高效利用反应热副产工业蒸汽热法磷酸生产装置工艺设计

樊 蕾，梅 毅，杨亚斌

（1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051；2.昆明理工大学；3.云南省化工研究院）

高效利用反应热副产工业蒸汽热法磷酸生产装置工艺设计

樊 蕾1，梅 毅2，杨亚斌3

（1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051；2.昆明理工大学；3.云南省化工研究院）

以3万t/a热法磷酸生产装置为例，阐述了带热能利用的热法磷酸生产装置的工艺流程、技术特点、主要操作条件，进行了物料衡算、热量衡算和主要设备的选型计算。建成装置现已达产达标，生产操作稳定、运行可靠，说明该装置的工艺设计是成功的。总结了实施热能回收利用技术后热法磷酸装置取得的节能、节水及减排效果，指出该技术对中国现阶段实施节能减排的重要意义。

热法磷酸；热能高效利用；反应热；蒸汽；工艺设计

云南省化工研究院和清华大学共同开发了高效利用反应热副产工业蒸汽的热法磷酸专利技术［1］，自专利授权以来，该技术已成功应用于0.7万～9万t/a热法磷酸装置，遍及湖北、四川、重庆、贵州、云南、广西、江苏、浙江等多个省市。截止到2013年，共实施技术转让约50套，磷酸总生产能力为270万t/a，技术推广覆盖率达中国热法磷酸生产能力的60%以上。专利技术的实施为企业带来可观的经济、社会和环保效益，为中国大力开展节能减排起到了良好的示范作用。以3万t/a热法磷酸生产装置（燃磷量为1 200 kg/h）为例，介绍了热法磷酸热能利用生产装置的工艺设计，并结合装置运行情况总结了实施该专利技术获得的效益。

1 工艺流程及技术特点

1.1 工艺流程

该专利技术适用于燃烧-水合两步法生产热法磷酸，就是将黄磷的燃烧与五氧化二磷的水合过程分别在两台设备中进行。

热法磷酸流程:将黄磷用热水熔化为液态，用一次压缩空气将黄磷雾化与二次空气一起在特种燃磷塔内燃烧，燃烧完全的含P2O5（P4O10）的混合尾气经水合塔循环稀磷酸吸收，循环稀磷酸在多次循环吸收中浓度不断提高而达到规定浓度，经冷却、过滤、检验合格后计量包装入库；水合吸收剩余的尾气经文丘里、纤维除雾器等设备处理达到国家尾气排放标准后排入大气。

热能回收流程:从全自动水处理装置来的新鲜软水进入新鲜软水贮槽，经泵送入特种燃磷炉下封头夹套底部，软水对炉体下封头和上封头进行冷却，冷却软水从上封头夹套排出后由锅炉给水泵输送至特种燃磷炉的气包参与自然水循环后产生饱和蒸汽，饱和蒸汽经气包出气管导出进入分气缸后供熔磷或其他装置使用；上封头夹套排出的多余软水回流到新鲜软水贮槽，新鲜软水输送泵流量以保持上封头水温在70～95℃为宜。工艺流程示意图见图1。

图1 高效利用反应热副产工业蒸汽热法磷酸生产工艺流程示意图

1.2 技术特点

1）该技术属于世界首创，具有自主知识产权，在全世界唯一不需使用干燥空气燃烧黄磷来副产工业蒸汽的产业化技术，节约了投资，降低了生产成本。2）通过特种燃磷塔内生成结膜物的研究开发，解决了黄磷燃烧所产生的高温腐蚀性磷酸气体对设备的腐蚀问题。3）关键设备特种燃磷塔具有化工反应与工业锅炉两种功能，是将化工反应塔结构要素与工业锅炉结构要素结合起来的一种独特的创新设计，可以最大限度地提高热能回收率，稳定地产出合格的饱和蒸汽，不影响后系统磷酸的正常生产和产品质量，设备无腐蚀。4）通过开展计算机仿真模拟研究，得到了燃烧塔内流场、温度场、浓度场的塔内分布情况，建立了特种燃磷塔工程设计与放大的计算方法，并获得了实践证明和实际运用。5）提高了磷酸产量，副产的工业蒸汽少部分用于熔磷，大部分外供其他装置，是典型的节能减排技术。

2 主要操作条件

1）供磷工序:供磷温度为55～65℃。

2）磷酸工序:空气过剩系数为1.5；燃磷塔出口气体温度为550～800℃；水合塔出口气体温度为90℃；水合塔循环酸温度为75℃；水合塔循环酸循环倍数为30～80；文丘里及后系统出口气体温度为50℃；文丘里及后系统循环酸温度为40℃；文丘里液气比为0.8～1.0 L/m3；特种燃烧炉锅筒压力、分气缸压力为0.3～1.0 MPa。

3 物料衡算和热量衡算

3.1 基础数据

燃磷量为 1 200 kg/h；黄磷燃烧热为24 387.636 kJ/kg；黄磷燃烧热能回收率为55%；水合塔吸收率为86%；成品酸质量分数为85%；工作制度为300 d/a，24 h/d，年运行7 200 h。

3.2 物料衡算

装置物料衡算结果见图2、表1。

图2 装置物料平衡图（kg/h）

表1 装置物料平衡表

3.3 热量衡算

装置热量衡算结果见图3、表2。

图3 装置热量平衡图（kJ/h）

表2 装置热量平衡表

4 主要设备计算

1）特种燃磷塔。特种燃磷塔是装置的核心设备，其筒体是由多根上升管与连于各管之间的强化换热翅片构成，筒体上、下端面设置了与上升管相连通的环形上、下联箱，上、下联箱的上、下端连接有上、下封头，这就构成了具有反应和热能回收功能的特种燃磷塔。特种燃磷塔采用自然水循环产生蒸汽，其原理是利用下降管中水和上升管中气水混合物密度差，驱动水在气包—下降管—下联箱—上升管—上联箱—导气管—气包之间循环，吸收黄磷燃烧热后产出蒸汽。已知蒸汽吸收热量为15 736 128.408 kJ/h，取塔体表面热流为45 kW/m2，经计算换热面积需100 m2，选取特种燃磷塔的性能尺寸为Φ2800mm×11500mm，立式，塔体高径比为4（要求2.5～4.5［2］）。

2）水合塔。水合塔是P2O5气体吸收的关键设备，塔体内部设有若干喷嘴用于P2O5气体吸收。其原理:从特种燃磷塔出气管来的P2O5混合气体自水合塔顶部进入，经自塔体顶部和中部喷嘴喷入的循环磷酸吸收后从水合塔中下部排入除雾系统，循环磷酸则从水合塔底部输送至换热器冷却后再进入水合塔吸收P2O5气体进行提浓，直至磷酸质量分数达到85%时产出成品酸。水合塔吸收率比传统水合塔提高6%～16%。已知处理气量25119.853m3/h，喷淋量129.41 m3/h，经计算选水合塔性能尺寸为Φ 2 600 mm×9 240 mm，立式，设备总质量为22t，材质为316L。

3）除雾系统。文丘里为Φ 650mm×3660mm，喉管直径为Φ 180 mm，立式，材质为316 L；二级吸收塔为Φ 1 600 mm×7 000 mm，立式，设备总质量为14 t，材质为316L；纤维除雾器为Φ 2 000 mm×3 000 mm，V=9 m3，立式，设备总质量为1 t，材质为316L；尾气风机风量Q=12 968 m3/h，全压p=14 021 Pa，卧式，设备总质量为 1.5 t，叶轮材质为 316L，壳体材质为1Cr18Ni9Ti（尾气风机风量、风压需要考虑海拔高度）。

5 装置运行情况及项目效益

广西某企业使用本专利技术新建了一套3万t/a热法磷酸装置，目前装置运行稳定，达产达标，说明本专利技术工艺设计是成功的。经核算，与传统的热法磷酸相比，采用本专利技术每生产1 t 85%磷酸可节水5.21 m3、节电41 kW·h，以年产3万t磷酸计，则年可节水15.63万m3，节电123万kW·h。按工业水单价2.5元/m3、电价0.5元/（kW·h）计算，年可节水、节电价值达100.56万元。该技术具有明显的节水、节能效果。

本技术不仅有显著的经济效益，还有明显的环保效益。本技术将燃烧塔和热能利用锅炉整体设计，利用黄磷燃烧产生的热量生产蒸汽，既不影响原有生产工艺，又对高温燃烧气含有的大量热能进行回收，减少了循环冷却水流量及携带的热量，减少了通过冷却水排至大气的热污染。本技术取消了热法磷酸主生产装置配套的燃煤锅炉，减少了因燃煤产生的废气、废渣污染，对酸雨控制与减少SO2排放、减少温室气体排放作出了贡献。与工业锅炉相比，每产1t蒸汽将节约标煤152 kg，减少CO2排放377 kg，减少SO2排放7 kg，减少固体废弃物排放82 kg。以年产3万t磷酸计，副产0.8 MPa饱和蒸汽4.57万t/a，则每年可减排CO21.73t，减排SO20.03t，减少固体废弃物排放0.37t。

6 结束语

目前，实施本专利技术的热法磷酸装置总生产能力为270万t/a，推广覆盖率达中国热法磷酸生产能力的60%以上，装置投产至今生产操作稳定、运行可靠。以实施技术转让的热法磷酸生产能力为270万t/a计算，则年可回收工业蒸汽 400万 t，节约标煤62.44万t，减少CO2排放155.25万t，减少SO2排放2.81万 t，减少固体废弃物排放 33.53万 t，节水1 406.25万m3，节电11 070万kW·h，企业获得的直接效益将超过26.4亿元，这对于提高热法磷酸企业的产品竞争力和推动中国的节能减排工作意义重大。

［1］ 宋耀祖，梅毅，张冠忠，等.黄磷燃烧热能回收与利用装置及其热法磷酸生产系统:中国，1355133A［P］.2002-06-26.

［2］ 梅毅，杨亚斌，宋耀祖，等.热法磷酸生产中黄磷燃烧热能的回收［J］.磷酸盐工业，2006（1）:1-11.

联系方式：806793103@qq.com

Process design of thermal process phosphoric acid plant with industrial steam by high efficient utilization of reaction heat

Fan Lei1，Mei Yi2，Yang Yabin3
（1.Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.，Ltd.，Kunming 650051，China；2.Kunming University of Science and Technology；3.Yunnan Research Institute of Chemical Industry）

With the capacity of 30 000 t/a thermal process phosphoric acid plant as the design benchmark，technological process，technical features，and main operating conditions of a thermal process phosphoric acid production plant with heat energy utilization were introduced.Material balance，heat balance，and the main equipment selection were calculated.Process design of the equipment was successful base on the established plant reaching standard and output，and on stable operation and reliability service of built devices.The effect of energy saving，water saving，and emission reduction with the patented technology was summarized，and the significance of the technology was also pointed out to China′s current energy conservation and emissions reduction.

thermal process phosphoric acid；high efficient utilization of heat energy；reaction heat；steam;process design

TQ126.37

A

1006-4990（2015）06-0050-03

2015-01-18

樊蕾（1973— ），女，硕士，高工，主要从事磷化工领域的科研开发和工程设计工作，发表论文12篇。