專利名稱:黃磷燃燒熱能回收與利用裝置及其熱法磷酸生產(chǎn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱能的回收與利用技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及熱法磷酸生產(chǎn)中黃磷燃燒熱能的回收與利用技術(shù)領(lǐng)域：
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有關(guān)熱法磷酸生產(chǎn)中，黃磷燃燒熱能的回收裝置及余熱回收與利用的技術(shù)，已在日本、美國、德國開展了這方面的研究工作。
下面分別予以說明一、本發(fā)明專利發(fā)表予1979年7月(專利號昭54-84890)。該專利公開的黃磷燃燒熱能的回收裝置及余熱回收與利用的方法主要包括(1)利用干燥空氣中的氧氣燃燒黃磷，同時采取措施，使燃燒生成的氣體快速冷卻，并將與燃燒氣體相接觸的燃燒塔內(nèi)表面的溫度控制在五氧化二磷的固態(tài)凝固溫度之上，以便防止腐蝕性極強(qiáng)的磷酸聚合物的生成。從而避免燃燒產(chǎn)物對燃燒塔內(nèi)金屬材質(zhì)的腐蝕。
(2)燃燒塔壁面采用鍋爐水管制成水冷壁面。與燃燒產(chǎn)物相接觸的內(nèi)表面不覆蓋有炭或其它耐火材料。水管內(nèi)的冷卻水吸收黃磷燃燒產(chǎn)生的熱能，被鍋爐汽包回收并產(chǎn)生蒸汽。
(3)燃燒塔制成一完全密封的結(jié)構(gòu)，以防止?jié)窨諝獾臐B入而生成對金屬材質(zhì)有強(qiáng)烈腐蝕作用的磷酸聚合物。
(4)在燃燒塔的出口處采用了對流管束換熱器，以便進(jìn)一步提高余熱的回收效率。
該專利技術(shù)的主要不足之處在于，若水冷壁的溫度在五氧化二磷的固化溫度之下，五氧化二磷將固化并附著于壁面之上，影響水冷壁的傳熱并減小了燃燒氣體的通道面積(特別是在出口處的對流管束換熱器附近)。而且在停爐時，附著在燃燒塔內(nèi)的五氧化二磷與漏進(jìn)燃燒塔內(nèi)的水份會起反應(yīng)生成腐蝕性極強(qiáng)的磷酸聚合物，從而腐蝕燃燒塔內(nèi)的金屬材質(zhì)。同時，干燥空氣中和液態(tài)黃磷中也會或多或少地帶有少量水蒸汽。這些水份也會在燃燒塔內(nèi)與P2O5發(fā)生反應(yīng)，生成磷酸聚合物，從而產(chǎn)生腐蝕作用，影響材質(zhì)壽命。專利中僅說到無需涂層保護(hù)，但未提及材質(zhì)試驗結(jié)果。如何獲得干燥空氣在專利中也未提及。顯然，制取干燥空氣將增加熱法磷酸生產(chǎn)的成本。此外，從專利提及的燃燒塔出口溫度為1200℃來看，其熱能回收率將小于40％。而且該專利技術(shù)中也未涉及到回收熱量的用途。
二、美國的發(fā)明專利發(fā)表予1982年1月，(專利號US patent 4,309,394)。該專利公開的黃磷燃燒熱能的回收裝置及余熱回收與利用的方法主要包括(1)在工藝流程中，將燃燒和水化放在一個U形爐膛的兩端進(jìn)行。采用U形爐膛的目的，主要是在同一設(shè)備中可同時生產(chǎn)過磷酸及正磷酸。
(2)在燃燒塔和水化塔的通道內(nèi)設(shè)置一個換熱器。換熱器內(nèi)使用35個大氣壓的增壓水，一方面用來冷凝從燃燒塔中流出的高溫五氧化二磷蒸汽使其低于過磷酸的露點，從而獲得過磷酸。另一方面增壓水還可以回收高溫五氧化二磷蒸汽的熱量，供其它用途(專利技術(shù)中未說明具體用途)。
(3)在工藝流程中，嚴(yán)格控制空氣中的含濕量可以有效地防止高溫磷蒸汽及其聚合物對設(shè)備的腐蝕。這是因為在黃磷燃燒過程中含氧混合氣體帶有不同的水分含量將生成不同的磷酸聚合物。而不同的磷酸聚合物對金屬材質(zhì)的腐蝕性是不一樣的。磷酸聚合物中所含的當(dāng)量P2O5越高，腐蝕性就越低。其中超磷酸的腐蝕性最小。因此，在保證進(jìn)口空氣中有一定水分的情況下，并保證H2O∶P2O5的摩爾比處于0.6∶1--0.9∶1的條件下，就能在燃燒塔內(nèi)的金屬材質(zhì)表面上形成一層腐蝕性較小的超磷酸薄膜。從而有效地保護(hù)了金屬材質(zhì)免受高溫磷蒸汽及其聚合物的腐蝕。
該專利技術(shù)中涉及到的熱量回收主要用于將高溫的五氧化二磷蒸汽冷凝到過磷酸的露點以下，從而在生產(chǎn)正磷酸的同時也能生產(chǎn)過磷酸。因而在工藝流程中使用了35個大氣壓的增壓水來回收余熱。所回收的余熱難以獲得進(jìn)一步的應(yīng)用。并且使用35個大氣壓的增壓水來回收余熱也增加了生產(chǎn)成本。同時，利用控制工藝條件產(chǎn)生超磷酸保護(hù)膜也只能減緩生產(chǎn)過程中高溫磷蒸汽及其聚合物對金屬材質(zhì)的窩蝕，而不能從根本上防止這種腐蝕。專利中也未涉及到燃燒塔具體使用何種材質(zhì)，以便進(jìn)一步防止這種腐蝕。
三、歐洲的發(fā)明專利發(fā)表予1984年5月，(專利號European patent application0 129 533)。該專利公開的黃磷燃燒熱能的回收裝置及余熱回收與利用的方法主要包括(1)在燃燒塔內(nèi)放置一個熱交換器。熱交換裝置是燃燒塔的一部分。燃燒塔壁仍采用循環(huán)冷卻水冷卻。換熱器內(nèi)的受熱介質(zhì)為循環(huán)增壓水(水的壓力大于1.3Mpa)或加壓蒸汽(蒸汽壓力大于0.2Mpa)。它吸收黃磷燃燒熱量后被加熱成過熱水或過熱蒸汽。它不能使低溫水產(chǎn)生高壓蒸汽。
(2)黃磷燃燒仍利用普通的濕空氣。燃燒塔內(nèi)的防腐機(jī)理不是借助于干燥空氣與防腐涂層，而是與美國專利相似，借助于控制工藝條件，使空氣中帶入的水份與黃磷燃燒后的產(chǎn)物——P2O5的摩爾比在1.1-1.5之間。并維持換熱管表面溫度不高于538℃(專利范圍為204℃-454℃)。在這樣的條件下，P2O5與空氣中帶入的水份會反應(yīng)生成一層腐蝕性較小的超磷酸保護(hù)膜。它對材質(zhì)的腐蝕是可以忽略不計的。
該專利的熱能回收工藝也存在以下一些缺陷①按照專利的圖示與說明，回收余熱只能使增壓水變?yōu)檫^熱水或使蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽，而不能使低溫水變成高溫高壓蒸汽，不便于利用；②換熱器占據(jù)了燃燒空間，不僅使得設(shè)備相對龐大，而且增加設(shè)備投資；③燃燒塔壁面仍采用冷卻水冷卻，其余熱回收效率不會太高(專利中未敘及熱能回收率)；④與美國專利相似，利用控制工藝條件產(chǎn)生超磷酸保護(hù)膜也只能減緩生產(chǎn)過程中高溫磷蒸汽及其聚合物對金屬材質(zhì)的腐蝕，而不能從根本上防止這種腐蝕。為此，本專利技術(shù)中使用了昂貴的不銹鋼材料(316L)，以便進(jìn)一步防止這種腐蝕。
本發(fā)明提出的一種黃磷燃燒熱能回收與利用裝置，其特征在于，由一汽包和具有熱能回收功能的燃燒塔組成；該燃燒塔包括由多根上升管與連于各管之間的強(qiáng)化換熱翅片構(gòu)成一個具有中空腔的環(huán)形膜式換熱器；設(shè)置在該換熱器上、下端面上與該上升管相連通的環(huán)形上聯(lián)箱、下聯(lián)箱；由安裝在該上、下聯(lián)箱上、下端的上封頭、下封頭及膜式換熱器外側(cè)的保溫層組成的一封閉外殼；設(shè)置在下封頭下方固定外殼的底座支架；安裝在該上封頭且與中空腔連通的五氧化二磷氣體出口管；安裝在該外殼側(cè)面下部且與中空腔連通的噴磷槍接口管；分布在該外殼外側(cè)的兩根以上的下降管，該各下降管的一端與所說的下聯(lián)箱連通，另一端與所說的汽包相連；安裝在該上封頭且分別與中空腔與汽包連通的兩根以上的水蒸汽導(dǎo)汽管；所說的汽包還開有水蒸汽出口和補(bǔ)水口。
所說的具有熱能回收功能的燃燒塔可采用金屬材質(zhì)制成，在該燃燒塔內(nèi)的金屬表面可涂有一層能耐高溫磷蒸汽及其聚合物腐蝕的等離子體陶瓷涂層。
本發(fā)明提出一種采用上述黃磷燃燒熱能回收與利用裝置的黃磷燃燒熱能回收與利用系統(tǒng)，其特征在于，包括熔磷槽、由具有熱能回收功能的燃燒塔和汽包構(gòu)成的黃磷燃燒熱能回收與利用裝置、水化塔、帶有壓縮機(jī)的噴磷槍及連接管道；其中，所說的汽包通過熔磷槽冷卻水管道與熔磷槽相連，通過冷卻管道與該水化塔的水冷套相連，該汽包還連有外供水蒸汽管道與熔磷槽的水蒸汽管道相通；所說的熔磷槽通過噴磷槍與燃燒塔相連；該燃燒塔的五氧化二磷氣體出口與水化塔的入口通過氣體輸送管道相連。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點或積極效果(1)可回收黃磷燃燒所產(chǎn)生的余熱，并產(chǎn)生高品位的熱能——高溫高壓蒸汽。本發(fā)明在余熱利用中最突出的創(chuàng)新點是將回收的部分蒸汽通過蒸汽管道供給自身工藝流程中的熔磷槽使用。將固態(tài)單質(zhì)磷加熱熔化成液態(tài)單質(zhì)磷，從而使液態(tài)單質(zhì)磷能通過噴磷槍自動進(jìn)入磷燃燒塔自燃。這樣，去掉了原工藝中必須的專為熔磷槽提供蒸汽的專用燃煤鍋爐。另一部分蒸汽可通過蒸汽管道外供其它化工工藝中使用。既節(jié)約了能源與煤資源；還極大地減少了冷卻水用量，節(jié)約了水資源。減少了生產(chǎn)成本。在熱法磷酸生產(chǎn)過程中，具有明顯的節(jié)能、降耗、增效的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。
(2)本發(fā)明采用了燃燒塔與余熱回收裝置的整體設(shè)計方案。具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點。由于采用這一結(jié)構(gòu)形式，在燃燒塔內(nèi)設(shè)置余熱回收裝置并不占據(jù)燃燒空間，從而能最大限度地提高余熱回收效率。本發(fā)明的余熱回收效率可達(dá)60％以上。另一方面還節(jié)約了設(shè)備投資。所設(shè)計的具有余熱回收裝置的燃燒塔具備兩個功能其一，能滿足黃磷燃燒生成五氧化二磷的生產(chǎn)工藝要求，相當(dāng)于化工設(shè)備中的一個燃燒塔；其二，能滿足余熱回收的要求，相當(dāng)于熱工設(shè)備中的余熱鍋爐。從而實現(xiàn)了熱法磷酸在黃磷燃燒時熱能的回收，并產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。在本實施例中通常的水蒸汽壓力為0.5～1MPa，水蒸汽流量在1.4t/h以上。
(3)本發(fā)明提出了采用等離子體噴涂防腐技術(shù)。它以高溫、高速的等離子射流來加熱加速陶瓷材料，使其在金屬表面表形成一層耐腐蝕的等離子體陶瓷涂層，從而將磷腐蝕介質(zhì)與燃燒塔金屬壁面隔開，避免高溫腐蝕作用。這樣，就可以允許換熱器的壁面溫度達(dá)到200~500℃，熱交換器內(nèi)的水(進(jìn)口水溫低于60℃)吸收磷燃燒的熱量可產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，余熱回收效率可高達(dá)60％以上。由于回收余熱的品位較高，為余熱回收并產(chǎn)生高溫高壓水蒸汽提供了必要的條件與技術(shù)保障。
(4)由于本發(fā)明采用了等離子噴涂防腐技術(shù)，因此在黃磷燃燒的工藝過程中可以使用普通空氣。并且不必控制進(jìn)口空氣中的濕度，工藝中也不再需要干燥空氣及其相應(yīng)的干燥設(shè)備，此外燃燒塔和換熱器的材質(zhì)可使用普通鍋爐鋼，降低了設(shè)備投資及生產(chǎn)成本。
(5)在現(xiàn)有的熱法磷酸生產(chǎn)技術(shù)中，由于黃磷燃燒的熱量沒有得到有效的回收與利用，因此相當(dāng)一部分的熱量散失在周圍環(huán)境中，造成對環(huán)境的熱污染。利用本發(fā)明提出的黃磷燃燒熱能回收與利用技術(shù)，可以減少對環(huán)境的熱污染，具有一定的社會效益。



圖1為本發(fā)明燃燒塔與余熱回收裝置實施例整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2圖1中的A-A局部剖面圖。
圖3為采用本實施例的黃磷燃燒熱能回收與利用系統(tǒng)及工藝流程示意圖。
其工作原理為液態(tài)的單質(zhì)磷與助燃的空氣在壓縮空氣的作用下，經(jīng)噴磷槍接口管582自動進(jìn)入燃燒塔5內(nèi)自燃。在生成五氧化二磷的同時釋放出大量的熱能。這些熱能通過輻射換熱的形式被設(shè)置于燃燒塔壁面的一系列上升管53內(nèi)的水所吸收。上升管內(nèi)的水因吸收熱量而汽化，形成汽水混合的兩相流體。它的密度要比位于同一水平面的下降管583內(nèi)的水密度小。因而，在下降管583和上升管53之間存在的密度差產(chǎn)生了一個使水自然循環(huán)的驅(qū)動力。它驅(qū)動水在汽包2-下降管583-下聯(lián)箱51-上升管53-上聯(lián)箱52-導(dǎo)汽管584-汽包2之間進(jìn)行自然水循環(huán)。這樣，上升管53內(nèi)由于水受熱汽化所產(chǎn)生的水蒸汽經(jīng)上聯(lián)箱52、導(dǎo)汽管584進(jìn)入汽包2，在汽包2內(nèi)經(jīng)汽水分離后產(chǎn)生蒸汽從蒸汽出口21輸出。在水蒸汽輸出過程中，為了確保上升管53內(nèi)有充分的水，從補(bǔ)水口22中給上升管53補(bǔ)充低溫水。從而實現(xiàn)了熱法磷酸在黃磷燃燒時熱能的回收，并產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。通常的蒸汽壓力為0.5～1M Pa，蒸汽流量在1.4t/h以上。
本實施例的具有熱能回收功能的燃燒塔采用金屬材質(zhì)制成，為了有效地防止高溫磷蒸汽及其聚合物對燃燒塔內(nèi)金屬材質(zhì)的腐蝕，在燃燒塔內(nèi)的金屬表面涂有一層能耐高溫磷蒸汽及其聚合物腐蝕的等離子體陶瓷涂層。它是以高溫、高速的等離子射流來加熱，加速該陶瓷材料，使其在金屬表面表形成一層耐腐蝕的等離子體陶瓷涂層。從而將磷腐蝕介質(zhì)與燃燒塔金屬壁面隔開，避免高溫腐蝕作用。這樣，就可以允許換熱器的壁面溫度達(dá)到200～500℃，為余熱回收并產(chǎn)生高溫高壓蒸汽提供了必要的條件與技術(shù)保障。本實施例中的涂層材料可采用Al2O3，ZrO2，Cr2O3的陶瓷材料。
采用上述裝置的黃磷燃燒熱能回收與利用裝置的熱法磷酸生產(chǎn)系統(tǒng)實施例總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括熔磷槽1、黃磷燃燒熱能回收與利用裝置(由具有熱能回收功能的燃燒塔5、汽包2構(gòu)成)、水化塔6，以及連接管道；所說的汽包2的補(bǔ)水口22與熔磷槽1的冷卻水管道12和水化塔6的冷卻管道61相連；所說的汽包2的蒸汽出口21與熔磷槽1的蒸汽管道11連通；水化塔6的冷卻管道61和循環(huán)水進(jìn)口管66與該水化塔的水冷套62相連；所說的熔磷槽通過帶有壓縮機(jī)4的噴磷槍3與燃燒塔5的接口管582相連；該燃燒塔的五氧化二磷氣體出口581與水化塔的入口通過氣體輸送管道64相連。
本系統(tǒng)實施例的熱法磷酸生產(chǎn)工藝方法包括以下步驟第一步，固態(tài)的單質(zhì)磷在熔磷槽1中被高溫水蒸汽溶化成液態(tài)的單質(zhì)磷，在壓縮機(jī)4的作用下，液態(tài)單質(zhì)磷經(jīng)噴磷槍3自動進(jìn)入燃燒塔5；第二步，液態(tài)單質(zhì)磷在燃燒塔5中自燃生成五氧化二磷，并釋放大量的熱能。這些熱能被燃燒塔內(nèi)部的換熱器所吸收，并產(chǎn)生大量的高溫，高壓蒸汽；這些高溫，高壓的蒸汽不僅通過蒸汽管道11供本工藝中的熔磷槽1使用，以便將固態(tài)黃磷加熱熔化為液態(tài)黃磷；而且還可通過蒸汽管道111外供其它化工工藝中使用；第三步，生成的五氧化二磷經(jīng)氣體輸送管道64從燃燒塔的出口581輸出進(jìn)入水化塔6。被水化塔6中的水吸收生成高濃度的磷酸，然后從水化塔的出口65輸出。
上述方法在余熱利用中最突出的創(chuàng)新點是將回收的部分蒸汽通過蒸汽管道11供給自身工藝流程中的熔磷槽1使用。將固態(tài)單質(zhì)磷加熱熔化成液態(tài)單質(zhì)磷，從而使液態(tài)單質(zhì)磷能通過噴磷槍自動進(jìn)入磷燃燒塔自燃。這樣，去掉了原工藝中必須的專為熔磷槽1提供蒸汽的專用燃煤鍋爐。另一部分蒸汽可通過蒸汽管道111外供其它化工工藝中使用。既節(jié)約了能源與煤資源，還極大地減少了冷卻水用量，節(jié)約了水資源。減少了生產(chǎn)成本。在熱法磷酸生產(chǎn)過程中，具有明顯的節(jié)能、降耗、增效的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。
本實施例的燃燒塔高6米，直徑2米，換熱面積約38m2，采用自然水循環(huán)的產(chǎn)汽方式，換熱器采用帶翅片的膜式結(jié)構(gòu)，表面熱流為27.86kw/m2。出口溫度約700℃左右。在每小時240kg燃磷量的生產(chǎn)條件下，進(jìn)行了連續(xù)72小時的生產(chǎn)性運行試驗。試驗表明，利用本實施例所提供的黃磷燃燒的熱能回收與利用技術(shù)，已完全可以從黃磷燃燒過程中回收熱能，并在熱法磷酸自身的生產(chǎn)工藝流程中獲得應(yīng)用。產(chǎn)生水蒸汽的壓力最高達(dá)0.8MPa。每燃燒一噸黃磷能產(chǎn)生壓力為0.5MPa的水蒸汽5.96噸，熱能回收與利用效率達(dá)到η＝65.2％，并節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤560kg與冷卻水400噸。每生產(chǎn)一噸濃度為85％的磷酸可降低生產(chǎn)成本97.37元(按現(xiàn)有價格計算)。在整個試驗過程中，設(shè)備狀況良好，運行穩(wěn)定，無腐蝕，無泄漏，無爆管等現(xiàn)象發(fā)生。
權(quán)利要求
1.一種黃磷燃燒熱能回收與利用裝置，其特征在于，由一汽包和具有熱能回收功能的燃燒塔組成；該燃燒塔包括由多根上升管與連于各管之間的強(qiáng)化換熱翅片構(gòu)成一個具有中空腔的環(huán)形膜式換熱器；設(shè)置在該換熱器上、下端面上與該上升管相連通的環(huán)形上聯(lián)箱、下聯(lián)箱；由安裝在該上、下聯(lián)箱上、下端的上封頭、下封頭及膜式換熱器外側(cè)的保溫層組成的一封閉外殼；設(shè)置在下封頭下方固定外殼的底座支架；安裝在該上封頭且與中空腔連通的五氧化二磷氣體出口管；安裝在該外殼側(cè)面下部且與中空腔連通的噴磷槍接口管；分布在該外殼外側(cè)的兩根以上的下降管，該各下降管的一端與所說的下聯(lián)箱連通，另一端與所說的汽包相連；安裝在該上封頭且分別與中空腔與汽包連通的兩根以上的水蒸汽導(dǎo)汽管；所說的汽包還開有水蒸汽出口和補(bǔ)水口。
2.如權(quán)利要求
1所述的黃磷燃燒熱能回收與利用裝置，其特征在于，所說的具有熱能回收功能的燃燒塔采用金屬材質(zhì)制成，在該燃燒塔內(nèi)的金屬表面涂有一層能耐高溫磷蒸汽及其聚合物腐蝕的等離子體陶瓷涂層。
3.一種采用如權(quán)利要求
1所述黃磷燃燒熱能回收與利用裝置的黃磷燃燒熱能回收與利用系統(tǒng)，其特征在于，包括熔磷槽、由具有熱能回收功能的燃燒塔和汽包構(gòu)成的黃磷燃燒熱能回收與利用裝置、水化塔、帶有壓縮機(jī)的噴磷槍及連接管道；其中，所說的汽包通過熔磷槽冷卻水管道與熔磷槽相連，通過冷卻管道與該水化塔的水冷套相連，該汽包還連有外供水蒸汽管道與熔磷槽的水蒸汽管道相通；所說的熔磷槽通過噴磷槍與燃燒塔相連；該燃燒塔的五氧化二磷氣體出口與水化塔的入口通過氣體輸送管道相連。
專利摘要
本發(fā)明屬于熱能的回收與利用技術(shù)領(lǐng)域：
，為一種黃磷燃燒熱能回收與利用裝置及其熱法磷酸生產(chǎn)系統(tǒng)，由一汽包和具有熱能回收功能的燃燒塔組成；該燃燒塔包括由多根上升管與連于各管之間的強(qiáng)化換熱翅片構(gòu)成一個具有中空腔的環(huán)形膜式換熱器；上聯(lián)箱、下聯(lián)箱；由上封頭、下封頭及膜式換熱器外側(cè)的保溫層組成的一封閉外殼；與中空腔連通的五氧化二磷氣體出口管及噴磷槍接口管；兩根以上的下降管，兩根以上的水蒸汽導(dǎo)汽管；具有節(jié)約煤資源與水資源，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效率明顯的特點，而且由于減少了對環(huán)境的熱污染，還具有良好的社會效益。在熱法磷酸的工業(yè)化生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號C01B25/12GKCN1131171SQ01143443
公開日2003年12月17日 申請日期2001年12月28日
發(fā)明者宋耀祖, 梅毅, 張冠忠, 楊亞斌 申請人:清華大學(xué), 云南省化工研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan