CN111256493A - 一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却方法及装置，其装置包括工艺水管、蒸汽管道、黄磷尾气进气管、水膜冷却器、黄磷贮槽、冷却水泵、水冷却塔。本发明将温度较高的黄磷尾气55～58℃,采用水膜冷却装置将黄磷尾气冷却至40～42℃，冷却过程中由于黄磷的蒸汽压下降，大部分黄磷蒸汽生成液态黄磷，液态黄磷利用水膜与冷却管隔离，防止管壁沉积，由此黄磷予以回收，多收黄磷相对地降低了能耗，黄磷尾气中降低了单质磷含量，减少单质磷到处跑的危害。

Description

一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却方法及装置
技术领域
本发明涉及节能环境保护技术领域，具体是一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却方法及装置。
背景技术
目前，国内中小型制磷企业均用冷凝法回收黄磷，磷蒸汽的冷凝过程是将炉气冷却至低于磷的露点温度，炉气在冷凝塔中冷却，尾气温度从150～160℃下降至35～40℃，磷蒸汽由气相转变为液相，刚冷凝下来的磷液滴粒径很小，需要长大到一定的粒径才能收集下来，尾气中磷液滴占气体总体积很小，磷液滴碰撞机会少，磷液滴长大需要一定的时间，尾气在冷凝塔停留时间在60秒钟，冷凝率达95%左右，尾气中磷含量还有2～3g/Nm3。
我国制磷工业中磷的冷凝都是采用三个串联的空塔，空塔气流速度为0.1～0.2m/sec，停留时间为90～100秒左右，生产实践表明，尾气温度35℃左右，尾气中磷含量低于1g/Nm3,磷的冷凝率达99%以上。在冷凝洗涤过程中，大部分粉尘也洗涤下来，形成泥磷。
目前，国内电炉制磷炉气中黄磷的回收方法普遍还是用传统的洗涤冷凝法。黄磷冷凝所用的水为系统循环水，黄磷生产过程中所产生的热量包括黄磷尾气带出的热量和炉渣带出的热量全留在水中，水中的热量全靠污水处理过程中自然散热而除去。
由于当前环保的严格要求：（1）污水做到零排放，不能进行置换降温；（2）污水处理设施不能有白烟冒出，需要密闭，这措施阻碍了热量的散失，使得循环水温度越来越高，由于循环水温度升高，黄磷尾气温度由要求的35℃升高至55～58℃，黄磷尾气温度升高，黄磷尾气中单质磷含量也随着升高，在黄磷尾气管道输送过程中到处冒磷。
黄磷是无色蜡状结晶体,具有大蒜臭味，相对密度1.82（20℃）。熔点44.1℃。沸点280℃。蒸气相对密度4.3。不溶于水,易溶于脂肪及二硫化碳等有机溶剂。室温下,在空气中能自燃,易氧化成三氧化二磷及五氧化二磷,故在水中保存。黄磷一见空气即自燃，一旦泄漏就会引起燃烧爆炸事故，相当不安全，黄磷损失大不说，还给脱硫工序带来危害，造成脱硫工艺不正常，因此降低黄磷尾气温度成为当务之急。
黄磷尾气冷却可用工艺水直接冷却：将黄磷尾气在一个洗涤塔中用工艺水喷淋洗涤，可以将黄磷尾气温度降低到所要求的温度，经洗涤冷却后洗涤水已经被黄磷和粉尘所污染，也需要污水处理，但需要很大的工艺冷却水量，洗涤后的污水混入系统污水中一起进行污水处理，造成循环水过量又不能外排，这方法不可取，故黄磷企业一般已无低温循环水可利用。
发明内容
为克服上述存在之不足，本发明的发明人通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提出了一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却方法及装置，本发明专利采用水膜冷却装置，黄磷尾气通过换热管将热量传给冷却水，使黄磷尾气温度达到所需要的温度，气态黄磷变成液态黄磷，液态黄磷利用水膜与换热管隔开，防止液态黄磷在管壁上沉积，液态黄磷随水膜在装置底部回收；冷却水自成循环系统，温差很低，冷却效果较佳。该法黄磷尾气不与冷却水接触，不会造成二次污染，由于黄磷尾气温度较低，平均温度差小，需要的传热面积较大。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其包括工艺水管、蒸汽管道、黄磷尾气进气管、水膜冷却器、黄磷贮槽、冷却水泵、水冷却塔；
所述工艺水管与水膜冷却器和水冷却塔连通，在水膜冷却器的进气管上设置有进口阻断水封，水膜冷却器底部连接黄磷贮槽，水膜冷却器尾气排放管上安装有出口阻断水封；所述水冷却塔的管路通过冷却水泵后分别连接水膜冷却器和进口阻断水封；所述蒸汽管道分别与进口阻断水封和出口阻断水封处连通；
所述水膜冷却器包括壳体、上连箱、下连箱、换热管、管板和折流板，所述管板安装在壳体内且位于换热管的上下两端，所述折流板安装在管板之间的壳体内，所述换热管上端穿过管板并伸出管板，在上连箱上还设置有进水管和进气口，进气口位置高于进水管位置，进水管连接工艺水管并往上连箱内注入工艺水，工艺水的深度刚好漫过换热管顶部管口并沿着换热管内壁下流形成均匀的水膜。
根据本发明中所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其进一步地优选技术方案是，所述进口阻断水封处还连接黄磷贮槽。
根据本发明中所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其进一步地优选技术方案是，水膜冷却器的出水管位于管板两端的壳体上且与水冷却塔连通。
根据本发明中所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其进一步地优选技术方案是，在工艺水管和水膜冷却器连通的管路上设置有流量计。
根据本发明中所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其进一步地优选技术方案是，所述冷却水泵的出口设置有流量调节阀。
根据本发明中所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其进一步地优选技术方案是，所述蒸汽管道还与水膜冷却器的进气口连接，与水膜冷却器和黄磷贮槽连接的管道连接。
根据本发明中所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其进一步地优选技术方案是，所述换热管上端高出管板18mm-20mm。
根据本发明中所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其进一步地优选技术方案是，所述水膜厚度为5～6mm。
在上述冷却装置的基础上，本发明还提供了一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却方法，该方法包括以下操作：
（1）在水膜冷却器换热管间通入循环水，每千立方米黄磷尾气通入循环水量8～10m3，以控制水膜冷却器的尾气出口温度为40～42℃，以满足后工序对温度的要求；
（2）黄磷尾气在水膜冷却器的换热管内从上向下流动，在上连箱按换热面积加入水，每平方米换热面积加水量为5～6L形成5～6mm的水膜，生成的冷凝物随水膜而下；
（3）按黄磷尾气流量估算换热面积，每千立方米黄磷尾气换热面积为35～40m2；
（4）如发现水膜冷却器阻力增大时，打开蒸汽将黄磷尾气温度提高至45℃，将凝结黄磷熔融自动流下，消除阻力。
根据本发明中所述的一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却方法，其进一步地优选技术方案是，步骤（1）中是利用流量调节阀自动控制循环水量，以控制黄磷尾气出口温度为40～42℃，以满足后工序对温度的要求。
本发明原理将温度较高的黄磷尾气55～58℃,采用水膜冷却装置将黄磷尾气冷却至40～42℃，冷却过程中由于黄磷的蒸汽压下降，大部分黄磷蒸汽生成液态黄磷，液态黄磷利用水膜与冷却管隔离，防止管壁沉积，由此黄磷予以回收，多收黄磷相对地降低了能耗，黄磷尾气中降低了单质磷含量，减少单质磷到处跑的危害。
相比现有技术本发明具有如下优点：
（1）本发明技术中回收体现价值显著；58℃时黄磷尾气黄磷含量2.58g/m3, 40℃时黄磷尾气黄磷含量1.12g/m3，10000m3/h黄磷尾气每小时回收可黄磷14.6kg，年回收黄磷115余吨，根据目前市场价年产值可达170万元，经济效益显著。
（2）本发明中黄磷尾气风险性降低；通过本装置黄磷尾气中单质磷含量降低，黄磷尾气输送过程中的危险性也随着降低。
（3）通过本发明可为黄磷尾气净化工艺创造了良好条件；黄磷尾气中的单质磷对黄磷尾气的净化影响很大，往往由于黄磷尾气中的单质磷偏高，脱硫效率下降，脱磷催化剂使用时间缩短，给黄磷尾气净化工艺带来困难；经本装置处理后，黄磷尾气中的单质磷黄磷可以满足黄磷尾气净化的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明结构示意图。
图2是黄磷蒸汽与温度关系曲线。
图3是黄磷黄磷与温度关系曲线。
图中标记分别为：进口阻断水封1、水膜冷却器2、上连箱2-1、换热管2-2、管板2-3、下连箱2-4、壳体2-5、折流板2-6、进水管2-7、进气口2-8、黄磷贮槽3、出口阻断水封4、冷却水泵5、水冷却塔6、流量调节阀7、流量计8、工艺水管9、蒸汽管道10、黄磷尾气进气管11。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。
实施例
如图1所示：一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其包括工艺水管9、蒸汽管道10、黄磷尾气进气管11、水膜冷却器2、黄磷贮槽3、冷却水泵5、水冷却塔6。
所述工艺水管9与水膜冷却器2和水冷却塔6连通，在水膜冷却器2的进气管既是黄磷尾气进气管11上设置有进口阻断水封1，水膜冷却器2的底部连接黄磷贮槽3，水膜冷却器2的尾气排放管上安装有出口阻断水封4。所述水冷却塔6的管路通过冷却水泵5后分别连接水膜冷却器2和进口阻断水封1。所述蒸汽管道10分别与进口阻断水封1和出口阻断水封4处连通。
其中水膜冷却器主要结构包括壳体2-5、上连箱2-1、下连箱2-4、换热管2-2、管板2-3和折流板2-6。所述管板2-3安装在壳体2-5内的两端头且位于换热管2-2的上下两端，所述折流板2-6安装在管板2-3之间的壳体2-5内，所述换热管2-2上端穿过管板2-3并伸出管板18mm-20mm，换热管直径约为57mm。在上连箱2-1上还设置有进水管2-7和进气口2-8，进气口2-8位置高于进水管2-7位置，进水管2-7连接工艺水管9并往上连箱内注入工艺水，工艺水的深度刚好漫过换热管顶部管口并沿着换热管内壁下流形成均匀的水膜。
本发明的关键设备是水膜冷却器，该水膜冷却器为圆筒形立式列管换热式，具有双重作用：（1）间接冷却作用：换热管间走循环水，吸取黄磷尾气的热量，将黄磷尾气温度降低至40～42℃；（2）脱除黄磷小颗粒作用：在上连箱加入一定量的水，在管壁上形成5～6mm的水膜，黄磷尾气从上而下通过换热管时，生成的黄磷小颗粒被洗涤下来而除去。水膜冷却器结构与列管换热器不同之处在于将上连箱管板上端换热管伸长180～200mm，换热管直径为φ57mm，在上连箱加一根进水管，加入一定量的水，利用满流在列管内形成均匀的水膜。
本发明回收黄磷尾气中微量黄磷的装置中包括进口阻断水封1、水膜冷却器2、黄磷贮槽3、出口阻断水封4、冷却水泵5、水冷却塔6、流量调节阀7、流量计8等设备及配备的管道、阀门所组成。
黄磷尾气通过进口阻断水封1与黄磷尾气水膜冷却器2的上连箱2-1连通，黄磷尾气水膜冷却器2下连箱2-4底部与黄磷贮槽3连通，黄磷尾气冷却器2出口阻断水封4连通，水冷却塔6底部通过冷却水泵5与黄磷尾气冷却器2底部管间连通，黄磷尾气冷却器2顶部管间与水冷却塔6顶部连通，各个相连通的设备或部件之间设有阀门。
本发明采取以下工艺及步骤来实现的：
1、进入的黄磷尾气温度为55～60℃，在水膜冷却器管间通入循环水，循环水量每千m3黄磷尾气需要循环水量8～10m3，利用温度调节阀（7）自动控制循环水量，以控制黄磷尾气出口温度为40～42℃，以满足后工序对温度的要求。
2、黄磷尾气在水膜冷却器的管内从上向下流动，在上连箱按换热面积加入新鲜水，每m2换热面积加入水量为5～6L形成5～6mm的水膜，生成的冷凝物随水膜而下。
3、按黄磷尾气流量估算换热面积，每千m3黄磷尾气需要换热面积35～40m2。
4、如发现水膜冷却器阻力增大时，少开直接蒸汽将黄磷尾气温度提高至45℃，将凝结黄磷熔融自动流下，消除阻力。
本发明回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却方法及装置的原理是：
将在标准状况下，温度在0～60℃范围内的液态黄磷的蒸汽压以及磷在黄磷尾气中的含量，计算数据列于表1。黄磷蒸汽压与温度关系曲线如附图2，黄磷含量与温度关系曲线表示如附图3。
表1 液态黄磷蒸汽压及在尾气中的含量
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
从上述表1及附图2和附图3中可看出,黄磷尾气含量与冷凝温度影响很大,在30至60℃之间对温度很敏感,30℃时黄磷含量532g/m3,60℃时黄磷含量3213mg/m3，冷凝塔后温度越高黄磷尾气中黄磷含量越高，黄磷尾气带出的黄磷越多，黄磷损失越大。
若降低黄磷尾气温度，黄磷以液态形式冷凝下来，黄磷尾气中所含黄磷量即可降低，这就是降低黄磷尾气温度的实际意义。
黄磷的熔点为44.1℃，当黄磷尾气温度冷却至44℃以下时，就有黄磷凝固析出，有可能沉积于换热管上，影响传热效果，更有害的是造成管道堵塞，致使黄磷尾气无法通过，为防止黄磷沉积，人为造成换热管具有5～6mm的水膜，使黄磷不与管壁接触，不接触就不会产生沉积现象。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其特征在于：包括工艺水管、蒸汽管道、黄磷尾气进气管、水膜冷却器、黄磷贮槽、冷却水泵、水冷却塔；
所述工艺水管与水膜冷却器和水冷却塔连通，在水膜冷却器的进气管上设置有进口阻断水封，水膜冷却器底部连接黄磷贮槽，水膜冷却器尾气排放管上安装有出口阻断水封；所述水冷却塔的管路通过冷却水泵后分别连接水膜冷却器和进口阻断水封；所述蒸汽管道分别与进口阻断水封和出口阻断水封处连通；
所述水膜冷却器包括壳体、上连箱、下连箱、换热管、管板和折流板，所述管板安装在壳体内且位于换热管的上下两端，所述折流板安装在管板之间的壳体内，所述换热管上端穿过管板并伸出管板，在上连箱上还设置有进水管和进气口，进气口位置高于进水管位置，进水管连接工艺水管并往上连箱内注入工艺水，工艺水的深度刚好漫过换热管顶部管口并沿着换热管内壁下流形成均匀的水膜。
2.根据权利要求1所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其特征在于：所述进口阻断水封处还连接黄磷贮槽。
3.根据权利要求1所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其特征在于：水膜冷却器的出水管位于管板两端的壳体上且与水冷却塔连通。
4.根据权利要求1所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其特征在于：在工艺水管和水膜冷却器连通的管路上设置有流量计。
5.根据权利要求1所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其特征在于：所述冷却水泵的出口设置有流量调节阀。
6.根据权利要求1所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其特征在于：所述蒸汽管道还与水膜冷却器的进气口连接，与水膜冷却器和黄磷贮槽连接的管道连接。
7.根据权利要求1所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其特征在于：所述换热管上端高出管板18mm-20mm。
8.根据权利要求1所述的回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却装置，其特征在于：所述水膜厚度为5～6mm。
9.一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却方法，其特征在于，该方法包括以下操作：
在水膜冷却器换热管间通入循环水，每千立方米黄磷尾气通入循环水量8～10m3，以控制水膜冷却器的尾气出口温度为40～42℃，以满足后工序对温度的要求；
黄磷尾气在水膜冷却器的换热管内从上向下流动，在上连箱按换热面积加入水，每平方米换热面积加水量为5～6L形成5～6mm的水膜，生成的冷凝物随水膜而下；
按黄磷尾气流量估算换热面积，每千立方米黄磷尾气换热面积为35～40m2；
如发现水膜冷却器阻力增大时，打开蒸汽将黄磷尾气温度提高至45℃，将凝结黄磷熔融自动流下，消除阻力。
10.根据权利要求9所述的一种回收黄磷尾气中微量黄磷的水膜冷却方法，其特征在于：步骤（1）中是利用流量调节阀自动控制循环水量，以控制黄磷尾气出口温度为40～42℃，以满足后工序对温度的要求。
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