王政偉，陳非凡，許 鑫，盛有志

（常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇常州213200）

1 特種燃磷塔結(jié)構(gòu)和工作原理分析

傳統(tǒng)特種燃磷塔塔壁為膜式水冷壁蒸發(fā)面，主要吸收反應(yīng)氣體釋放的輻射熱量，回收余熱產(chǎn)生的工業(yè)蒸汽為中壓飽和蒸汽，黃磷燃燒反應(yīng)熱回收利用效率較低。圖1為傳統(tǒng)熱法磷酸燃磷塔結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，傳統(tǒng)燃磷塔由于沒有對(duì)流受熱面，無法吸收對(duì)流換熱量，降低氣體出口溫度靠加大塔體的直徑、增加高度和內(nèi)層管來增加塔內(nèi)輻射換熱面積，但是這種方法反應(yīng)氣體出口溫度降低有限，而且塔體的直徑和高度受制于設(shè)備正常運(yùn)輸?shù)臉O限值，故不能無限增大。塔內(nèi)層管的布置則與結(jié)膜物的形成和材料的剛性有關(guān)，為確保形成一定厚度的結(jié)膜物，要求內(nèi)層管金屬壁溫低于350℃，對(duì)現(xiàn)用316L管材強(qiáng)度提出更高要求［1］。

圖1 傳統(tǒng)熱法磷酸燃磷塔結(jié)構(gòu)示意圖

而具有過熱器的特種燃磷塔，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，在燃磷塔上部布置對(duì)流式過熱器，其工作原理是將汽包出口管引出的中壓飽和蒸汽引入對(duì)流過熱器加熱至350℃，飽和蒸汽成為過熱蒸汽。由于增加了對(duì)流過熱器，能有效吸收對(duì)流換熱量，使得燃磷塔氣體溫度降低到520℃左右，余熱回收效率進(jìn)一步提高，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的特種燃磷塔，而且產(chǎn)出的過熱蒸汽進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組做功后再供低壓熱用戶，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

圖2 具有過熱器的特種燃磷塔結(jié)構(gòu)示意圖

2 具有過熱器的燃磷塔內(nèi)部傳熱計(jì)算

2.1 塔內(nèi)對(duì)流傳熱量計(jì)算

1）傳熱系數(shù)計(jì)算

在考慮反應(yīng)氣體和管道之間的傳熱過程時(shí)，應(yīng)考慮管子內(nèi)壁面存在的水垢和管外壁多聚磷酸薄膜層，其傳熱系數(shù)K的計(jì)算式如下：

式中：α1為反應(yīng)氣體對(duì)管壁的放熱系數(shù)，α1=ξαd，kW/（m2·℃）；αd=cscn（λ/d）Re0.05Pr0.03，其中 Re 為雷諾數(shù)，Re=39 857；Pr為普朗特?cái)?shù)，Pr=0.708；λ為五氧化二磷氣體的熱導(dǎo)率，λ=0.002 06 kW/（m·℃）；d 為管外徑，m；cs為管束相對(duì)節(jié)距影響的修正系數(shù)，cs=0.2；cn為沿氣體行程方向管排數(shù)修正系數(shù)，cn=1?？紤]到傳熱過程中存在部分輻射換熱，取放大系數(shù)ξ=1.2；α2為管壁對(duì)管內(nèi)工質(zhì)的放熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；δh、δb和 δsg為管外壁結(jié)膜物厚度、金屬管壁厚度和管內(nèi)壁水垢厚度，m；λh、λb和 λsg分別為管外壁結(jié)膜物導(dǎo)熱系數(shù)、金屬管壁導(dǎo)熱系數(shù)和管內(nèi)壁水垢層導(dǎo)熱系數(shù)［2-3］，kW/（m2·℃）。

2）工質(zhì)吸收的對(duì)流換熱量

式中：K 為受熱面的總傳熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；A 為計(jì)算受熱面積，m2；Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差，Δtm=（Δtmax-Δtmin）/ln（Δtmax/Δtmin），最大溫差為 Δtmax，Δtmax=t′1-t′2，其中 t′1為反應(yīng)氣體進(jìn)口溫度，t′2為蒸汽進(jìn)口溫度；最小溫差為 Δtmin，Δtmin=t″1-t″2， 其中 t″1為反應(yīng)氣體出口溫度，t″2為蒸汽出口溫度，℃。

2.2 塔內(nèi)輻射傳熱量計(jì)算

1）輻射放熱模型簡(jiǎn)化的假設(shè)條件

高溫反應(yīng)氣體中三原子氣體具有一定的輻射能力，而且對(duì)流受熱面和管束都不是黑體，所以假設(shè)條件如下：

管壁黑度αb=0.8，計(jì)算中僅有考慮氣體與管壁的一次吸收輻射能。被忽略的多次反射與吸收部分用增加管壁黑度的方向進(jìn)行校正，即用管束黑度αgs［αgs=（αb+1）/2］替代管壁黑度。

2）輻射放熱系數(shù)的計(jì)算

輻射放熱系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：αy為反應(yīng)氣體的黑度，αy=1-e-kpS，k 為輻射減弱系數(shù)，且k=2.37；p為受熱面中反應(yīng)氣體的絕對(duì)壓力，MPa；S為爐膛有效輻射層厚度，m。Ty為反應(yīng)氣體溫度，取受熱面進(jìn)出口反應(yīng)氣體溫度的算數(shù)平均值，℃；Thb為灰壁溫度，℃。

3）三原子氣體輻射減弱系數(shù)計(jì)算

式中：rH2O為反應(yīng)氣體中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)，rH2O=4%；pq為三原子氣體分壓力，MPa；T″f為輻射受熱面出口反應(yīng)氣體溫度，℃；S為爐膛有效輻射層厚度，m。

4）工質(zhì)吸收的輻射熱量

式中：αf為輻射放熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；t1為反應(yīng)氣體平均溫度，℃；thb為灰壁面溫度，℃；Af為輻射受熱面積，m2。

3 具有過熱器的特種燃磷塔熱平衡和熱效率計(jì)算分析

1）過熱器的熱平衡計(jì)算

流經(jīng)過熱器的反應(yīng)氣體放熱量為：

式中：φ 為保熱系數(shù)，取值范圍為 0.9~1.0；h′1為過熱器入口反應(yīng)氣體的焓值，kJ/kg；h″1為過熱器出口反應(yīng)氣體的焓值，kJ/kg；Vy為過熱器進(jìn)口反應(yīng)氣體流量，m3/h。

管內(nèi)工質(zhì)對(duì)流吸熱量的計(jì)算公式如下：

式中：D 為蒸汽流量，kg/h；h′2和 h″2分別為工質(zhì)進(jìn)口和出口的焓值，kJ/kg；Qdf為來自輻射段的熱量，kJ/h［Qdf=3600αf（θpj-thb）Adf，αf為輻射放熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；θpj為煙氣平均溫度，℃；thb為灰壁面溫度，℃；Adf為輻射受熱面積，m2］。

工質(zhì)吸熱量和放熱量之間的誤差：

式中：Q1為反應(yīng)氣體的放熱量，kJ/kg；Q2為管內(nèi)工質(zhì)的對(duì)流吸熱量，kJ/kg。當(dāng)誤差較小時(shí)，可認(rèn)為工質(zhì)的對(duì)流吸熱量和反應(yīng)氣體的放熱量平衡。

2）具有過熱器的特種燃磷塔熱平衡計(jì)算

式中：QT2為受熱面吸收的實(shí)際對(duì)流和輻射的熱量，QT2=Qf+Qd，Qd和 Qf分別按（2）式和（5）式計(jì)算，kJ/h；QT1為受熱面吸收的理論對(duì)流和輻射的熱量，kJ/h。

3）有過熱器的特種燃磷塔熱效率計(jì)算

熱效率是指特種燃磷塔利用的熱量與磷燃燒放出的熱量之比，其公式如下所示：式中：Dz為蒸汽量，t/h；hq為過熱蒸汽出口焓值，kJ/kg；hs為燃磷 塔 進(jìn)水焓 值，kJ/kg；B 為 燃 磷 量 ，kg/h；Qp為燃磷發(fā)熱量，kJ/kg。

4 計(jì)算實(shí)例

以7.5萬t/a的熱法磷酸生產(chǎn)裝置為例，對(duì)有過熱器的特種燃磷塔進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算原始數(shù)據(jù)和過熱器設(shè)計(jì)參數(shù)分別如表1、表2所示，過熱器三維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，具有過熱器的特種燃磷塔計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表1 計(jì)算原始數(shù)據(jù)

表2 過熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 過熱器的三維結(jié)構(gòu)圖

表3 具有過熱器的特種燃磷塔的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算分析，具有過熱器的特種燃磷塔通過增加蛇形管過熱器來增大換熱面，從而增大對(duì)流和輻射吸熱量，有效降低反應(yīng)氣體的出口溫度，使得排煙熱損失q2大幅降低，從而進(jìn)一步增大特種燃磷塔熱效率，其熱效率達(dá)到76.1%，而傳統(tǒng)的特種燃磷塔的熱效率僅為65%，增幅超過11%，足見節(jié)能降耗效果顯著。

5 燃磷塔傳熱特性的影響因素分析

特種燃磷塔的傳熱特性主要反映在氣體出口溫度和最高燃燒溫度這兩個(gè)參數(shù)上，通過改變特種燃磷塔的燃磷量和過量空氣系數(shù)，對(duì)比傳統(tǒng)特種燃磷塔和具有過熱器的特種燃磷塔在傳熱特性上的區(qū)別與聯(lián)系。

5.1 燃磷量、過量空氣系數(shù)對(duì)燃磷塔氣體出口溫度的影響

圖4a為燃磷量與出口氣體溫度的關(guān)系。如圖4a所示，特種燃磷塔的氣體出口溫度隨燃磷量的增多而升高，呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，這說明燃磷量越大，塔內(nèi)燃燒越旺盛，燃燒釋放的反應(yīng)熱越多，輻射換熱量增多，塔壁面溫度就增高，能被換熱面吸收的熱量也就增多。然而，當(dāng)燃磷量過少時(shí)，特種燃磷塔氣體出口溫度過低也會(huì)造成P2O5氣體凝華［4-6］，從而造成氣體出口通道堵塞，因此要求氣體出口溫度高于500℃。

由圖4a各燃磷量對(duì)應(yīng)的反應(yīng)氣體出口溫度求出平均值，可知：傳統(tǒng)特種燃磷塔的氣體出口溫度為665℃，具有過熱器的特種燃磷塔的氣體出口溫度為563℃，降低了102℃，這是因?yàn)檫^熱器的換熱面積越大，換熱強(qiáng)度就越大，換熱效率也就越高，將吸收的對(duì)流換熱量高效轉(zhuǎn)化為過熱蒸汽的熱能，導(dǎo)致反應(yīng)氣體出口溫度大幅降低，增加了設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性。

圖4b為過量空氣系數(shù)與出口氣體溫度的關(guān)系。如圖4b所示，氣體出口溫度隨過量空氣系數(shù)的增大而單調(diào)遞增，這是由于隨著空氣系數(shù)的增大，帶入塔內(nèi)的空氣量增多，而塔內(nèi)燃磷量一定，導(dǎo)致塔內(nèi)火焰溫度降低，塔內(nèi)輻射傳熱量下降，使得短時(shí)間內(nèi)出口氣體攜帶的熱量增多，從而出口氣體溫度升高。

由圖4b各過量空氣系數(shù)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)氣體出口溫度求出平均值可知：傳統(tǒng)特種燃磷塔的氣體平均出口溫度為653℃，有過熱器的特種燃磷塔氣體平均出口溫度為523℃，降低約130℃。這說明過熱器不僅吸收對(duì)流傳熱量，而且吸收部分輻射傳熱量，因此出口氣體攜帶的熱量減少，氣體出口溫度降低。

圖4 燃磷量（a）、過量空氣系數(shù)（b）與出口氣體溫度的關(guān)系

5.2 燃磷量、過量空氣系數(shù)對(duì)燃磷塔最高燃燒溫度的影響

圖5a為燃磷量與最高燃燒溫度的關(guān)系。當(dāng)過量空氣系數(shù)不變時(shí)，如圖5a所示，兩類特種燃磷塔的最高燃燒溫度均隨燃磷量的增多而升高，而當(dāng)燃磷量增加到一定量時(shí)，最高燃燒溫度不再增加，這是因?yàn)槿剂琢吭龃髮?dǎo)致燃燒強(qiáng)度大，需要消耗的空氣量增大，燃燒不充分導(dǎo)致黃磷燃燒反應(yīng)熱回收率下降。傳統(tǒng)特種燃磷塔的平均最高燃燒溫度為2600.4℃，有過熱器的特種燃磷塔平均最高燃燒溫度為2 430℃，降低了約170.4℃，這說明位于特種塔中上部的過熱器吸收了大部分塔內(nèi)對(duì)流換熱量，進(jìn)而塔內(nèi)壁面平均熱流降低，特種燃磷塔壁面溫度降低，塔內(nèi)輻射換熱強(qiáng)度下降，最高燃燒溫度下降。

圖5b為過量空氣系數(shù)與最高燃燒溫度的關(guān)系。當(dāng)燃磷量不變時(shí)，如圖5b所示，兩類特種塔的最高燃燒溫度均隨過量空氣系數(shù)的增大而降低，這說明過高的過量空氣系數(shù)不僅不能強(qiáng)化特種燃磷塔內(nèi)部的傳熱，反而由于空氣量的增大導(dǎo)致單位面積吸收的輻射熱量降低，從而降低了特種燃磷塔的熱能利用效率。

圖5 燃磷量（a）、過量空氣系數(shù)（b）與最高燃燒溫度的關(guān)系

6 結(jié)論

通過對(duì)7.5萬t/a的熱法磷酸生產(chǎn)裝置的計(jì)算，得出以下結(jié)論：1）具有過熱器的特種燃磷塔，增加了過熱段對(duì)流傳熱，氣體出口溫度可降低到520℃。2）通過熱平衡法計(jì)算得出具有過熱器的燃磷塔的熱效率為76%，比傳統(tǒng)燃磷塔的熱效率提高10%以上。3）結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)化模型計(jì)算表明：具有過熱器的燃磷塔能強(qiáng)化輻射和對(duì)流換熱、調(diào)節(jié)氣體出口溫度、增強(qiáng)設(shè)備安全可靠性，而且過熱器產(chǎn)生350℃過熱蒸汽進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，節(jié)約生產(chǎn)成本，符合特種燃磷塔未來的發(fā)展趨勢(shì)。