(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106369570 A(43)申请公布日 2017.02.01
(21)申请号 201610742529.X(22)申请日 2016.08.26
(71)申请人 武汉东晟捷能科技有限公司
地址 430072 湖北省武汉市洪山区南湖大
道53号洪山创业中心南湖创业园3026室(72)发明人 杜强
(74)专利代理机构 武汉智权专利代理事务所
(特殊普通合伙) 42225
代理人 廖程诚(51)Int.Cl.
F22B 1/18(2006.01)F22G 1/00(2006.01)C01B 25/20(2006.01)
(54)发明名称
提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统和方法(57)摘要
本发明公开了一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统和方法，涉及热法磷酸生产领域，包括顺次相连的一反应塔，过热器和水合塔，反应塔的内部设置有若干第一换热管，外部设置有汽包，第一换热管与汽包相连通，第一换热管内的介质吸收反应塔内的黄磷燃烧反应热量后，形成汽水混合物进入进入汽包中，再由汽包进行汽水分离，形成饱和蒸汽；过热器与汽包相连，汽包向过热器中输入饱和蒸汽；过热器用于吸收由反应塔排出的高温P2O5烟气的热量，并加热饱和蒸汽，形成过热蒸汽，同时产生低温P2O5烟气。本发明不仅有效提高热法磷酸中的热能综合利用率，同时减少了工艺中水的消耗，节约水资源。
权利要求书2页 说明书5页 附图1页
CN 106369570 ACN 106369570 A
权 利 要 求 书
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1.一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统，其特征在于：包括顺次相连的一反应塔(1)，过热器(6)和水合塔(5)，所述反应塔(1)的内部设置有若干第一换热管(2)，外部设置有汽包(3)，所述第一换热管(2)与汽包(3)相连通，所述第一换热管(2)内的介质吸收反应塔内(1)的黄磷燃烧反应热量后，形成汽水混合物进入进入汽包(3)中，再由汽包(3)进行汽水分离，形成饱和蒸汽；
所述过热器(6)与汽包(3)相连，汽包(3)向过热器(6)中输入饱和蒸汽；所述过热器(6)用于吸收由反应塔(1)排出的高温P2O5烟气的热量，并将吸收的热量用于加热饱和蒸汽，形成过热蒸汽，同时产生低温P2O5烟气，并将低温P2O5烟气导入水合塔(5)中进行水合制酸。
2.如权利要求1所述的一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统，其特征在于：所述过热器(6)包括外壳(7)、高温过热器(10)、减温器(9)和低温过热器(4)，所述高温过热器(10)和低温过热器(4)均包括箱体和第三换热管(8)，第三换热管(8)位于外壳(7)的内部，所述减温器(9)位于高温过热器(10)和低温过热器(4)的箱体之间；
所述高温过热器(10)的箱体上置有出汽口，低温过热器(4)的箱体上置有进汽口；所述低温过热器(4)的进汽口与汽包(3)的出汽口相连。
3.如权利要求2所述的一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统，其特征在于：所述减温器(9)上设置有进汽口和出汽口，所述减温器(9)的进汽口与低温过热器(4)的第三换热管(8)相连接，减温器(9)的出汽口与高温过热器(10)的第三换热管(8)相连接，所述减温器(9)上设置降温装置，饱和蒸汽通过在低温过热器(4)与高温过热器(10)的第三换热管(8)中，进行加热，当高温过热器(10)上的温度检测器检测到过热蒸汽的温度高于设定温度时，通过减温器(9)上降温装置对第三换热管(8)中的过热蒸汽进行降温，调整至设定温度。
4.如权利要求3所述的一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统，其特征在于：所述高温过热器(10)出汽口与汽轮机发电装置(11)相连，高温过热器(10)箱体上设置有温度检测器。
5.如权利要求1至4中任一项所述的一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统和方法，其特征在于：所述的反应塔(1)的内部还设置有上集箱(12)和下集箱(13)，汽包(3)的底部设置有出水口，汽包(3)的上部外壁设置有进汽口，第一换热管(2)通过上集箱(12)与汽包(3)的进汽口连接，第一换热管(2)通过下集箱(13)与汽包(3)的出水口相连接，汽包(3)中的水通过下集箱(13)进入第一换热管(2)中，成为换热介质。
6.一种采用权利要求1至4中任一项所述提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过黄磷燃烧器将液态黄磷喷入反应塔(1)中燃烧生产的大量辐射热能及高温P2O5烟气，反应塔(1)中的辐射热通过第一换热管(2)内的介质进行换热，所交换热量用于加热上集箱(12)中的水，形成汽水混合物进入进入汽包(3)；
所述汽水混合物在汽包(3)中被分离为饱和蒸汽和水，所述饱和蒸汽进入过热器(6)中，所述过热器(6)吸收由反应塔排出的高温P2O5烟气的热量并加热饱和蒸汽，得到过热蒸汽和低温P2O5烟气，将所述低温P2O5烟气导入水合塔(5)进行水合反应，得到磷酸。
7.如权利要求6所述的一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的方法，其特征在于：所述得到过热蒸汽之后还包括以下步骤：将所述过热蒸汽用输送到汽轮机发电装置
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(11)中进行发电，形成热电联产，所发电量及蒸汽用于满足生产用电及用热需求。
8.如权利要求6所述的一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的方法，其特征在于：所述高温烟气的温度高于650℃，所述低温烟气的温度大于等于360℃。
9.如权利要求6所述的一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的方法，其特征在于：所述饱和蒸汽通过低温过热器(4)与高温过热器(10)形成过热蒸汽，并通过减温器(9)进行温度调整。
10.如权利要求8所述的一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统和方法，其特征在于：所述高温过热器(10)中过热蒸汽的温度为350℃～500℃。
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提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统和方法
技术领域[0001]本发明涉及磷酸生产领域，具体涉及一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统和方法。
背景技术[0002]磷不仅是核酸、蛋白、细胞膜遗传生命物质中最重要的元素，也是肥料、饲料和食品添加剂中不可或缺的物质，在材料、农药、医药、食品、冶金、化工等领域具有广泛应用，因此，磷化工成为现代化学工业的重要组成部分。[0003]磷化业包括基础磷化工和精细磷化工两大产业，其中基础磷化工是指利用化学反应生产含磷基础化学品(即磷酸)的工业，按照制取磷酸的工艺不同，可以将制得的磷酸分为湿法酸、热法酸和窑法酸。[0004]湿法酸是指利用硫酸、硝酸、盐酸、氟硅酸等无机酸处理分解磷矿石得到磷酸，该方法虽然成本较低，但是其副产物磷石膏会对环境造成污染，且处理难度较大，而且制得的磷酸纯度和浓度均较低，因此，湿法酸90％主要用于磷肥生产。[0005]热法酸是将黄磷放入燃烧炉中燃烧氧化得到五氧化二磷，然后将五氧化二磷通入喷淋塔中经过水合吸收制得，该方法制得的磷酸纯度较高(>99.99％)，产品主要用作食品级、电子级、精细磷化工原料使用，但是该方法需要耗费大量的热能，成本较高。[0006]窑法磷是将黄磷放入反应窑中通过一步法，将还原和氧化结合，直接得到磷酐然后经吸收得到磷酸。该方法能够实现对低品位磷矿的利用，充分利用化学中的反应热，降低能耗，但是，窑法酸制备工艺技术目前尚不成熟，没有在工业上投入使用，目前磷酸生产仍然以湿法酸和热法酸为主。[0007]热法酸生产分为燃烧水合一步法和燃烧水合二步法两种工艺流程，一步法是黄磷的燃烧和水合在一个反应塔内进行化学反应制酸，二步法将黄磷的燃烧和水合分开，分别在两个反应塔内进行反应，两步法的原理为：黄磷先在燃烧塔内燃烧形成高温P2O5烟气，然后将P2O5高温烟气导入水合塔内水合制酸。[0008]由于热法酸需要使黄磷在温度高于2000℃的温度下充分燃烧生成高温P2O5烟气，每生产一吨浓度为85％的磷酸需要燃烧280公斤黄磷，每燃烧一吨黄磷会产生24335MJ的热量。[0009]为了利用黄磷燃烧后产生的热量，通常在燃烧塔壁周围布置一圈以水为介质的换热管进行换热，水介质吸热后能够产生饱和蒸汽，采用这种生产模式，每燃烧一吨黄磷，能够得到5吨左右低压饱和蒸汽，回收利用的热量低于实际生产放热的60％，热能利用效率较低，同时，由于磷酸生产本身不需要太多热能，得到的低压饱和蒸汽需要通过其他途径如发电才能产生经济效益，由于饱和蒸汽发电的效率较低，与建设发电装置投资相比不能产生较大的经济效益，短时间无法收回成本，因此，大部分磷酸生产企业选择直接将热量放散排放。[0010]同时，高温P2O5进入水合塔时，由于烟温造成P2O5塔内水合反应温度较高，需要不
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断通过水冷方式进行塔壁降温，既造成大量的水资源消耗，又造成热能的严重浪费。发明内容[0011]针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统和方法，不仅有效提高热法磷酸中的热能综合利用率，同时减少了工艺中水的消耗，节约水资源。[0012]为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：[0013]一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统，包括顺次相连的一反应塔，过热器和水合塔，所述反应塔的内部设置有若干第一换热管，外部设置有汽包，所述第一换热管与汽包相连通，所述第一换热管内的介质吸收反应塔内的黄磷燃烧反应热量后，形成汽水混合物进入进入汽包中，再由汽包进行汽水分离，形成饱和蒸汽；[0014]所述过热器与汽包相连，汽包向过热器中输入饱和蒸汽；所述过热器用于吸收由反应塔排出的高温P2O5烟气的热量，并将吸收的热量用于加热饱和蒸汽，形成过热蒸汽，同时产生低温P2O5烟气，并将低温P2O5烟气导入水合塔中进行水合制酸。[0015]在上述技术方案的基础上，所述过热器包括外壳、高温过热器、减温器和低温过热器，所述高温过热器和低温过热器均包括箱体和第三换热管，第三换热管位于外壳的内部，所述减温器位于高温过热器和低温过热器的箱体之间；[0016]所述高温过热器的箱体上置有出汽口，低温过热器的箱体上置有进汽口；所述低温过热器的进汽口与汽包的出汽口相连。[0017]在上述技术方案的基础上，所述减温器上设置有进汽口和出汽口，所述减温器的进汽口与低温过热器的第三换热管相连接，减温器的出汽口与高温过热器的第三换热管相连接，所述减温器上设置降温装置，饱和蒸汽通过在低温过热器与高温过热器的第三换热管中，进行加热，当高温过热器上的温度检测器检测到过热蒸汽的温度高于设定温度时，通过减温器上降温装置对第三换热管中的过热蒸汽进行降温，调整至设定温度。[0018]在上述技术方案的基础上，所述高温过热器出汽口与汽轮机发电装置相连，高温过热器箱体上设置有温度检测器。[0019]在上述技术方案的基础上，所述的反应塔的内部还设置有上集箱和下集箱，汽包的底部设置有出水口，汽包的上部外壁设置有进汽口，第一换热管通过上集箱与汽包的进汽口连接，第一换热管通过下集箱与汽包的出水口相连接，汽包中的水通过下集箱进入第一换热管中，成为换热介质。[0020]一种采用提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的方法，包括以下步骤：[0021]通过黄磷燃烧器将液态黄磷喷入反应塔中燃烧生产的大量辐射热能及高温P2O5烟气，反应塔中的辐射热通过第一换热管内的介质进行换热，所交换热量用于加热上集箱中的水，形成汽水混合物进入进入汽包；[0022]所述汽水混合物在汽包中被分离为饱和蒸汽和水，所述饱和蒸汽进入过热器中，所述过热器吸收由反应塔排出的高温P2O5烟气的热量并加热饱和蒸汽，得到过热蒸汽和低温P2O5烟气，将所述低温P2O5烟气导入水合塔进行水合反应，得到磷酸。[0023]在上述技术方案的基础上，所述得到过热蒸汽之后还包括以下步骤：将所述过热蒸汽用输送到汽轮机发电装置中进行发电，形成热电联产，所发电量及蒸汽用于满足生产
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用电及用热需求。[0024]在上述技术方案的基础上，所述高温烟气的温度高于650℃，所述低温烟气的温度大于等于360℃。[0025]在上述技术方案的基础上，所述饱和蒸汽通过低温过热器与高温过热器形成过热蒸汽，并通过减温器进行温度调整。[0026]在上述技术方案的基础上，所述高温过热器中过热蒸汽的温度为350℃～500℃。[0027]与现有技术相比，本发明的优点在于：[0028](1)本发明中提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统，包括过热器，过热器具有热交换功能，来自汽包的饱和蒸汽通过过热器中低温过热器与高温过热器中的第三换热管与反应塔排出的高温P2O5烟气进行热交换，有效降低P2O5烟气温度的同时将饱和蒸汽转化为过热蒸汽，过热蒸汽输送到用于汽轮机发电装置进行发电，形成热电联产，所发电量及蒸汽用于满足生产用电及用热需求。[0029](2)本发明中提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统，高温P2O5烟气(≥650℃)经过热器换热后形成低温P2O5烟气，温度控制在400℃左右，低温烟气进入水合塔中水合时，有效避免水合塔塔壁温度过高的运行危险，生产系统中取消塔壁降温的工艺，与现有技术中需要不断通过水冷方式进行塔壁降温相比，节约水资源。[0030](3)本发明中提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统，包括反应塔内部的环形换热管束，环形换热管束的底部设置有若干根独立的第二换热管，第二换热管上装有翅片，增加了第二换热管的换热面积，强化了反应塔内的换热效果，降低了从反应塔出来高温P2O5烟气的温度，同时提高了饱和蒸汽的产汽量。附图说明[0031]图1为本发明实施例中提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统的结构示意图。[0032]图中：1-反应塔，2-第一换热管，3-汽包，4-低温过热器，5-水合塔，6-过热器，7-外壳，8-第三换热管，9-减温器，10-高温过热器，11-汽轮机发电装置，12-上集箱，13-下集箱。具体实施方式[0033]以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。[0034]参见图1所示，本发明实施例提供一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的系统，包括反应塔1，过热器6，水合塔5和汽轮机发电装置11，反应塔1、过热器6，水合塔5顺次相连，汽轮机发电装置11与过热器6相连。[0035]反应塔1的内部设置有上集箱12、下集箱13和若干第一换热管2，反应塔1的外部设置有汽包3，汽包3的底部设置有出水口，其上部外壁设置有进汽口，第一换热管2通过上集箱12与汽包3的进汽口连接，第一换热管2通过下集箱13与汽包3的出水口相连接，汽包3中的水通过下集箱13进入第一换热管2中，成为换热介质，第一换热管2之间通过翅片焊接并插入上集箱12和下集箱13之间。[0036]本发明实施例中的本发明除反应塔1的塔壁周围布置第一换热管2外，在由第一换热管2、上集箱12、下集箱13环绕形成的筒形结构燃烧室中，还设置有一圈环形换热管束，环
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形换热管束的底部设置有若干根独立的第二换热管，第二换热管上装有翅片，增加了第二换热管的换热面积，强化了反应塔内的换热效果，降低了从反应塔1出来高温P2O5烟气的温度，同时提高了饱和蒸汽的产汽量。[0037]在实际使用中，第一换热管2内的介质吸收反应塔内1的黄磷燃烧反应放出的热量后，用于加热上集箱12中的水，形成汽水混合物进入进入汽包3中，再由汽包3进行汽水分离，得到水和饱和蒸汽，水通过下集箱13进入第一换热管2中。[0038]过热器6与汽包3和反应塔1相连，汽包3向过热器6中输入饱和蒸汽，反应塔1排出的高温P2O5烟气进入过热器6中，过热器6吸收高温P2O5烟气中的热量并用于加热饱和蒸汽，形成过热蒸汽，同时产生低温P2O5烟气，并将低温P2O5烟气导入水合塔5中进行水合制酸；过热蒸汽用于带动汽轮机发电装置11进行发电，形成热电联产，所发电量及蒸汽用于满足生产用电及用热需求，过热蒸汽也可以用于造纸、食品、医药、木材和生物质等的干燥，或者其他领域的应用中。[0039]本发明中的过热器6使得温度为650℃～750℃高温烟气降温，形成温度大于等于360℃低温烟气，在实际生产中低温烟气的温度大于等于400℃，低温烟气进入水合塔5中水合时，由于烟气的温度降低，进入水合塔5反应时，能够有效避免水合塔5温度过高的危险，与现有技术中需要不断通过水冷方式进行塔壁降温相比，不仅能够有效利用了高温烟气的热量，能够节约水资源，进一步的，过热蒸汽的热焓远高于饱和蒸汽的热焓，过热蒸汽用于发电或者加热的效率远高于饱和蒸汽，能够有效提高热能的利用率。[0040]本发明实施例的过热器6包括外壳7，高温过热器4、低温过热器10和减温器9，高温过热器10、减温器9、低温过热器4顺次连接的，高温过热器10和低温过热器4均包括箱体和第三换热管8，第三换热管8位于外壳7的内部，为了节省换热器空间与增加第三换热管8的换热面积和吸热效率，本实施例中的第三换热管8选用蛇形换热管。[0041]高温过热器10的箱体上置有出汽口，低温过热器4的箱体上置有进汽口，减温器9的箱体上设置有进汽口和出汽口；低温过热器4的进汽口与汽包3的出汽口相连接，减温器9的进汽口与低温过热器4的第三换热管8相连接，减温器9的出汽口与高温过热器10的第三换热管8相连接，高温过热器10出汽口与汽轮机发电装置11相连。[0042]为了避免高温过热器10的出汽口导出的过热蒸汽温度过高，损伤汽轮机发电装置11，需要调控过热蒸汽的温度，本实施例通过在减温器9上设置减温装置，(本发明中，减温装置使用在减温器内喷水的方式进行过热蒸汽的降温)，同时在高温过热器10箱体上设置温度检测器，进行过热蒸汽的温度调节控制，当温度检测器检测到过热蒸汽的温度高于设定温度时(设定温度通常为350℃～500℃)，通过减温器9对第三换热管8中的过热蒸汽进行降温至设定温度，再将温度适宜的过热蒸汽通过高温过热器10的出汽口导入汽轮机发电装置11中，进行发电。[0043]在实际使用中，低温过热器4上设置有至少两个进汽口(即进汽阀门)，用于与汽包3相连通，避免其中一个阀门受损时，影响生产的运行；高温过热器10中设置有多个温度检测器，用于实时检测过热蒸汽的温度，利用过热蒸汽发电时，其蒸汽温度过高过低都会影响汽轮机发电装置11的稳定运行，因此，在蒸汽温度过高时需要通过减温器9进行调节，使得过热蒸汽的温度与汽轮机发电装置11相适应，本实施例中，需要将过热蒸汽的温度降低至450℃，降温方式通过减温装置在减温器9内部进行喷水调节。
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本发明还提供一种提高热法磷酸生产过程中热能综合利用率的方法，包括以下步
骤：
通过黄磷燃烧器将液态黄磷喷入反应塔1中燃烧生产的大量辐射热能及温度高于
650℃的高温P2O5烟气，反应塔1中的辐射热通过第一换热管2内的介质进行换热，所交换热能用于加热上集箱12中的水，形成汽水混合物进入进入汽包3。[0046]汽水混合物在汽包3中被分离为饱和蒸汽和水，饱和蒸汽进入过热器6中，过热器6用于吸收由反应塔排出的高温P2O5烟气的热量，并将吸收的热量用于加热饱和蒸汽，得到过热蒸汽和温度不低于360℃的低温P2O5烟气。[0047]过热蒸汽的具体输送流程为：饱和蒸汽首先通过低温过热器4进行一次加热，然后经减温器9后在进入过高温过热器10进行二次加热，得到过热蒸汽，过热蒸汽的温度通过减温器9调整至350℃～500℃。[0048]将低温P2O5烟气导入一水合塔5进行水合反应，得到磷酸，将过热蒸汽输送到汽轮机发电装置11中进行发电，形成热电联产，所发电量及蒸汽用于满足生产用电及用热需求。[0049]本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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