具有过热器的特种燃磷塔传热特性分析及计算

王政伟，陈非凡，许 鑫，盛有志

（常州大学石油工程学院，江苏常州213200）

1 特种燃磷塔结构和工作原理分析

传统特种燃磷塔塔壁为膜式水冷壁蒸发面，主要吸收反应气体释放的辐射热量，回收余热产生的工业蒸汽为中压饱和蒸汽，黄磷燃烧反应热回收利用效率较低。图1为传统热法磷酸燃磷塔结构示意图。如图1所示，传统燃磷塔由于没有对流受热面，无法吸收对流换热量，降低气体出口温度靠加大塔体的直径、增加高度和内层管来增加塔内辐射换热面积，但是这种方法反应气体出口温度降低有限，而且塔体的直径和高度受制于设备正常运输的极限值，故不能无限增大。塔内层管的布置则与结膜物的形成和材料的刚性有关，为确保形成一定厚度的结膜物，要求内层管金属壁温低于350℃，对现用316L管材强度提出更高要求［1］。

图1 传统热法磷酸燃磷塔结构示意图

而具有过热器的特种燃磷塔，其结构如图2所示，在燃磷塔上部布置对流式过热器，其工作原理是将汽包出口管引出的中压饱和蒸汽引入对流过热器加热至350℃，饱和蒸汽成为过热蒸汽。由于增加了对流过热器，能有效吸收对流换热量，使得燃磷塔气体温度降低到520℃左右，余热回收效率进一步提高，远高于传统的特种燃磷塔，而且产出的过热蒸汽进入汽轮发电机组做功后再供低压热用户，实现热电联产，具有显著的经济、环境和社会效益。

图2 具有过热器的特种燃磷塔结构示意图

2 具有过热器的燃磷塔内部传热计算

2.1 塔内对流传热量计算

1）传热系数计算

在考虑反应气体和管道之间的传热过程时，应考虑管子内壁面存在的水垢和管外壁多聚磷酸薄膜层，其传热系数K的计算式如下：

式中：α1为反应气体对管壁的放热系数，α1=ξαd，kW/（m2·℃）；αd=cscn（λ/d）Re0.05Pr0.03，其中 Re 为雷诺数，Re=39 857；Pr为普朗特数，Pr=0.708；λ为五氧化二磷气体的热导率，λ=0.002 06 kW/（m·℃）；d 为管外径，m；cs为管束相对节距影响的修正系数，cs=0.2；cn为沿气体行程方向管排数修正系数，cn=1。考虑到传热过程中存在部分辐射换热，取放大系数ξ=1.2；α2为管壁对管内工质的放热系数，kW/（m2·℃）；δh、δb和 δsg为管外壁结膜物厚度、金属管壁厚度和管内壁水垢厚度，m；λh、λb和 λsg分别为管外壁结膜物导热系数、金属管壁导热系数和管内壁水垢层导热系数［2-3］，kW/（m2·℃）。

2）工质吸收的对流换热量

式中：K 为受热面的总传热系数，kW/（m2·℃）；A 为计算受热面积，m2；Δtm为对数平均温差，Δtm=（Δtmax-Δtmin）/ln（Δtmax/Δtmin），最大温差为 Δtmax，Δtmax=t′1-t′2，其中 t′1为反应气体进口温度，t′2为蒸汽进口温度；最小温差为 Δtmin，Δtmin=t″1-t″2， 其中 t″1为反应气体出口温度，t″2为蒸汽出口温度，℃。

2.2 塔内辐射传热量计算

1）辐射放热模型简化的假设条件

高温反应气体中三原子气体具有一定的辐射能力，而且对流受热面和管束都不是黑体，所以假设条件如下：

管壁黑度αb=0.8，计算中仅有考虑气体与管壁的一次吸收辐射能。被忽略的多次反射与吸收部分用增加管壁黑度的方向进行校正，即用管束黑度αgs［αgs=（αb+1）/2］替代管壁黑度。

2）辐射放热系数的计算

辐射放热系数按下式计算：

式中：αy为反应气体的黑度，αy=1-e-kpS，k 为辐射减弱系数，且k=2.37；p为受热面中反应气体的绝对压力，MPa；S为炉膛有效辐射层厚度，m。Ty为反应气体温度，取受热面进出口反应气体温度的算数平均值，℃；Thb为灰壁温度，℃。

3）三原子气体辐射减弱系数计算

式中：rH2O为反应气体中水蒸气的体积分数，rH2O=4%；pq为三原子气体分压力，MPa；T″f为辐射受热面出口反应气体温度，℃；S为炉膛有效辐射层厚度，m。

4）工质吸收的辐射热量

式中：αf为辐射放热系数，kW/（m2·℃）；t1为反应气体平均温度，℃；thb为灰壁面温度，℃；Af为辐射受热面积，m2。

3 具有过热器的特种燃磷塔热平衡和热效率计算分析

1）过热器的热平衡计算

流经过热器的反应气体放热量为：

式中：φ 为保热系数，取值范围为 0.9~1.0；h′1为过热器入口反应气体的焓值，kJ/kg；h″1为过热器出口反应气体的焓值，kJ/kg；Vy为过热器进口反应气体流量，m3/h。

管内工质对流吸热量的计算公式如下：

式中：D 为蒸汽流量，kg/h；h′2和 h″2分别为工质进口和出口的焓值，kJ/kg；Qdf为来自辐射段的热量，kJ/h［Qdf=3600αf（θpj-thb）Adf，αf为辐射放热系数，kW/（m2·℃）；θpj为烟气平均温度，℃；thb为灰壁面温度，℃；Adf为辐射受热面积，m2］。

工质吸热量和放热量之间的误差：

式中：Q1为反应气体的放热量，kJ/kg；Q2为管内工质的对流吸热量，kJ/kg。当误差较小时，可认为工质的对流吸热量和反应气体的放热量平衡。

2）具有过热器的特种燃磷塔热平衡计算

式中：QT2为受热面吸收的实际对流和辐射的热量，QT2=Qf+Qd，Qd和 Qf分别按（2）式和（5）式计算，kJ/h；QT1为受热面吸收的理论对流和辐射的热量，kJ/h。

3）有过热器的特种燃磷塔热效率计算

热效率是指特种燃磷塔利用的热量与磷燃烧放出的热量之比，其公式如下所示：式中：Dz为蒸汽量，t/h；hq为过热蒸汽出口焓值，kJ/kg；hs为燃磷 塔 进水焓 值，kJ/kg；B 为 燃 磷 量 ，kg/h；Qp为燃磷发热量，kJ/kg。

4 计算实例

以7.5万t/a的热法磷酸生产装置为例，对有过热器的特种燃磷塔进行分析计算，计算原始数据和过热器设计参数分别如表1、表2所示，过热器三维结构图如图3所示，具有过热器的特种燃磷塔计算结果如表3所示。

表1 计算原始数据

表2 过热器的设计参数

图3 过热器的三维结构图

表3 具有过热器的特种燃磷塔的计算结果

根据上述计算分析，具有过热器的特种燃磷塔通过增加蛇形管过热器来增大换热面，从而增大对流和辐射吸热量，有效降低反应气体的出口温度，使得排烟热损失q2大幅降低，从而进一步增大特种燃磷塔热效率，其热效率达到76.1%，而传统的特种燃磷塔的热效率仅为65%，增幅超过11%，足见节能降耗效果显著。

5 燃磷塔传热特性的影响因素分析

特种燃磷塔的传热特性主要反映在气体出口温度和最高燃烧温度这两个参数上，通过改变特种燃磷塔的燃磷量和过量空气系数，对比传统特种燃磷塔和具有过热器的特种燃磷塔在传热特性上的区别与联系。

5.1 燃磷量、过量空气系数对燃磷塔气体出口温度的影响

图4a为燃磷量与出口气体温度的关系。如图4a所示，特种燃磷塔的气体出口温度随燃磷量的增多而升高，呈单调递增趋势，这说明燃磷量越大，塔内燃烧越旺盛，燃烧释放的反应热越多，辐射换热量增多，塔壁面温度就增高，能被换热面吸收的热量也就增多。然而，当燃磷量过少时，特种燃磷塔气体出口温度过低也会造成P2O5气体凝华［4-6］，从而造成气体出口通道堵塞，因此要求气体出口温度高于500℃。

由图4a各燃磷量对应的反应气体出口温度求出平均值，可知：传统特种燃磷塔的气体出口温度为665℃，具有过热器的特种燃磷塔的气体出口温度为563℃，降低了102℃，这是因为过热器的换热面积越大，换热强度就越大，换热效率也就越高，将吸收的对流换热量高效转化为过热蒸汽的热能，导致反应气体出口温度大幅降低，增加了设备运行的安全可靠性。

图4b为过量空气系数与出口气体温度的关系。如图4b所示，气体出口温度随过量空气系数的增大而单调递增，这是由于随着空气系数的增大，带入塔内的空气量增多，而塔内燃磷量一定，导致塔内火焰温度降低，塔内辐射传热量下降，使得短时间内出口气体携带的热量增多，从而出口气体温度升高。

由图4b各过量空气系数对应的反应气体出口温度求出平均值可知：传统特种燃磷塔的气体平均出口温度为653℃，有过热器的特种燃磷塔气体平均出口温度为523℃，降低约130℃。这说明过热器不仅吸收对流传热量，而且吸收部分辐射传热量，因此出口气体携带的热量减少，气体出口温度降低。

图4 燃磷量（a）、过量空气系数（b）与出口气体温度的关系

5.2 燃磷量、过量空气系数对燃磷塔最高燃烧温度的影响

图5a为燃磷量与最高燃烧温度的关系。当过量空气系数不变时，如图5a所示，两类特种燃磷塔的最高燃烧温度均随燃磷量的增多而升高，而当燃磷量增加到一定量时，最高燃烧温度不再增加，这是因为燃磷量增大导致燃烧强度大，需要消耗的空气量增大，燃烧不充分导致黄磷燃烧反应热回收率下降。传统特种燃磷塔的平均最高燃烧温度为2600.4℃，有过热器的特种燃磷塔平均最高燃烧温度为2 430℃，降低了约170.4℃，这说明位于特种塔中上部的过热器吸收了大部分塔内对流换热量，进而塔内壁面平均热流降低，特种燃磷塔壁面温度降低，塔内辐射换热强度下降，最高燃烧温度下降。

图5b为过量空气系数与最高燃烧温度的关系。当燃磷量不变时，如图5b所示，两类特种塔的最高燃烧温度均随过量空气系数的增大而降低，这说明过高的过量空气系数不仅不能强化特种燃磷塔内部的传热，反而由于空气量的增大导致单位面积吸收的辐射热量降低，从而降低了特种燃磷塔的热能利用效率。

图5 燃磷量（a）、过量空气系数（b）与最高燃烧温度的关系

6 结论

通过对7.5万t/a的热法磷酸生产装置的计算，得出以下结论：1）具有过热器的特种燃磷塔，增加了过热段对流传热，气体出口温度可降低到520℃。2）通过热平衡法计算得出具有过热器的燃磷塔的热效率为76%，比传统燃磷塔的热效率提高10%以上。3）结合实际数据和简化模型计算表明：具有过热器的燃磷塔能强化辐射和对流换热、调节气体出口温度、增强设备安全可靠性，而且过热器产生350℃过热蒸汽进行热电联产，节约生产成本，符合特种燃磷塔未来的发展趋势。