熱法磷酸特種燃磷塔熱平衡及熱利用效率分析計(jì)算

王政偉，李園園，雷 斌，殷詩(shī)明

（常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇常州213000）

化工裝備與設(shè)計(jì)

熱法磷酸特種燃磷塔熱平衡及熱利用效率分析計(jì)算

王政偉，李園園，雷 斌，殷詩(shī)明

（常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇常州213000）

首先概述了現(xiàn)有熱法磷酸特種燃磷塔的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后進(jìn)行黃磷燃燒反應(yīng)計(jì)算，得到燃燒產(chǎn)物焓值和燃燒溫度的計(jì)算式；根據(jù)能量平衡原理給出燃磷塔的能流圖，并建立特種燃磷塔熱平衡關(guān)系式，導(dǎo)出了燃燒反應(yīng)熱利用效率和各項(xiàng)熱損失的計(jì)算式，重點(diǎn)分析了各熱損失原因和提高熱利用效率的技術(shù)措施，最后對(duì)具有輻射對(duì)流換熱面的新型燃磷塔進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，并與現(xiàn)有特種燃磷塔進(jìn)行分析比較。

熱法磷酸；特種燃磷塔；熱平衡；熱利用效率

1 特種燃磷塔的結(jié)構(gòu)和工作原理

高效回收利用黃磷燃燒反應(yīng)熱對(duì)降低當(dāng)前熱法磷加工綜合能耗和減輕環(huán)境污染具有現(xiàn)實(shí)意義，其既有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，又有良好的環(huán)境、社會(huì)效益。圖1是具有回收黃磷反應(yīng)熱副產(chǎn)工業(yè)蒸汽的燃磷塔，是一種將反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)要素和工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)要素相結(jié)合的特種燃磷塔［1］。它利用輻射換熱面回收反應(yīng)熱，能將反應(yīng)氣體出口溫度降到800℃以下再進(jìn)入水化塔，產(chǎn)生的工業(yè)蒸汽供自身工藝及外部其他熱用戶使用。

熱法磷酸特種燃磷塔主要由汽包、下降管、導(dǎo)汽管、環(huán)形膜式水冷壁蒸發(fā)面、上封頭、下封頭和裙座等組成。液態(tài)磷被一次空氣霧化后噴入燃磷塔內(nèi)，與二次空氣混合燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生2 000℃以上高溫反應(yīng)氣體。高溫氣體通過(guò)輻射換熱與蒸發(fā)面和下封頭內(nèi)壁進(jìn)行輻射換熱，當(dāng)降溫到800℃以下，由上封頭的導(dǎo)氣管引出，再進(jìn)入水化塔水化成磷酸。

圖1 熱法磷酸特種燃磷塔結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，從汽包下降總管引出的循環(huán)水由下降管引入到輻射蒸發(fā)段循環(huán)水導(dǎo)入管，經(jīng)下環(huán)形配水箱分配進(jìn)入輻射蒸發(fā)管，管內(nèi)水受到輻射加熱汽化，汽水混合物在浮升力的作用下，進(jìn)入到上環(huán)形集汽箱，由導(dǎo)汽管引入到汽包內(nèi)進(jìn)行汽水分離，分離出的飽和蒸汽由出口管引到分汽缸再輸送到各用戶。

由于輻射換熱與氣體溫度的四次方成正比，當(dāng)氣體溫度從2 000℃降到1 000℃時(shí)，輻射換熱強(qiáng)度下降90%以上；這種僅有輻射換熱蒸發(fā)面的特種燃磷塔，氣體出口溫度很難降得比較低，所以還需對(duì)這種燃磷塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。

2 黃磷的燃燒反應(yīng)計(jì)算

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，將反應(yīng)氣體作為理想氣體處理，反應(yīng)前后等壓且為大氣壓，在上述條件下對(duì)單位質(zhì)量黃磷進(jìn)行燃燒反應(yīng)計(jì)算［2-4］。

2.1 黃磷燃燒的空氣量和反應(yīng)產(chǎn)物計(jì)算

1）燃磷塔內(nèi)黃磷反應(yīng)方程式：2）反應(yīng)所需理論空氣量。

式中：ρk0為干空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，1.293 kg/Nm3；Vm為 標(biāo) 準(zhǔn) 狀 態(tài) 下 摩 爾 體 積 ，22.4 Nm3/kmol；MP為磷的摩爾質(zhì)量，31 kg/kmol。

則實(shí)際空氣量為

式中：α為過(guò)量空氣系數(shù)，為實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值。

3）實(shí)際的一次空氣量。磷燃燒前，需要壓力為0.3～0.4 MPa的一次空氣來(lái)霧化液態(tài)磷，一次空氣與總風(fēng)量的比約為20%～30%，可用β表示，這里β取0.2，則：

4）實(shí)際的二次空氣量。

5）燃燒反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量。單位質(zhì)量磷燃燒反應(yīng)后得到的氣體總質(zhì)量：

式中：LP2O5=2MP2O5/（4MP）=2.29；LN2

=0.768Lk0= 4.27；L′k=（α-1）Lk0=5.561（α-1）；LH2O=0.01αLk0= 0.055 61α；MP2O5為P2O5的摩爾質(zhì)量，142 kg/kmol。所以，Lq=0.999+5.616 61α。

2.2 燃燒反應(yīng)產(chǎn)物的焓值計(jì)算

熱力學(xué)中混合氣體的焓值計(jì)算公式如下：

式中：t為反應(yīng)氣體的溫度，℃；cp為溫度在0～t范圍內(nèi)平均定壓比熱容，kJ/（kg·℃）。

由式（3）可知，求燃燒反應(yīng)產(chǎn)物的焓值應(yīng)先確定反應(yīng)產(chǎn)物的平均定壓比熱容。

根據(jù)P2O5氣體的凝固溫度為500℃以上及相關(guān)的參考資料，P2O5和其他氣體的平均定壓比熱容按下列各式計(jì)算：

所以，

由式（4）可以看出，在反應(yīng)產(chǎn)物溫度一定的情況下，其焓值與過(guò)量空氣系數(shù)α成線性關(guān)系，α越大，焓值越大。

將式（4）改寫成關(guān)于燃燒產(chǎn)物焓值與溫度t的關(guān)系式，有：

由式（5）可以看出，當(dāng)α一定時(shí)，燃燒產(chǎn)物焓值與溫度成二次方關(guān)系，隨著溫度t的增加而增加。

圖2給出了不同過(guò)量空氣系數(shù)α下，單位質(zhì)量磷燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的氣體的焓值隨溫度的變化過(guò)程。

圖2 燃燒產(chǎn)物焓值隨溫度的變化

2.3 燃磷塔反應(yīng)產(chǎn)物的燃燒溫度

根據(jù)工程燃燒學(xué)理論，把單位質(zhì)量黃磷在絕熱和完全燃燒條件下得到的氣體溫度定義為反應(yīng)產(chǎn)物的燃燒溫度，可以按下列公式計(jì)算：

式中：QP為單位質(zhì)量液態(tài)磷的發(fā)熱量，取22 990 kJ/kg；IP為單位質(zhì)量的液態(tài)磷的顯熱，液態(tài)磷的溫度取65℃，IP=tP×（cp）P=55.25；Ik為單位質(zhì)量的液態(tài)磷反應(yīng)所需空氣的顯熱，Ik=Ik1+Ik2=Lk1tk1（cp）k1+ Lk2tk2（cp）k2=183.748 5α；IH2O為單位質(zhì)量的液態(tài)磷實(shí)際所需空氣攜帶水的顯熱，IH2O=（I1）H2O+（I2）H2O=（L1t1cp1）H2O+ （L2t2cp2）H2O=3.422α。

所以，將相關(guān)量代入公式（6）得到：

圖3是按公式（7）計(jì)算得到的，由圖3可知，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，燃燒溫度將下降。通常把α=1和絕熱條件下生成物的燃燒溫度tq0作為理論燃燒溫度，則磷的理論燃燒溫度：tq0=3 287℃；當(dāng)α= 1.6時(shí)，生成物的燃燒溫度為tq=2 211℃。

圖3 燃燒溫度隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化

為工程計(jì)算方便，可對(duì)圖3的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到燃燒溫度計(jì)算的簡(jiǎn)化式：

3 特種燃磷塔的熱平衡

根據(jù)能量守恒定律，對(duì)燃磷塔各種進(jìn)出能量進(jìn)行分析，建立熱平衡關(guān)系式和熱利用效率的計(jì)算式，分析各能量損失的原因、部位、數(shù)量大小，提出減少各種能量損失的技術(shù)措施，對(duì)提高燃磷塔熱能回收利用效率提供技術(shù)途徑。

3.1 特種燃磷塔能流圖

參考特種燃磷塔的結(jié)構(gòu)圖，分析各種能量的進(jìn)出情況，得到圖4的特種燃磷塔的能流圖。

圖4 特種燃磷塔能流圖

3.2 熱量平衡關(guān)系式和熱利用效率

根據(jù)熱力學(xué)第一定律并結(jié)合能流圖，可得到熱法磷酸燃磷塔的各種熱量的平衡關(guān)系式：

燃磷塔的熱利用效率η按下列兩式計(jì)算：

式中：q1和qi分別表示有效能利用率和各項(xiàng)熱損失率。利用式（10）計(jì)算熱利用效率為正平衡法，利用式（11）計(jì)算熱利用效率為反平衡法，反平衡法是工程上常用的方法。

3.3 各種進(jìn)出熱量的計(jì)算

1）輸入熱量Qr的計(jì)算。

式中：B為單位時(shí)間內(nèi)燃磷塔的黃磷的輸入量，kg/h；QP為單位質(zhì)量液態(tài)磷的發(fā)熱量，取22 990kJ/kg；IP為單位質(zhì)量液態(tài)磷的顯熱，kJ/kg；Ik為反應(yīng)實(shí)際所需空氣帶入的顯熱，kJ/kg；IH2O為實(shí)際所需空氣攜帶水的顯熱，kJ/kg。以上各項(xiàng)的計(jì)算式見(jiàn)2.3小節(jié)。

2）排出氣體熱損失Q2的計(jì)算。

式中：tck為燃磷塔反應(yīng)氣體的出口溫度，℃；（cp）ck為以出口溫度計(jì)算的氣體平均比熱容，kJ/（kg·℃）。

3）不完全反應(yīng)熱損失Q3的計(jì)算。

式中：λ為磷的不完全燃燒反應(yīng)份額。

熱法磷酸燃磷塔實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品一般要求不出現(xiàn)紅酸，在這種特殊條件下，一方面要求過(guò)量空氣系數(shù)取得較大，同時(shí)要強(qiáng)化液態(tài)磷霧化、空氣與磷的混合燃燒過(guò)程，以確保磷在燃磷塔中得到完全燃燒反應(yīng)。

4）散熱損失Q4的計(jì)算。燃磷塔在運(yùn)行過(guò)程中，塔壁、汽水管道、集箱等的表面溫度都比周圍的環(huán)境溫度高，這樣不可避免地有部分熱量散失于大氣。散熱損失的大小主要決定于散熱表面積的大小、表面溫度及周圍空氣溫度等因素，它與爐墻的結(jié)構(gòu)、保溫層的性能和厚度有關(guān)。

式中：F為燃磷塔散熱面積，m2；twb為塔外壁的表面溫度，一般取40～50℃；ten為環(huán)境溫度，℃；αz為外壁的綜合傳熱系數(shù)，可取3～5 W/（m2·K）。

5）冷卻水帶走的熱損失Q5的計(jì)算。

式中：ms為燃磷塔冷卻水的總流量，kg/h；cps為冷卻水的平均比熱，取4.18 kJ/（kg·℃）；ts1，ts2為冷卻水的進(jìn)出口溫度，℃。

3.4 燃磷塔的產(chǎn)汽量D的計(jì)算

根據(jù)熱量平衡得到：

式中：D為特種燃磷塔的產(chǎn)汽量，t/h；iq為汽包出口蒸汽焓，kJ/kg；igs為汽包的給水焓，kJ/kg；ips為汽包排污水焓，kJ/kg；Dps為汽包排污水量，t/h；p為排污率，一般為3%～5%。

4 提高燃磷塔熱利用效率的技術(shù)措施

4.1 降低燃磷塔的反應(yīng)氣體的出口溫度tck

降低燃磷塔的氣體出口溫度tck，可以較大幅度地提高燃磷塔的熱利用率。圖5是燃磷塔排氣熱損失率q2和氣體出口溫度的關(guān)系圖，根據(jù)計(jì)算，出口溫度每下降20～30℃，可提高熱利用率1%，因此，應(yīng)盡可能降低燃磷塔的出口溫度。

但影響燃磷塔氣體出口溫度的因素較多，主要有塔內(nèi)換熱面積的布置和數(shù)量、燃磷量B，塔的燃燒空間和體積熱負(fù)荷、噴磷槍的安裝位置和數(shù)量、過(guò)量空氣系數(shù)α等。例如，在一定結(jié)構(gòu)尺寸的燃磷塔內(nèi)，當(dāng)燃磷量達(dá)到額定燃料量時(shí)，再增加燃磷量，就會(huì)使燃磷塔的出口溫度快速上升；塔內(nèi)單位體積熱負(fù)荷設(shè)計(jì)取得較大時(shí)，氣體的出口溫度就較高；噴磷槍的安裝位置較高，底部換熱面吸收的熱量較少，在結(jié)構(gòu)不變的情況下，出口溫度就較高；當(dāng)有多個(gè)噴磷槍相互對(duì)沖時(shí)，混合反應(yīng)速度快，塔內(nèi)周向溫度分布均勻，換熱面得到充分利用，氣體出口溫度就降低；當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大時(shí)，塔內(nèi)氣體平均反應(yīng)溫度降低，換熱強(qiáng)度下降，燃磷塔的出口溫度反而會(huì)上升。

圖5 排氣熱量損失q2隨氣體出口溫度的變化

但是影響燃磷塔出口溫度最重要的因素是塔內(nèi)受熱面的布置，如圖1所示，這種僅有輻射換熱面的燃磷塔即使增加高度也難以進(jìn)一步降低氣體的出口溫度，所以這種燃磷塔的實(shí)際氣體出口溫度tck≥800℃。筆者在原來(lái)特種燃磷塔的基礎(chǔ)上，在上環(huán)形集汽箱和上封頭之間布置對(duì)流蒸發(fā)器，形成了具有輻射對(duì)流換熱面的新型特種燃磷塔，如圖6所示。該燃磷塔的主體部分由充分燃燒區(qū)、強(qiáng)化傳熱區(qū)兩部分組成，在充分燃燒區(qū)內(nèi)，熱能的回收采用輻射換熱方式；而在強(qiáng)化傳熱區(qū)的熱能回收主要采用強(qiáng)化對(duì)流換熱方式。由于采用對(duì)流傳熱方式，改善了流體的流動(dòng)性能，增大了流體對(duì)管壁的流動(dòng)速度，使得氣態(tài)及液態(tài)結(jié)膜物跟隨工藝氣體流動(dòng)，在管壁上僅存在固態(tài)結(jié)膜物。這樣，既不改變防腐性能，又能將氣體的出口溫度降得更低，從而提高了反應(yīng)熱回收利用的效率［5］。

圖6 具有輻射對(duì)流換熱面的燃磷塔

4.2 強(qiáng)化混合燃燒以降低過(guò)量空氣系數(shù)α

圖7給出了過(guò)量空氣系數(shù)與各熱量損失之間的關(guān)系：在黃磷完全燃燒的條件下，降低過(guò)量空氣系數(shù)α，反應(yīng)氣體燃燒溫度提高，在同樣的條件下可增加爐內(nèi)的輻射換熱量，氣體的出口溫度降低，加上氣體的體積降低，使燃磷塔的排氣熱損失降低，這樣可提高燃磷塔的熱利用率。但是，降低過(guò)量空氣系數(shù)α，可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不充分，部分黃磷沒(méi)有與氧反應(yīng)就排出到水化塔，可能造成磷酸產(chǎn)品出現(xiàn)紅酸，所以，過(guò)量空氣系數(shù)不能取得太??；在加強(qiáng)磷和空氣的混合燃燒的條件下，確保黃磷的完全燃燒，推薦過(guò)量空氣系數(shù)α＞1.3。

圖7 不同溫度下排氣熱損失隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化

強(qiáng)化空氣和磷混合燃燒反應(yīng)的技術(shù)措施有：1）采用合理的一次空氣的壓力及優(yōu)化噴磷槍的結(jié)構(gòu)，使液態(tài)磷霧化成合理的形狀和更細(xì)的粒度，進(jìn)而加快磷的蒸發(fā)混合過(guò)程；2）控制爐膛負(fù)壓和調(diào)節(jié)吸風(fēng)管的流通面積，使二次空氣的流量和空氣過(guò)剩系數(shù)在合理的范圍；3）在噴磷槍內(nèi)增加二次風(fēng)旋流片，加強(qiáng)二次空氣和霧化磷的混合，可以使磷在較短的時(shí)間內(nèi)和較小的空間內(nèi)燃燒反應(yīng)完全；4）合理布置噴磷槍的數(shù)量和位置，使反應(yīng)氣流相互對(duì)沖混合或形成旋轉(zhuǎn)氣流，強(qiáng)化混合和延長(zhǎng)氣體在塔內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間。

4.3 降低冷卻水帶走的熱損失Q5

由于高溫反應(yīng)氣體對(duì)金屬材料有很強(qiáng)的腐蝕性，必須保證凡是與反應(yīng)氣體相接觸的金屬面都要進(jìn)行冷卻，由于結(jié)構(gòu)上的困難，現(xiàn)有的燃磷塔上、下封頭和噴磷槍附近仍需要冷卻水進(jìn)行冷卻，這部分的面積占總內(nèi)腔面積的20%～30%，冷卻水帶走的熱損失占15%左右，冷卻水需要通過(guò)板式換熱器冷卻后再循環(huán)使用。因此，降低這部分熱損失應(yīng)從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上考慮，如圖8所示，對(duì)于塔體尺寸較大的燃磷塔，下封頭可采用強(qiáng)制流動(dòng)的盤管結(jié)構(gòu)，將給水加熱接近飽和溫度再進(jìn)入汽包；如圖9所示，上封頭也可采用傘型蒸發(fā)管來(lái)增加蒸發(fā)受熱面以減少熱損失。

圖8 下封頭盤管示意圖 圖9 上封頭傘型蒸發(fā)管示意圖

5 計(jì)算實(shí)例

對(duì)如圖6所示的具有輻射對(duì)流換熱面的特種燃磷塔進(jìn)行分析計(jì)算。熱法磷酸燃磷塔熱平衡及熱效率計(jì)算如表1、表2所示。由表2可見(jiàn)，對(duì)燃磷塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造后，輸入的能量不變，熱能利用效率由原來(lái)的53.68%提高到66.51%，提高了12.83%，節(jié)能效果顯著，提高了經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

表1 計(jì)算原始參數(shù)

表2 不同結(jié)構(gòu)燃磷塔的計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

1）對(duì)特種燃磷塔進(jìn)行燃燒反應(yīng)計(jì)算，得到了反應(yīng)產(chǎn)物的焓值和燃燒溫度計(jì)算式，為燃磷塔的塔內(nèi)傳熱計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供工程方法。2）利用反平衡法計(jì)算燃磷塔熱利用效率，并分析了各項(xiàng)熱損失產(chǎn)生的原因、部位和大小，提出了提高反應(yīng)熱利用效率的技術(shù)途徑，進(jìn)一步提出幾種實(shí)際應(yīng)用具體方案。3）在現(xiàn)有特種燃磷塔的基礎(chǔ)上增加對(duì)流換熱面，能使燃磷塔出口溫度降低至500℃以下，其熱能利用率可提高至66.5%，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 劉寶慶，蔣家羚.熱法磷酸燃磷塔的節(jié)能與傳熱特性研究［J］.現(xiàn)代化工，2003，23（8）：38-41.

［2］ 郭印誠(chéng)，徐進(jìn)明，宋耀祖，等.熱法磷酸塔內(nèi)流動(dòng)與燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2001，15（4）：357-362.

［3］ 吳味隆.鍋爐及鍋爐房設(shè)備［M］.4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006：60-79.

［4］ 王政偉，管泓瑞，官文洪，等.熱管蒸汽發(fā)生器在熱法磷酸余熱回收中的應(yīng)用［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2011，43（10）：62-64.

［5］ 王政偉，宋耀祖，蔣家羚，等.具有輻射對(duì)流換熱面的熱法磷酸余熱利用裝置：中國(guó)，201310386514.0［P］.2013-08-30.

聯(lián)系方式：708992202@qq.com

Analysis and calculation of heat balance and heat utilization efficiency of special phosphoric acid furnace

Wang Zhengwei，Li Yuanyuan，Lei Bin，Yin Shiming
（School of Petroleum Engineering，Changzhou University，Changzhou 213000，China）

The structure and working principle of the existing phosphoric acid furnace were introduced.Then the yellow phosphorus combustion was calculated，and enthalpy of combustion product and formula of combustion temperature were obtained. The energy flow chart was drawn and the balanced relationship of heat and the heat loss of the phosphoric acid furnace was established according to the principle of energy balance.From that the formula of utilization efficiency and kinds of heat loss were obtained.Then the reasons were analyzed and the technical ways to improve the utilization of the available energy were put forward.Finally，the new phosphoric acid furnace with radioactive and convective heat transfer surface compared with the existing was calculated.

thermal process phosphoric acid；special phosphorus acid furnace；heat balance；heat utilization efficiency

TQ052.7

A

1006-4990（2017）04-0071-05

2016-10-16

王政偉（1961— ），男，碩士，教授，主要從事熱能利用和節(jié)能技術(shù)的研究，發(fā)表過(guò)文章25篇。

李園園