CN102910602B

CN102910602B - 双区型高效回收黄磷燃烧热能的装置

Info

Publication number: CN102910602B
Application number: CN201210416218.6A
Authority: CN
Inventors: 何锦林; 梁慧力; 宋耀祖; 张宇秋; 胡荣贵
Original assignee: ZHEJIANG CHENGTAI CHEMICAL MACHINERY CO Ltd
Current assignee: ZHEJIANG CHENGTAI CHEMICAL MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102910602A

Abstract

本发明公开了一种双区型高效回收黄磷燃烧热能的装置。从下至上依次包括支架、充分燃烧区组件、对流传热区组件和汽包；充分燃烧区下降管的一端与汽包连通，另一端与充分燃烧区组件的下联箱连通；充分燃烧区水蒸汽导汽管的一端与汽包连通，另一端与充分燃烧区组件的上联箱连通；对流传热区下降管的一端与汽包连通，另一端与对流传热区组件中的冷却水入口管连通，对流传热区水蒸汽导汽管的一端与汽包连通，另一端与对流传热区组件中的水蒸汽出口管连通，充分燃烧区组件的下封头与支架相连接。本发明所可以实现对黄磷燃烧热能的高效回收，理论回收率可达75%以上，促进热法磷酸生产的节能减排，在热法磷酸的生产中具有广阔的应用前景。

Description

双区型高效回收黄磷燃烧热能的装置

技术领域

本发明涉及一种黄磷燃烧热能回收与利用装置，尤其是涉及一种双区型高效回收黄磷燃烧热能的装置。

背景技术

热法磷酸可以达到99.99%以上的高纯度，因而它是国民经济中不可缺少的重要基础化工原料，在航天航空，生物化工，电子信息，生命科学，生物医药等许多高新技术领域中所需的高附加值的高纯度的磷酸（如：食品级、医药级、电子级磷酸等）和精细磷酸盐产品的生产都离不开热法磷酸。如抗甲流N1H1的疫苗“达菲－磷酸奥司他韦（奥尔菲）”等生物制剂都需要使用高纯度的热法磷酸做原料。然而，传统的热法磷酸生产也是一个高耗能的行业。生产工艺都采用水或稀磷酸将黄磷反应热带走，水和稀磷酸经冷却后循环使用，而这部份由水或酸带出的低品位热能（温度低于80℃）无法进一步利用；同时，生产工艺上还需设置专用燃煤锅炉为生产提供蒸汽。形成生产系统中既需要外部供给蒸汽而自身产生的反应热却不能合理利用而造成能源浪费的极不合理现象，不仅增加了水、电、煤资源的消耗与CO₂、SO₂等温室气体的排放量，而且反应余热通过循环水排至大气形成热污染。正是由于热法磷酸生产中存在着高耗能与CO₂的高排放，在国际能源危机以及“京都协定书”对发达国家减排要求的双重压力下导致了国际上一些百年磷化工生产企业（如：德国赫斯特、法国罗地亚、英国奥尔布赖特·威尔逊等）从上世纪九十年代开始纷纷退出磷化工产业，将磷化工产业转嫁到发展中国家。中国的磷矿资源位于世界第三位，这既给中国磷化工产业的发展提供了机遇，同时也把高耗能与CO₂排放的危难转嫁给了中国。因此，对中国磷化工企业而言，机遇与危难共存。要使磷化工企业获得可持续发展的关键是“节能减排”，彻底改变热法磷酸生产高耗能的现状。热法磷酸生产中的余热回收与利用技术已是磷化工行业中共性的重点节能技术之一。

针对这一现状，清华大学宋耀祖等人於2001年12月提出了“黄磷燃烧热能回收与利用装置及其热法磷酸生产系统”的发明专利（专利号：ZL 01 143443.0）。该发明专利技术主要包括：

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提供了一种能回收黄磷燃烧热能的燃磷塔装置，热能的回收是借助于安装在燃磷塔壁面上的多根上升管及其强化换热翅片。主要通过辐射换热方式吸收黄磷燃烧的热能；

采用等离子体陶瓷涂层来防止高温磷蒸汽对金属壁面的腐蚀；

Figure 2012104162186100002DEST_PATH_IMAGE003

提供了一种利用回收热能来生产热法磷酸的新技术与生产系统。在国内外，该发明专利技术是迄今为止在黄磷燃烧热能的回收与利用领域唯一获得成功应用的工程实例，并实现了产业化。然而，该技术仅提供了一种单区型的燃磷装置（也称燃磷塔），即在该燃磷装置内，热能的回收主要依靠单一的辐射传热的方式。即热能回收是借助于黄磷与氧气反应所产生的高温气体（通常在2500℃以上）与燃磷装置壁面之间的辐射传热来实施。理论分析与工程实践都已表明：在燃磷塔内，当磷与氧气发生化学反应时，除生成制造热法磷酸的五氧化二磷外，还生成多磷酸聚合物，它们是超磷酸，偏磷酸，聚磷酸，焦磷酸，正磷酸形成的混合物。它们积聚在换热管壁面上就形成了气、液、固三相的结膜层。结膜层面向磷燃烧火焰的外层温度可高达600℃左右。由于该结膜层的存在，当工艺气体的温度降到700℃左右时，辐射换热的能力已非常小。因此燃磷塔的出口温度通常均达到700℃左右，即，700℃以下的低温余热不能得到有效的回收。因此仅仅依靠辐射传热方式（即，单区型的黄磷磷酸装置）来实施黄磷燃烧热能的回收，受到很大的限制。已有的（或现有的）发明专利技术的出口温度通常为700℃，热能的理论回收率约65%，实际回收率约55-60%。

发明内容

针对背景技术中的不足，本发明的目的在于提供一种双区型高效回收黄磷燃烧热能的装置，可以使热能回收率理论值达到75%以上，实现热法磷酸生产中对黄磷磷酸热能的高效回收与利用。

本发明采用的技术方案是：

本发明的整个装置从下至上依次包括支架、充分燃烧区组件、对流传热区组件和汽包；充分燃烧区下降管的一端与汽包连通，充分燃烧区下降管的另一端与充分燃烧区组件的下联箱连通；充分燃烧区水蒸汽导汽管的一端与汽包连通，充分燃烧区水蒸汽导汽管的另一端与充分燃烧区组件的上联箱连通；对流传热区下降管的一端与汽包连通，对流传热区下降管的另一端与对流传热区组件中的冷却水入口管连通，对流传热区水蒸汽导汽管的一端与汽包连通，对流传热区水蒸汽导汽管的另一端与对流传热区组件中的水蒸汽出口管连通，充分燃烧区组件的下封头与支架相连接。

所述充分燃烧区组件包括：膜式换热器、磷燃烧器、充分燃烧区水蒸汽导汽管、充分燃烧区下降管、下封头和磷燃烧器冷却水箱；膜式换热器包括一组多根上升管，一组多根上升管之间连有强化换热翅片，一组多根上升管的两端分别等距与环形的上联箱和环形的下联箱连通，充分燃烧区水蒸汽导汽管的一端与上联箱相连接，充分燃烧区下降管的一端与下联箱连通，膜式换热器的外壁面包有保温材料，磷燃烧器安装在膜式换热器的下部壁面上，磷燃烧器的外部设有磷燃烧器冷却水箱，下联箱下端的下封头与支架相连接；

所述对流传热区组件包括：管束式换热器、对流传热区水蒸汽导汽管、对流传热区下降管和五氧化二磷出口管；管束式换热器包括另一组多根上升管，另一组多根上升管的两端分别与上管板和下管板连通，对流传热区水蒸汽导汽管的一端与管束式换热器上端的水蒸汽出口管相连接，对流传热区下降管的一端与管束式换热器下端的冷却水入口管相连接，管束式换热器的外壁面包有保温材料，五氧化二磷出口管安装在上管板上部的上封头上。

所述汽包上设有蒸汽出口管，补水进口管，充分燃烧区水蒸汽导汽管、充分燃烧区下降管、对流传热区水蒸汽导汽管和对流传热区下降管的另一端分别与汽包连通。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明通过在二个区域（充分燃烧区与对流传热区）内对黄磷燃烧热能的回收，不仅提高了热能的回收效率；而且还可以使燃磷塔的出口温度从目前的700℃降至400℃以下，从而减轻后续水化工艺中对五氧化二磷工艺气体进一步冷却的要求，降低后续工艺中为了冷却工艺气体所必须支付的能源消耗，进一步节能降耗，提高能源利用效率，并降低生产成本。

本发明可以实现对黄磷燃烧热能的高效回收，理论回收率可达75%以上，，实际回收率提高到66-71%，促进热法磷酸生产的节能减排，进一步提高能源利用效率。达到节约能源，节约资源，降低生产成本与保护环境的目的。在热法磷酸的生产中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是双区型高效回收黄磷燃烧热能的装置结构总示意图。

图2是充分燃烧区组件结构示意图。

图3是图2的A-A截面示意图。

图4是对流传热区组件结构示意图。

图5是图4的B-B截面示意图。

图中：1、充分燃烧区组件，2、对流传热区组件，3、汽包，4、支架，11、膜式换热器，12、磷燃烧器，13、充分燃烧区水蒸汽导汽管，14、充分燃烧区下降管，15、下封头，16、磷燃烧器冷却水箱，21、管束式换热器，22、对流传热区水蒸汽导汽管，23、对流传热区下降管，24、五氧化二磷出口管，111、充分燃烧区上升管，112、强化换热翅片，113、上联箱，114、下联箱，115、保温材料，211、对流传热区上升管，212、上管板，213、下管板，214、上封头，215、冷却水入口管，216、水蒸汽出口管，217、保温材料，31、蒸汽出口管，32、补水进口管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的整个装置从下至上依次包括支架4、充分燃烧区组件1、对流传热区组件2和汽包3；充分燃烧区下降管14的一端与汽包3连通，充分燃烧区下降管14的另一端与充分燃烧区组件1的下联箱114连通；充分燃烧区水蒸汽导汽管13的一端与汽包3连通，充分燃烧区水蒸汽导汽管13的另一端与充分燃烧区组件1的上联箱113连通；对流传热区下降管23的一端与汽包3连通，对流传热区下降管23的另一端与对流传热区组件2中的冷却水入口管215连通，对流传热区水蒸汽导汽管22的一端与汽包3连通，对流传热区水蒸汽导汽管22的另一端与对流传热区组件2中的水蒸汽出口管216连通，充分燃烧区组件1的下封头15与支架4相连接。

如图2、图3所示，所述充分燃烧区组件1包括：膜式换热器11、磷燃烧器12、充分燃烧区水蒸汽导汽管13、充分燃烧区下降管14、下封头15和磷燃烧器冷却水箱16；膜式换热器11包括一组多根上升管111，一组多根上升管111之间连有强化换热翅片112，一组多根上升管111的两端分别等距与环形的上联箱113和环形的下联箱114连通，充分燃烧区水蒸汽导汽管13（一根以上，可等距或不等距分布）的一端与上联箱113相连接，充分燃烧区下降管14（一根以上，可等距或不等距分布）的一端与下联箱114连通，膜式换热器11的外壁面包有保温材料115，磷燃烧器12安装在膜式换热器11的下部壁面上，磷燃烧器12的外部设有磷燃烧器冷却水箱16，下联箱114下端的下封头15与支架4相连接。

如图4、图5所示，所述对流传热区组件2包括：管束式换热器21、对流传热区水蒸汽导汽管22、对流传热区下降管23和五氧化二磷出口管24；管束式换热器21包括另一组多根上升管211，另一组多根上升管211的两端分别与上管板212和下管板213连通，对流传热区水蒸汽导汽管22（一根以上，可等距或不等距分布）的一端与管束式换热器21上端的水蒸汽出口管216相连接，对流传热区下降管23（一根以上，可等距或不等距分布）的一端与管束式换热器21下端的冷却水入口管215相连接，管束式换热器21的外壁面包有保温材料217，五氧化二磷出口管24安装在上管板212上部的上封头214上。

所述汽包3上设有蒸汽出口管31，补水进口管32，充分燃烧区水蒸汽导汽管13、充分燃烧区下降管14、对流传热区水蒸汽导汽管22和对流传热区下降管23的另一端分别与汽包3连通。

本发明的工作原理：

采用本发明可以实施对黄磷燃烧热能的高效回收，其基本原理如下。对于生产规模为年产3万吨热法磷酸的燃磷塔，它每小时的燃磷量为1200公斤。每小时释放的总热量约为约合28.62X10⁶焦耳。如图1所示，回收热能分别在如下二个区域内进行。即，充分燃烧区组件1（第一区）与对流传热区组件2（第二区）。在充分燃烧区组件1内，黄磷燃烧后，生成的工艺气体的理论温度约为2500℃左右。在充分燃烧区域内，借助于膜式换热器11的辐射换热方式，回收热能。但由于换热壁面结膜层的表面温度约为600℃，当热能回收导致该充分燃烧区域工艺气体的温度下降到约700℃左右时，辐射换热量已十分微弱。因此，在充分燃烧区域内，回收的热能可以达到每小时约18.57X10⁶焦耳。随着700℃左右的工艺气体从燃磷塔的充分燃烧区进入对流传热区，热能的回收改变了换热方式，在对流传热区，热能的回收主要借助于对流传热方式。在该对流传热区域通过管束换热器21的对流换热，可使工艺气体的温度从700℃下降到400℃左右（即，燃磷塔的出口温度，也是进入下一工艺流程，工艺气体进入水化塔的温度）。因而，在对流传热区可以进一步回收热能约3.09X10⁶焦耳。通过在二个区域内热能的回收。总的热能回收量可以达到每小时21.66X10⁶焦耳。理论回收率约为75.7%。扣除工程实践中5%的热损耗，实际回收率约为71.7%，而现有技术的理论回收率约为64.9%。扣除工程实践中5%的热损耗，实际回收率约为59.9%，二者相比，回收率增加约11.8个百分点。因此，本发明实现了对余热的高效回收。下面分别对在二个不同区域内回收热能的原理作进一步的详细说明。

在充分燃烧区内对高温（700℃以上）热能回收的原理如下：如图2、图3所示。液态的单质磷与助燃的空气在压缩空气的作用下，经喷磷枪自动进入充分燃烧区内自燃。通过磷与氧的化学反应，在生成五氧化二磷的同时释放出大量的热能。在该充分燃烧区域内，对黄磷燃烧热能的回收是依靠膜式换热器来实施的。膜式换热器属于换热器分类中的间壁式换热器。利用充分燃烧区上升管111管壁的两侧，将进行热交换的冷，热流体分成二个流动空间。其中充分燃烧区上升管111，上联箱113，下联箱114的内部形成了冷流体（即，回收热能的工质，常用水，汽水混合物）的流动空间；而由充分燃烧区上升管111与强化换热翅片112共同围成的环形空间形成了热流体（即，黄磷燃烧反应生成的五氧化二磷等工艺流体）的流动空间。利用充分燃烧区上升管111管壁的两侧及强化换热翅片112进行冷，热流体之间的热量交换。由于在充分燃烧区域内，工艺气体的流动速度很小，而温度却很高，因而，热能主要通过辐射换热的方式被充分燃烧区上升管111内的水所吸收。充分燃烧区上升管内的水因吸收热量而汽化，形成汽水混合的两相流体。它的密度要比位于同一水平面的充分燃烧区下降管14内的水密度小。因而，在充分燃烧区下降管14和充分燃烧区上升管111之间存在的密度差产生了一个使水自然循环的驱动力。它驱动水在汽包3—充分燃烧区下降管14—下联箱114—充分燃烧区上升管111—上联箱113—充分燃烧区水蒸汽导汽管13—汽包3之间进行自然水循环。这样，充分燃烧区上升管111内由于水受热汽化所产生的水蒸汽经上联箱113、充分燃烧区导汽管13进入汽包3，在汽包3内经汽水分离后产生的水蒸汽从蒸汽出口管31输出。在水蒸汽输出过程中，为了确保充分燃烧区上升管111内有充分的水，从汽包3的补水进口管32中给汽包补充低温水，这些水经充分燃烧区下降管14，下联箱114流入充分燃烧区上升管111。从而在充分燃烧区组件1内实现对高温（700℃以上）工艺气体热能的回收。

在对流传热区组件2内对低温（700℃以下）热能回收的原理如下：如图4、图5所示。黄磷经充分燃烧后，产生的工艺气体随着热能的回收，温度逐步降低，当温度降至700℃左右时，由于换热表面存在结膜层，它的温度通常在600温度左右。因此工艺气体在膜式换热器内的辐射换热已十分微弱。此时，工艺气体从充分燃烧区进入对流传热区。在该区域内，对工艺气体热能的回收是依靠管束换热器来实施的。管束换热器21也属于换热器分类中的间壁式换热器。利用对流传热区上升管211管壁的两侧，将进行热交换的冷，热流体分成二个流动空间。其中，对流传热区上升管211的内部形成了热流体（即，黄磷燃烧反应生成的五氧化二磷等工艺流体）的流动空间；而由对流传热区上升管211的外侧与上管板212，下管板213之间（即上升管的管束之间）的空间则形成冷流体（即，回收热能的工质，常用水，汽水混合物）的流动空间。利用对流传热区上升管211管壁的两侧进行冷，热流体之间的热量交换。由于在该区域内，不仅换热面积可以增加，而且工艺气体在管束间的流动速度也有了很大的提高。工艺气体的快速流动不仅有效地增加了工艺气体与回收热能工质（即，水）之间的对流换热强度，而且，由于工艺气体流动对对流传热区上升管内侧的冲刷，导致气相结膜层随工艺气体的流动而流动，液相结膜层变薄。不利于气相与液相结膜物在换热表面的生成。其结果使结膜层的表面温度下降至350℃以下。因而，在对流传热区内，热能主要通过对流换热的方式被上升管管束之间的水所吸收。水因吸收热量而汽化，形成汽水混合的两相流体。它的密度要比位于同一水平面的对流传热区下降管23内的水密度小。因而，水在对流传热区下降管23和对流传热区上升管211管束之间存在的密度差产生了一个使水自然循环的驱动力。它驱动水在汽包3—对流传热区下降管23—冷却水入口管215—对流传热区上升管211的管束之间—水蒸汽出口管216—对流传热区水蒸汽导汽管22—汽包3之间进行自然水循环。这样，对流传热区上升管管束之间的水由于受热汽化所产生的水蒸汽经水蒸汽出口管216、水蒸汽导汽管22进入汽包3，在汽包3内经汽水分离后产生的水蒸汽从蒸汽出口管31输出。在水蒸汽输出过程中，为了确保对流传热区上升管211的管束之间有充分的水，从汽包3的补水进口管32中给汽包补充低温水，这些水经对流传热区下降管23，冷却水入口管215流入对流传热区上升管211的管束之间。从而在强化对流换热区组件2内实现对低温（700℃以下）工艺气体热能的回收。

Claims

1.一种双区型高效回收黄磷燃烧热能的装置，其特征在于：整个装置从下至上依次包括支架（4）、充分燃烧区组件（1）、对流传热区组件（2）和汽包（3）；

充分燃烧区下降管（14）的一端与汽包（3）连通，充分燃烧区下降管（14）的另一端与充分燃烧区组件（1）的下联箱（114）连通；充分燃烧区水蒸汽导汽管（13）的一端与汽包（3）连通，充分燃烧区水蒸汽导汽管（13）的另一端与充分燃烧区组件（1）的上联箱（113）连通；对流传热区下降管（23）的一端与汽包（3）连通，对流传热区下降管（23）的另一端与对流传热区组件（2）中的冷却水入口管（215）连通，对流传热区水蒸汽导汽管（22）的一端与汽包（3）连通，对流传热区水蒸汽导汽管（22）的另一端与对流传热区组件（2）中的水蒸汽出口管（216）连通，充分燃烧区组件（1）的下封头（15）与支架（4）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种双区型高效回收黄磷燃烧热能的装置，其特征在于：所述充分燃烧区组件（1）包括：膜式换热器（11）、磷燃烧器（12）、充分燃烧区水蒸汽导汽管（13）、充分燃烧区下降管（14）、下封头（15）和磷燃烧器冷却水箱（16）；膜式换热器（11）包括一组多根上升管（111），一组多根上升管（111）之间连有强化换热翅片（112），一组多根上升管（111）的两端分别等距与环形的上联箱（113）和环形的下联箱（114）连通，充分燃烧区水蒸汽导汽管（13）的一端与上联箱（113）相连接，充分燃烧区下降管（14）的一端与下联箱（114）连通，膜式换热器（11）的外壁面包有保温材料（115），磷燃烧器（12）安装在膜式换热器（11）的下部壁面上，磷燃烧器（12）的外部设有磷燃烧器冷却水箱（16），下联箱（114）下端的下封头（15）与支架（4）相连接。

3.根据权利要求1所述的一种双区型高效回收黄磷燃烧热能的装置，其特征在于：所述对流传热区组件（2）包括：管束式换热器（21）、对流传热区水蒸汽导汽管（22）、对流传热区下降管（23）和五氧化二磷出口管（24）；管束式换热器（21）包括另一组多根上升管（211），另一组多根上升管（211）的两端分别与上管板（212）和下管板（213）连通，对流传热区水蒸汽导汽管（22）的一端与管束式换热器（21）上端的水蒸汽出口管（216）相连接，对流传热区下降管（23）的一端与管束式换热器（21）下端的冷却水入口管（215）相连接，管束式换热器（21）的外壁面包有保温材料（217），五氧化二磷出口管（24）安装在上管板（212）上部的上封头（214）上。

4.根据权利要求1所述的一种双区型高效回收黄磷燃烧热能的装置，其特征在于：所述汽包（3）上设有蒸汽出口管（31），补水进口管（32），充分燃烧区水蒸汽导汽管（13）、充分燃烧区下降管（14）、对流传热区水蒸汽导汽管（22）和对流传热区下降管（23）的另一端分别与汽包（3）连通。