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(常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇常州 213016)

在傳統(tǒng)的一步法熱法磷酸生產(chǎn)工藝中，黃磷燃燒的反應(yīng)熱全部由低溫循環(huán)水或酸帶出，經(jīng)熱交換由冷卻塔散入大氣中,相反為了融化固態(tài)磷使之進(jìn)入噴磷槍與空氣混合燃燒,工藝上必須配置額外的蒸汽鍋爐，造成熱能利用的不合理現(xiàn)象[1]。新型熱法磷酸生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高溫的余熱回收利用,但是從燃磷塔出來(lái)的P2O5氣體溫度仍然高達(dá)750 ℃左右，這部分中溫P2O5氣體目前還沒(méi)有進(jìn)行余熱回收而是直接進(jìn)入水化塔形成磷酸[2]，造成能源的浪費(fèi)。由于工藝氣體中含有腐蝕性很強(qiáng)的磷酸氣體，如采用常規(guī)的對(duì)流換熱管，一旦個(gè)別換熱管件局部腐蝕穿孔，汽水就有可能泄漏到整個(gè)反應(yīng)塔燃燒空間，引起大面積的腐蝕，將嚴(yán)重影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)安全運(yùn)行。熱管換熱器由于本身結(jié)構(gòu)的特殊性，即使個(gè)別熱管發(fā)生泄漏也不會(huì)影響整體換熱器效能，且可以保證換熱器一直運(yùn)行到計(jì)劃?rùn)z修。所以采用熱管蒸汽發(fā)生器是解決熱法磷酸中溫余熱回收較好的選擇。

1 單個(gè)熱管蒸汽發(fā)生器的工作原理

單個(gè)熱管蒸汽發(fā)生器是由熱管、翅片、隔板、下聯(lián)箱、水夾套和上聯(lián)箱組成。熱管自身是一根封閉的管件，內(nèi)部充有一定量工作液(工質(zhì))，并抽成高真空。熱管的一端為蒸發(fā)(吸收)段，另一端為冷凝(放熱)段，中間用隔板分開(kāi)。當(dāng)熱流體流過(guò)吸熱段時(shí)，氣體的熱量由隔板下方的蒸發(fā)段吸收傳至熱管內(nèi)的工質(zhì)，工質(zhì)受熱汽化并向上流動(dòng)到達(dá)冷凝段，向外部放熱并冷凝成為液體，在重力的作用下再順著熱管內(nèi)壁回流到隔板下方的蒸發(fā)段，再次吸收管外P2O5氣體的熱量汽化，如此往復(fù)循環(huán)，不斷將中溫P2O5氣體的熱量傳遞到水夾套中，使循環(huán)水加熱汽化，產(chǎn)生工業(yè)所需要的蒸汽。

2 整體式熱管蒸發(fā)器的工作過(guò)程

熱管蒸發(fā)器在氣體流動(dòng)方向上分中、低溫2段，中溫段采用萘工質(zhì)熱管，低溫段采用水工質(zhì)熱管,這樣熱管在其工作溫度范圍內(nèi)具有較低的飽和蒸汽壓力，運(yùn)行更安全可靠。熱管蒸發(fā)器縱向有N排，橫向有M列，共有N×M個(gè)單獨(dú)的熱管蒸發(fā)器組成；單個(gè)熱管蒸發(fā)器的下聯(lián)箱與汽包的下降管相連通，上聯(lián)箱的出口與導(dǎo)汽管相連，導(dǎo)汽管再與汽包相連，構(gòu)成外部密閉汽水系統(tǒng)。

從燃磷塔出來(lái)的中溫P2O5氣體，橫向沖刷熱管加熱段，熱管內(nèi)部工質(zhì)經(jīng)過(guò)連續(xù)的蒸發(fā)、上升、凝結(jié)、回流過(guò)程，將熱量從加熱段傳遞到冷凝段；熱管冷凝段套管中的水經(jīng)加熱汽化，汽水混合物上升經(jīng)上聯(lián)箱和導(dǎo)汽管匯集到汽包，進(jìn)行汽水分離后，蒸汽引出供外部熱用戶，而飽和水與給水混合后，再經(jīng)下降管和下聯(lián)箱分流到各套管中，這樣就構(gòu)成了一個(gè)連續(xù)不斷產(chǎn)汽的汽水循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)熱管蒸汽發(fā)生器，使P2O5氣體溫度從750 ℃降到400 ℃左右，并將這部分熱量作為熱源生產(chǎn)較高品位的蒸汽。

3 熱管蒸汽發(fā)生器的工作特點(diǎn)

1)各熱管單根并列布置，獨(dú)立工作。單根熱管是一個(gè)密封元件，與高溫P2O5氣體接觸的吸熱段與在水夾套中的放熱段用隔板完全隔開(kāi)，消除了冷熱流體橫向混雜。即使某根熱管或少數(shù)熱管在高溫P2O5氣體中受到腐蝕損壞，兩種換熱流體也不可能相混，因而不會(huì)加重腐蝕而影響整體換熱效果。

2)每根熱管均可根據(jù)需要調(diào)整吸熱段和放熱段的長(zhǎng)度，來(lái)改變兩側(cè)熱阻的大小，使蒸發(fā)器的所有熱管壁面溫度趨于均勻，避免局部溫度過(guò)高破壞結(jié)膜物的形成引起腐蝕。

3)由于承受壓應(yīng)力與承壓體的直徑有關(guān)，采用小直徑套管能以較少的金屬耗量承受較高的壓力。

4)組合式結(jié)構(gòu)，可使蒸發(fā)器先在制造車間分體組裝，到現(xiàn)場(chǎng)再拼接完成，安裝靈活方便。

4 應(yīng)用熱管蒸汽發(fā)生器應(yīng)注意的問(wèn)題

1)控制熱管具有較低的壁面溫度且趨于均勻化。由于P2O5氣體中含有超磷酸聚合物，當(dāng)熱管壁面低于其凝固溫度時(shí)，將會(huì)在管壁面上產(chǎn)生結(jié)膜物，結(jié)膜物可以有效防止磷酸氣體對(duì)壁面的腐蝕，因此維持所有管排壁面溫度較低且均勻是熱管蒸發(fā)器安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。

2)合理選擇P2O5氣體的流速。流速對(duì)壁面上結(jié)膜物的形成有較大影響，流速過(guò)大時(shí)，結(jié)膜物可能被吹掉，金屬管壁受到腐蝕的可能性增加；當(dāng)流速較小時(shí)，結(jié)膜較厚，熱阻增加，影響傳熱過(guò)程。

3)合理布置熱管的縱向間距和橫向間距。當(dāng)間距較小且結(jié)膜層較厚時(shí)，熱管外的結(jié)膜物可能出現(xiàn)搭橋，將嚴(yán)重阻塞氣體流動(dòng)或影響蒸發(fā)器的穩(wěn)定工作；當(dāng)間距較大時(shí)，氣體的流速可能較慢，也將影響壁面的傳熱過(guò)程。

4)優(yōu)選熱管的材料。由于P2O5氣體中含有腐蝕性很強(qiáng)的磷酸氣體，同時(shí)熱管內(nèi)部工作壓力較高，熱管材料應(yīng)選用高強(qiáng)度、耐高溫和抗腐蝕的合金鋼。

5)確保氣體側(cè)良好的密封和冷卻條件。氣體外泄與空氣中水蒸氣結(jié)合成磷酸，將引起嚴(yán)重的外部設(shè)備腐蝕，蒸發(fā)器外殼內(nèi)壁面溫度應(yīng)低于結(jié)膜物的固化溫度，否則將會(huì)加快氣體對(duì)結(jié)構(gòu)的腐蝕或引起其他工藝問(wèn)題。

5 熱管蒸發(fā)器的換熱計(jì)算

Qh=mhch,p(th1-th2)

式中：mh為 P2O5氣體的質(zhì)量流量，kg/s；ch,p為P2O5氣體的比定壓熱容，J/(kg·℃)。

根據(jù)熱量平衡，冷側(cè)獲得的熱量為：

Qc=Qh=mc(h″-hgs)=mc[cc,p(tc2-tgs)+γ]

式中：mc為飽和蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；h″為定壓飽和蒸汽焓，kJ/kg；hgs為給水焓，kJ/kg；cc,p為水的比定壓熱容，J/(kg·℃)；γ為汽化潛熱。

熱管蒸汽發(fā)生器的產(chǎn)汽量為：

D=Qc/(h″-hgs)=Qc/[cc,p(tc2-tgs)+γ]

2)平均溫差Δtm

3)傳熱系數(shù)

熱管煙氣側(cè)的換熱方式主要以對(duì)流換熱為主,煙氣橫向掠過(guò)光管管束時(shí)傳熱系數(shù)hh：

式中：C為常數(shù),對(duì)叉排管束C取 0.33 ,對(duì)順排管束C取0.26；do為熱管的光管外徑，m；κh為煙氣在定性溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；Reh為煙氣側(cè)流體的雷諾數(shù)；Prh為煙氣的普朗特?cái)?shù)。

熱管放熱段的換熱有對(duì)流換熱和沸騰換熱兩種形式 ,其中以沸騰換熱為主。池內(nèi)沸騰的傳熱系數(shù)hc可按下式計(jì)算[3]：

式中：Cs為沸騰換熱表面狀態(tài)系數(shù)，Cs=1.0；σ為液體表面張力，N/m2；κc為煙氣在定性溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；ρc,ρν為飽和液體、飽和蒸汽的密度，kg/m3；p為沸騰絕對(duì)壓力，Pa。

對(duì)于大容積中水的泡態(tài)沸騰放熱,當(dāng)飽和壓力p=0.2×105～98×105Pa時(shí),傳熱系數(shù)hc可采用下列實(shí)驗(yàn)式計(jì)算[3]：

hc=3.14q0.7P0.15

式中：q為沸騰熱流密度，W/m2。

4)管內(nèi)工質(zhì)溫度tν

式中：tν為熱管內(nèi)部工質(zhì)的蒸汽溫度，℃；Th、Tc為熱流體、冷流體側(cè)熱管的平均溫度，℃；Ah、Ac為熱流體側(cè)、冷流體側(cè)的傳熱面積，m2。

考慮到熱管蒸汽發(fā)生器所用熱管可能承受較高的溫度,可采用將萘作為工質(zhì)的熱管用于吸收溫度較高的熱流體熱量,待熱流體溫度降至一定值時(shí),采用用水作為工質(zhì)的熱管。對(duì)于水工質(zhì)熱管，tν應(yīng)低于250 ℃。

5)管壁溫度

熱流體側(cè)管壁溫度tw,h：

tw,h=Th-q[(1/hh)+Rd,h]

冷流體側(cè)管壁溫度tw,c：

tw,c=Tc+q[(1/hc)+Rd,c]

q=kΔtm

式中：k為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；q為單位面積、單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量，W/m2；Rd,h、Rd,c為熱流體和冷流體的污垢熱阻，m2·℃/W。

由于熱管的結(jié)構(gòu)特性使得熱管管內(nèi)蒸汽溫度可調(diào)整，通過(guò)調(diào)整(hA)的值，可使熱管的蒸汽溫度tν接近熱流體或遠(yuǎn)離熱流體溫度。由于熱管的管壁溫度基本上與管內(nèi)蒸汽溫度接近，故可用調(diào)整(hA)值的辦法來(lái)控制熱管管壁溫度，使得所有管排壁面溫度較低且均勻。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

現(xiàn)以6.5萬(wàn)t/a生產(chǎn)規(guī)模的熱法磷酸生產(chǎn)裝置為例,燃磷量2 600 kg/h的熱法磷酸裝置利用熱管蒸發(fā)器回收氣體余熱的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。6.5萬(wàn)t/a熱法磷酸改造前后對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 熱管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 6.5萬(wàn)t/a熱法磷酸改造前后對(duì)比

從表2可以看出，利用熱管蒸汽發(fā)生器回收高溫P2O5氣體后，多產(chǎn)汽3.8 t/h。若以蒸汽200元/t價(jià)格計(jì)算，則全年可增加經(jīng)濟(jì)效益達(dá)500萬(wàn)元。熱法磷酸余熱利用效率也從原來(lái)的61.64%提高到71.46%。

7 結(jié)論

熱管蒸汽發(fā)生器用于熱法磷酸生產(chǎn)回收P2O5氣體的中溫余熱，并生產(chǎn)低壓蒸汽,是一項(xiàng)新的節(jié)能技術(shù)。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是可增加設(shè)備的安全可靠性,減少因設(shè)備事故而帶來(lái)的停車損失。熱管蒸發(fā)器能否成功運(yùn)用，主要取決于熱管本身的技術(shù)問(wèn)題，熱管對(duì)磷酸中溫氣體的適應(yīng)性，通過(guò)結(jié)膜物動(dòng)態(tài)平衡解決熱管受熱面腐蝕等。

[1] 劉寶慶，何錦林，蔣家羚.熱法磷酸生產(chǎn)工藝與裝備研究進(jìn)展[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2005，37(10):4-6.

[2] 楊亞斌，梅毅，樊蕾，等.熱法磷酸生產(chǎn)副產(chǎn)蒸汽的回收利用技術(shù)[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2008，40(2):45-46.

[3] 毛希瀾.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書—換熱器設(shè)計(jì)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988：93-95.