Как компании зарабатывают деньги. Производство фосфорной кислоты

АО «Апатит». Фото ФосАгро
Предыдущие статьи:

1. Как компании зарабатывают деньги. Производство серы
2. Как компании зарабатывают деньги. Производство серной кислоты
3. Как компании зарабатывают деньги. Производство апатитового концентрата

Продолжаем изучать путь природного сырья к превращению в товарный продукт ФосАгро — Аммофос. Фермеры тысячелетия мудрили с почвой, пытаясь повысить урожаи. Начинали с добавления навоза и растительных остатков. Затем стали вносить разного рода дополнения: минералы, дерево, растительную золу. А уже в XIX в. немецкий химик Юстус фон Либих, продолжая эту нескончаемую гонку за повышением урожайности (и одновременно снижением производственных издержек), первым провёл систематическое исследование процесса питания растений. Он осознал важность фосфора и азота, а в 1845 г. предпринял (оказавшуюся безуспешной) попытку синтезировать фосфатное удобрение.
В то время стандартный метод обогащения почв фосфором сводился к использованию птичьего помета (т. е. совершенно натурального азотно-фосфорного удобрения), но хорошее гуано стоило недёшево. Однажды между Чили и Боливией даже случилась война за контроль над залежами этого засохшего гонвища сокровища.

А в Америке война шла за залежи гонва
Попытка конкурента Либиха, английского агронома Джона Беннета Лоуза, оказалась успешнее, и в 1842 г. англичанин запатентовал свой способ обработки фосфатов серной кислотой. Этот способ лёг в основу современного производства фосфорной кислоты H3PO4 и удобрений из неё (т. н. экстракционный метод, вся фосфорная кислота в России производится именно так). После серной кислоты фосфорная кислота по объему выработки является наиболее важной минеральной кислотой.
В Череповце, Балаково и Волхове разгрузка поступающего на предприятия железнодорожным транспортом апатитового концентрата осуществляется с использованием бункеров или траншей. Для хранения концентрата используются преимущественно склады силосного типа, обеспечивающие многосуточный технологический запас, стабилизирующий работу производства.
Прием концентрата в реактор осуществляется в приемные бункеры посредством механического либо пневмотранспорта. Реактор представляет из себя огромную емкость из железобетона или металла, покрытого изнутри футеровкой (это керамическая плитка или кирпич). Серная кислота подается в реактор из емкостей-хранилищ. Реактор оборудован несколькими мешалками, в него также подают промывные воды стадии фильтрации (о ней чуть позже) для того, чтобы реакционная пульпа не была слишком густой. Процесс сернокислотного разложения фосфатного сырья идёт с выделением тепла. В ходе реакции происходит образование фосфорной кислоты и побочных продуктов — малорастворимого сульфата кальция CaSO4 (т. н. фосфогипс) и газообразного фтороводорода HF, который реагируя с присутствующим в концентрате песком SiO2 даёт тетрафторид кремния SiF4 — ещё один опасный газ.
Опасные газы поглощаются водой в специальном абсорбере, находящемся над реактором, при этом образуется кремнефтористоводородная кислота. На заводе в Череповце её смешивают с гидроксидом алюминия Al(OH)3, покупаемым у Русала, получая товарный фторид алюминия AlF3, и продают его тому же Русалу как необходимый компонент электролита в производстве алюминия. На заводе в Балаково кремнефтористоводородную кислоту смешивают с технической содой Na2CO3, получая таким образом товарный кремнефтористый натрий Na2SiF6, применяемый для производства кислотоупорных цементов и в некоторых других областях.

Система абсорбции в производстве экстракционной фосфорной кислоты в Волховском филиале АО «Апатит». Фото ФосАгро.
Пульпа фосфогипса в фосфорной кислоте поступает на фильтрацию. Основной аппарат здесь — карусельный вакуум-фильтр.

Так выглядит карусельный вакуум-фильтр
Фильтр состоит из нескольких ковшей, вращающихся на «карусели». На поверхности ковшей находится специальная полимерная фильтрующая ткань. Сюда поступает пульпа. Под фильтрующей поверхностью создаётся вакуум, и фосфорная кислота с концентрацией 24-28 % проходит сквозь фильтр и стекает в сборник, откуда отправляется на упаривание. На фильтре остаётся паста фосфогипса, которую промывают водой. Промывные воды аналогичным образом удаляются через фильтр, они содержат некоторое количество фосфорной кислоты, их направляют в реактор для разбавления пульпы. Далее паста фосфогипса снимается опрокидыванием ковша и всё начинается сначала.

Схематично принцип работы
Фосфогипс является неизбежным побочным продуктом при сернокислотном экстракционном способе получения фосфорной кислоты, при получении 1 тонны фосфорной кислоты образуется в зависимости от типа исходного фосфатного сырья и типа процесса 4,2-6,5 т гипса (в пересчете на сухой дигидрат CaSO4*2H2O). Обычно фосфогипс слегка радиоактивен, так как в нём концентрируется содержащийся в горных породах уран, а ещё тяжёлые металлы (такие как кадмий). Но хибинский апатит — руда вулканического происхождения, поэтому почти не содержит эти вредных примесей. ФосАгро продаёт некоторую часть фосфогипса как удобрение, но при колоссальных объёмах его производства, большая часть остаётся невостребованной. Продукт громоздится, словно кучи серы при процессе Клауса, ожидая, когда кто-нибудь придумает, что с ним делать.

 АО «Апатит». Большегрузным автотранспортом фосфогипс доставляется на полигон хранения. Фото ФосАгро
Концентрирование фосфорной кислоты до концентрации 42-53% осуществляется на вакуум-выпарных установках, где вода и растворённые фтористые газы под действием вакуума улетучиваются, направляясь на абсорбцию вместе с аналогичными газами из реактора. Очищенные газы от абсорберов всех стадий процесса объединяются и выбрасываются в атмосферу через выхлопную трубу (там остаётся только водяной пар).
Полученная после упаривания фосфорная кислота хранится в емкостях с мешалками, откуда её расходуют на производство удобрений.

Работник АО «Апатит». Фото ФосАгро
Теперь о цифрах. Согласно отчёту 2020 ФосАгро произвёл 2,7 млн т. фосфорной кислоты, по некоторым данным это крупнейший производитель фосфорной кислоты в мире. Весь произведённый объём компания потребляет самостоятельно. Другими крупными производителями фосфорной кислоты в России также являются производители удобрений — Акрон, Еврохим, Уралхим. Мировое производство фосфорной кислоты составляет около 50 млн. т/год.
Внутреннее производство фактически на 99,5% закрывает спрос внутреннего рынка. Основными потребителями российской фосфорной кислоты на мировом рынке традиционно являются компании из Беларуси, Казахстана и Украины.
По данным Финам, в 2021 году на фосфатное сырье росли вслед за изменением цен на конечные фосфорсодержащие удобрения. Контрактные цены на поставки фосфорной кислоты в Индию в 1 квартале 2021 года были согласованы на уровне $795/т (в пересчёте на 100% продукт), CFR, Индия, что на $106/т выше цены 4 квартала 2020 года и на $205/т выше цены 1 квартала 2020 года.