磷復肥生產中部分設備選型及改造問題探究

楊磊（云南三環中化化肥有限公司，云南昆明650114）

1 硫酸裝置蒸汽回收利用

1.1 背景概述

在硫磺制酸裝置中，配套采用了余熱鍋爐，這種裝置額定的蒸發量是每臺每小時120噸，這兩臺余熱鍋爐共用一套除氧裝置。在技改過程中，硫酸裝置有兩臺除氧裝置，蒸汽除氧已達到鍋爐供水氧氣目標要求。除氧之后將直接排放到空氣中，這會造成極大的熱量損失和噪聲影響，同時也減少了冷凝水循環利用量。兩臺除氧器在每小時向空氣中釋放的蒸汽約為3噸，熱量損失較為明顯。

1.2 改造的方案

蒸汽回收利用的方式是在除氧氣進入排氣程序后，串聯兩臺蒸汽節能器，利用蒸汽的排放來克服節能器的換氣阻力，循環水在經過自身加熱利用之后，其余的氣體通過排氣口直接排入空氣中，這其中很多蒸汽具有較高的熱量，并且冷凝水也無法循環利用，帶來了較多的能量損失。

這種改造方式充分考慮到氣體的不凝結性對于傳熱所造成的影響，可以選用列管式蒸汽節能器進行串聯設計，這種設計方法與普通蒸汽回收裝置相比較，設備設計更為合理，并且蒸汽回收比較完全，在回收蒸汽的同時能夠有效加氣體中的不凝結性氣體排出，極大的減輕裝置負擔。同時能夠進一步提升蒸汽的回收利用效率，這種裝置可以減少在硫酸設備過程中脫鹽水加熱消耗的蒸汽約3噸/小時，蒸汽的回收效率增加3噸/小時，提高反滲透裝置的生產利用回收效率。通過蒸汽回收效率的提高，能夠有效消除蒸汽出廠后對于周邊環境所造成的破壞性影響，減少對周邊環境的噪聲，還能夠起到較好的節能效果。

2 磷酸濃縮裝置中蒸汽的回收

2.1 蒸汽排放的性能

在某工廠磷復合肥磷酸裝置系統中，磷酸裝置有4 套，每一套的產能是20萬噸，濃縮采用的方式是強制循環，所產生的壓力是2kg/cm2。這種蒸汽屬于飽和蒸汽，當飽和蒸汽進入到石墨換熱器之后會轉換成冷凝水的形式，然后轉入冷凝水的收集器進行閃蒸，冷凝水在經過閃蒸之后，利用水泵直接輸送回鍋爐進行循環利用。其余蒸汽將直接排放到空氣中，這樣會帶走蒸汽中的熱量，造成一定的熱量損失，同時還有一些其他雜質氣體，影響了周邊的生態環境。閃蒸使得這4套裝置每小時因為蒸汽排放而損失的冷凝水在7噸左右，如果能夠得到循環的利用，將會得到較大的經濟價值。

2.2 蒸汽回收系統改造的內容

磷復肥生產系統對于磷酸濃縮冷凝水裝置進行回收過程中，采用了多種改造模式，主要是通過改變列管換熱器以及夾套管換熱器進行不同的驗證方法，主要目的是能夠得到最為有效的回收效果，同時確定最佳的設備選型，下面根據實踐經驗探討磷復肥蒸汽回收系統以及相應的設備選型，希望給相關工程技術人員以借鑒和參考。

2.2.1 單套濃縮系統增加一臺列管換熱器

下面對這種磷酸濃縮系統改造流程進行闡述：工程中所有的四套濃縮系統各增加一臺材質為不銹鋼的列管換熱器，換熱器應該加在輸水泵以及冷凝水之間。冷凝水經過凈化處理后，通過輸送泵直接運送到新的轉換器，稀磷酸可以通過稀酸泵直接運輸到新的轉換器，冷凝水與稀磷酸之間進行逆流方向的傳熱。這種變化發生在換熱器中，對于稀硫酸直接進行預熱，然后進入閃蒸時，直接進行蒸發濃縮。冷凝水在經過冷卻之后，將通過自流的形式到達冷凝水的中轉槽。

中轉過后需要將換熱器進行徹底清理。此時磷酸的濃縮系統仍可以正常生產運行。稀硫酸清洗管直接連接換熱器，稀硫酸接入管道主要目的是方便對換熱器進行清理。換熱器的冷凝水進口管以及出口管各安裝溫度顯示器，方便工程技術人員對冷凝水進出口時的溫度進行觀察。

第二是關于換熱器的選型。基礎參數主要有以下內容：稀硫酸的流量是60～80m3/h，平均速度達到70m3/h，稀硫酸的濃度為24%，密度為1300kg/m3；稀磷酸的溫度達到平均為50℃；冷凝水的流量平均為45m3/h，密度為960kg/m3,冷凝水的溫度平均為120℃；水泵的揚程一般為78m，流量為170m3/h；采用變頻泵的形式水泵揚程為50m，流量為70m3/h。

對于系統的設計要求，一般冷凝水出口的溫度要小于90℃；磷酸的流速要大于1.5m/s，換熱器管層不能超過4 層；如果換熱器管程采用320L；那么殼程一般采用304L；根據現場的實際情況，稀磷酸的流量按60m3/h 計算，冷凝水流量按60m3/h進行計算；如果采用規格為50mm管徑，長度為7m的換熱管，稀磷酸的容量為60m3，管內液體的流動速度是1.5m/s；如果稀磷酸的流量是70m3/h，管內液體的流速是1.8m/s。管內液體流動速度比較快，那么能夠有效減緩結垢的速率。在進行設備選型的過程中對于單套的磷酸濃縮系統增設列管式換熱器和兩套磷酸系統新增一臺列管式換熱器進行了對比分析，綜合改造方案優缺點，根據工程經驗可以看出，單套濃縮系統增加一臺列管式換熱器的方案更為可靠有效，并且對蒸汽的回收利用更加方便，因此推薦選用這種蒸汽回收的形式。

2.2.2 單套磷酸濃縮系統新增夾套管式換熱器方案

稀磷酸到達濃縮系統中間有連接管道，可以在連接管道上增加材質為不銹鋼的夾套管式換熱器，磷酸濃縮系統在物理反應之后所產生的冷凝液，在經過收集泵進行集中收集之后，再經過夾套管式換熱器，最終和稀磷酸在換熱器內部進行逆流換熱。經過加熱之后的稀磷酸直接進入到濃縮系統中進行濃縮。

下面闡述夾套管式換熱器設備的主要選型說明：

首先是查看原始參數。這種換熱器它的稀磷酸流量每一臺是70～95m3/h，平均是80m3/h；兩臺一般為160m3/h；稀磷酸的濃度為25%，密度一般為1200kg/m3；稀磷酸的溫度一般為60～70℃，平均取65℃；單臺冷凝水的流量一般為40～60m3/h，平均達到50m3/h；兩套一般為100m3/h,密度為1000kg/m3；冷凝水的溫度一般為100～120℃，平均溫度是110℃；選擇沸點可以根據建設所在地的大氣壓下沸點要求設置為合理的度數。

對于管道選型，一般采用108mm 的管道，可以分4 個片段進行安裝，分為上下兩層，然后兩排串聯的形式。稀磷酸的雷諾系數等于管道的內徑乘以流速再乘以密度比上流體的粘度。管道雷諾系數大于4000，流體設定為湍流結構。結垢速率可以設定為0.4mm/day，則運行一個月之后，管道還剩68mm，兩根為136mm，在這種情況下，磷酸基本上可以通過。

在改造過程中，對于單套和雙套換熱器類型都進行了嘗試，其中單套磷酸濃縮系統增加一臺列管式換熱器。按照方案效果，濃縮系統增加夾套管式換熱器方案更為有效，換熱管因為結垢，需要內部進行清理，在濃縮系統生產周期過程中，一般要清理兩次才能夠保證系統的正常運行。但是在實驗過程中，夾套管式換熱器，它的結垢厚度隨著反應時間的增加而不斷變大，因此導致它的傳熱效果大幅度下降，到后期已完全無法起到回收蒸汽熱量的作用。經過實踐的檢驗，最終采用列管式換熱器進行磷復合肥蒸汽回收利用。

3 結語

文章主要根據某公司案例，對于硫酸除氧的蒸汽以及磷酸在濃縮過程中的蒸汽回收利用進行了探討，使得向空中排放的閃蒸汽能夠得到循環回收和利用，減少了熱能的損失，同時也能夠實現對周圍環境的最小影響，能夠有效緩解目前能源緊張的局面，同時還能夠給企業帶來一定的經濟效益。