Photpho (P) là một trong những nguyên tố hóa học được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Photpho có nhiều dạng thù hình (photpho trắng, photpho đỏ,…) được phân biệt bởi cấu tạo phân tử, tính chất hóa – lý hoặc màu sắc. Trong sản xuất công nghiệp, photpho trắng có lẫn tạp chất nên có màu vàng thường gọi là photpho vàng, được sử dụng để sản xuất axít photphoric, các loại muối phốtphát v.v…
Trong tự nhiên, nguyên tố P tồn tại phổ biến dưới dạng các loại quặng phốtphát (apatit, photphorit). Để sản xuất được photpho vàng ở quy mô công nghiệp, người ta tiến hành hoàn nguyên (khử) P từ quặng photphat thiên nhiên ở nhiệt độ cao trong lò điện. P thoát ra ở thể khí (thăng hoa) được ngưng tụ bằng nước cho phép thu được photpho vàng ở thể rắn.
Việt Nam là nước duy nhất ở khu vực Đông Nam á có nguồn quặng apatit dồi dào, cho đến nay loại quặng này vẫn được sử dụng chủ yếu cho công nghiệp sản xuất phân lân (supe photphat đơn, phân lân nung chảy). Nhu cầu về photpho vàng của Việt Nam hàng năm từ 6 – 8 ngàn tấn để sản xuất axit photphoric (H3PO4) phục vụ cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu, nhưng nhu cầu này sẽ tăng đáng kể trong các năm tới. Nguồn photpho vàng cung cấp cho các dây chuyền sản xuất H3PO4 của Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam (TCT HCVN)(tổng công suất khoảng 25.000 tấn/ năm) đến nay chủ yếu là nhập khẩu từ Trung Quốc. Những năm vừa qua, với ưu thế về giá (có lúc xuống tới dưới 900 USD/ tấn so với trên 2.000 USD/ tấn như hiện nay) và nguồn cung cấp khá dồi dào nên photpho vàng của Trung Quốc đã cạnh tranh và có phần lấn át sản xuất trong nước. Tuy vậy, thời gian gần đây, nguồn cung cấp photpho vàng từ Trung Quốc đã trở nên khó khăn hơn, giá bị đẩy lên cao, vì vậy việc tổ chức sản xuất photpho vàng trong nước trở nên cần thiết, hứa hẹn mang lại hiệu quả thiết thực.
Ở Việt Nam, ngay từ năm 1980, Công ty Thiết kết Công nghiệp Hóa chất (CECO) đã được giao nhiệm vụ nghiên cứu sản xuất photpho vàng. Kết quả là một dây chuyền sản xuất photpho vàng, công suất 50 – 60 tấn/ năm theo công nghệ lò điện đã ra đời, sản phẩm đã được tặng Huy chương Vàng Hội chợ Triển lãm Việt Nam năm 1986.
Năm 1999, tại Tằng Loỏng (Lào Cai), Công ty Apatit Việt Nam đã lắp đặt hoàn chỉnh dây chuyền sản xuất photpho vàng đầu tiên của Việt Nam theo công nghệ lò điện công suất 2.000 tấn/ năm, sử dụng nguyên liệu là quặng apatit loại I của Lào Cai và than cốc nhập khẩu. Những năm đầu đi vào sản xuất chưa có nhiều kinh nghiệm quản lý và vận hành dây chuyền sản xuất nên các chi phí, đặc biệt là tiêu hao điện năng cho sản xuất rất lớn, sản phẩm làm ra không có sức cạnh tranh với hàng nhập khẩu giá thấp nên Công ty chỉ sản xuất cầm chừng. Từ năm 2003, khi nguồn cung cấp photpho vàng từ Trung Quốc giảm thì hoạt động của dây chuyền photpho vàng Lào Cai từng bước được phục hồi, nhất là khi Công ty Cổ phần Bột giặt và Hóa chất Đức Giang, đơn vị tiêu thụ photpho vàng chủ yếu ở phía Bắc trực tiếp quản lý sản xuất thì hoạt động của dây chuyền trở nên hiệu quả hơn, bước đầu đã bù đắp đủ chi phí.
Những thông tin ban đầu về kết quả sản xuất photpho vàng tại Việt Nam là đáng mừng, tuy vậy cũng còn rất nhiều việc phải làm. Trước hết là phải đảm bảo đủ nguyên liệu (quặng apatit, than cốc hoặc than antraxit…) cho sản xuất. Theo thiết kế, dây chuyền photpho vàng Lào Cai sử dụng nguyên liệu là quặng apatit cục nguyên khai loại I có hàm lượng P2O5 không thấp hơn 30%. Nếu tính cả dây chuyền 6.000 tấn photpho vàng/ năm của Công ty TNHH một thành viên Hóa chất Cơ bản Miền Nam đang trong giai đoạn lập dự án để xây dựng thì nhu cầu quặng apatit cục loại I cho sản xuất hàng năm xấp xỉ 100 nghìn/ tấn, chiếm khoảng 30% lượng quặng loại I khai thác được của Công ty Apatit Việt Nam. Đây là một khó khăn lớn vì trữ lượng khai thác được của quặng apatit loại I ngày càng trở nên khan hiếm.
Để có giải pháp cung cấp quặng apatit lâu dài và ổn định cho sản xuất photpho vàng, TCT HCVN đã giao nhiệm vụ cho các đơn vị là CECO, Công ty Apatit Việt Nam, Công ty Cổ phần Bột giặt và Hóa chất Đức Giang phối hợp lập phương án thử nghiệm việc sử dụng quặng apatit loại II để sản xuất photpho vàng. Quặng apatit loại II tuy có hàm lượng P2O5 thấp hơn so với quặng apatit loại I nhưng trữ lượng dồi dào hơn, tính chất cơ lý tốt hơn… hứa hẹn một khả năng thay thế được quặng loại I làm nguyên liệu cho sản xuất photpho vàng không chỉ đối với dây chuyền hiện có mà còn có thể mở rộng công suất để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng ở trong nước và xuất khẩu.
Một khó khắn không nhỏ nữa của dây chuyền sản xuất photpho vàng tại Lào Cai hiện nay là vấn đề cung cấp than cốc làm nguyên liệu cho sản xuất. Trong công nghệ sản xuất photpho vàng, than cốc là nguồn cung cấp nguyên tố cacbon tham gia vào phản ứng khử P như sau:
2Ca3(PO4)2 + 28C = P4 + 16CO + 6CaC2
Hiện nay, nguồn cung cấp than cốc từ Trung Quốc không còn nữa, do đó cần phải xem xét khả năng sử dụng than antraxit Việt Nam để thay thế. So với than cốc, than antraxit có hoạt tính cũng như hàm lượng cacbon (C) thấp hơn (hàm lượng C của than antraxit trung bình là 75% so với 85% của than cốc, về hoạt tính, than antraxit xếp thứ 3 sau than cốc và grafit). Trong khi thành phần tro xỉ, chất bốc, độ ẩm lại cao hơn nên sẽ gây khó khăn cho khâu vận hành lò. Bù lại, giá than antraxit thấp hơn, nguồn cung cấp tại chỗ, ổn định nên nếu tìm được chủng loại than antraxit có hàm lượng C cao, thành phần chất bốc hợp lý… sẽ có thể thay thế cho than cốc trong sản xuất photpho vàng và nếu được xử lý nhiệt sơ bộ thì có thể loại bỏ một phần đáng kể lượng chất bốc trước khi đưa vào phối liệu.
Photpho vàng là chất rất độc, trong không khí dễ bốc cháy, vì vậy dây chuyền sản xuất photpho vàng luôn tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm, cháy nổ rất lớn nếu không áp dụng các biện pháp nghiêm ngặt để thu hồi, xử lý các chất thải có chứa CO, PO43-, F–, PH3,… Để phòng ngừa khả năng gây ô nhiễm, khi xây dựng nhà máy sản xuất photpho vàng, người ta phải thiết kế hệ thống xử lý nước thải, cho phép tuần hoàn 100% nước công nghệ. Khí lò điện sau khi qua tháp ngưng tụ P có thành phần chủ yếu là CO cũng cần được xử lý triệt để bằng cách đốt trên đỉnh ống khói cao tối thiểu là 45m. Xỉ lò sau khi làm nguội, cần được bảo quản tại các kho bãi riêng cách xa khu dân cư. Các biện pháp an toàn – vệ sinh lao động, trang bị BHLĐ cá nhân, phòng chống cháy nổ cần được lập, phê duyệt và tuân thủ nghiêm ngặt.
Về vấn đề nguồn cung cấp và chi phí điện năng cho sản xuất photpho vàng: Với tiêu hao điện năng trung bình từ 14 – 18.000 kWh cho 1 tấn photpho vàng (tùy thuộc công suất lò) thì chi phí điện năng chiếm tới 70% giá thành sản xuất photpho vàng. Vì vậy, nguồn cung cấp điện ổn định với giá rẻ là một trong những yếu tố quyết định tính hiệu quả của dây chuyền sản xuất photpho vàng. Việc xây dựng các cụm máy phát điện tự cung – tự cấp, đặc biệt nếu tận dụng được tiềm năng thủy điện nhỏ của một tỉnh miền núi như Lào Cai thì đây có thể là một hướng giải quyết cho bài toán này.
Cuối cùng là việc lựa chọn hoàn thiện công nghệ và thiết bị cho sản xuất photpho vàng từ quặng loại II:
Theo ý kiến của các chuyên gia Liên Xô trước đây, sơ đồ công nghệ sản xuất photpho vàng trong lò điện khác nhau chủ yếu là ở khâu chuẩn bị nguyên liệu đầu vào, tùy thuộc vào chất lượng quặng apatit. Trong 3 phương pháp truyền thống để chuẩn bị nguyên liệu thì phương pháp sấy – nung (đối với quặng kích cỡ 10 – 70 mm) và vê viên – tạo hạt (đối với quặng cỡ 0 – 0,074mm) vì những lý do kỹ thuật không áp dụng được đối với quặng apatit loại II Lào Cai, trong khi đó, các thông số của loại quặng trên đã được thiêu kết lại tương ứng với thông số của quặng photphat của Liên Xô nên đề nghị áp dụng phương pháp thiêu kết quặng apatit loại II Lào Cai để làm nguyên liệu cho sản xuất photpho vàng và dùng than antraxit Hòn Gai làm nhiên liệu cho phối liệu thiêu kết.
Việc tính toán thành phần phối liệu, công tác chuẩn bị phối liệu (quặng apatit, than, quăczit…), chất lượng nước tuần hoàn để ngưng tụ photpho vàng, kết cấu, phác đồ vận hành hợp lý và kinh nghiệm cũng như kỹ năng vận hành lò phản ứng… là những yếu tố có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả sản xuất photpho vàng. Những kinh nghiệm này sẽ được hình thành và tích lũy dần trong quá trình sản xuất.
Với các thế mạnh như có nguồn quặng apatit dồi dào, nhất là quặng apatit loại II; nguồn cung cấp than antraxit, quăczit chất lượng cao và ổn định; có thị trường tiêu thụ photpho vàng trong nước và xuất khẩu, đặc biệt là có một đội ngũ cán bộ kỹ thuật, công nhân sản xuất photpho vàng tuy mới hình thành nhưng bước đầu đã nắm bắt được kỹ thuật, công nghệ sản xuât và đang từng bước tích lũy kinh nghiệm… Hy vọng trong tương lai không xa, sản xuất photpho vàng sẽ trở thành một trong những ngành sản xuất mũi nhọn của TCT HCVN.
T.S. NGUYỄN DUY SỸ
Phó Tổng Giám đốc TCTHCVN
Theo www.vinachem.com.vn