热法磷酸特种燃磷塔热平衡及热利用效率分析计算

王政伟，李园园，雷 斌，殷诗明

（常州大学石油工程学院，江苏常州213000）

化工装备与设计

热法磷酸特种燃磷塔热平衡及热利用效率分析计算

王政伟，李园园，雷 斌，殷诗明

（常州大学石油工程学院，江苏常州213000）

首先概述了现有热法磷酸特种燃磷塔的结构和工作原理，然后进行黄磷燃烧反应计算，得到燃烧产物焓值和燃烧温度的计算式；根据能量平衡原理给出燃磷塔的能流图，并建立特种燃磷塔热平衡关系式，导出了燃烧反应热利用效率和各项热损失的计算式，重点分析了各热损失原因和提高热利用效率的技术措施，最后对具有辐射对流换热面的新型燃磷塔进行实例计算，并与现有特种燃磷塔进行分析比较。

热法磷酸；特种燃磷塔；热平衡；热利用效率

1 特种燃磷塔的结构和工作原理

高效回收利用黄磷燃烧反应热对降低当前热法磷加工综合能耗和减轻环境污染具有现实意义，其既有显著的经济效益，又有良好的环境、社会效益。图1是具有回收黄磷反应热副产工业蒸汽的燃磷塔，是一种将反应塔结构要素和工业锅炉结构要素相结合的特种燃磷塔［1］。它利用辐射换热面回收反应热，能将反应气体出口温度降到800℃以下再进入水化塔，产生的工业蒸汽供自身工艺及外部其他热用户使用。

热法磷酸特种燃磷塔主要由汽包、下降管、导汽管、环形膜式水冷壁蒸发面、上封头、下封头和裙座等组成。液态磷被一次空气雾化后喷入燃磷塔内，与二次空气混合燃烧反应，产生2 000℃以上高温反应气体。高温气体通过辐射换热与蒸发面和下封头内壁进行辐射换热，当降温到800℃以下，由上封头的导气管引出，再进入水化塔水化成磷酸。

图1 热法磷酸特种燃磷塔结构示意图

如图1所示，从汽包下降总管引出的循环水由下降管引入到辐射蒸发段循环水导入管，经下环形配水箱分配进入辐射蒸发管，管内水受到辐射加热汽化，汽水混合物在浮升力的作用下，进入到上环形集汽箱，由导汽管引入到汽包内进行汽水分离，分离出的饱和蒸汽由出口管引到分汽缸再输送到各用户。

由于辐射换热与气体温度的四次方成正比，当气体温度从2 000℃降到1 000℃时，辐射换热强度下降90%以上；这种仅有辐射换热蒸发面的特种燃磷塔，气体出口温度很难降得比较低，所以还需对这种燃磷塔进行结构改造。

2 黄磷的燃烧反应计算

根据质量守恒定律，将反应气体作为理想气体处理，反应前后等压且为大气压，在上述条件下对单位质量黄磷进行燃烧反应计算［2-4］。

2.1 黄磷燃烧的空气量和反应产物计算

1）燃磷塔内黄磷反应方程式：2）反应所需理论空气量。

式中：ρk0为干空气在标准状态下的密度，1.293 kg/Nm3；Vm为 标 准 状 态 下 摩 尔 体 积 ，22.4 Nm3/kmol；MP为磷的摩尔质量，31 kg/kmol。

则实际空气量为

式中：α为过量空气系数，为实际空气量与理论空气量的比值。

3）实际的一次空气量。磷燃烧前，需要压力为0.3～0.4 MPa的一次空气来雾化液态磷，一次空气与总风量的比约为20%～30%，可用β表示，这里β取0.2，则：

4）实际的二次空气量。

5）燃烧反应产物的质量。单位质量磷燃烧反应后得到的气体总质量：

式中：LP2O5=2MP2O5/（4MP）=2.29；LN2

=0.768Lk0= 4.27；L′k=（α-1）Lk0=5.561（α-1）；LH2O=0.01αLk0= 0.055 61α；MP2O5为P2O5的摩尔质量，142 kg/kmol。所以，Lq=0.999+5.616 61α。

2.2 燃烧反应产物的焓值计算

热力学中混合气体的焓值计算公式如下：

式中：t为反应气体的温度，℃；cp为温度在0～t范围内平均定压比热容，kJ/（kg·℃）。

由式（3）可知，求燃烧反应产物的焓值应先确定反应产物的平均定压比热容。

根据P2O5气体的凝固温度为500℃以上及相关的参考资料，P2O5和其他气体的平均定压比热容按下列各式计算：

所以，

由式（4）可以看出，在反应产物温度一定的情况下，其焓值与过量空气系数α成线性关系，α越大，焓值越大。

将式（4）改写成关于燃烧产物焓值与温度t的关系式，有：

由式（5）可以看出，当α一定时，燃烧产物焓值与温度成二次方关系，随着温度t的增加而增加。

图2给出了不同过量空气系数α下，单位质量磷燃烧反应产生的气体的焓值随温度的变化过程。

图2 燃烧产物焓值随温度的变化

2.3 燃磷塔反应产物的燃烧温度

根据工程燃烧学理论，把单位质量黄磷在绝热和完全燃烧条件下得到的气体温度定义为反应产物的燃烧温度，可以按下列公式计算：

式中：QP为单位质量液态磷的发热量，取22 990 kJ/kg；IP为单位质量的液态磷的显热，液态磷的温度取65℃，IP=tP×（cp）P=55.25；Ik为单位质量的液态磷反应所需空气的显热，Ik=Ik1+Ik2=Lk1tk1（cp）k1+ Lk2tk2（cp）k2=183.748 5α；IH2O为单位质量的液态磷实际所需空气携带水的显热，IH2O=（I1）H2O+（I2）H2O=（L1t1cp1）H2O+ （L2t2cp2）H2O=3.422α。

所以，将相关量代入公式（6）得到：

图3是按公式（7）计算得到的，由图3可知，随着过量空气系数的增加，燃烧温度将下降。通常把α=1和绝热条件下生成物的燃烧温度tq0作为理论燃烧温度，则磷的理论燃烧温度：tq0=3 287℃；当α= 1.6时，生成物的燃烧温度为tq=2 211℃。

图3 燃烧温度随过量空气系数的变化

为工程计算方便，可对图3的数据进行拟合，得到燃烧温度计算的简化式：

3 特种燃磷塔的热平衡

根据能量守恒定律，对燃磷塔各种进出能量进行分析，建立热平衡关系式和热利用效率的计算式，分析各能量损失的原因、部位、数量大小，提出减少各种能量损失的技术措施，对提高燃磷塔热能回收利用效率提供技术途径。

3.1 特种燃磷塔能流图

参考特种燃磷塔的结构图，分析各种能量的进出情况，得到图4的特种燃磷塔的能流图。

图4 特种燃磷塔能流图

3.2 热量平衡关系式和热利用效率

根据热力学第一定律并结合能流图，可得到热法磷酸燃磷塔的各种热量的平衡关系式：

燃磷塔的热利用效率η按下列两式计算：

式中：q1和qi分别表示有效能利用率和各项热损失率。利用式（10）计算热利用效率为正平衡法，利用式（11）计算热利用效率为反平衡法，反平衡法是工程上常用的方法。

3.3 各种进出热量的计算

1）输入热量Qr的计算。

式中：B为单位时间内燃磷塔的黄磷的输入量，kg/h；QP为单位质量液态磷的发热量，取22 990kJ/kg；IP为单位质量液态磷的显热，kJ/kg；Ik为反应实际所需空气带入的显热，kJ/kg；IH2O为实际所需空气携带水的显热，kJ/kg。以上各项的计算式见2.3小节。

2）排出气体热损失Q2的计算。

式中：tck为燃磷塔反应气体的出口温度，℃；（cp）ck为以出口温度计算的气体平均比热容，kJ/（kg·℃）。

3）不完全反应热损失Q3的计算。

式中：λ为磷的不完全燃烧反应份额。

热法磷酸燃磷塔实际生产的产品一般要求不出现红酸，在这种特殊条件下，一方面要求过量空气系数取得较大，同时要强化液态磷雾化、空气与磷的混合燃烧过程，以确保磷在燃磷塔中得到完全燃烧反应。

4）散热损失Q4的计算。燃磷塔在运行过程中，塔壁、汽水管道、集箱等的表面温度都比周围的环境温度高，这样不可避免地有部分热量散失于大气。散热损失的大小主要决定于散热表面积的大小、表面温度及周围空气温度等因素，它与炉墙的结构、保温层的性能和厚度有关。

式中：F为燃磷塔散热面积，m2；twb为塔外壁的表面温度，一般取40～50℃；ten为环境温度，℃；αz为外壁的综合传热系数，可取3～5 W/（m2·K）。

5）冷却水带走的热损失Q5的计算。

式中：ms为燃磷塔冷却水的总流量，kg/h；cps为冷却水的平均比热，取4.18 kJ/（kg·℃）；ts1，ts2为冷却水的进出口温度，℃。

3.4 燃磷塔的产汽量D的计算

根据热量平衡得到：

式中：D为特种燃磷塔的产汽量，t/h；iq为汽包出口蒸汽焓，kJ/kg；igs为汽包的给水焓，kJ/kg；ips为汽包排污水焓，kJ/kg；Dps为汽包排污水量，t/h；p为排污率，一般为3%～5%。

4 提高燃磷塔热利用效率的技术措施

4.1 降低燃磷塔的反应气体的出口温度tck

降低燃磷塔的气体出口温度tck，可以较大幅度地提高燃磷塔的热利用率。图5是燃磷塔排气热损失率q2和气体出口温度的关系图，根据计算，出口温度每下降20～30℃，可提高热利用率1%，因此，应尽可能降低燃磷塔的出口温度。

但影响燃磷塔气体出口温度的因素较多，主要有塔内换热面积的布置和数量、燃磷量B，塔的燃烧空间和体积热负荷、喷磷枪的安装位置和数量、过量空气系数α等。例如，在一定结构尺寸的燃磷塔内，当燃磷量达到额定燃料量时，再增加燃磷量，就会使燃磷塔的出口温度快速上升；塔内单位体积热负荷设计取得较大时，气体的出口温度就较高；喷磷枪的安装位置较高，底部换热面吸收的热量较少，在结构不变的情况下，出口温度就较高；当有多个喷磷枪相互对冲时，混合反应速度快，塔内周向温度分布均匀，换热面得到充分利用，气体出口温度就降低；当过量空气系数过大时，塔内气体平均反应温度降低，换热强度下降，燃磷塔的出口温度反而会上升。

图5 排气热量损失q2随气体出口温度的变化

但是影响燃磷塔出口温度最重要的因素是塔内受热面的布置，如图1所示，这种仅有辐射换热面的燃磷塔即使增加高度也难以进一步降低气体的出口温度，所以这种燃磷塔的实际气体出口温度tck≥800℃。笔者在原来特种燃磷塔的基础上，在上环形集汽箱和上封头之间布置对流蒸发器，形成了具有辐射对流换热面的新型特种燃磷塔，如图6所示。该燃磷塔的主体部分由充分燃烧区、强化传热区两部分组成，在充分燃烧区内，热能的回收采用辐射换热方式；而在强化传热区的热能回收主要采用强化对流换热方式。由于采用对流传热方式，改善了流体的流动性能，增大了流体对管壁的流动速度，使得气态及液态结膜物跟随工艺气体流动，在管壁上仅存在固态结膜物。这样，既不改变防腐性能，又能将气体的出口温度降得更低，从而提高了反应热回收利用的效率［5］。

图6 具有辐射对流换热面的燃磷塔

4.2 强化混合燃烧以降低过量空气系数α

图7给出了过量空气系数与各热量损失之间的关系：在黄磷完全燃烧的条件下，降低过量空气系数α，反应气体燃烧温度提高，在同样的条件下可增加炉内的辐射换热量，气体的出口温度降低，加上气体的体积降低，使燃磷塔的排气热损失降低，这样可提高燃磷塔的热利用率。但是，降低过量空气系数α，可能会导致反应不充分，部分黄磷没有与氧反应就排出到水化塔，可能造成磷酸产品出现红酸，所以，过量空气系数不能取得太小；在加强磷和空气的混合燃烧的条件下，确保黄磷的完全燃烧，推荐过量空气系数α＞1.3。

图7 不同温度下排气热损失随过量空气系数的变化

强化空气和磷混合燃烧反应的技术措施有：1）采用合理的一次空气的压力及优化喷磷枪的结构，使液态磷雾化成合理的形状和更细的粒度，进而加快磷的蒸发混合过程；2）控制炉膛负压和调节吸风管的流通面积，使二次空气的流量和空气过剩系数在合理的范围；3）在喷磷枪内增加二次风旋流片，加强二次空气和雾化磷的混合，可以使磷在较短的时间内和较小的空间内燃烧反应完全；4）合理布置喷磷枪的数量和位置，使反应气流相互对冲混合或形成旋转气流，强化混合和延长气体在塔内的反应时间。

4.3 降低冷却水带走的热损失Q5

由于高温反应气体对金属材料有很强的腐蚀性，必须保证凡是与反应气体相接触的金属面都要进行冷却，由于结构上的困难，现有的燃磷塔上、下封头和喷磷枪附近仍需要冷却水进行冷却，这部分的面积占总内腔面积的20%～30%，冷却水带走的热损失占15%左右，冷却水需要通过板式换热器冷却后再循环使用。因此，降低这部分热损失应从结构创新上考虑，如图8所示，对于塔体尺寸较大的燃磷塔，下封头可采用强制流动的盘管结构，将给水加热接近饱和温度再进入汽包；如图9所示，上封头也可采用伞型蒸发管来增加蒸发受热面以减少热损失。

图8 下封头盘管示意图 图9 上封头伞型蒸发管示意图

5 计算实例

对如图6所示的具有辐射对流换热面的特种燃磷塔进行分析计算。热法磷酸燃磷塔热平衡及热效率计算如表1、表2所示。由表2可见，对燃磷塔进行结构改造后，输入的能量不变，热能利用效率由原来的53.68%提高到66.51%，提高了12.83%，节能效果显著，提高了经济效益和产品的市场竞争力。

表1 计算原始参数

表2 不同结构燃磷塔的计算结果

6 结论

1）对特种燃磷塔进行燃烧反应计算，得到了反应产物的焓值和燃烧温度计算式，为燃磷塔的塔内传热计算和结构优化设计提供工程方法。2）利用反平衡法计算燃磷塔热利用效率，并分析了各项热损失产生的原因、部位和大小，提出了提高反应热利用效率的技术途径，进一步提出几种实际应用具体方案。3）在现有特种燃磷塔的基础上增加对流换热面，能使燃磷塔出口温度降低至500℃以下，其热能利用率可提高至66.5%，进一步降低了生产成本，增加了经济效益。

［1］ 刘宝庆，蒋家羚.热法磷酸燃磷塔的节能与传热特性研究［J］.现代化工，2003，23（8）：38-41.

［2］ 郭印诚，徐进明，宋耀祖，等.热法磷酸塔内流动与燃烧过程的数值模拟［J］.高校化学工程学报，2001，15（4）：357-362.

［3］ 吴味隆.锅炉及锅炉房设备［M］.4版.北京：中国建筑工业出版社，2006：60-79.

［4］ 王政伟，管泓瑞，官文洪，等.热管蒸汽发生器在热法磷酸余热回收中的应用［J］.无机盐工业，2011，43（10）：62-64.

［5］ 王政伟，宋耀祖，蒋家羚，等.具有辐射对流换热面的热法磷酸余热利用装置：中国，201310386514.0［P］.2013-08-30.

联系方式：708992202@qq.com

Analysis and calculation of heat balance and heat utilization efficiency of special phosphoric acid furnace

Wang Zhengwei，Li Yuanyuan，Lei Bin，Yin Shiming
（School of Petroleum Engineering，Changzhou University，Changzhou 213000，China）

The structure and working principle of the existing phosphoric acid furnace were introduced.Then the yellow phosphorus combustion was calculated，and enthalpy of combustion product and formula of combustion temperature were obtained. The energy flow chart was drawn and the balanced relationship of heat and the heat loss of the phosphoric acid furnace was established according to the principle of energy balance.From that the formula of utilization efficiency and kinds of heat loss were obtained.Then the reasons were analyzed and the technical ways to improve the utilization of the available energy were put forward.Finally，the new phosphoric acid furnace with radioactive and convective heat transfer surface compared with the existing was calculated.

thermal process phosphoric acid；special phosphorus acid furnace；heat balance；heat utilization efficiency

TQ052.7

A

1006-4990（2017）04-0071-05

2016-10-16

王政伟（1961— ），男，硕士，教授，主要从事热能利用和节能技术的研究，发表过文章25篇。

李园园