熱法磷酸特種燃磷塔熱平衡及熱利用效率分析計算

王政偉，李園園，雷 斌，殷詩明

（常州大學石油工程學院，江蘇常州213000）

化工裝備與設計

熱法磷酸特種燃磷塔熱平衡及熱利用效率分析計算

王政偉，李園園，雷 斌，殷詩明

（常州大學石油工程學院，江蘇常州213000）

首先概述了現有熱法磷酸特種燃磷塔的結構和工作原理，然后進行黃磷燃燒反應計算，得到燃燒產物焓值和燃燒溫度的計算式；根據能量平衡原理給出燃磷塔的能流圖，并建立特種燃磷塔熱平衡關系式，導出了燃燒反應熱利用效率和各項熱損失的計算式，重點分析了各熱損失原因和提高熱利用效率的技術措施，最后對具有輻射對流換熱面的新型燃磷塔進行實例計算，并與現有特種燃磷塔進行分析比較。

熱法磷酸；特種燃磷塔；熱平衡；熱利用效率

1 特種燃磷塔的結構和工作原理

高效回收利用黃磷燃燒反應熱對降低當前熱法磷加工綜合能耗和減輕環境污染具有現實意義，其既有顯著的經濟效益，又有良好的環境、社會效益。圖1是具有回收黃磷反應熱副產工業蒸汽的燃磷塔，是一種將反應塔結構要素和工業鍋爐結構要素相結合的特種燃磷塔［1］。它利用輻射換熱面回收反應熱，能將反應氣體出口溫度降到800℃以下再進入水化塔，產生的工業蒸汽供自身工藝及外部其他熱用戶使用。

熱法磷酸特種燃磷塔主要由汽包、下降管、導汽管、環形膜式水冷壁蒸發面、上封頭、下封頭和裙座等組成。液態磷被一次空氣霧化后噴入燃磷塔內，與二次空氣混合燃燒反應，產生2 000℃以上高溫反應氣體。高溫氣體通過輻射換熱與蒸發面和下封頭內壁進行輻射換熱，當降溫到800℃以下，由上封頭的導氣管引出，再進入水化塔水化成磷酸。

圖1 熱法磷酸特種燃磷塔結構示意圖

如圖1所示，從汽包下降總管引出的循環水由下降管引入到輻射蒸發段循環水導入管，經下環形配水箱分配進入輻射蒸發管，管內水受到輻射加熱汽化，汽水混合物在浮升力的作用下，進入到上環形集汽箱，由導汽管引入到汽包內進行汽水分離，分離出的飽和蒸汽由出口管引到分汽缸再輸送到各用戶。

由于輻射換熱與氣體溫度的四次方成正比，當氣體溫度從2 000℃降到1 000℃時，輻射換熱強度下降90%以上；這種僅有輻射換熱蒸發面的特種燃磷塔，氣體出口溫度很難降得比較低，所以還需對這種燃磷塔進行結構改造。

2 黃磷的燃燒反應計算

根據質量守恒定律，將反應氣體作為理想氣體處理，反應前后等壓且為大氣壓，在上述條件下對單位質量黃磷進行燃燒反應計算［2-4］。

2.1 黃磷燃燒的空氣量和反應產物計算

1）燃磷塔內黃磷反應方程式：2）反應所需理論空氣量。

式中：ρk0為干空氣在標準狀態下的密度，1.293 kg/Nm3；Vm為 標 準 狀 態 下 摩 爾 體 積 ，22.4 Nm3/kmol；MP為磷的摩爾質量，31 kg/kmol。

則實際空氣量為

式中：α為過量空氣系數，為實際空氣量與理論空氣量的比值。

3）實際的一次空氣量。磷燃燒前，需要壓力為0.3～0.4 MPa的一次空氣來霧化液態磷，一次空氣與總風量的比約為20%～30%，可用β表示，這里β取0.2，則：

4）實際的二次空氣量。

5）燃燒反應產物的質量。單位質量磷燃燒反應后得到的氣體總質量：

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為P2O5的摩爾質量，142 kg/kmol。所以，Lq=0.999+5.616 61α。

2.2 燃燒反應產物的焓值計算

熱力學中混合氣體的焓值計算公式如下：

式中：t為反應氣體的溫度，℃；cp為溫度在0～t范圍內平均定壓比熱容，kJ/（kg·℃）。

由式（3）可知，求燃燒反應產物的焓值應先確定反應產物的平均定壓比熱容。

根據P2O5氣體的凝固溫度為500℃以上及相關的參考資料，P2O5和其他氣體的平均定壓比熱容按下列各式計算：

所以，

由式（4）可以看出，在反應產物溫度一定的情況下，其焓值與過量空氣系數α成線性關系，α越大，焓值越大。

將式（4）改寫成關于燃燒產物焓值與溫度t的關系式，有：

由式（5）可以看出，當α一定時，燃燒產物焓值與溫度成二次方關系，隨著溫度t的增加而增加。

圖2給出了不同過量空氣系數α下，單位質量磷燃燒反應產生的氣體的焓值隨溫度的變化過程。

圖2 燃燒產物焓值隨溫度的變化

2.3 燃磷塔反應產物的燃燒溫度

根據工程燃燒學理論，把單位質量黃磷在絕熱和完全燃燒條件下得到的氣體溫度定義為反應產物的燃燒溫度，可以按下列公式計算：

式中：QP為單位質量液態磷的發熱量，取22 990 kJ/kg；IP為單位質量的液態磷的顯熱，液態磷的溫度取65℃，IP=tP×（cp）P=55.25；Ik為單位質量的液態磷反應所需空氣的顯熱，Ik=Ik1+Ik2=Lk1tk1（cp）k1+ Lk2tk2（cp）k2=183.748 5α；IH2O為單位質量的液態磷實際所需空氣攜帶水的顯熱，IH2O=（I1）H2O+（I2）H2O=（L1t1cp1）H2O+ （L2t2cp2）H2O=3.422α。

所以，將相關量代入公式（6）得到：

圖3是按公式（7）計算得到的，由圖3可知，隨著過量空氣系數的增加，燃燒溫度將下降。通常把α=1和絕熱條件下生成物的燃燒溫度tq0作為理論燃燒溫度，則磷的理論燃燒溫度：tq0=3 287℃；當α= 1.6時，生成物的燃燒溫度為tq=2 211℃。

圖3 燃燒溫度隨過量空氣系數的變化

為工程計算方便，可對圖3的數據進行擬合，得到燃燒溫度計算的簡化式：

3 特種燃磷塔的熱平衡

根據能量守恒定律，對燃磷塔各種進出能量進行分析，建立熱平衡關系式和熱利用效率的計算式，分析各能量損失的原因、部位、數量大小，提出減少各種能量損失的技術措施，對提高燃磷塔熱能回收利用效率提供技術途徑。

3.1 特種燃磷塔能流圖

參考特種燃磷塔的結構圖，分析各種能量的進出情況，得到圖4的特種燃磷塔的能流圖。

圖4 特種燃磷塔能流圖

3.2 熱量平衡關系式和熱利用效率

根據熱力學第一定律并結合能流圖，可得到熱法磷酸燃磷塔的各種熱量的平衡關系式：

燃磷塔的熱利用效率η按下列兩式計算：

式中：q1和qi分別表示有效能利用率和各項熱損失率。利用式（10）計算熱利用效率為正平衡法，利用式（11）計算熱利用效率為反平衡法，反平衡法是工程上常用的方法。

3.3 各種進出熱量的計算

1）輸入熱量Qr的計算。

式中：B為單位時間內燃磷塔的黃磷的輸入量，kg/h；QP為單位質量液態磷的發熱量，取22 990kJ/kg；IP為單位質量液態磷的顯熱，kJ/kg；Ik為反應實際所需空氣帶入的顯熱，kJ/kg；IH2O為實際所需空氣攜帶水的顯熱，kJ/kg。以上各項的計算式見2.3小節。

2）排出氣體熱損失Q2的計算。

式中：tck為燃磷塔反應氣體的出口溫度，℃；（cp）ck為以出口溫度計算的氣體平均比熱容，kJ/（kg·℃）。

3）不完全反應熱損失Q3的計算。

式中：λ為磷的不完全燃燒反應份額。

熱法磷酸燃磷塔實際生產的產品一般要求不出現紅酸，在這種特殊條件下，一方面要求過量空氣系數取得較大，同時要強化液態磷霧化、空氣與磷的混合燃燒過程，以確保磷在燃磷塔中得到完全燃燒反應。

4）散熱損失Q4的計算。燃磷塔在運行過程中，塔壁、汽水管道、集箱等的表面溫度都比周圍的環境溫度高，這樣不可避免地有部分熱量散失于大氣。散熱損失的大小主要決定于散熱表面積的大小、表面溫度及周圍空氣溫度等因素，它與爐墻的結構、保溫層的性能和厚度有關。

式中：F為燃磷塔散熱面積，m2；twb為塔外壁的表面溫度，一般取40～50℃；ten為環境溫度，℃；αz為外壁的綜合傳熱系數，可取3～5 W/（m2·K）。

5）冷卻水帶走的熱損失Q5的計算。

式中：ms為燃磷塔冷卻水的總流量，kg/h；cps為冷卻水的平均比熱，取4.18 kJ/（kg·℃）；ts1，ts2為冷卻水的進出口溫度，℃。

3.4 燃磷塔的產汽量D的計算

根據熱量平衡得到：

式中：D為特種燃磷塔的產汽量，t/h；iq為汽包出口蒸汽焓，kJ/kg；igs為汽包的給水焓，kJ/kg；ips為汽包排污水焓，kJ/kg；Dps為汽包排污水量，t/h；p為排污率，一般為3%～5%。

4 提高燃磷塔熱利用效率的技術措施

4.1 降低燃磷塔的反應氣體的出口溫度tck

降低燃磷塔的氣體出口溫度tck，可以較大幅度地提高燃磷塔的熱利用率。圖5是燃磷塔排氣熱損失率q2和氣體出口溫度的關系圖，根據計算，出口溫度每下降20～30℃，可提高熱利用率1%，因此，應盡可能降低燃磷塔的出口溫度。

但影響燃磷塔氣體出口溫度的因素較多，主要有塔內換熱面積的布置和數量、燃磷量B，塔的燃燒空間和體積熱負荷、噴磷槍的安裝位置和數量、過量空氣系數α等。例如，在一定結構尺寸的燃磷塔內，當燃磷量達到額定燃料量時，再增加燃磷量，就會使燃磷塔的出口溫度快速上升；塔內單位體積熱負荷設計取得較大時，氣體的出口溫度就較高；噴磷槍的安裝位置較高，底部換熱面吸收的熱量較少，在結構不變的情況下，出口溫度就較高；當有多個噴磷槍相互對沖時，混合反應速度快，塔內周向溫度分布均勻，換熱面得到充分利用，氣體出口溫度就降低；當過量空氣系數過大時，塔內氣體平均反應溫度降低，換熱強度下降，燃磷塔的出口溫度反而會上升。

圖5 排氣熱量損失q2隨氣體出口溫度的變化

但是影響燃磷塔出口溫度最重要的因素是塔內受熱面的布置，如圖1所示，這種僅有輻射換熱面的燃磷塔即使增加高度也難以進一步降低氣體的出口溫度，所以這種燃磷塔的實際氣體出口溫度tck≥800℃。筆者在原來特種燃磷塔的基礎上，在上環形集汽箱和上封頭之間布置對流蒸發器，形成了具有輻射對流換熱面的新型特種燃磷塔，如圖6所示。該燃磷塔的主體部分由充分燃燒區、強化傳熱區兩部分組成，在充分燃燒區內，熱能的回收采用輻射換熱方式；而在強化傳熱區的熱能回收主要采用強化對流換熱方式。由于采用對流傳熱方式，改善了流體的流動性能，增大了流體對管壁的流動速度，使得氣態及液態結膜物跟隨工藝氣體流動，在管壁上僅存在固態結膜物。這樣，既不改變防腐性能，又能將氣體的出口溫度降得更低，從而提高了反應熱回收利用的效率［5］。

圖6 具有輻射對流換熱面的燃磷塔

4.2 強化混合燃燒以降低過量空氣系數α

圖7給出了過量空氣系數與各熱量損失之間的關系：在黃磷完全燃燒的條件下，降低過量空氣系數α，反應氣體燃燒溫度提高，在同樣的條件下可增加爐內的輻射換熱量，氣體的出口溫度降低，加上氣體的體積降低，使燃磷塔的排氣熱損失降低，這樣可提高燃磷塔的熱利用率。但是，降低過量空氣系數α，可能會導致反應不充分，部分黃磷沒有與氧反應就排出到水化塔，可能造成磷酸產品出現紅酸，所以，過量空氣系數不能取得太小；在加強磷和空氣的混合燃燒的條件下，確保黃磷的完全燃燒，推薦過量空氣系數α＞1.3。

圖7 不同溫度下排氣熱損失隨過量空氣系數的變化

強化空氣和磷混合燃燒反應的技術措施有：1）采用合理的一次空氣的壓力及優化噴磷槍的結構，使液態磷霧化成合理的形狀和更細的粒度，進而加快磷的蒸發混合過程；2）控制爐膛負壓和調節吸風管的流通面積，使二次空氣的流量和空氣過剩系數在合理的范圍；3）在噴磷槍內增加二次風旋流片，加強二次空氣和霧化磷的混合，可以使磷在較短的時間內和較小的空間內燃燒反應完全；4）合理布置噴磷槍的數量和位置，使反應氣流相互對沖混合或形成旋轉氣流，強化混合和延長氣體在塔內的反應時間。

4.3 降低冷卻水帶走的熱損失Q5

由于高溫反應氣體對金屬材料有很強的腐蝕性，必須保證凡是與反應氣體相接觸的金屬面都要進行冷卻，由于結構上的困難，現有的燃磷塔上、下封頭和噴磷槍附近仍需要冷卻水進行冷卻，這部分的面積占總內腔面積的20%～30%，冷卻水帶走的熱損失占15%左右，冷卻水需要通過板式換熱器冷卻后再循環使用。因此，降低這部分熱損失應從結構創新上考慮，如圖8所示，對于塔體尺寸較大的燃磷塔，下封頭可采用強制流動的盤管結構，將給水加熱接近飽和溫度再進入汽包；如圖9所示，上封頭也可采用傘型蒸發管來增加蒸發受熱面以減少熱損失。

圖8 下封頭盤管示意圖 圖9 上封頭傘型蒸發管示意圖

5 計算實例

對如圖6所示的具有輻射對流換熱面的特種燃磷塔進行分析計算。熱法磷酸燃磷塔熱平衡及熱效率計算如表1、表2所示。由表2可見，對燃磷塔進行結構改造后，輸入的能量不變，熱能利用效率由原來的53.68%提高到66.51%，提高了12.83%，節能效果顯著，提高了經濟效益和產品的市場競爭力。

表1 計算原始參數

表2 不同結構燃磷塔的計算結果

6 結論

1）對特種燃磷塔進行燃燒反應計算，得到了反應產物的焓值和燃燒溫度計算式，為燃磷塔的塔內傳熱計算和結構優化設計提供工程方法。2）利用反平衡法計算燃磷塔熱利用效率，并分析了各項熱損失產生的原因、部位和大小，提出了提高反應熱利用效率的技術途徑，進一步提出幾種實際應用具體方案。3）在現有特種燃磷塔的基礎上增加對流換熱面，能使燃磷塔出口溫度降低至500℃以下，其熱能利用率可提高至66.5%，進一步降低了生產成本，增加了經濟效益。

［1］ 劉寶慶，蔣家羚.熱法磷酸燃磷塔的節能與傳熱特性研究［J］.現代化工，2003，23（8）：38-41.

［2］ 郭印誠，徐進明，宋耀祖，等.熱法磷酸塔內流動與燃燒過程的數值模擬［J］.高校化學工程學報，2001，15（4）：357-362.

［3］ 吳味隆.鍋爐及鍋爐房設備［M］.4版.北京：中國建筑工業出版社，2006：60-79.

［4］ 王政偉，管泓瑞，官文洪，等.熱管蒸汽發生器在熱法磷酸余熱回收中的應用［J］.無機鹽工業，2011，43（10）：62-64.

［5］ 王政偉，宋耀祖，蔣家羚，等.具有輻射對流換熱面的熱法磷酸余熱利用裝置：中國，201310386514.0［P］.2013-08-30.

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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

王政偉（1961— ），男，碩士，教授，主要從事熱能利用和節能技術的研究，發表過文章25篇。

李園園