關(guān)于磷復(fù)肥生產(chǎn)中部分設(shè)備選型及改造問題的探討

孫先慧(云南三環(huán)中化化肥有限公司, 650113)

關(guān)于磷復(fù)肥生產(chǎn)中部分設(shè)備選型及改造問題的探討

孫先慧(云南三環(huán)中化化肥有限公司, 650113)

對磷復(fù)肥生產(chǎn)過程中硫酸裝置除氧器除氧后的蒸汽夾雜著部分氣體對空排放、磷酸濃縮冷凝水閃蒸后的蒸汽直接對空排放問題進(jìn)行分析研究，提出了回收利用方案，對換熱設(shè)備選型計(jì)算并嘗試性使用，并在大型磷復(fù)肥裝置上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。

磷復(fù)肥生產(chǎn)；除氧器乏汽；濃縮冷凝水閃蒸汽；回收；換熱器；應(yīng)用

1 硫酸裝置除氧器乏汽回收

1.1 背景技術(shù)

云南三環(huán)中化化肥有限公司的兩套80萬噸硫磺制酸裝置，均配套設(shè)置了余熱鍋爐，其額定蒸發(fā)量為每臺123t/h，2臺余熱鍋爐共用一臺除氧器。2014年，公司I期硫酸裝置技改新增低溫位熱能回收裝置(HRS裝置)，利用SO3吸收過程中釋放出的熱量副產(chǎn)1.0MPa蒸汽，供磷酸濃縮使用，其額定蒸發(fā)量為45t/h。2套硫酸裝置及HRS裝置共配套了兩臺除氧器，通過蒸汽熱力除氧，使進(jìn)入鍋爐的給水中氧含量達(dá)到要求，除氧后的蒸汽夾雜著部分氣體放空，造成熱量損失和噪聲，影響周邊環(huán)境，同時(shí)減少了冷凝水回用量，據(jù)估計(jì)兩臺除氧器每小時(shí)放空蒸汽約3t左右，給公司造成一定經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 改造方案

乏汽回收方式為除氧器的排汽進(jìn)入相串聯(lián)的兩臺蒸汽節(jié)能器中(新增下述2臺設(shè)備)，蒸汽余壓克服節(jié)能器的換熱阻力，將除氧器乏汽冷凝成水，循環(huán)水被加熱，經(jīng)節(jié)能器分離的氧氣和不凝性氣體通過排氣口自動(dòng)排出系統(tǒng)，冷凝水在液位控制器的作用下,經(jīng)高位差排入脫鹽水中間補(bǔ)給水箱。

1.3 設(shè)備選型

通過增加1臺帶翅片列管冷卻器和1臺列管冷凝器串聯(lián)，來實(shí)現(xiàn)除氧器乏汽回收的目的。設(shè)備選型計(jì)算如下：

(1)除氧器排汽流量為5t/h

(2)冷凝水焓值(94℃)為397.5kJ/kg

(3)蒸汽焓值(0.05MPa)為2697kJ/kg

(4)蒸汽總放出熱量為

5×(2697-397.5)×1000=11497500kJ/h

(5)蒸汽總放出熱量為11497500/3600=3193.75kW

(6) 需要冷卻水量(10℃溫差)為

1149700/4.2/10/1000=273.75t

(7) 取傳熱系數(shù)K為1000W/(m2·℃)

(8)對數(shù)平均溫差Δtm為(74-64)/LN(74/64)=68.9 其中蒸汽為94℃，冷氣水為20℃，溫差10℃

(9)換熱面積為3193.75×1000/1000/68.9=46.4m2

設(shè)備相關(guān)性能參數(shù)見表1。

(1)列管式光管節(jié)能冷凝器

表1

(2)列管式帶翅片節(jié)能冷卻器

表2

1.4 改造效果

充分考慮不凝性氣體對傳熱的影響，選用列管式光管蒸汽節(jié)能器與列管式帶翅片蒸汽節(jié)能器串聯(lián)設(shè)計(jì)(如圖1)，與相關(guān)乏汽回收裝置比較，設(shè)備設(shè)計(jì)、選型合理，乏汽回收較完全，在回收乏汽的同時(shí)，有效地將排汽中的不凝性氣體排出，減輕原有裝置的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高回收率。可減少硫酸裝置脫鹽水站原水加熱蒸汽消耗約3t/h，增加蒸汽凝水的回收率約3t/h，提高脫鹽水站超濾裝置及反滲透裝置的生產(chǎn)回收率，通過乏汽回收方案的實(shí)施，可消除除氧器除氧后的乏汽排放對周邊環(huán)境的噪聲影響，同時(shí)起到了很好的節(jié)能效益。

圖1

2 磷酸濃縮冷凝水閃蒸汽回收

2.1 磷酸裝置濃縮系統(tǒng)冷凝水生產(chǎn)現(xiàn)狀

云南三環(huán)中化化肥有限公司磷酸裝置濃縮系統(tǒng)配置為4套，每套產(chǎn)能為15萬噸P2O5/年，是目前國內(nèi)最大的磷酸濃縮系統(tǒng)，其采用強(qiáng)制循環(huán)真空濃縮工藝，壓力為2kg/cm2的飽和蒸汽進(jìn)入石墨換熱器換熱形成冷凝水進(jìn)入冷凝水收集槽閃蒸，閃蒸后的冷凝水用泵送鍋爐回用，閃蒸出來的蒸汽直接放空，造成熱量損失，影響周邊環(huán)境，減少了冷凝水回用量，據(jù)估計(jì)每小時(shí)閃蒸損失的冷凝水總量在7t左右，給公司造成一定經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 改造內(nèi)容

云南三環(huán)中化化肥有限公司磷酸裝置濃縮冷凝水回收在實(shí)施過程中對設(shè)備選型分別進(jìn)行了不同摸索和嘗試，即選用列管換熱器和夾套管換熱器都進(jìn)行來了驗(yàn)證，以求最佳的設(shè)備選型和回收效果，下面就兩種設(shè)備選型和回收方案進(jìn)行論證。

2.2.1 單套磷酸濃縮系統(tǒng)各新增一臺列管式換熱器改造方案

(1)改造流程簡述

四套磷酸濃縮系統(tǒng)各新增一臺不銹鋼列管式換熱器，換熱器分別加在凝水輸送泵與冷凝水中轉(zhuǎn)槽之間。清凈冷凝水通過冷凝水輸送泵送至新增的換熱器，走殼程；稀磷酸(含24% P2O5)通過稀酸泵送至新增的換熱器，走管程；冷凝水與稀磷酸在換熱器中逆流傳熱，預(yù)熱后的稀磷酸直接去閃蒸室閃急蒸發(fā)濃縮，冷卻后的冷凝水自流至冷凝水中轉(zhuǎn)槽。

每臺換熱器均設(shè)置旁路，稀磷酸進(jìn)出換熱器的管道上各安裝一個(gè)隔膜壓力表，當(dāng)兩個(gè)隔膜壓力表的壓差達(dá)到一定值時(shí)，關(guān)閉旁路閥，清理換熱器，磷酸濃縮系統(tǒng)仍可正常生產(chǎn)。從稀硫酸清洗管上接一支管至換熱器的稀磷酸進(jìn)酸管道上，以便清洗換熱器。

在換熱器的冷凝水進(jìn)口管和出口管上各安裝一個(gè)溫度計(jì)，可觀察冷凝水進(jìn)出口溫度。

(2)換熱器選型說明

①原始參數(shù)

稀磷酸流量：60～85m3/h，平均70m3/h，稀磷酸濃度為24%P2O5，密度為1300kg/m3；

稀磷酸溫度：45～55℃，平均50℃；

冷凝水流量：40～60m3/h，平均45m3/h，密度為958kg/m3；

冷凝水溫度：110～120℃，平均113℃；

單臺稀酸泵揚(yáng)程為78m，流量為164m3/h，變頻泵；

單臺冷凝水泵揚(yáng)程為50m，流量為60m3/h。

②設(shè)計(jì)要求

冷凝水出口溫度：≤90℃；

磷酸流速：≥1.5m/s(減少磷酸的結(jié)垢和結(jié)晶，延長清理周期)；

換熱器設(shè)計(jì)為立式；

換熱器管程不超過4程；

換熱器管程采用316L，殼程采用304。

③計(jì)算

根據(jù)實(shí)際情況，稀磷酸流量按60m3/h，冷凝水流量按60m3/h進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表3 設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，分別以DN32、DN25、DN20及DN15四種規(guī)格的換熱管進(jìn)行換熱器計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，采用規(guī)格為φ25×2、長為7m的換熱管，當(dāng)稀磷酸流量為60m3/h時(shí)，管內(nèi)流速為1.55m/s；當(dāng)稀磷酸流量為70m3/h時(shí)，管內(nèi)流速為1.81m/s；當(dāng)稀磷酸流量為85m3/h時(shí)，管內(nèi)流速為2.20m/s，管內(nèi)流速較高，能有效減緩結(jié)垢。因此選用該規(guī)格為φ25×2、長為7m的換熱管。

在選型過程中分別對單套磷酸濃縮系統(tǒng)各新增一臺列管式換熱器改造方案(單系列)和兩套磷酸濃縮系統(tǒng)新增一臺列管式換熱器改造方案(雙系列)進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)的對比分析，綜合比較兩個(gè)改造方案的優(yōu)缺點(diǎn)，單套磷酸濃縮系統(tǒng)各新增一臺列管式換熱器改造方案工藝更可靠、系統(tǒng)更穩(wěn)定、更容易控制，最終采用該方案。

2.2.2 單套磷酸濃縮系統(tǒng)各新增一臺夾套管式換熱器改造方案

(1)改造流程簡述

表4 換熱器計(jì)算

在稀磷酸輸送至濃縮系統(tǒng)的管道上增加不銹鋼管夾套管式換熱器，濃縮裝置產(chǎn)生的冷凝液經(jīng)收集泵輸出后經(jīng)過夾套管式換熱器殼程，與來自稀磷酸澄清槽的稀磷酸在此進(jìn)行間接逆流換熱；加熱后的稀磷酸進(jìn)入到濃縮系統(tǒng)中進(jìn)行濃縮。

(2)夾套管式換熱器選型說明

①原始參數(shù)

稀磷酸流量： 單臺70～90m3/h，平均80m3/h，雙臺：160 m3/h；稀磷酸濃度為24% P2O5，密度為1300kg/m3；

稀磷酸溫度：60～67℃，取65℃；

冷凝水流量：單套40～60m3/h，平均50m3/h，雙套100m 3/h；密度為958kg/m3；

冷凝水溫度：100～120℃，平均110℃；

考慮在昆明大氣壓下水沸點(diǎn)93℃左右，冷凝水降溫后溫度取93℃。

②計(jì)算

表5

③管道選型

若選用Φ108mm管道，分四段安裝(上下二層，兩排串聯(lián))，則，按20.6m2來計(jì)算，則需Φ108管道總長60.7m，若每段2根并排,則單根管道長大約7.6米；

稀酸的雷諾系數(shù)Re=d(管道內(nèi)徑×v(流速)×密度/流體黏度 ；若以結(jié)垢速率：0.044cm/天算，運(yùn)行45天后沒根管道還剩68mm通徑，2根為136mm，稀酸可基本通過。

2.3 改造效果

上述兩種不同類型的換熱器在改造過程中都進(jìn)行了嘗試驗(yàn)證(如下圖2)，其結(jié)果差異性較大，單套磷酸濃縮系統(tǒng)各新增一臺列管式換熱器改造方案換熱效果明顯優(yōu)于單套磷酸濃縮系統(tǒng)各新增一臺夾套管式換熱器改造方案，換熱列管因結(jié)垢需要清理，在一個(gè)濃縮系統(tǒng)生產(chǎn)周期內(nèi)需要清理2次以保證正常生產(chǎn)運(yùn)行，夾套管式換熱器改造方案管程隨結(jié)垢的不斷增加，傳熱效果急劇下降，明顯不能起到完全回收熱量的作用。因此選用列管式換熱器改造方案。

圖2

3 結(jié)論

云南三環(huán)中化化肥有限公司通過實(shí)施硫酸除氧器乏汽、磷酸濃縮冷凝水閃蒸汽回收改造，在生產(chǎn)裝置中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，使對空排放的閃蒸汽得以回收利用，避免造成很大的熱能損失，影響周邊環(huán)境，結(jié)合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)、市場形勢，煤炭價(jià)格上漲，能源緊張的形勢，能源的充分利用顯得更加重要，同時(shí)還能為公司帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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[3]靳博晗，胡祥節(jié)，應(yīng)建康．結(jié)晶法生產(chǎn)工業(yè)磷酸一銨蒸汽冷凝水低位熱能的利用．磷肥與復(fù)肥，2017年．

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