高效利用反應(yīng)熱副產(chǎn)工業(yè)蒸汽熱法磷酸生產(chǎn)裝置工藝設(shè)計

樊 蕾，梅 毅，楊亞斌

（1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南昆明650051；2.昆明理工大學；3.云南省化工研究院）

高效利用反應(yīng)熱副產(chǎn)工業(yè)蒸汽熱法磷酸生產(chǎn)裝置工藝設(shè)計

樊 蕾1，梅 毅2，楊亞斌3

（1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南昆明650051；2.昆明理工大學；3.云南省化工研究院）

以3萬t/a熱法磷酸生產(chǎn)裝置為例，闡述了帶熱能利用的熱法磷酸生產(chǎn)裝置的工藝流程、技術(shù)特點、主要操作條件，進行了物料衡算、熱量衡算和主要設(shè)備的選型計算。建成裝置現(xiàn)已達產(chǎn)達標，生產(chǎn)操作穩(wěn)定、運行可靠，說明該裝置的工藝設(shè)計是成功的?？偨Y(jié)了實施熱能回收利用技術(shù)后熱法磷酸裝置取得的節(jié)能、節(jié)水及減排效果，指出該技術(shù)對中國現(xiàn)階段實施節(jié)能減排的重要意義。

熱法磷酸；熱能高效利用；反應(yīng)熱；蒸汽；工藝設(shè)計

云南省化工研究院和清華大學共同開發(fā)了高效利用反應(yīng)熱副產(chǎn)工業(yè)蒸汽的熱法磷酸專利技術(shù)［1］，自專利授權(quán)以來，該技術(shù)已成功應(yīng)用于0.7萬～9萬t/a熱法磷酸裝置，遍及湖北、四川、重慶、貴州、云南、廣西、江蘇、浙江等多個省市。截止到2013年，共實施技術(shù)轉(zhuǎn)讓約50套，磷酸總生產(chǎn)能力為270萬t/a，技術(shù)推廣覆蓋率達中國熱法磷酸生產(chǎn)能力的60%以上。專利技術(shù)的實施為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟、社會和環(huán)保效益，為中國大力開展節(jié)能減排起到了良好的示范作用。以3萬t/a熱法磷酸生產(chǎn)裝置（燃磷量為1 200 kg/h）為例，介紹了熱法磷酸熱能利用生產(chǎn)裝置的工藝設(shè)計，并結(jié)合裝置運行情況總結(jié)了實施該專利技術(shù)獲得的效益。

1 工藝流程及技術(shù)特點

1.1 工藝流程

該專利技術(shù)適用于燃燒-水合兩步法生產(chǎn)熱法磷酸，就是將黃磷的燃燒與五氧化二磷的水合過程分別在兩臺設(shè)備中進行。

熱法磷酸流程:將黃磷用熱水熔化為液態(tài)，用一次壓縮空氣將黃磷霧化與二次空氣一起在特種燃磷塔內(nèi)燃燒，燃燒完全的含P2O5（P4O10）的混合尾氣經(jīng)水合塔循環(huán)稀磷酸吸收，循環(huán)稀磷酸在多次循環(huán)吸收中濃度不斷提高而達到規(guī)定濃度，經(jīng)冷卻、過濾、檢驗合格后計量包裝入庫；水合吸收剩余的尾氣經(jīng)文丘里、纖維除霧器等設(shè)備處理達到國家尾氣排放標準后排入大氣。

熱能回收流程:從全自動水處理裝置來的新鮮軟水進入新鮮軟水貯槽，經(jīng)泵送入特種燃磷爐下封頭夾套底部，軟水對爐體下封頭和上封頭進行冷卻，冷卻軟水從上封頭夾套排出后由鍋爐給水泵輸送至特種燃磷爐的氣包參與自然水循環(huán)后產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)氣包出氣管導出進入分氣缸后供熔磷或其他裝置使用；上封頭夾套排出的多余軟水回流到新鮮軟水貯槽，新鮮軟水輸送泵流量以保持上封頭水溫在70～95℃為宜。工藝流程示意圖見圖1。

圖1 高效利用反應(yīng)熱副產(chǎn)工業(yè)蒸汽熱法磷酸生產(chǎn)工藝流程示意圖

1.2 技術(shù)特點

1）該技術(shù)屬于世界首創(chuàng)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，在全世界唯一不需使用干燥空氣燃燒黃磷來副產(chǎn)工業(yè)蒸汽的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，節(jié)約了投資，降低了生產(chǎn)成本。2）通過特種燃磷塔內(nèi)生成結(jié)膜物的研究開發(fā)，解決了黃磷燃燒所產(chǎn)生的高溫腐蝕性磷酸氣體對設(shè)備的腐蝕問題。3）關(guān)鍵設(shè)備特種燃磷塔具有化工反應(yīng)與工業(yè)鍋爐兩種功能，是將化工反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)要素與工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)要素結(jié)合起來的一種獨特的創(chuàng)新設(shè)計，可以最大限度地提高熱能回收率，穩(wěn)定地產(chǎn)出合格的飽和蒸汽，不影響后系統(tǒng)磷酸的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)備無腐蝕。4）通過開展計算機仿真模擬研究，得到了燃燒塔內(nèi)流場、溫度場、濃度場的塔內(nèi)分布情況，建立了特種燃磷塔工程設(shè)計與放大的計算方法，并獲得了實踐證明和實際運用。5）提高了磷酸產(chǎn)量，副產(chǎn)的工業(yè)蒸汽少部分用于熔磷，大部分外供其他裝置，是典型的節(jié)能減排技術(shù)。

2 主要操作條件

1）供磷工序:供磷溫度為55～65℃。

2）磷酸工序:空氣過剩系數(shù)為1.5；燃磷塔出口氣體溫度為550～800℃；水合塔出口氣體溫度為90℃；水合塔循環(huán)酸溫度為75℃；水合塔循環(huán)酸循環(huán)倍數(shù)為30～80；文丘里及后系統(tǒng)出口氣體溫度為50℃；文丘里及后系統(tǒng)循環(huán)酸溫度為40℃；文丘里液氣比為0.8～1.0 L/m3；特種燃燒爐鍋筒壓力、分氣缸壓力為0.3～1.0 MPa。

3 物料衡算和熱量衡算

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

燃磷量為 1 200 kg/h；黃磷燃燒熱為24 387.636 kJ/kg；黃磷燃燒熱能回收率為55%；水合塔吸收率為86%；成品酸質(zhì)量分數(shù)為85%；工作制度為300 d/a，24 h/d，年運行7 200 h。

3.2 物料衡算

裝置物料衡算結(jié)果見圖2、表1。

圖2 裝置物料平衡圖（kg/h）

表1 裝置物料平衡表

3.3 熱量衡算

裝置熱量衡算結(jié)果見圖3、表2。

圖3 裝置熱量平衡圖（kJ/h）

表2 裝置熱量平衡表

4 主要設(shè)備計算

1）特種燃磷塔。特種燃磷塔是裝置的核心設(shè)備，其筒體是由多根上升管與連于各管之間的強化換熱翅片構(gòu)成，筒體上、下端面設(shè)置了與上升管相連通的環(huán)形上、下聯(lián)箱，上、下聯(lián)箱的上、下端連接有上、下封頭，這就構(gòu)成了具有反應(yīng)和熱能回收功能的特種燃磷塔。特種燃磷塔采用自然水循環(huán)產(chǎn)生蒸汽，其原理是利用下降管中水和上升管中氣水混合物密度差，驅(qū)動水在氣包—下降管—下聯(lián)箱—上升管—上聯(lián)箱—導氣管—氣包之間循環(huán)，吸收黃磷燃燒熱后產(chǎn)出蒸汽。已知蒸汽吸收熱量為15 736 128.408 kJ/h，取塔體表面熱流為45 kW/m2，經(jīng)計算換熱面積需100 m2，選取特種燃磷塔的性能尺寸為Φ2800mm×11500mm，立式，塔體高徑比為4（要求2.5～4.5［2］）。

2）水合塔。水合塔是P2O5氣體吸收的關(guān)鍵設(shè)備，塔體內(nèi)部設(shè)有若干噴嘴用于P2O5氣體吸收。其原理:從特種燃磷塔出氣管來的P2O5混合氣體自水合塔頂部進入，經(jīng)自塔體頂部和中部噴嘴噴入的循環(huán)磷酸吸收后從水合塔中下部排入除霧系統(tǒng)，循環(huán)磷酸則從水合塔底部輸送至換熱器冷卻后再進入水合塔吸收P2O5氣體進行提濃，直至磷酸質(zhì)量分數(shù)達到85%時產(chǎn)出成品酸。水合塔吸收率比傳統(tǒng)水合塔提高6%～16%。已知處理氣量25119.853m3/h，噴淋量129.41 m3/h，經(jīng)計算選水合塔性能尺寸為Φ 2 600 mm×9 240 mm，立式，設(shè)備總質(zhì)量為22t，材質(zhì)為316L。

3）除霧系統(tǒng)。文丘里為Φ 650mm×3660mm，喉管直徑為Φ 180 mm，立式，材質(zhì)為316 L；二級吸收塔為Φ 1 600 mm×7 000 mm，立式，設(shè)備總質(zhì)量為14 t，材質(zhì)為316L；纖維除霧器為Φ 2 000 mm×3 000 mm，V=9 m3，立式，設(shè)備總質(zhì)量為1 t，材質(zhì)為316L；尾氣風機風量Q=12 968 m3/h，全壓p=14 021 Pa，臥式，設(shè)備總質(zhì)量為 1.5 t，葉輪材質(zhì)為 316L，殼體材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti（尾氣風機風量、風壓需要考慮海拔高度）。

5 裝置運行情況及項目效益

廣西某企業(yè)使用本專利技術(shù)新建了一套3萬t/a熱法磷酸裝置，目前裝置運行穩(wěn)定，達產(chǎn)達標，說明本專利技術(shù)工藝設(shè)計是成功的。經(jīng)核算，與傳統(tǒng)的熱法磷酸相比，采用本專利技術(shù)每生產(chǎn)1 t 85%磷酸可節(jié)水5.21 m3、節(jié)電41 kW·h，以年產(chǎn)3萬t磷酸計，則年可節(jié)水15.63萬m3，節(jié)電123萬kW·h。按工業(yè)水單價2.5元/m3、電價0.5元/（kW·h）計算，年可節(jié)水、節(jié)電價值達100.56萬元。該技術(shù)具有明顯的節(jié)水、節(jié)能效果。

本技術(shù)不僅有顯著的經(jīng)濟效益，還有明顯的環(huán)保效益。本技術(shù)將燃燒塔和熱能利用鍋爐整體設(shè)計，利用黃磷燃燒產(chǎn)生的熱量生產(chǎn)蒸汽，既不影響原有生產(chǎn)工藝，又對高溫燃燒氣含有的大量熱能進行回收，減少了循環(huán)冷卻水流量及攜帶的熱量，減少了通過冷卻水排至大氣的熱污染。本技術(shù)取消了熱法磷酸主生產(chǎn)裝置配套的燃煤鍋爐，減少了因燃煤產(chǎn)生的廢氣、廢渣污染，對酸雨控制與減少SO2排放、減少溫室氣體排放作出了貢獻。與工業(yè)鍋爐相比，每產(chǎn)1t蒸汽將節(jié)約標煤152 kg，減少CO2排放377 kg，減少SO2排放7 kg，減少固體廢棄物排放82 kg。以年產(chǎn)3萬t磷酸計，副產(chǎn)0.8 MPa飽和蒸汽4.57萬t/a，則每年可減排CO21.73t，減排SO20.03t，減少固體廢棄物排放0.37t。

6 結(jié)束語

目前，實施本專利技術(shù)的熱法磷酸裝置總生產(chǎn)能力為270萬t/a，推廣覆蓋率達中國熱法磷酸生產(chǎn)能力的60%以上，裝置投產(chǎn)至今生產(chǎn)操作穩(wěn)定、運行可靠。以實施技術(shù)轉(zhuǎn)讓的熱法磷酸生產(chǎn)能力為270萬t/a計算，則年可回收工業(yè)蒸汽 400萬 t，節(jié)約標煤62.44萬t，減少CO2排放155.25萬t，減少SO2排放2.81萬 t，減少固體廢棄物排放 33.53萬 t，節(jié)水1 406.25萬m3，節(jié)電11 070萬kW·h，企業(yè)獲得的直接效益將超過26.4億元，這對于提高熱法磷酸企業(yè)的產(chǎn)品競爭力和推動中國的節(jié)能減排工作意義重大。

［1］ 宋耀祖，梅毅，張冠忠，等.黃磷燃燒熱能回收與利用裝置及其熱法磷酸生產(chǎn)系統(tǒng):中國，1355133A［P］.2002-06-26.

［2］ 梅毅，楊亞斌，宋耀祖，等.熱法磷酸生產(chǎn)中黃磷燃燒熱能的回收［J］.磷酸鹽工業(yè)，2006（1）:1-11.

聯(lián)系方式：806793103@qq.com

Process design of thermal process phosphoric acid plant with industrial steam by high efficient utilization of reaction heat

Fan Lei1，Mei Yi2，Yang Yabin3
（1.Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.，Ltd.，Kunming 650051，China；2.Kunming University of Science and Technology；3.Yunnan Research Institute of Chemical Industry）

With the capacity of 30 000 t/a thermal process phosphoric acid plant as the design benchmark，technological process，technical features，and main operating conditions of a thermal process phosphoric acid production plant with heat energy utilization were introduced.Material balance，heat balance，and the main equipment selection were calculated.Process design of the equipment was successful base on the established plant reaching standard and output，and on stable operation and reliability service of built devices.The effect of energy saving，water saving，and emission reduction with the patented technology was summarized，and the significance of the technology was also pointed out to China′s current energy conservation and emissions reduction.

thermal process phosphoric acid；high efficient utilization of heat energy；reaction heat；steam;process design

TQ126.37

A

1006-4990（2015）06-0050-03

2015-01-18

樊蕾（1973— ），女，碩士，高工，主要從事磷化工領(lǐng)域的科研開發(fā)和工程設(shè)計工作，發(fā)表論文12篇。