熱管蒸汽發生器在熱法磷酸余熱回收中的應用

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(常州大學石油工程學院，江蘇常州 213016)

在傳統的一步法熱法磷酸生產工藝中，黃磷燃燒的反應熱全部由低溫循環水或酸帶出，經熱交換由冷卻塔散入大氣中,相反為了融化固態磷使之進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象[1]。新型熱法磷酸生產技術實現了高溫的余熱回收利用,但是從燃磷塔出來的P2O5氣體溫度仍然高達750 ℃左右，這部分中溫P2O5氣體目前還沒有進行余熱回收而是直接進入水化塔形成磷酸[2]，造成能源的浪費。由于工藝氣體中含有腐蝕性很強的磷酸氣體，如采用常規的對流換熱管，一旦個別換熱管件局部腐蝕穿孔，汽水就有可能泄漏到整個反應塔燃燒空間，引起大面積的腐蝕，將嚴重影響整個生產系統安全運行。熱管換熱器由于本身結構的特殊性，即使個別熱管發生泄漏也不會影響整體換熱器效能，且可以保證換熱器一直運行到計劃檢修。所以采用熱管蒸汽發生器是解決熱法磷酸中溫余熱回收較好的選擇。

1 單個熱管蒸汽發生器的工作原理

單個熱管蒸汽發生器是由熱管、翅片、隔板、下聯箱、水夾套和上聯箱組成。熱管自身是一根封閉的管件，內部充有一定量工作液(工質)，并抽成高真空。熱管的一端為蒸發(吸收)段，另一端為冷凝(放熱)段，中間用隔板分開。當熱流體流過吸熱段時，氣體的熱量由隔板下方的蒸發段吸收傳至熱管內的工質，工質受熱汽化并向上流動到達冷凝段，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壁回流到隔板下方的蒸發段，再次吸收管外P2O5氣體的熱量汽化，如此往復循環，不斷將中溫P2O5氣體的熱量傳遞到水夾套中，使循環水加熱汽化，產生工業所需要的蒸汽。

2 整體式熱管蒸發器的工作過程

熱管蒸發器在氣體流動方向上分中、低溫2段，中溫段采用萘工質熱管，低溫段采用水工質熱管,這樣熱管在其工作溫度范圍內具有較低的飽和蒸汽壓力，運行更安全可靠。熱管蒸發器縱向有N排，橫向有M列，共有N×M個單獨的熱管蒸發器組成；單個熱管蒸發器的下聯箱與汽包的下降管相連通，上聯箱的出口與導汽管相連，導汽管再與汽包相連，構成外部密閉汽水系統。

從燃磷塔出來的中溫P2O5氣體，橫向沖刷熱管加熱段，熱管內部工質經過連續的蒸發、上升、凝結、回流過程，將熱量從加熱段傳遞到冷凝段；熱管冷凝段套管中的水經加熱汽化，汽水混合物上升經上聯箱和導汽管匯集到汽包，進行汽水分離后，蒸汽引出供外部熱用戶，而飽和水與給水混合后，再經下降管和下聯箱分流到各套管中，這樣就構成了一個連續不斷產汽的汽水循環系統。通過熱管蒸汽發生器，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較高品位的蒸汽。

3 熱管蒸汽發生器的工作特點

1)各熱管單根并列布置，獨立工作。單根熱管是一個密封元件，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，消除了冷熱流體橫向混雜。即使某根熱管或少數熱管在高溫P2O5氣體中受到腐蝕損壞，兩種換熱流體也不可能相混，因而不會加重腐蝕而影響整體換熱效果。

2)每根熱管均可根據需要調整吸熱段和放熱段的長度，來改變兩側熱阻的大小，使蒸發器的所有熱管壁面溫度趨于均勻，避免局部溫度過高破壞結膜物的形成引起腐蝕。

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

4)組合式結構，可使蒸發器先在制造車間分體組裝，到現場再拼接完成，安裝靈活方便。

4 應用熱管蒸汽發生器應注意的問題

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，當熱管壁面低于其凝固溫度時，將會在管壁面上產生結膜物，結膜物可以有效防止磷酸氣體對壁面的腐蝕，因此維持所有管排壁面溫度較低且均勻是熱管蒸發器安全穩定運行的重要條件。

2)合理選擇P2O5氣體的流速。流速對壁面上結膜物的形成有較大影響，流速過大時，結膜物可能被吹掉，金屬管壁受到腐蝕的可能性增加；當流速較小時，結膜較厚，熱阻增加，影響傳熱過程。

3)合理布置熱管的縱向間距和橫向間距。當間距較小且結膜層較厚時，熱管外的結膜物可能出現搭橋，將嚴重阻塞氣體流動或影響蒸發器的穩定工作；當間距較大時，氣體的流速可能較慢，也將影響壁面的傳熱過程。

4)優選熱管的材料。由于P2O5氣體中含有腐蝕性很強的磷酸氣體，同時熱管內部工作壓力較高，熱管材料應選用高強度、耐高溫和抗腐蝕的合金鋼。

5)確保氣體側良好的密封和冷卻條件。氣體外泄與空氣中水蒸氣結合成磷酸，將引起嚴重的外部設備腐蝕，蒸發器外殼內壁面溫度應低于結膜物的固化溫度，否則將會加快氣體對結構的腐蝕或引起其他工藝問題。

5 熱管蒸發器的換熱計算

Qh=mhch,p(th1-th2)

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

根據熱量平衡，冷側獲得的熱量為：

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。

熱管蒸汽發生器的產汽量為：

D=Qc/(h″-hgs)=Qc/[cc,p(tc2-tgs)+γ]

2)平均溫差Δtm

3)傳熱系數

熱管煙氣側的換熱方式主要以對流換熱為主,煙氣橫向掠過光管管束時傳熱系數hh：

式中：C為常數,對叉排管束C取 0.33 ,對順排管束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熱系數，W/(m·℃)；Reh為煙氣側流體的雷諾數；Prh為煙氣的普朗特數。

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

式中：Cs為沸騰換熱表面狀態系數，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熱系數，W/(m·℃)；ρc,ρν為飽和液體、飽和蒸汽的密度，kg/m3；p為沸騰絕對壓力，Pa。

對于大容積中水的泡態沸騰放熱,當飽和壓力p=0.2×105～98×105Pa時,傳熱系數hc可采用下列實驗式計算[3]：

hc=3.14q0.7P0.15

式中：q為沸騰熱流密度，W/m2。

4)管內工質溫度tν

式中：tν為熱管內部工質的蒸汽溫度，℃；Th、Tc為熱流體、冷流體側熱管的平均溫度，℃；Ah、Ac為熱流體側、冷流體側的傳熱面積，m2。

考慮到熱管蒸汽發生器所用熱管可能承受較高的溫度,可采用將萘作為工質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,采用用水作為工質的熱管。對于水工質熱管，tν應低于250 ℃。

5)管壁溫度

熱流體側管壁溫度tw,h：

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

冷流體側管壁溫度tw,c：

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

q=kΔtm

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

由于熱管的結構特性使得熱管管內蒸汽溫度可調整，通過調整(hA)的值，可使熱管的蒸汽溫度tν接近熱流體或遠離熱流體溫度。由于熱管的管壁溫度基本上與管內蒸汽溫度接近，故可用調整(hA)值的辦法來控制熱管管壁溫度，使得所有管排壁面溫度較低且均勻。

6 經濟效益分析

現以6.5萬t/a生產規模的熱法磷酸生產裝置為例,燃磷量2 600 kg/h的熱法磷酸裝置利用熱管蒸發器回收氣體余熱的設計參數見表1。6.5萬t/a熱法磷酸改造前后對比見表2。

表1 熱管換熱器設計參數

表2 6.5萬t/a熱法磷酸改造前后對比

從表2可以看出，利用熱管蒸汽發生器回收高溫P2O5氣體后，多產汽3.8 t/h。若以蒸汽200元/t價格計算，則全年可增加經濟效益達500萬元。熱法磷酸余熱利用效率也從原來的61.64%提高到71.46%。

7 結論

熱管蒸汽發生器用于熱法磷酸生產回收P2O5氣體的中溫余熱，并生產低壓蒸汽,是一項新的節能技術。其最突出的優點是可增加設備的安全可靠性,減少因設備事故而帶來的停車損失。熱管蒸發器能否成功運用，主要取決于熱管本身的技術問題，熱管對磷酸中溫氣體的適應性，通過結膜物動態平衡解決熱管受熱面腐蝕等。

[1] 劉寶慶，何錦林，蔣家羚.熱法磷酸生產工藝與裝備研究進展[J].無機鹽工業，2005，37(10):4-6.

[2] 楊亞斌，梅毅，樊蕾，等.熱法磷酸生產副產蒸汽的回收利用技術[J].無機鹽工業，2008，40(2):45-46.

[3] 毛希瀾.化工設備設計全書—換熱器設計[M].上海：上海科學技術出版社，1988：93-95.