肖 升，趙江華

（甕福達(dá)州化工有限責(zé)任公司，四川 達(dá)州 635000）

不論是熱法磷酸還是濕法磷酸，生產(chǎn)過程中都需消耗大量熱能，生產(chǎn)工序中存在多處熱能轉(zhuǎn)移與消耗，熱能消耗是磷酸生產(chǎn)成本的一項主要支出。若能將濕法磷酸反應(yīng)工序中濃硫酸稀釋放出的低位熱能有效轉(zhuǎn)移并充分利用，將有利于反應(yīng)工序高效運行，減緩反應(yīng)槽結(jié)垢，延長運行周期，降低生產(chǎn)能耗，降低生產(chǎn)成本，提升裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

1 二水濕法磷酸生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 二水濕法磷酸反應(yīng)工序概述

磷精礦、濃硫酸、稀磷酸返酸分別進(jìn)入六室方格反應(yīng)槽。濃硫酸與稀磷酸返酸在反應(yīng)槽上方的混酸器中混合后，帶著大量稀釋熱直接進(jìn)入反應(yīng)槽。磷精礦與硫酸、稀磷酸在反應(yīng)槽內(nèi)進(jìn)行一系列反應(yīng)，釋放大量熱量。反應(yīng)槽內(nèi)的料漿溫度要維持75～85 ℃，才有利于二水硫酸鈣結(jié)晶?，F(xiàn)有技術(shù)采用低位閃冷蒸發(fā)+洗滌冷凝技術(shù)移走多余熱量，維持反應(yīng)正常進(jìn)行。

1.2 低位閃冷蒸發(fā)+洗滌冷凝移熱技術(shù)

低位閃冷蒸發(fā)+洗滌冷凝移熱工藝流程如圖1所示。

圖1 低位閃冷蒸發(fā)+洗滌冷凝移熱工藝流程

低位閃冷循環(huán)軸流泵將第六室方格的料漿打入低位閃冷器，在真空環(huán)境下料漿快速蒸發(fā)降溫。降溫后的料漿在重力作用下自動返回第一室方格，在軸流泵的作用下，料漿在反應(yīng)槽、低位閃冷器多次循環(huán)，實現(xiàn)降溫，維持反應(yīng)溫度動態(tài)平衡。低位閃冷器蒸發(fā)出的蒸汽，依次經(jīng)過預(yù)洗滌器、預(yù)冷凝器、冷凝器、除霧器、水環(huán)真空泵，使用大量冷卻循環(huán)水換熱、洗滌，實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。

1.3 濃硫酸稀釋熱能損耗

濃硫酸稀釋物料衡算：以1 h為基準(zhǔn)，用qm表示各股物料的質(zhì)量流量，濃硫酸稀釋過程如圖2所示。1 h 生產(chǎn)P2O51 t 消耗w（H2SO4）98%硫酸3.18 m3，w（H2SO4）98%硫酸相對密度為1.831。根據(jù)物料質(zhì)量守恒，求得各組分質(zhì)量流量：qm1=3.18×1 831 kg/h = 5 822.58 kg/h，qm2= 1 785.591 2 kg/h，qm3= 7 608.171 2 kg/h。

圖2 濃硫酸稀釋過程

根據(jù)《硫酸工藝設(shè)計手冊》［1］，在25 ℃下，將w（H2SO4）為98%的硫酸溶液中1 mol硫酸加水稀釋至w（H2SO4）為75%的硫酸溶液，并保持硫酸溶液溫度不變，放出的稀釋熱為：

其中：n1為w（H2SO4）98%硫酸溶液中含有的水的物質(zhì)的量，n2為w（H2SO4）75%硫酸溶液中所含有的水的物質(zhì)的量。

進(jìn)而得出在25 ℃下w（H2SO4）98%的硫酸稀釋為w（H2SO4）75%的硫酸，并保持硫酸溶液溫度為25 ℃，每小時產(chǎn)生的稀釋熱為：

Q=n× （Q2-Q1）= （5 822.58 ×1 000×0.98/98）×33.208 kJ=1 933 562.37 kJ。

又查《硫酸工藝設(shè)計手冊》中硫酸和發(fā)煙硫酸的熱焓量（以0 ℃為基準(zhǔn)），并采用內(nèi)插法得25 ℃時w（H2SO4）75%的硫酸溶液熱焓H1為68.45 kJ/kg，100 ℃時w（H2SO4）75%的硫酸溶液熱焓H2為203.9 kJ/kg，熱焓量之差為135.45 kJ/kg。每小時損失的稀釋熱為：

Q-qm3× ΔH=（1 933 562.37- 7 608.171 2 × 135.45） kJ =903 035.58 kJ。

該部分熱量相當(dāng)于30.7 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量。

2 低位熱能回收利用

2.1 利用池水回收低位熱能

利用濕法磷酸的池水作為換熱載體，將混酸器設(shè)置在石墨換熱器的封頭內(nèi)，封頭處使用池水夾套換熱［2］。稀磷酸返酸與濃硫酸在換熱器的封頭處混合，混合液直接進(jìn)入換熱器管程，換熱后約100 ℃的混酸進(jìn)入反應(yīng)槽。來自封頭處的池水走殼層，帶走硫酸稀釋放出的熱量，獲得80～90 ℃的熱池水。

2.2 工序節(jié)能利用分析

稀磷酸存儲工序，通常工廠配置有兩個稀磷酸槽，來自過濾機(jī)的稀磷酸在稀磷酸槽內(nèi)緩存和初步沉降分離。稀磷酸槽為外壁碳鋼+內(nèi)壁襯膠，80 ℃稀磷酸在稀磷酸槽沉降分離后，出酸溫度在50～60 ℃。稀磷酸槽使用一段時間后，槽壁易發(fā)生冷凝結(jié)晶、結(jié)垢現(xiàn)象，大量垮塌的結(jié)塊物易將轉(zhuǎn)耙埋沒，須組織清理，影響系統(tǒng)平穩(wěn)生產(chǎn)。

解決思路及節(jié)能分析：若在稀磷酸進(jìn)入稀磷酸槽前，使用池水在換熱器內(nèi)對稀磷酸降溫，降溫后的稀磷酸再進(jìn)入稀磷酸槽緩存和沉降分離，低熱能池水直接進(jìn)入過濾機(jī)沖洗濾布。因溫差及溫度降低，理論上稀磷酸沉降分離效果將明顯改善，槽壁冷凝析晶、結(jié)垢的情況將減緩，利于稀磷酸的緩存和沉降分離。同時，將兩個稀磷酸槽進(jìn)行功能定位，第一個稀磷酸槽用于緩存冷稀磷酸，實現(xiàn)稀磷酸的高效初步沉降分離；來自第一稀磷酸槽的冷稀磷酸，與來自硫酸稀釋工序的熱池水換熱后，保溫存儲在第二稀磷酸槽，以相對較高溫度進(jìn)入濃縮工序，以節(jié)省濃縮蒸汽消耗量。

二水濕法磷酸濕法排渣工藝的磷石膏渣漿管，在運行一定周期后，須定期停車拆管清理，耗時耗力，是磷酸裝置大檢修必須開展的清理項目。若將第二稀磷酸槽換熱后的池水用于磷石膏再漿，將磷石膏渣漿的溫度由現(xiàn)在的40 ℃提升至50 ℃，則理論上會延長渣漿管結(jié)垢周期，進(jìn)而延長磷酸裝置的運行周期。

節(jié)能改造工藝流程見圖3。

圖3 改造后移熱工藝流程

2.3 熱能利用與熱能平衡估算驗證

據(jù)二水濕法磷酸生產(chǎn)經(jīng)驗和有關(guān)理論數(shù)據(jù)，不考慮熱量損失，進(jìn)行熱量及物料平衡計算（見表1）。計算時各參數(shù)取值：w（H2SO4）26%稀磷酸cp為2.9 kJ/（kg ·℃）， 池 水cp為4.2 kJ/（kg · ℃），噸產(chǎn)品池水用量為12 600 kg。

表1 物料及熱量平衡

由表1 可知，3.18 m3w（H2SO4）98%的硫酸稀釋釋放的熱量，可通過3 583.5 kg池水由25 ℃升至85 ℃回收。該熱池水由85 ℃換熱至70 ℃釋放的熱量（225 758.9 kJ）大于稀磷酸由50 ℃升溫至65 ℃的需求熱（167 307.7 kJ），低位熱能利用理論可行。來自過濾機(jī)的熱稀磷酸降溫（由80 ℃降低至60 ℃）可通過與1 770.5 kg池水（由25 ℃升至55 ℃）熱交換實現(xiàn)。噸產(chǎn)品池水總消耗量（5 353.9 kg）小于系統(tǒng)提供池水量（12 600 kg），剩余池水加入循環(huán)冷卻水池，用于生產(chǎn)系統(tǒng)抽真空，系統(tǒng)水平衡理論計算可行。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

以磷酸裝置產(chǎn)能40 萬t/a 計算，依據(jù)上述分析，噸產(chǎn)品回收硫酸稀釋熱節(jié)省的熱量計標(biāo)準(zhǔn)煤為30.7 kg，標(biāo)準(zhǔn)煤價格以800 元/t 計，考慮熱能損失（熱能回收率以60%計），不考慮設(shè)備改造支出，經(jīng)濟(jì)效益約589萬元/a，節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 小結(jié)

經(jīng)分析驗證，利用池水轉(zhuǎn)移、回收二水濕法磷酸反應(yīng)工序的濃硫酸稀釋熱，低位熱能用于稀磷酸的加熱、保溫，磷石膏再漿加熱，沖洗濾布等環(huán)節(jié)，物料、能量理論上能實現(xiàn)平衡，可節(jié)省裝置能耗，提升裝置經(jīng)濟(jì)效益，但須考慮石墨換熱器結(jié)垢風(fēng)險，以及增加石墨換熱器、稀磷酸換熱器等設(shè)備改造支出。此改造思路與方法，可供二水濕法磷酸行業(yè)節(jié)能改造參考。