2023年年底，工业和信息化部等七部委与中国科学院联合印发了《推进磷资源高效高值利用实施方案》，实施方案将极大地促进磷化工产业的健康有序发展。我国以占全球5.1%磷矿资源储量，供应了全球磷矿50%的用量。目前，我国磷肥、黄磷、磷酸、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和磷酸氢钙等产能、产量均位居世界首位。

  磷化工是以磷矿石为原料，经过物理化学加工制备各种含磷制品的工业。工业磷化学品主要通过磷矿还原得到单质磷(黄磷)，或强酸分解磷矿得到磷酸，再以黄磷或磷酸进一步加工成为满足国民经济需求的产品，可以用作化肥、洗涤剂、冶金、机械、选矿、钻井、颜料、电镀、涂料、纺织、印染、制革、医药、食品、玻璃、陶瓷、水处理、耐火材料、建筑材料、日用化工、造纸、弹药、阻燃剂、灭火剂，电子电气材料、传感元件材料、离子交换剂、催化剂、人工生物材料、太阳能电池材料、光学材料等，涉及国计民生16个领域60多个部门。

  热法黄磷是有机磷化学品、电子化学品、弹药、阻燃剂、光电材料等不可或缺的原料。2022年，我国黄磷产量占世界总产量77%，对国际磷化工产业与市场有重要影响。但黄磷采用电热法生产，每吨黄磷电炉电耗13000-15000kWh，消耗碳质还原剂1.5吨标煤，吨磷耗标煤3.5吨，是典型的高耗能产业。国家发展改革委发布的《产业结构调整指导目录(2024版)》鼓励“全封闭高压水淬渣及无二次污染磷泥处理黄磷生产工艺”，限制黄磷装置建设，淘汰“单台产能5000吨/年以下黄磷生产装置”。国家发展改革委等六部门发布的《工业重点领域能效标杆水平和基准水平(2023年版)》规定黄磷单位产品综合能耗的标杆水平2300kgtc/t，基准水平2800kgtc/t。国家发展改革委等四部门发布的《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022年版)》提出：开展“推动磷化工制黄磷与煤气化耦合创新，对还原反应炉、燃烧器等关键技术装备进行工业化验证，提高中低品位磷矿资源利用率，通过磷-煤联产加快产业创新升级”前沿技术研究。加快推广黄磷尾气烧结中低品位磷矿及粉矿技术，提升入炉原料品位，降低耗电量。加快磷炉气干法除尘及其泥磷连续回收技术应用。推广催化氧化法和变温变压吸附法净化、提纯磷炉尾气，用于生产化工产品。磷炉尾气用于原料干燥与泥磷回收，回收尾气燃烧热用于产生蒸汽及发电。

  因此，降低黄磷生产能源消耗、延伸产业链是实现热法磷化工产业转型升级的关键。

  一、降低电热法生产能源消耗

  电热法黄磷能耗主要分布在化学反应、高温磷炉渣、磷矿杂质分解与还原三大部分，磷矿中Fe₂O₃、CO₂、H₂O含量每增加1%，吨磷耗电将分别增加477kWh、180kW∙h、150kW∙h。降低电热法黄磷生产能源的关键技术是：①提高黄磷生产入炉的磷矿品质，从磷矿选别入手，合理利用高硅磷矿，发展磷矿粉矿成球技术；②实现黄磷磷炉气的全利用，一吨黄磷副产含90%CO的磷炉气2800Nm³，其最有效利用是净化磷炉气后生产碳一化学品，但目前黄磷最大单系列规模13kt/a，小时磷炉气气量5000Nm³，难于与大规模的煤制气、焦炉气、钢铁转炉气竞争，因此，目前磷炉气除了用于甲酸盐合成外，重要的是作为燃气使用，多段式磷炉气燃气锅炉、流化床磷炉气燃气锅炉都已解决了磷炉气的腐蚀问题，热回收率达90%，应大规模推广应用；③利用高温磷炉渣生产微晶玻璃、矿渣棉等高温加工产品，实现磷渣熔融热的充分利用，其关键技术是解决高温配料问题；④推动磷炉气干法除尘的技术创新，取消污水沉降池、精制磷热水槽、泥磷回收工段，实现电热法黄磷短流程生产。

  在可再生能源的大背景下，采用绿电生产，每吨黄磷的CO₂排放量可以从10.2吨降至2.7吨。

  二、以磷煤联产替代电热法黄磷生产

  我国富煤少油缺气决定了我国有机化学品碳的来源。现代煤化工是推动煤炭清洁高效利用的有效途径，对化工原料来源具有重要地位；以CO、绿氢为原料可生产甲醇、烯烃等碳氢化学品。在煤气化过程内，煤与纯氧的燃烧区温度高达2000℃以上，可利用该热量供给磷矿还原热，即通过磷煤联产节能减碳耦合技术生产CO和黄磷两种产品，解决原有两个独立系统存在的四个问题：①黄磷还原需要电能供给热量；②煤气化过程中产生大量热量需要外排和利用；③电热法碳还原磷矿所产生的CO总量少，难于规模化利用；④用煤气化的熔融渣替代硅石，提高了磷矿还原率。通过磷煤气化炉生产的CO与绿氢耦合，可以生产一系列的高附加值产品，建议大力扶持磷煤联产技术的研究与技术开发。

  三、延伸下游产业链

  黄磷可以生产高纯电子级磷酸、磷烷及其所有的含磷有机化学品(医药、农药、表面活性剂、阻燃剂等)。采用管式反应器、微通道反应器等高效反应手段，提升三氯化磷、五氯化磷、三氯氧磷的连续化、安全生产水平，为有机磷化学品奠定原料基础；利用离子液体的靶向分子识别作用提高有机磷化学品合成的选择性，提高反应效率。

  黄磷、红磷、黑磷是磷单质的同素异形体，通过一定温度、压力，黄磷可以转变为性质更加稳定的红磷、黑磷。黑磷是一种新型的二维、p-型半导体材料，具有可调控的直接带隙、高的载流子迁移率、高的光热转化效率，黑磷的理论储Li/Na/K容量高达2600 mAh /g，约为碳的7倍，其适中的充放电平台和良好的金属离子扩散速率可有效避免快充电过程中枝晶生长带来的安全性问题，在大容量、高倍率的储能电池方面具有优势。同时，黑磷以添加量少、对高分子力学性能影响小的特点，在高分子阻燃、防腐领域有着极大的应用前景。建议开展黑磷低成本制备技术的攻关及其在下游领域的应用研究，推动黑磷及其应用的产业化。

  昆明理工大学云南省磷化工节能与新材料重点实验室致力于基础磷化工的节能减碳技术开发与黑磷制备及其阻燃储能研究，通过黄磷磷炉气与黄磷反应热的回收，每吨黄磷能耗降低60%以上；催化法黑磷制备反应时间从10小时缩短至15分钟，并首次将黑磷用于阻燃、防腐研究，取得了一系列突破性进展；开展了磷煤联产技术的研究，揭示了磷煤气化炉的反应机理，为磷煤联产的工程化奠定了基础。

登录阅读