磷肥工業廢氣污染源監察要素分析

楊光忠，趙朋飛，王華俊，鄧 方，胡金映

(1.武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074；2.湖北省輻射環境管理站， 湖北 武漢 430072)

0 引 言

在環境保護的日常工作中，污染源監察是指環境監察部門依據環保法律、法規對轄區內污染源所釋放污染物的排放、污染治理、污染事故的責任歸屬以及有關環保法規執行情況進行的現場調查、取證并參與處理具體執法的行為.污染源監察具有廣泛性、日?；?、及時性和局限性特點[1].強化污染源監察是適應我國經濟快速增長、環境問題集中暴發、環保問題急待解決的需要.

磷肥工業關乎我國國家安全和國民經濟命脈.“十一五”期間，我國磷肥工業得到了長足發展，產品總量已位居世界第一，產品結構不斷優化，逐步以大型高濃度磷復肥(即磷銨)為主[2].在磷肥工業快速發展的同時，廢氣排放量亦在急劇增加，造成的環境污染日趨嚴重，環境糾紛日趨增多，環境問題日益突出.但目前我國環境監察隊伍人員專業素質不能適應新時期的要求[3]，為此，國家環保部已開展對不同行業的環境監察要素進行研究.迄今為止我國已發布味精、制漿造紙等4個行業的現場環境監察指南，但對磷肥工業環境監察要素研究尚屬空白，加強對磷肥工業污染源的研究已迫在眉睫.本文結合相關磷肥企業，對磷肥工業廢氣污染源產排環節點和產排污系數進行系統分析，為我國制定磷肥工業環境監察技術規范提供技術參考，為提高全國磷肥工業環境監察水平的提高提供技術服務.

1 生產工藝及產排污環節分析

現階段，我國的磷肥工業以生產磷銨為主，包括磷酸的制備和磷酸一銨或磷酸二銨的生產兩個部分.磷銨產品的生產工藝主要有傳統法和料漿法.傳統磷銨工業的生產方法是先將二水物濕法磷酸濃縮為50%～54% P2O5(質量分數)的濃磷酸，然后氨化、造粒、干燥制得磷銨.料漿法是直接用二水物濕法磷酸為原料氨化、中和、濃縮，經干燥制得磷銨[4].我國的磷礦開采已有90多年歷史，高品位磷礦的開采已近尾聲，采出的磷礦絕大多數屬中低品位，生產出的磷酸不能直接滿足料漿法生產磷酸二銨的需要，為節約能耗和生產成本，目前和將來一段時間內多以料漿法生產磷酸一銨，以傳統法生產磷酸二銨.

1.1 濕法磷酸生產工藝及產排污環節

我國磷銨生產企業都采用濕法磷酸工藝.礦山采出的磷礦石經破碎、篩分后進入磨機.破碎、篩分產生的含塵廢氣G1經除塵器處理后排放.礦石在磨機中磨制成含水約35%的磷礦漿，通過礦漿泵送入萃取反應槽與硫酸反應，生成的磷酸送到閃蒸冷卻器，冷凝液回收至循環水池，未凝氣G3中主要含有水蒸汽和少量氟化物，由真空泵排出，屬無組織排放.萃取槽及消化槽排出的含氟氣體經文丘里洗滌塔、旋流板塔循環洗滌，洗滌后的尾氣G2高空排放，尾氣中的污染因子為氟化物，洗滌液為氟硅酸溶液，回收后綜合利用.消化后的料漿經過濾機過濾，濾液為稀磷酸，石膏濾餅經脫水后送往磷石膏渣場堆存.濾液經真空濃縮得到含P2O5質量分數為48%～52%的磷酸.閃蒸室中逸出的含HF、SiF4、水蒸氣及少量磷酸霧的氣體，經系統旋風除沫器分離出氣體中夾帶的酸霧，進入兩級氟吸收塔進行洗滌吸收，得到含10%氟硅酸溶液，該溶液回收綜合利用.洗滌后的氣體再進入冷凝器后，用循環冷卻水冷凝，不凝性氣體G4經真空泵高空排放，不凝氣體中主要污染物為氟化物.

磷酸生產工藝流程及產排污環節如圖1.

圖1 濕法磷酸工藝流程及產排污環節圖

1.2 料漿法磷酸一銨生產工藝及產排污節點

隨著我國磷礦資源特別是高品位磷礦資料的減少，料漿法生產工藝已成為我國高濃度磷肥工業的主導工藝路線之一[5].

其工藝過程為：將磷酸泵入氨化反應器，與氣氨反應生成磷酸一銨料漿，用泵將料漿送入蒸發閃蒸室蒸發水分，經雙效蒸發濃縮后的料漿由泵送往干燥塔逆流干燥(或轉鼓造粒干燥)，同時室外冷空氣經熱風爐加熱后借助噴霧干燥塔的抽力自塔底吸入，干燥后的成品經底部排出.熱風爐加熱產生的廢氣G5主要含SO2、煙塵，經脫硫除塵設施處理后高空排放；干燥廢氣G6經沉降室沉降和洗滌后高空排放，廢氣中主要含有少量粉塵、氨、氟化物.干燥后的產品經粉碎機粉碎后進行計量包裝.產生的含塵廢氣經除塵器處理，再噴水洗滌后高空排放.

生產工藝流程及產排污環節如圖2.

圖2 料漿法磷酸一銨生產工藝流程及產排污環節圖

1.3 傳統法磷酸二銨生產工藝及產排污環節

磷酸二銨生產工藝包括反應、造粒工序、干燥、篩分及尾氣洗滌等工序[6].

其生產過程為：將濃磷酸泵入預中和槽，加入氨和二級洗滌系統洗滌液進行中和反應，反應廢氣進入二級洗滌系統，反應產物通過料漿泵送入反應造粒系統.或將濃磷酸直接泵入管式反應器，并加入氨和預洗滌器洗滌液進行中和反應，反應產物進入反應造粒系統，補加氨繼續反應，反應廢氣經預洗滌器洗滌后進入二級洗滌系統，成粒后的物料送入干燥機.熱風爐產生的熱風經除塵器除塵后直接進入干燥機，干燥機產生的尾氣G7經旋風除塵器和洗滌塔處理后高空排放.干燥機中結塊或大塊物料通過尾部的滾筒篩自動破碎，破碎后的物料提升到篩分系統，篩分產生的粉塵進入布袋除塵器，篩分合格物料經冷卻、包裹后包裝出售.旋風除塵和布袋除塵回收的物料返回反應造粒系統回用，預洗滌器、旋風除塵、布袋除塵后的廢氣進入二級洗滌系統進一步處理后高空排放.

生產工藝流程及產排污環節如圖3.

圖3 傳統法磷酸二銨生產工藝流程及產排污環節圖

2 產排污系數

不同的原料路線、工藝過程和多種多樣的管理模式，導致產排污系數也不盡相同.本文在調研湖北、云南、貴州、四川、江蘇等地磷銨產品生產企業的基礎上，采用非線性最小二乘方法[7-8](麥夸特法，Marquardt[9-10])進行分析，應用柯布-道格拉斯方程對建立的多元非線性模型進行擬合，推算出不同生產工藝廢氣中粉塵、氟化物的產排污系數經驗模型.

2.1 建立模型

柯布-道格拉斯方程是美國數學家C.W. Cobd和經濟學家P.H. Douglas提出的模型：

(1)

用于分析時，式(1)中的y表示產生量，x1，x2，…，xm表示自變量，a，b1，b2，…，bm為待定參數.

根據生產工藝技術的現場調查，對磷銨生產企業進行劃類選典，將y定義為產污量，kg/t；x1表示磷礦消耗，t/t；x2表示磷礦石中氟含量，%；x3表示環境管理水平；a，b1，b2，b3為所求參數.

令c1=a，c2=b1，c3=b2，c4=b3，模型方程則變為：

(2)

對于排污系數，在產污量確定基礎上主要取決于污染防治措施，引入變量x4表示污染物去除率(0≤x4<1)，則模型方程為：

(3)

2.2 模型分析

2.2.1 企業產排污數據 調研企業環保相關技術數據見表1.

2.2.2 產排污統計分析結果

a.料漿法磷酸一銨產排污統計分析結果.

將表1中統計數據代入式(2)，經擬合計算后系數ci的相關陣為：

①粉塵

則磷酸一銨工藝廢氣中粉塵產污系數經驗模型為：

(4)

由式(3)得，磷酸一銨工藝廢氣中粉塵排污系數經驗模型為：

(5)

模型檢驗，F值為164.835 2，顯著水平p=0.006 0，達極顯著水平.決定系數R2=0.994 0，說明該模型能很好地擬合實際調研數據.

表1 企業環保相關技術數據

注：對于環境管理水平，運用《磷肥行業清潔生產評價指標體系(試行)》中定性評價方法確定.

②氟化物

ci氟化物=

則磷酸一銨工藝廢氣中氟化物產污系數經驗模型為：

(6)

由式(3)得，磷酸一銨工藝廢氣中氟化物排污系數經驗模型為：

(7)

模型檢驗，F值為438.550 3，顯著水平p=0.035 1，達顯著水平.決定系數R2=0.999 2，說明該模型能很好地擬合實際調研數據.

b.傳統法磷酸二銨產排污統計分析結果

將表1中統計數據代入式(2)，經擬合計算后系數ci的相關陣為：

①粉塵

則磷酸二銨工藝廢氣中粉塵產污系數經驗模型為：

(8)

由式(3)得，磷酸二銨工藝廢氣中粉塵排污系數經驗模型為：

(9)

模型檢驗，F值為256.856 9，顯著水平p=0.003 9，達極顯著水平.決定系數R2=0.996 1，說明該模型能很好地擬合實際調研數據.

②氟化物

ci氟化物=

則磷酸二銨工藝廢氣中氟化物產污系數經驗模型為：

(10)

由式(3)得，磷酸二銨工藝廢氣中氟化物排污系數經驗模型為：

(11)

模型檢驗，F值為247.082 1，顯著水平p=0.046 7，達顯著水平.決定系數R2=0.998 7，說明該模型能很好地擬合實際調研數據.

3 結論與建議

本文從生產工藝進行分析，明確了濕法磷酸、料漿法磷酸一銨和傳統法磷酸二銨產排污環節，通過建立多元非線性模型，運用麥夸特法推算出了磷酸一銨工藝廢氣中粉塵及氟化物，磷酸二銨工藝廢氣中粉塵及氟化物4個產污系數經驗模型和磷酸一銨工藝廢氣中粉塵及氟化物，磷酸二銨工藝廢氣中粉塵及氟化物4個排污系數經驗模型，在一定程度上可為磷肥工業廢氣污染源監察、企業環境管理提供技術參考，促進磷肥生產企業健康和諧發展.結合研究要素提出如下建議：a.提高各級環境監測站的監測能力建設，有針對性地對磷肥工業不同產排污環節特征污染物排放量的監測，體現行業環境管理特點.b.加強對環境監察人員的技能培訓，將現有環境監察研究成果及時轉化為生產力，從生產全過程加大監管力度，推動污染減排，科學執法、服務于民.

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