CN201942519U - 一种热法磷酸生产中的热能回收与利用装置及其生产系统 - Google Patents

Abstract

本热法磷酸生产中的热能回收与利用装置属于无机精细化工生产中节能减排技术领域。生产线主体由黄磷蒸发燃烧塔、热能回收装置(蒸汽锅炉)、水合塔组成。黄磷是流入蒸发燃烧塔后吸收热能在塔下部先气化，气化后的黄磷蒸气大部分燃烧成为五氧化二磷气体，与过剩空气、小部分黄磷蒸气一起进入列管换热器，将热量传递给列管中的温水产生蒸汽。部分黄磷蒸气在列管周围继续燃烧，也将热量传递给列管。被回收热能后的五氧化二磷混合气体再进入水合塔生成磷酸。本专利对解决热法磷酸生产中热能的回收与利用问题，提出了一种黄磷自流吸热蒸发后燃烧、燃烧塔与热能回收装置采用分体式的新方法，在黄磷燃烧制磷酸、五氧化二磷的生产有着广泛的应用前景。

Description

一种热法磷酸生产中的热能回收与利用装置及其生产系统

技术领域

本实用新型属于无机精细化工生产中节能减排技术领域，能解决热法磷酸生产中热能的回收与利用问题，在黄磷燃烧制磷酸、五氧化二磷的生产有广泛的应用前景。

背景技术

磷酸及其磷酸盐是化学工业的重要组成部份。磷酸目前的生产工艺主要有湿法磷酸与热法磷酸，窑法磷酸正处于开发中。利用强酸分解磷矿石所制得的磷酸称为湿法磷酸。湿法磷酸的浓度低、杂质多，主要用于农业用磷肥的生产。而热法磷酸具有产品浓度高、纯度高等优点，在高技术、高附加值精细磷化工上用途越来越广。热法磷酸的生产工艺主要分为冶炼(从磷矿中提取黄磷)、黄磷燃烧、五氧化二磷水合三个相对独立的工序。其中黄磷燃烧的步骤为：固态黄磷在熔磷槽中被水蒸汽(由专用燃煤锅炉提供)加热熔化为液态黄磷，液态黄磷经压缩空气作用下的喷磷枪喷入燃烧塔雾化燃烧。黄磷燃烧能产生大量的热能。高温的磷蒸汽、五氧化二磷、过剩空气含有的大量热由水与磷酸带出，通过换热器降温，再通过水冷却塔把大量热量排向大气。而另一方面，生产中的加热熔磷，供磷设备与输磷管线的保温，需要另外设置一个专用的燃煤锅炉给它们供应蒸汽。形成了工艺流程中一方面需要外部供应热量，另一方面自身产生的燃烧热能因不能利用而造成浪费的极不合理现象。

有关热法磷酸生产中，黄磷燃烧热能的回收与利用的技术，在国内和国外都有开展这方面的研究工作。下面分类予以说明：

一、中国的专利号为CN1355133的发明。该发明专利发表于2002年6月26日，该专利公开的黄磷燃烧热能的回收与利用的方法主要包括：

(1)熔磷槽通过喷磷枪与燃烧塔相连。

(2)燃烧塔与蒸汽锅炉为一体化，包括：由多根上升管与连于各管之间的强化换热翅片构成一个具有中空腔的环形膜式换热器，有环形上联箱、下联箱，有上封头、下封头。

(3)带有压缩机的喷磷枪及连接管道安装在燃烧塔外壳侧面下部且与中空腔连通，黄磷经喷磷枪喷射出来在此雾化燃烧。

(4)该燃烧塔内的金属表面涂有一层能耐高温磷蒸汽及其聚合物腐蚀的等离子体陶瓷涂层。

该专利的热能回收工艺存在以下一些缺陷：

(1)使用带有压缩机的喷磷枪及承压黄磷输送管道。高温液态黄磷的为承压输送，存在安全隐患。燃烧塔与蒸汽锅炉为一体化，部分存在磷的氧化不完全，换热管上部封闭，不便检修，设备存在安全隐患。

(2)该燃烧塔内的金属表面需要特别涂上一层等离子体陶瓷涂层。等离子涂层容易脱落，特别在曲率半径较大的区域，容易作为涂层脱落的起始点，以后逐渐脱落。增加了施工难度。

(3)在这种使用喷枪的一体化设备中，燃磷喷嘴在燃烧室申喷射在对面水冷壁面上，使喷嘴对面水冷壁面温度提高，从而使管壁腐蚀加快，根据有关单位使用情况，在使用不到一月的时间就将对面水壁膜穿孔。

(4)一体化设备生产能力小，报导的生产中燃磷量为每小时240kg。

二、其他燃烧与换热一体化的工艺。

(1)如中国专利号为ZL 200520070446.8的实用新型专利，是燃烧与换热一体化设备，是采用矩形燃烧室；

(2)日本专利号为昭54-84890的发明，发表于1979年7月，采用的是燃烧塔与换热设备一体化，燃烧塔是制成了完全密封的结构；

(3)欧洲发表于1984年5月的发明专利(专利号：Eropean patent application0 129 533)，是在燃烧塔内放置一个热交换器，燃烧塔壁仍采用循环冷却水冷却，换热器内的受热介质为循环增压水与加压蒸汽。

以上工艺均存在着与前面所介绍中国专利CN1355133类似有的带有空压机的喷磷枪、承压黄磷输送管道、燃烧塔与蒸汽锅炉为一体化等特征所具有的缺点。

三、美国专利号为US4,309,394的发明发表于1982年1月，是采用燃烧和换热分体式：

(1)在工艺流程中，将燃烧和水化放在一个U形炉膛的两端进行。采用U形炉膛的目的，主要是在同一设备中可同时生产过磷酸及正磷酸。

(2)在燃烧塔和水化塔的通道内设置一个换热器。换热器内使用35个大气压的增压水，一方面用来冷凝从燃烧塔中流出的高温五氧化二磷蒸汽使其低于过磷酸的露点，从而获得过磷酸。另一方面增压水还可以回收高温五氧化二磷蒸汽的热量。

(3)在工艺流程中，需要严格控制空气中的含湿量，以在燃烧塔内的金属材质表面上形成一层腐蚀性较小的超磷酸薄膜。从而有保护了金属材质免受高温磷蒸汽及其聚合物的腐蚀。

该专利技术在工艺流程中使用了35个大气压的增压水来回收余热。所回收的余热难以获得进一步的应用。并且使用35个大气压的增压水来回收余热也增加了生产成本。

发明内容

本专利发明的目的是为了克服、补充已有技术的不足，提出一种热法磷酸生产中热能回收与利用的新技术——燃烧与换热分体式进行的热回收与利用装置及其生产系统。它能解决以往黄磷燃烧热能难以回收利用或回收中设备易腐蚀的问题，并能产生0到2.5MPa的高温高压蒸汽供熔磷槽、输磷管及其他车间使用。

本实用新型提出的一种热法磷酸生产中热能回收与利用装置及其生产系统。其特征在于，生产线主体由黄磷蒸发燃烧塔、热能回收装置(蒸汽锅炉)、水合塔组成。黄磷不用喷磷枪喷入燃烧塔雾化燃烧，而是以较小的压力自然流入蒸发燃烧塔后吸收塔内热能在塔下部先气化，气化后的黄磷蒸气大部分燃烧成为五氧化二磷气体，与过剩空气、小部分黄磷蒸气一起进入列管换热器，通过一排排列管将热量传递给列管中的温水。部分黄磷蒸气在列管周围空间继续燃烧，并将热量传递给列管。被回收热能、温度降低后的五氧化二磷混合气体再进入水合塔生成磷酸。燃烧塔与热能回收装置是分开的，热能回收由列管换热器和一蒸汽包组成。该列管换热器由多根上升管与在上下两端连接各管的环管及汽泡水向下回流管组成。

本实用新型与国内外现有黄磷燃烧热能回收与利用技术相比所具有的优点(不同点)或积极效果：

(1)黄磷不使用带空压机的喷磷枪喷入燃烧塔雾化燃烧，而是以较小的压力自然流入燃烧塔吸热气化成黄磷蒸气、然后大部分燃烧。这样，去掉了原工艺中使用带有压缩机的喷磷枪，输磷连接管道不用承压，节约了能源、节约了设备投资，并增强了生产的安全性。

(2)燃烧塔与热能回收装置是分体式的。原有技术中黄磷燃烧、蒸汽锅炉是一体化的，燃烧与换热在同一个塔内。本实用新型是分为黄磷蒸发燃烧塔、热能回收装置(蒸汽锅炉)两个塔，热能回收装置是可拆分的，可将列管换热设备很方便地从塔内吊出来仔细检查，便于检修、安装，同时降低了塔的高度，从各方面保证了蒸汽锅炉的安全性。本工艺黄磷能分两段充分燃烧，使产品中易氧化物浓度能比原工艺降低50％以上。本实用新型由于能全面地、最快地把黄磷燃烧产生的热能带走和利用，使单位设备在单位时间内产能最大，生产中燃磷量可达每小时2400kg以上。

(3)由于是采用黄磷先气化后燃烧，不用磷枪喷嘴喷雾，从而解决了燃磷喷嘴在燃烧室中喷射在对面水冷壁面上加热管壁的腐蚀问题。

(4)系统使用处理后的稳定空气，燃烧塔及换热设备金属表面不需要等离子体陶瓷涂层。从而解决了使用涂层时涂层逐渐脱落的问题，也方便了施工。

与国内外现使用的绝大部分热法磷酸生产装置不有效回收与利用黄磷燃烧热相比，本技术在黄磷燃烧制热法磷酸、五氧化二磷的生产中可回收黄磷燃烧热能，并产生0到2.5MPa的高温高压蒸汽供熔磷槽、输磷管及其他车间使用。这样，去掉了旧工艺中的燃煤锅炉、带有压缩机的喷磷枪及承压连接管道，节约了能源与水资源，减少了生产成本、减少了对环境的热污染，增强了生产效率，具有显著的经济效益与社会效益。

附图说明

图1为采用本实施例的一种热法磷酸生产中的热能回收与利用装置及其生产系统工艺流程示意图。

图2为本实用新型余热回收装置实施例的燃烧换热塔与汽泡整体结构示意图。

图3为换热器列管结构示意图。

图4为图3的左视图。

图5为图3的俯视图。

具体实施方式

本实用新型设计的一种热法磷酸生产中的热能回收与利用装置及其生产系统实施例结合附图详细说明如下：

如图1(流程示意图)所示，生产主要包括以下步骤：

第一步，设计使用本系统自产的蒸汽通过管道供给熔磷槽，将固态单质黄磷加热熔化成液态单质黄磷5，从而使液态黄磷5流入黄磷蒸发、燃烧塔1。塔内使用处理了的稳定空气5为氧气原料，使黄磷在塔下部先蒸发、然后燃烧。

第二步，黄磷蒸发、燃烧后产生的磷蒸气、五氧化二磷氧体进入热能回收装置3(蒸汽锅炉)，在这里黄磷蒸气进一步燃烧。高温的黄磷蒸气、五氧化二磷气体及剩余黄磷气体在列管周围继续氧化燃烧产生的热量通过一排排列管传递给列管中的温水，以产生大量的蒸汽，进入汽泡2。

第三步，被回收热能、温度降低后的五氧化二磷气体进入水合塔4水合，然后经净化后产出成品磷酸。

如图2(蒸汽锅炉结构图)所示，为本实用新型余热回收装置实施例的燃烧换热塔与汽泡整体结构示意图。现结合附图对其工作原理予以说明：

黄磷蒸发燃烧塔将黄磷蒸发并部分燃烧成为五氧化二磷气体，从热能回收装置(蒸汽锅炉)3的入口31进入列管换热器35，高温的黄磷蒸气、五氧化二磷气体带有的热量及剩余黄磷气体在列管周围继续氧化燃烧产生的热量通过一排排列管351传递给列管中的温水，上升管351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下降管355内的水密度小。因而，在下降管355和上升管351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2一下降管355一下部联通环管352一上升管351一上部联通环管353一导汽管354之间进行自然水循环。在汽包2内经汽水分离后产生蒸汽从水蒸汽出口21送往分汽缸。汽包2内汽水分离后产生的少量热水经下降管355、下部联通环管352进入上升管351供继续吸热产蒸汽使用。356为循环热水补水进口。从而实现了热法磷酸生产中热能的回收，并能产生0--2.5MPa高温高压蒸汽。通常的蒸汽压力为0.5--1.5MPa，蒸汽流量在1.5t/h左右。

图3、图4、图5所示，为本热法磷酸生产中热能回收与利用装置中蒸汽锅炉的关键部件一列管换热器的结构祥细示意图。

本实施例的黄磷蒸发燃烧塔、热能回收装置(蒸汽锅炉)、水合塔的主材均采用316L不锈钢。主塔外均设置用Q235-A碳钢制作的水夹套。蒸汽锅炉高6米，直径4米，换热面积约100m²，采用补充热水循环的产汽方式，换热器采用列管式结构。在每小时2400kg燃磷量的生产条件下，进行了连续72小时的生产性运行试验。试验表明，利用本实施例所提供的热法磷酸生产中的热能回收与利用技术，已完全可以从黄磷燃烧过程中回收热能，并在热法磷酸自身的生产工艺流程中获得应用。产生水蒸汽的压力最高达1MPa。在整个试验过程中，设备状况良好，生产稳定，无腐蚀，无泄漏，无爆管等现象发生。

Claims (1)

1.一种热法磷酸生产中的热能回收与利用装置及其生产系统，其特征在于，生产线主体由黄磷蒸发燃烧塔、热能回收装置、水合塔等组成；其中所说的热能回收由列管换热器和一蒸汽包组成，与燃烧塔是分开的，该列管换热器由多根上升管与在上下两端连接各管的环管及汽泡水向下回流管组成。 

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