關于磷復肥生產中部分設備選型及改造問題的探討

孫先慧(云南三環中化化肥有限公司, 650113)

關于磷復肥生產中部分設備選型及改造問題的探討

孫先慧(云南三環中化化肥有限公司, 650113)

對磷復肥生產過程中硫酸裝置除氧器除氧后的蒸汽夾雜著部分氣體對空排放、磷酸濃縮冷凝水閃蒸后的蒸汽直接對空排放問題進行分析研究，提出了回收利用方案，對換熱設備選型計算并嘗試性使用，并在大型磷復肥裝置上實現了應用。

磷復肥生產；除氧器乏汽；濃縮冷凝水閃蒸汽；回收；換熱器；應用

1 硫酸裝置除氧器乏汽回收

1.1 背景技術

云南三環中化化肥有限公司的兩套80萬噸硫磺制酸裝置，均配套設置了余熱鍋爐，其額定蒸發量為每臺123t/h，2臺余熱鍋爐共用一臺除氧器。2014年，公司I期硫酸裝置技改新增低溫位熱能回收裝置(HRS裝置)，利用SO3吸收過程中釋放出的熱量副產1.0MPa蒸汽，供磷酸濃縮使用，其額定蒸發量為45t/h。2套硫酸裝置及HRS裝置共配套了兩臺除氧器，通過蒸汽熱力除氧，使進入鍋爐的給水中氧含量達到要求，除氧后的蒸汽夾雜著部分氣體放空，造成熱量損失和噪聲，影響周邊環境，同時減少了冷凝水回用量，據估計兩臺除氧器每小時放空蒸汽約3t左右，給公司造成一定經濟損失。

1.2 改造方案

乏汽回收方式為除氧器的排汽進入相串聯的兩臺蒸汽節能器中(新增下述2臺設備)，蒸汽余壓克服節能器的換熱阻力，將除氧器乏汽冷凝成水，循環水被加熱，經節能器分離的氧氣和不凝性氣體通過排氣口自動排出系統，冷凝水在液位控制器的作用下,經高位差排入脫鹽水中間補給水箱。

1.3 設備選型

通過增加1臺帶翅片列管冷卻器和1臺列管冷凝器串聯，來實現除氧器乏汽回收的目的。設備選型計算如下：

(1)除氧器排汽流量為5t/h

(2)冷凝水焓值(94℃)為397.5kJ/kg

(3)蒸汽焓值(0.05MPa)為2697kJ/kg

(4)蒸汽總放出熱量為

5×(2697-397.5)×1000=11497500kJ/h

(5)蒸汽總放出熱量為11497500/3600=3193.75kW

(6) 需要冷卻水量(10℃溫差)為

1149700/4.2/10/1000=273.75t

(7) 取傳熱系數K為1000W/(m2·℃)

(8)對數平均溫差Δtm為(74-64)/LN(74/64)=68.9 其中蒸汽為94℃，冷氣水為20℃，溫差10℃

(9)換熱面積為3193.75×1000/1000/68.9=46.4m2

設備相關性能參數見表1。

(1)列管式光管節能冷凝器

表1

(2)列管式帶翅片節能冷卻器

表2

1.4 改造效果

充分考慮不凝性氣體對傳熱的影響，選用列管式光管蒸汽節能器與列管式帶翅片蒸汽節能器串聯設計(如圖1)，與相關乏汽回收裝置比較，設備設計、選型合理，乏汽回收較完全，在回收乏汽的同時，有效地將排汽中的不凝性氣體排出，減輕原有裝置的負擔，進一步提高回收率。可減少硫酸裝置脫鹽水站原水加熱蒸汽消耗約3t/h，增加蒸汽凝水的回收率約3t/h，提高脫鹽水站超濾裝置及反滲透裝置的生產回收率，通過乏汽回收方案的實施，可消除除氧器除氧后的乏汽排放對周邊環境的噪聲影響，同時起到了很好的節能效益。

圖1

2 磷酸濃縮冷凝水閃蒸汽回收

2.1 磷酸裝置濃縮系統冷凝水生產現狀

云南三環中化化肥有限公司磷酸裝置濃縮系統配置為4套，每套產能為15萬噸P2O5/年，是目前國內最大的磷酸濃縮系統，其采用強制循環真空濃縮工藝，壓力為2kg/cm2的飽和蒸汽進入石墨換熱器換熱形成冷凝水進入冷凝水收集槽閃蒸，閃蒸后的冷凝水用泵送鍋爐回用，閃蒸出來的蒸汽直接放空，造成熱量損失，影響周邊環境，減少了冷凝水回用量，據估計每小時閃蒸損失的冷凝水總量在7t左右，給公司造成一定經濟損失。

2.2 改造內容

云南三環中化化肥有限公司磷酸裝置濃縮冷凝水回收在實施過程中對設備選型分別進行了不同摸索和嘗試，即選用列管換熱器和夾套管換熱器都進行來了驗證，以求最佳的設備選型和回收效果，下面就兩種設備選型和回收方案進行論證。

2.2.1 單套磷酸濃縮系統各新增一臺列管式換熱器改造方案

(1)改造流程簡述

四套磷酸濃縮系統各新增一臺不銹鋼列管式換熱器，換熱器分別加在凝水輸送泵與冷凝水中轉槽之間。清凈冷凝水通過冷凝水輸送泵送至新增的換熱器，走殼程；稀磷酸(含24% P2O5)通過稀酸泵送至新增的換熱器，走管程；冷凝水與稀磷酸在換熱器中逆流傳熱，預熱后的稀磷酸直接去閃蒸室閃急蒸發濃縮，冷卻后的冷凝水自流至冷凝水中轉槽。

每臺換熱器均設置旁路，稀磷酸進出換熱器的管道上各安裝一個隔膜壓力表，當兩個隔膜壓力表的壓差達到一定值時，關閉旁路閥，清理換熱器，磷酸濃縮系統仍可正常生產。從稀硫酸清洗管上接一支管至換熱器的稀磷酸進酸管道上，以便清洗換熱器。

在換熱器的冷凝水進口管和出口管上各安裝一個溫度計，可觀察冷凝水進出口溫度。

(2)換熱器選型說明

①原始參數

稀磷酸流量：60～85m3/h，平均70m3/h，稀磷酸濃度為24%P2O5，密度為1300kg/m3；

稀磷酸溫度：45～55℃，平均50℃；

冷凝水流量：40～60m3/h，平均45m3/h，密度為958kg/m3；

冷凝水溫度：110～120℃，平均113℃；

單臺稀酸泵揚程為78m，流量為164m3/h，變頻泵；

單臺冷凝水泵揚程為50m，流量為60m3/h。

②設計要求

冷凝水出口溫度：≤90℃；

磷酸流速：≥1.5m/s(減少磷酸的結垢和結晶，延長清理周期)；

換熱器設計為立式；

換熱器管程不超過4程；

換熱器管程采用316L，殼程采用304。

③計算

根據實際情況，稀磷酸流量按60m3/h，冷凝水流量按60m3/h進行設計。

表3 設計參數及計算結果

根據表3計算結果，分別以DN32、DN25、DN20及DN15四種規格的換熱管進行換熱器計算，結果如表4所示。

由表4可知，采用規格為φ25×2、長為7m的換熱管，當稀磷酸流量為60m3/h時，管內流速為1.55m/s；當稀磷酸流量為70m3/h時，管內流速為1.81m/s；當稀磷酸流量為85m3/h時，管內流速為2.20m/s，管內流速較高，能有效減緩結垢。因此選用該規格為φ25×2、長為7m的換熱管。

在選型過程中分別對單套磷酸濃縮系統各新增一臺列管式換熱器改造方案(單系列)和兩套磷酸濃縮系統新增一臺列管式換熱器改造方案(雙系列)進行了優缺點的對比分析，綜合比較兩個改造方案的優缺點，單套磷酸濃縮系統各新增一臺列管式換熱器改造方案工藝更可靠、系統更穩定、更容易控制，最終采用該方案。

2.2.2 單套磷酸濃縮系統各新增一臺夾套管式換熱器改造方案

(1)改造流程簡述

表4 換熱器計算

在稀磷酸輸送至濃縮系統的管道上增加不銹鋼管夾套管式換熱器，濃縮裝置產生的冷凝液經收集泵輸出后經過夾套管式換熱器殼程，與來自稀磷酸澄清槽的稀磷酸在此進行間接逆流換熱；加熱后的稀磷酸進入到濃縮系統中進行濃縮。

(2)夾套管式換熱器選型說明

①原始參數

稀磷酸流量： 單臺70～90m3/h，平均80m3/h，雙臺：160 m3/h；稀磷酸濃度為24% P2O5，密度為1300kg/m3；

稀磷酸溫度：60～67℃，取65℃；

冷凝水流量：單套40～60m3/h，平均50m3/h，雙套100m 3/h；密度為958kg/m3；

冷凝水溫度：100～120℃，平均110℃；

考慮在昆明大氣壓下水沸點93℃左右，冷凝水降溫后溫度取93℃。

②計算

表5

③管道選型

若選用Φ108mm管道，分四段安裝(上下二層，兩排串聯)，則，按20.6m2來計算，則需Φ108管道總長60.7m，若每段2根并排,則單根管道長大約7.6米；

稀酸的雷諾系數Re=d(管道內徑×v(流速)×密度/流體黏度 ；若以結垢速率：0.044cm/天算，運行45天后沒根管道還剩68mm通徑，2根為136mm，稀酸可基本通過。

2.3 改造效果

上述兩種不同類型的換熱器在改造過程中都進行了嘗試驗證(如下圖2)，其結果差異性較大，單套磷酸濃縮系統各新增一臺列管式換熱器改造方案換熱效果明顯優于單套磷酸濃縮系統各新增一臺夾套管式換熱器改造方案，換熱列管因結垢需要清理，在一個濃縮系統生產周期內需要清理2次以保證正常生產運行，夾套管式換熱器改造方案管程隨結垢的不斷增加，傳熱效果急劇下降，明顯不能起到完全回收熱量的作用。因此選用列管式換熱器改造方案。

圖2

3 結論

云南三環中化化肥有限公司通過實施硫酸除氧器乏汽、磷酸濃縮冷凝水閃蒸汽回收改造，在生產裝置中實現了應用，使對空排放的閃蒸汽得以回收利用，避免造成很大的熱能損失，影響周邊環境，結合當前經濟、市場形勢，煤炭價格上漲，能源緊張的形勢，能源的充分利用顯得更加重要，同時還能為公司帶來較好的經濟效益。

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