CN105967160B - 具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，包括汽包、燃磷塔和蒸汽过热器，燃磷塔包括上端通过导汽管与汽包连接以及下端通过下降管与汽包连接的辐射换热蒸发器，蒸汽过热器包括蛇形管、配汽半环形管和集汽半环形管，蛇形管的入口与配汽半环形管连通，蛇形管的出口与集汽半环形管连通，配汽半环形管通过蒸汽导入管与汽包的蒸汽出口管连通，集汽半环形管上通过过热蒸汽导汽管与过热蒸汽输出管连通，导出过热蒸汽。本发明提供的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，采用蒸汽过热器对汽包排出的饱和蒸汽加热到一定温度的过热蒸汽后输出，提高了余热回收效率和能源综合利用效率，同时可降低燃磷塔的出口温度，具有良好的社会经济效益。

Description

具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置

技术领域

本发明涉及化工设备技术领域，尤其是涉及一种具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置。

背景技术

磷酸是一种重要的化工原料和中间体，可用于制造磷肥及各种磷酸盐，热法磷酸可以获得高浓度和纯度较高的磷酸，经净化的高纯磷酸可用于国防、宇航、食品、医药、电子等行业。

磷酸的生产有热法和湿法两种，湿法生产是利用强酸分解弱酸盐原理，主要用于磷肥的生产。热法生产首先将磷矿石在电炉或高炉中进行冶炼获得单质磷，然后将单质磷和空气在燃烧塔内燃烧得到P₄O₁₀气体，再经水合获取热法磷酸。热法磷酸的工艺有燃烧水合一步法流程和燃烧水合二步法流程。燃烧水合一步法流程的特点是磷的燃烧与P₄O₁₀的水化在同一设备中进行，燃烧产生的热量主要靠喷淋在塔内壁的、并预先冷却过的大量稀磷酸移走。燃烧水合二步法流程的特点是磷的燃烧与P₄O₁₀的水化分别在燃烧塔与水化塔中进行，传统热法磷酸燃烧塔与水化塔塔壁均采用水夹套结构，燃烧热与水合热通过夹套的冷却水移走，冷却水循环使用。

由清华大学和云南省化工研究院的发明专利(公开号为CN 1355133A)中提出能有效回收黄磷燃烧热副产工业蒸汽热法磷酸生产技术，发明了具有锅炉要素和反应塔要素的余热利用装置，经过不断的研究开发，新型的余热利用装置在国内获得了大范围的推广应用，热能回收效率达到60％左右。但是这种余热利用装置只能产生低压饱和蒸汽。低压饱和蒸汽的能量品质较低，主要用于工业加热、干燥、保温等工艺过程；热法磷酸本身的生产工艺中只需要低压饱和蒸汽用来熔磷和保温，但自身需要的蒸汽量仅为自身产汽量的20％，其多余的蒸汽需要外送到下游产生工艺或外送到其他热用户，如果没有足够的热用户，低压蒸汽只能外排将造成极大的能源浪费，同时可能引起热污染和噪声污染。因此，为了进一步提高蒸汽品质和总的能源的利用率，有必要对原有余热利用装置的结构进行技术改造。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中燃磷塔仅能产生低压饱和蒸汽的问题，提供一种具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，利用在燃磷塔内部增设蒸汽过热器，将汽包排出的饱和蒸汽加热到一定温度的过热蒸汽，同时也可以降低燃磷塔工艺气体的出口温度，以进一步提高能源综合利用效率。

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，包括汽包和燃磷塔，所述燃磷塔包括辐射换热蒸发器，所述辐射换热蒸发器上端通过导汽管与所述汽包连接，所述辐射换热蒸发器下端通过下降管与所述汽包连接，还包括设置在所述燃磷塔内部的蒸汽过热器，所述蒸汽过热器包括蛇形管、配汽半环形管、集汽半环形管和波纹固定板组，所述蛇形管与波纹固定板组固定连接，所述蛇形管的入口与配汽半环形管连通，所述蛇形管的出口与集汽半环形管连通，所述配汽半环形管通过蒸汽导入管与所述汽包的蒸汽出口管连通，所述集汽半环形管上设有过热蒸汽导汽管用于导出过热蒸汽。

波纹固定板组增加了蛇形管的强度，减小由于蒸汽的流动带来的震动，增强可靠性，延长使用寿命；采用配汽半环形管对进入的蒸汽进行分配，保证进入各个蛇形管内部的蒸汽均衡；采用蒸汽过热器可以将汽包排出的饱和蒸汽加热到一定温度的过热蒸汽，同时也可以降低燃磷塔工艺气体的出口温度，以进一步提高能源综合利用效率。配汽半环形管和集汽半环形管除了具有配气和集气的作用外，还具有承载蛇形管重力的作用，使蛇形管悬挂在燃磷塔的内部。

具体的，为了充分吸收热量，所述蛇形管为多个，竖向置于所述辐射换热蒸发器的内空腔内，且多个所述蛇形管沿所述辐射换热蒸发器圆周方向均匀分布，每个所述蛇形管在中心处的高度不同，以方便穿过中心相互之间不相碰。

进一步，为了便于运输，所述配汽半环形管上设有若干个导汽入口管，所述导汽入口管与所述蒸汽导入管连通；所述集汽半环形管上设有若干个过热蒸汽出口管，所述过热蒸汽出口管与所述过热蒸汽导汽管连接通。蒸汽导入管与汽包和配汽半环形管以及过热蒸汽导汽管与集汽半环形管均采用分体设置，现场进行安装，便于运输。

进一步，所述辐射换热蒸发器包括环形膜式水冷壁、上集汽环形管和下配水环形管，所述环形膜式水冷壁包括多个上升管以及固定连接在上升管之间的翅片，所述上升管上端与上集汽环形管固定连通，所述上升管下端与下配水环形管固定连通；

所述上集汽环形管通过导汽管与所述汽包连接，所述下配水环形管通过下降管与所述汽包连接，且所述导汽管与所述汽包的连接位置高于所述下降管与所述汽包的连接位置。

进一步，为了增强上升管与上集汽环形管和下配水环形管连接的牢固性，所述翅片上端与上集汽环形管固定连接，所述翅片下端与下配水环形管固定连接。

进一步，为了便于运输，所述上集汽环形管上设有导汽出口管，所述上集汽环形管通过所述导汽出口管与所述导汽管连通，所述下配水环形管上设有循环水导入管，所述下配水环形管通过所述循环水导入管与所述下降管连通。导汽管与上集汽环形管以及下降管与循环水导入管均采用分体设置，现场进行安装，便于运输。

进一步，为了便于安装，所述配汽半环形管和集汽半环形管的直径小于上集汽环形管的直径，配汽半环形管和集汽半环形管与上集汽环形管内侧固定连接。方便放置蒸汽过热器，利用辐射换热蒸发器的上集汽环形管来支撑蒸汽过热器。

进一步，所述燃磷塔还包括下封头和上封头，所述下封头上端与所述下配水环形管固定连接，所述下封头下部设有裙座，所述下封头与裙座固定连接，所述上封头下部与配汽半环形管和集汽半环形管固定连接，所述上封头上部还设有工艺气体出口管，所述环形膜式水冷壁侧面下部设有二次吸风管接口，所述二次吸风管接口处设有喷磷枪和二次吸风管。

进一步，所述二次吸风管接口附近设有局部冷却水箱，所述局部冷却水箱的上部固定连接有局部集箱，所述局部集箱通过下降管与汽包连通。

为了进一步降低工艺气体的温度，所述上封头为锥形结构，所述上封头外侧设有冷却盘管，所述冷却盘管的截面为半圆形，所述冷却盘管的平面紧贴锥形上封头外壁。

具体的，所述汽包包括壳体，所述壳体上设有往汽包内补充水的补充水接管，所述壳体底部设有往燃磷塔输送补充水的下降管接口，所述下降管接口处固定连接有下降管，所述壳体上设有导入汽包内的汽水混合物的导汽接管，所述导汽管与所述导汽接管连接，所述壳体顶部设有蒸汽出口管，所述蒸汽出口管固定连接蒸汽导入管。

进一步，所述波纹固定板组的两端与环形膜式水冷壁的内壁连接。通过波纹固定板组与环形膜式水冷壁内壁连接使蛇形管进一步固定，一方面减小蛇形管与配汽半环形管和集汽半环形管的连接位置的承重，增加蛇形管的强度，另一方面使蛇形管与环形膜式水冷壁内壁连接可进一步减小由于蒸汽的流动带来的震动，增强可靠性，延长使用寿命。

燃磷塔的有效利用换热面由辐射换热蒸发器和蒸汽过热器两部分组成。高温高达1800℃反应气体首先与下部的环形膜式水冷壁蒸发换热面进行辐射换热，温度下降1200℃以下，再与置于燃磷塔内的蒸汽过热器及中部环形膜式水冷壁蒸发换热面进行对流和辐射换热，最后与上部的环形膜式水冷壁蒸发换热面进行辐射换热后温度降到600℃以下，再由工艺气体出口管引入到水化塔。

本发明的有益效果是：

(1)可获得更高的能源利用效率：本发明的具有过热器的热法磷酸利用装置，在燃磷塔内增设了蒸汽过热器，将饱和蒸汽加热到较高的温度，过热蒸汽可以直接进入背压式汽轮发电机组做功发电后，再进入低压蒸汽管道供低压热用户，这样发出的电基本可以满足自身工艺的需要，同时低压蒸汽除了自用外，可以外供到其他热用户，实现了热电联产，使整个系统的能源利用率大幅度提高，获得良好的经济效益。另外当外界没有其他热用户时，可采用抽凝机组代替背压式机组，使部分低压蒸汽继续做功发电后，在冷凝器内凝结为凝结水后送入系统再循环使用。这样就避免了在无外来用户时，也能达到热电平衡，不产生能量的浪费和热污染。

(2)可获得更高的余热回收效率，在反应塔内加入蒸汽过热器后，蒸汽过热器的吸热量约占总吸热量的25％以上，在保持原来结构尺寸的基础上，增加了总的换热面积，工艺气体的换热方式上有辐射换热和对流换热两种，可以进一步降低气体出口温度，获得更高的余热回收效率，与现有技术相比，气体出口温度的降温幅度多达150℃左右，使余热回收效率提高10％，从而使总的余热回收效率达到70％，节能减排和经济效益较为显著；

(3)降低水化塔的冷却水量和电耗：本发明的具有过热器热法磷酸余热利用装置，由于进入水化塔的工艺气体温度降低，使水化塔冷却水量降低30％左右，相应的电耗降低20％以上，循环水系统的投资降低30％上，使整个热法磷酸生产过程的成本进一步降低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明最佳实施例的结构示意图；

图2是汽包的结构示意图；

图3是蒸汽过热器的结构示意图；

图4是波纹固定板组的结构示意图；

图5是图4中D的放大示意图；

图6是图3中B-B的剖面示意图；

图7是辐射换热蒸发器的结构示意图；

图8是图7中A-A的结构示意图；

图9是图8中C的放大示意图。

图中：1、汽包，11、壳体，12、蒸汽出口管，13、补充水接管，14、下降管接口，15、下降管，16、导汽接管，17、导汽管，2、燃磷塔，3、蒸汽过热器，31、蛇形管，32、配汽半环形管，33、集汽半环形管，34、导汽入口管，35、过热蒸汽出口管，36、波纹固定板组，37、蒸汽导入管，38、过热蒸汽导汽管，4、辐射换热蒸发器，41、环形膜式水冷壁，411、上升管，412、翅片，413、二次吸风管接口，42、上集汽环形管，421、导汽出口管，43、下配水环形管，431、循环水导入管，44、喷磷枪，45、二次吸风管，46、局部冷却水箱，47、局部集箱，5、下封头，6、上封头，61、冷却盘管，7、裙座，8、工艺气体出口管。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-9所示，本发明的一种具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，包括汽包1、燃磷塔2和设置在燃磷塔2内部的蒸汽过热器3，汽包1位于燃磷塔2的上部。

如图2所示，汽包1包括壳体11，壳体11顶部设有蒸汽出口管12，蒸汽出口管12固定连接蒸汽导入管37，壳体11上设有往汽包1内补充水的补充水接管13，壳体11底部设有往燃磷塔2输送补充水的下降管接口14，下降管接口14固定连接有下降管15壳体11上设有往汽包1内导入汽水混合物的多个导汽接管16，导汽接管16固定连接有导汽管17。本实施例中下降管接口14包括一直径较大的大下降管接口141和一直径较小的小下降管接口142，大下降管接口141处固定连接有下降总管，下降总管与多个下降管15连接，小下降管接口142固定连接有一个下降管15。

如图1、图7至图9所示，燃磷塔2包括辐射换热蒸发器4、下封头5和上封头6，辐射换热蒸发器4包括环形膜式水冷壁41、上集汽环形管42和下配水环形管43，上集汽环形管42与环形膜式水冷壁41上端连通，下配水环形管43与环形膜式水冷壁41下端连通，

如图7所示，环形膜式水冷壁41包括上升管411以及固定连接上升管411的翅片412，上升管411上端与上集汽环形管42固定连通，上升管411下端与下配水环形管43固定连通，翅片412上端与上集汽环形管42固定连接，翅片412下端与下配水环形管43固定连接，环形膜式水冷壁41侧面下部设有二次吸风管接口413，二次吸风管接口413处设有喷磷枪44和二次吸风管45，二次吸风管接口413附近设有局部冷却水箱46，局部冷却水箱46的上部固定连接有局部集箱47，局部集箱47通过下降管15与下降管接口14连通；上集汽环形管42上设有导汽出口管421，导汽出口管421通过导汽管17与汽包1的导汽接管16连通，下配水环形管43上设有多个循环水导入管431，循环水导入管431通过下降管15与汽包1的下降管接口14连通；

辐射换热蒸发器4下部设有下封头5，辐射换热蒸发器4通过下配水环形管43与下封头5固定连接，下封头5下部与裙座7固定连接；

上封头6为锥形结构，上封头6外侧设有冷却盘管61，冷却盘管61的截面为半圆形，冷却盘管61的平面紧贴锥形上封头6外壁，上封头6上开有工艺气体出口管8。

如图1、图3至图6所示，蒸汽过热器3包括蛇形管31、配汽半环形管32、集汽半环形管33、导汽入口管34和过热蒸汽出口管35；蛇形管31沿直径方向在蒸汽过热器3的内空腔内放置，且各个蛇形管31均布于圆周方向，蛇形管31以波纹固定板组36沿径向固定，且波纹固定板组36的两端与环形膜式水冷壁41的内壁连接，其连接形式可以采用可拆卸连接或固定连接，波纹固定板组36是由上下两层设有半圆形凹槽的薄板相对焊接在蛇形管31上而成，半圆形凹槽的半径与蛇形管31的半径相等，蛇形管31出口与集汽半环形管33固定连通，蛇形管31入口与配汽半环形管32固定连通；集汽半环形管33与过热蒸汽出口管35连通，过热蒸汽出口管35与过热蒸汽导汽管38连通，配汽半环形管32与导汽入口管34连通，导汽入口管34通过蒸汽导入管37与蒸汽出口管12连通；

蒸汽过热器3的配汽半环形管32和集汽半环形管33与辐射换热蒸发器4的上集汽环形管42固定连接，蒸汽过热器3的配汽半环形管32和集汽半环箱33的直径小于辐射换热蒸发器4的上集汽环形管42的直径，蒸汽过热器3的配汽半环形管32和集汽半环箱33的内径小于辐射换热蒸发器4的上集汽环形管42的内径且配汽半环形管32和集汽半环箱33的外径大于上集汽环形管42的外径，保证配汽半环形管32和集汽半环箱33能够支撑在上集汽环形管42的上端，配汽半环形管32和集汽半环形管33上部固定连接有上封头6。

具有蒸汽过热器3的热法磷酸利用装置的工艺流程：

具有一定温度的液态磷被一次空气雾化后喷入燃磷塔2内，和二次空气混合燃烧反应，产生的1800℃高温工艺气体首先与燃磷塔2下部的水冷壁蒸发面和下封头5内壁进行强烈辐射换热，降温到1200℃以下，然后与置于燃磷塔2内的蒸汽过热器3及中上部水冷壁蒸发面进行对流和辐射换热，气体温度降到600℃以下，由上封头6的工艺气体出口管8引出，进入后续工艺的水化塔。

具有蒸汽过热器3的热法磷酸利用装置的汽水流程：

从汽包1的下降管接口14引出循环水，下降总管引出的循环水分两路：一路由下降管15引入到局部集箱47；另一路由下降管15引入到水冷壁蒸发面循环水导入管431，与直接从汽包1下降管15引出的循环水一起，经下配水环形管43分配进入各组水冷壁蒸发管即上升管411内，上升管411内汽水混合物得到辐射加热汽化，在汽水混合物浮生力的作用下，进入到上集汽环形管42，由导汽管17引入到汽包1内，进行汽水分离，分离下来的水参与下一次水循环，分离出的饱和蒸汽由汽包1的蒸汽出口管12引出。

从蒸汽出口管12引出的蒸汽经蒸汽导入管37引入配汽半环形管32，经配汽半环形管32分配进入各蛇形管31，在蛇形管31内饱和蒸汽通过管壁与燃磷塔2内的高温气体进行辐射对流换热到一定的过热温度后，再进入集汽半环形管33，由过热蒸汽出口管35经过热蒸汽导汽管38引出。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (12)

1.一种具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，包括汽包(1)和燃磷塔(2)，所述燃磷塔(2)包括辐射换热蒸发器(4)，所述辐射换热蒸发器(4)上端通过导汽管(17)与所述汽包(1)连接，所述辐射换热蒸发器(4)下端通过下降管(15)与所述汽包(1)连接，其特征在于：还包括设置在所述燃磷塔(2)内部的蒸汽过热器(3)，所述蒸汽过热器(3)包括蛇形管(31)、配汽半环形管(32)、集汽半环形管(33)和波纹固定板组(36)，所述蛇形管(31)与波纹固定板组(36)固定连接，所述蛇形管(31)的入口与配汽半环形管(32)连通，所述蛇形管(31)的出口与集汽半环形管(33)连通，所述配汽半环形管(32)通过蒸汽导入管(37)与所述汽包(1)的蒸汽出口管(12)连通，所述集汽半环形管(33)上设有过热蒸汽导汽管(38)用于导出过热蒸汽。

2.如权利要求1所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述蛇形管(31)为多个，竖向置于所述辐射换热蒸发器(4)的内空腔内，且多个所述蛇形管(31)沿所述辐射换热蒸发器(4)圆周方向均匀分布，每个所述蛇形管(31)在中心处的高度不同。

3.如权利要求2所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述配汽半环形管(32)上设有若干个导汽入口管(34)，所述导汽入口管(34)与所述蒸汽导入管(37)连通；所述集汽半环形管(33)上设有若干个过热蒸汽出口管(35)，所述过热蒸汽出口管(35)与所述过热蒸汽导汽管(38)连接通。

4.如权利要求1所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述辐射换热蒸发器(4)包括环形膜式水冷壁(41)、上集汽环形管(42)和下配水环形管(43)，所述环形膜式水冷壁(41)包括多个上升管(411)以及固定连接在上升管(411)之间的翅片(412)，所述上升管(411)上端与上集汽环形管(42)固定连通，所述上升管(411)下端与下配水环形管(43)固定连通；

所述上集汽环形管(42)通过导汽管(17)与所述汽包(1)连接，所述下配水环形管(43)通过下降管(15)与所述汽包(1)连接，且所述导汽管(17)与所述汽包(1)的连接位置高于所述下降管(15)与所述汽包(1)的连接位置。

5.如权利要求4所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述翅片(412)上端与上集汽环形管(42)固定连接，所述翅片(412)下端与下配水环形管(43)固定连接。

6.如权利要求4所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述上集汽环形管(42)上设有导汽出口管(421)，所述上集汽环形管(42)通过所述导汽出口管(421)与所述导汽管(17)连通，所述下配水环形管(43)上设有循环水导入管(431)，所述下配水环形管(43)通过所述循环水导入管(431)与所述下降管(15)连通。

7.如权利要求4所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述配汽半环形管(32)和集汽半环形管(33)的直径小于上集汽环形管(42)的直径，配汽半环形管(32)和集汽半环形管(33)与上集汽环形管(42)内侧固定连接。

8.如权利要求4所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述燃磷塔(2)还包括下封头(5)和上封头(6)，所述下封头(5)上端与所述下配水环形管(43)固定连接，所述下封头(5)下部设有裙座(7)，所述下封头(5)与裙座(7)固定连接，所述上封头(6)下部与配汽半环形管(32)和集汽半环形管(33)固定连接，所述上封头(6)上部还设有工艺气体出口管(8)，所述环形膜式水冷壁(41)侧面下部设有二次吸风管接口(413)，所述二次吸风管接口(413)处设有喷磷枪(44)和二次吸风管(45)。

9.如权利要求8所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述二次吸风管接口(413)附近设有局部冷却水箱(46)，所述局部冷却水箱(46)的上部固定连接有局部集箱(47)，所述局部集箱(47)通过下降管(15)与汽包(1)连通。

10.如权利要求8所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述上封头(6)为锥形结构，所述上封头(6)外侧设有冷却盘管(61)，所述冷却盘管(61)的截面为半圆形，所述冷却盘管(61)的平面紧贴锥形上封头(6)外壁。

11.如权利要求4所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述汽包(1)包括壳体(11)，所述壳体(11)上设有往汽包(1)内补充水的补充水接管(13)，所述壳体(11)底部设有往燃磷塔(2)输送补充水的下降管接口(14)，所述下降管接口(14)处固定连接有下降管(15)，所述壳体(11)上设有导入汽包(1)内的汽水混合物的导汽接管(16)，所述导汽管(17)与所述导汽接管(16)连接，所述壳体(11)顶部设有蒸汽出口管(12)，所述蒸汽出口管(12)固定连接蒸汽导入管(37)。

12.如权利要求4所述的具有蒸汽过热器的热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述波纹固定板组(36)的两端与环形膜式水冷壁(41)的内壁连接。