CN109058957B - 一体化吊装式热法磷酸余热利用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，包括汽包、导汽管、下降管、上封头、燃烧辐射换热蒸发器、喷磷燃烧枪、下封头、弹性吊钩和支架。燃烧辐射换热蒸发器具有上、中、下三个环形集箱，在上集箱和中集箱之间布置垂直环形膜式水冷壁、在中集箱和下集箱之间布置锥形膜式水冷壁，将燃烧室和辐射换热室合成一体，形成一体化水循环系统；同时采用弹性吊钩将燃烧辐射换热蒸发器悬挂在支架上。本发明采用锥形膜式水冷壁结构替代双夹套下封头，底部燃烧室的热量全部利用；整个装置采用吊装方式，一体化运行，给设备以膨胀缓冲空间，结构简单，重量轻，热回收效率高，运行安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及化工设备技术领域，特别是涉及一种一体化吊装式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，可用于制造磷肥以及各种磷酸盐，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食品、医疗、电子、生物等行业。
热法生产首先将磷矿石在电炉中进行冶炼，获得单质磷，然后将单质磷雾化，与空气在燃烧塔内燃烧生成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。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。二步法流程的特点是磷的燃烧与P4O10的水化分别在燃烧塔和水化塔中进行，传统热法磷酸燃烧塔与水化塔均采用水夹套结构，燃烧反应热与水合热通过夹套的冷却水带走，冷却水经冷却塔冷却后循环使用，造成严重的热污染和能源的浪费。
清华大学和云南省化工研究院的发明专利[公开号：CN1355133A中提出能有效回收黄磷燃烧热副产工业蒸汽的热法磷酸生产技术，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。但是这种燃磷塔的有效受热面为由膜式水冷壁形成一个圆筒状结构，下封头为双夹套式结构，采用低温循环水冷却，底部反应热得不到利用，塔底的安全性也是一大隐患，另外喷磷燃烧枪附近燃烧温度达到2000℃左右，需要设置局部冷却水箱，增加了塔身的重量。
常州大学和浙江诚泰化工机械有限公司的发明专利[公开号：CN 103449390 A]提出具有辐射对流换热面的热法磷酸余热利用装置，这种带有对流蒸发段的余热利用装置与仅有辐射蒸发段的燃磷塔相比，气体出口温度更低，余热回收效率更高。但是这种余热利用装置依然没有解决底部余热浪费问题。为了进一步提高热法磷酸反应热的利用效率，简化制造工艺，降低生产成本，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热回收效率低下的问题，本发明提供一种一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，利用下锥形膜式水冷壁结构进一步回收底部反应热，同时保证塔底安全稳定运行。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，包括汽包、导汽管、下降管、上封头、燃烧辐射换热蒸发器、喷磷燃烧枪、下封头、弹性吊钩和支架。所述燃烧辐射换热蒸发器包括上集汽环形集箱、导汽出口管、垂直环形膜式水冷壁、中环形集箱、下部锥形膜式水冷壁、下配水环形集箱、局部冷却水箱和局部小集箱；所述上封头和下封头分别连接在燃烧辐射换热蒸发器的上下两端，所述汽包上的固定支座通过螺栓连接固定在支架上。
所述汽包上的下降管经过分配管与局部冷却水箱连通；所述汽包上的下降管经过分配管与下封头的进水管连通；所述汽包上的导汽进口管通过导汽管与所述导汽出口管连通；所述喷磷燃烧枪和局部小集箱设置在垂直环形膜式水冷壁侧面的下部。
所述上集汽环形集箱、中环形集箱和下配水环形集箱所在平面相互平行且均垂直于装置中心线。
所述燃烧辐射换热蒸发器具有上、中、下三个环形集箱，在上集汽环形集箱和中环形集箱之间布置垂直环形膜式水冷壁、在中环形集箱和下配水环形集箱之间布置锥形膜式水冷壁，将燃烧室和辐射换热室合成一体，形成一体化水循环系统；为了便于安装，更好地防止运行过程中冲击负荷和平衡各吊钩之间差异，采用弹性吊钩将燃烧辐射换热蒸发器悬吊在支架上。所述上集汽环形集箱上部布有与其固定连接的多个吊耳，所述弹性吊钩一端连接吊耳，另一端与支架连接。
作为优先方案，所述燃烧辐射换热蒸发器上集汽环形集箱上的导出管通过导汽管与所述汽包连通，所述下配水环形集箱通过下降管与所述汽包连接，且所述导汽管与汽包的连接位置高于所述下降管与汽包的连接位置。
为了使燃烧辐射换热蒸发器更好地自由热膨胀，作为优先方案，多个沿竖直方向悬吊燃烧辐射换热蒸发器的弹性吊钩，所述弹性吊钩上端与支撑墙体固定连接，所述弹性吊钩下端通过吊耳与上集汽环形集箱固定连接。
作为优先方案，所述上封头上部设有工艺气体出口管，所述上封头下部与上集汽环形集箱固定连接，所述下封头与下配水环形集箱固定连接。
作为优先方案，所述上封头由多个不同内径的双层半圆形冷却盘管紧密组合固定而成；所述双层半圆形盘管的截面为半圆形，由上层盘管依次连通下层相邻的两个盘管，所述双层半圆形盘管的平面紧贴锥形上封头的外壁。
作为优先方案，所述燃烧辐射换热蒸发器底部采用下锥形膜式水冷壁结构，所述下锥形结构，壁面沿水平方向呈一定角度向内弯曲，下部锥形膜式水冷壁换热管紧贴壁面，所述燃烧辐射换热蒸发器下锥形内壁的换热管上端与中环形集箱固定连通、下端与下配水环形集箱固定连通，换热管之间的翅片与其固定连接。
作为优先方案，所述下封头为圆柱形壳体结构，其侧面布有多个循环水导入管，并通过下降管与汽包连通，所述侧面圆柱体上端与下配水环形集箱固定连接。
本发明的有益效果是：
(1)可获得更高的余热回收效率：本发明的一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，由于燃烧辐射换热蒸发器采用下锥形膜式水冷壁结构来替代原有的水夹套结构，能有效吸收底部的反应热；同时，下封头圆柱形壳体侧面布有多个循环水导入管，并通过下降管与汽包连接，循环水由下降分配管进入侧面圆柱体，吸收下封头的反应热，再进入下配水环形集箱，比现有技术多吸收了下封头处损失的热量，可以使余热回收效率提高10％，从而使总的余热回收效率达到75％，节能减排和经济效益显著；
(2)降低燃烧辐射换热蒸发器重量和结构用材：本发明的一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，由于在底部采用锥形膜式水冷壁结构替代双夹套下封头，结构更简单，使整个装置重量降低5％左右，同时减少了结构用材；
(3)整个装置运行更加安全可靠：本发明的一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，由于采用一体化吊装式结构，用多个弹簧吊钩悬吊整个塔身，使装置运行时安装方便，增加了膨胀缓冲空间，可抗冲击负荷，增加底部的操作空间，大大提高了装置运行的安全稳定性。
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是本发明的一体化吊装式热法磷酸余热利用装置示意图；
图2是本发明的汽包示意图；
图3是本发明的上封头双层半圆形盘管示意图；
图4是本发明的燃烧辐射换热蒸发器主视结构示意图；
图5是本发明的燃烧辐射换热蒸发器俯视结构示意图；
图6是本发明的下封头示意图。
图中：1.汽包，2.导汽管，3.下降管，4.上封头，5.燃烧辐射换热蒸发器，6.喷磷燃烧枪，7.下封头，8.支架，9.弹性吊钩，11.壳体，12.蒸汽出口管，13.补充水接管，14.导汽进口管，15.固定支座，16.下降总管接口，31.下降分配管A，32.下降分配管B，41.工艺气体出口管，42.冷却盘管A，43.冷却盘管B，44.锥形体，51.上集汽环形集箱，52.吊耳，53.导汽出口管，54.垂直环形膜式水冷壁，55.中环形集箱，56.下部锥形膜式水冷壁，57.下配水环形集箱，58.局部冷却水箱，59.局部小集箱，71.循环水导入管，72.侧面圆柱体，73.下封头顶板，74.椭圆形底板。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，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，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。
如图1和图2所示，本发明的一种一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，包括汽包1、导汽管2、下降管3、上封头4、燃烧辐射换热蒸发器5、喷磷燃烧枪6、下封头7、支架8和弹性吊钩9。汽包1包括壳体11，壳体11上设有往汽包1内补充水的补充水接管13，壳体11底部设有往燃烧辐射换热蒸发器5输送补充水的下降总管接口16，下降总管接口16处固定连接有下降管3，壳体11上设有往汽包1内导入汽水混合物的导汽进口管14，导汽进口管14与导汽管2固定连通，壳体11顶部设有蒸汽出口管12。所述汽包1上的固定支座15通过螺栓连接固定在支架8上。
如图3-图6所示，燃烧辐射换热蒸发器5包括上集汽环形集箱51、吊耳52、导汽出口管53、垂直环形膜式水冷壁54、中环形集箱55、下部锥形膜式水冷壁56、下配水环形集箱57、局部冷却水箱58和局部小集箱59；垂直环形膜式水冷壁54包括换热管和翅片，换热管上端与上集汽环形集箱51固定连通、换热管下端与中环形集箱55固定连通；下部锥形膜式水冷壁56包括换热管和翅片，换热管上端与中环形集箱55固定连通，下端与下配水环形集箱57固定连通，，所述翅片的两侧与所述换热管的固定连接；垂直环形膜式水冷壁54侧面下部设有喷磷燃烧枪6和局部小集箱59，局部小集箱59的上部固定连接有局部冷却水箱58，局部冷却水箱58通过下降分配管A 31与下降管3连通；上集汽环形集箱51与导汽出口管53连通，导汽出口管53通过导汽管2与汽包1上导汽进口管14连通；上集汽环形集箱51上部固定连接有上封头4，上封头4为锥形上封头4，所述上封头4包括工艺气体出口管41、冷却盘管A 42、冷却盘管B 43和锥形体44，所述锥形体44下部与上集汽环形集箱51固定连接，所述锥形体44上部与工艺气体出口管41连接，锥形上封头4外壁紧贴有半圆形冷却盘管A 42，半圆形冷却盘管B 43与半圆形冷却盘管A 42层叠连通，在锥形体44外侧形成双层半圆形冷却盘管结构；下配水环形集箱57下部固定连接下封头7，下封头7为圆柱形壳体结构，包括循环水导入管71、侧面圆柱体72、下封头顶板73以及椭圆形底板74，所述侧面圆柱体72的侧面布有多个循环水导入管71，循环水导入管71与下降分配管B 32连通；侧面圆柱体72上端与下配水环形集箱57下部连接、下端与椭圆形底板74连接，下封头顶板73与下配水环形集箱57内侧中部连接，在下配水环形集箱57与侧面圆柱体72以及顶板73连接的中间部位开多个通孔。
一体化吊装式热法磷酸余热利用装置的工艺流程：
在供磷桶内加热到60℃液态磷由齿轮泵输送到喷磷枪，被一次空气雾化后喷入燃烧辐射换热蒸发器5内，和二次空气混合燃烧反应，产生的2000℃高温工艺气体首先与燃烧辐射换热蒸发器5下部锥形膜式水冷壁56进行辐射换热，降温后，再向上流动与垂直环形膜式水冷壁54进行辐射换热，降到650℃左右，由上封头4的导汽管2引出，进入后续工艺的水化塔。
一体化吊装式热法磷酸余热利用装置的汽水流程：
从下降管3引出的循环水，由下降分配管引入到下封头7和局部小集箱59，经下封头7侧面圆柱体72进入下配水环形集箱57，再分配进入下部锥形膜式水冷壁56上的各辐射换热管，管内循环水受到辐射加热汽化，汽水混合物在浮生力的作用下进入到中环形集箱55，中环形集箱55进行汽水再分配，工质继续向垂直环形膜式水冷壁54上的辐射换热管流动，进行辐射换热，最终的汽水混合物在浮生力作用下进入到上集汽环形集箱51，由导汽管2引入到汽包1内，汽水混合物在汽包1内进行汽水分离后，蒸汽经汽包1上蒸汽出口管12引到分气缸；汽水分离下的水和给水混合后再进入下降管3进行下一次的循环。
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 (6)
1.一种一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，其特征在于：包括汽包（1）、导汽管（2）、下降管（3）、上封头（4）、燃烧辐射换热蒸发器（5）、喷磷燃烧枪（6）、下封头（7）、支架（8和弹性吊钩（9），所述燃烧辐射换热蒸发器（5）包括上集汽环形集箱（51）、导汽出口管（53）、垂直环形膜式水冷壁（54）、中环形集箱（55）、下部锥形膜式水冷壁（56）、下配水环形集箱（57）、局部冷却水箱（58）和局部小集箱（59）；
所述上封头（4）和下封头（7）分别连接在燃烧辐射换热蒸发器（5）的上下两端，所述汽包（1）连接固定在支架（8）上，所述汽包（1）上的下降管（3）经过下降分配管A（31）与局部冷却水箱（58）连通；所述汽包（1）上的下降管（3）经过下降分配管B（32）与下封头（7）的循环水导入管（71）连通；所述汽包（1）上的导汽进口管（14）通过导汽管（2）与所述导汽出口管（53）连通；所述喷磷燃烧枪（6）和局部小集箱（59）设置在垂直环形膜式水冷壁（54）侧面的下部；
垂直环形膜式水冷壁（54）的换热管上端与上集汽环形集箱（51）连通，换热管下端与中环形集箱（55）上部连通；下部锥形膜式水冷壁（56）的换热管上端与中环形集箱（55）下部连通，换热管下端与下配水环形集箱（57）连通；所述上集汽环形集箱（51）、中环形集箱（55）和下配水环形集箱（57）所在平面相互平行且均垂直于装置中心线；
还包括吊耳（52）和弹性吊钩（9），所述上集汽环形集箱（51）上部布有与其固定连接的多个吊耳（52），所述弹性吊钩（9）一端连接吊耳（52），另一端与支架（8）连接。
2.如权利要求1所述的一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述下封头（7）为圆柱形壳体结构，包括循环水导入管（71）、侧面圆柱体（72）、下封头顶板（73）以及椭圆形底板（74），所述侧面圆柱体（72）的侧面布有多个循环水导入管（71），并与下降分配管B（32）连通，侧面圆柱体（72）上端与下配水环形集箱（57）下部连接，下端与椭圆形底板（74）连接，下封头顶板（73）为下凹弓形圆板，并与下配水环形集箱（57）内侧中部连接，在下配水环形集箱（57）与侧面圆柱体（72）以及顶板（73）连接的中间部位沿圆周方向上开多个通孔。
3.如权利要求1所述的一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述上封头（4）包括工艺气体出口管（41）、冷却盘管A（42）、冷却盘管B（43）和锥形体（44），所述锥形体（44）下部与上集汽环形集箱（51）固定连接，所述锥形体（44）上部与工艺气体出口管（41）连接，冷却盘管A（42）的半圆管紧贴锥形体（44）外侧固定而成，冷却盘管B（43）的半圆管紧贴冷却盘管A（42）外侧固定而成，在锥形体（44）外侧形成双层半圆形冷却盘管结构。
4.如权利要求1所述的一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述燃烧辐射换热蒸发器（5）的底部燃烧室采用锥形膜式水冷壁结构，所述下部锥形膜式水冷壁（56）的换热管上端与中环形集箱（55）固定连通，所述换热管下端与下配水环形集箱（57）固定连通。
5.如权利要求1所述的一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，其特征在于：所述下部锥形膜式水冷壁（56）包括换热管和翅片，换热管上端与中环形集箱（55）固定连通，下端与下配水环形集箱（57）固定连通，所述翅片的两侧与换热管固定连接。
6.如权利要求1所述的一体化吊装式热法磷酸余热利用装置，其特征在于：汽包（1）包括壳体（11），壳体（11）上设有往汽包（1）内补充水的补充水接管（13），壳体（11）底部设有往燃烧辐射换热蒸发器（5）输送补充水的下降总管接口（16），下降总管接口（16）处固定连接有下降管（3），壳体（11）上设有往汽包（1）内导入汽水混合物的导汽进口管（14），导汽进口管（14）与导汽管（2）固定连通，壳体（11）顶部设有蒸汽出口管（12）。
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