния и нитрата аммония на свойства магнийсодержащих фосфорных кислот при концентрировании. Показано, что в присутствии нитрата аммония увеличивается количество диссоциированных первых водородных ионов и снижается pH среды фосфорнокислых растворов, что отражается на снижении теплоты парообразования, повышении давления паров и электропроводности, подтверждающих разрушение гидратов сульфата магния и изменения физико-химических и реологических свойств ЭФК при концентрировании. 2. Установлена возможность повышения химической активности ЭФК и ее упаренных растворов, содержащих соединения магния, в присутствии нитрата аммония. Показано, что в присутствии нитрата аммония растворимость трикальцийфосфата повышается до 99,13%. 3. Разработана технология очистки ЭФК от сульфатов и фтора в едином технологическом цикле производства экстракции фосфорной кислоты, позволяющая получить экологически читый аммофос высшего сорта из фосфоритов ЦК без дополнительных затрат. 4. Установлено, что предварительная классификация фосфоритов по крупности частиц более 100 мкм позволяет повысить фильтрующие свойства экстракционных пульп в результате кристаллизации сульфата кальция крупных размеров. 5. Установлено, что предварительная термообработка фосфоритов Каратау при температуре 600-700°С приводит резкому снижению пенообразования и улучшению процессов разложения фосфоритов, кристаллизации сульфата кальция, повышению производительности экстракторов. При этом выход фосфорной кислоты увеличивается на 2,2-2,4% и составляет 92-93%. 6. Разработаны оптимальные условия фосфорнокислотного разложения магнийсодержащих фосфоритов Каратау и получения двойного кислого и аммонизированного суперфосфатов. Оптимальными условиями разложения являются: концентрация упаренной ЭФК 35-37% Р2О5, количество вносимого нитрата аммония в процессе упарки ЭФК 1,5-2,0%, весовое соотношение фосфорит:ЭФК(100% Р2О5) = 1:(1,0-Н,5), продолжительность процесса 1,5-2,0 часа, температура процесса разложения фоссырья 60°С и сушки пульпы 105°С. При этом степень разложения фоссырья достигает в пульпе 84-87%, а в высушенном продукте 98-99%. 7. Разработанная технология апробирована в промышленных условиях на действующем оборудовании производства аммофоса Алмалыкского АО «Ammofos-Maxam» и выпущена опытно-промышленная партия нового удобрения супераммофосфата в количестве свыше 1000 тонн. Производство супераммофосфата по сравнению с аммофосом позволяет сократить удельные расходы серной кислоты на 15-20%, аммиака на 60-80% и выбросы фосфогипса в отвал на 15-20%. 8. Установлены оптимальные технологические параметры получения азотфосфоркальцийсодержащих удобрений с микроэлементами медью и цинком путем разложения МОФК и бедных по Р2О5 (МСК, НФС и ПФ) фосфоритов ЦК микроэлементсодержащей активированной ЭФК: концентрация фосфорной кислоты ~35% Р2О5, п=1:(1,25-4,5), продолжительность процесса разложения 1,5-2,0 часа, pH 2,8-3,5, температура сушки 100-105°С. 9. Технология азотфосфоркальцийсодержащих удобрений с микроэлементами апробирована на установках, имитирующих производственные условия, в АО «Ammofos-Maxam» и АО «Коканд суперфосфат заводи» и выпущены опытные партии. 10. Агрохимические испытания двойного суперфосфата из фосфоритов Каратау и азотфосфоркальцийсодержащих удобрений из фосфоритов ЦК в специализированных организациях показали их высокую эффективность, равноценную с аммофосом. Введение микроэлементов в состав удобрений повышает урожайность на 13%. 11. Технико-экономические расчеты указывают на высокую экономическую эффективность технологии одновременного обессульфачивания и обесфторивания ЭФК и выпуска АФКУ. От выпуска 100 тыс. т аммофоса высшего сорта и АФКУ прибыль составляет 9,4 млрд, сум и 27,96-30,79 млрд, сум в год, соответственно.