王政偉，陳非凡，許 鑫，盛有志

（常州大學石油工程學院，江蘇常州213200）

1 特種燃磷塔結構和工作原理分析

傳統(tǒng)特種燃磷塔塔壁為膜式水冷壁蒸發(fā)面，主要吸收反應氣體釋放的輻射熱量，回收余熱產(chǎn)生的工業(yè)蒸汽為中壓飽和蒸汽，黃磷燃燒反應熱回收利用效率較低。圖1為傳統(tǒng)熱法磷酸燃磷塔結構示意圖。如圖1所示，傳統(tǒng)燃磷塔由于沒有對流受熱面，無法吸收對流換熱量，降低氣體出口溫度靠加大塔體的直徑、增加高度和內(nèi)層管來增加塔內(nèi)輻射換熱面積，但是這種方法反應氣體出口溫度降低有限，而且塔體的直徑和高度受制于設備正常運輸?shù)臉O限值，故不能無限增大。塔內(nèi)層管的布置則與結膜物的形成和材料的剛性有關，為確保形成一定厚度的結膜物，要求內(nèi)層管金屬壁溫低于350℃，對現(xiàn)用316L管材強度提出更高要求［1］。

圖1 傳統(tǒng)熱法磷酸燃磷塔結構示意圖

而具有過熱器的特種燃磷塔，其結構如圖2所示，在燃磷塔上部布置對流式過熱器，其工作原理是將汽包出口管引出的中壓飽和蒸汽引入對流過熱器加熱至350℃，飽和蒸汽成為過熱蒸汽。由于增加了對流過熱器，能有效吸收對流換熱量，使得燃磷塔氣體溫度降低到520℃左右，余熱回收效率進一步提高，遠高于傳統(tǒng)的特種燃磷塔，而且產(chǎn)出的過熱蒸汽進入汽輪發(fā)電機組做功后再供低壓熱用戶，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，具有顯著的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。

圖2 具有過熱器的特種燃磷塔結構示意圖

2 具有過熱器的燃磷塔內(nèi)部傳熱計算

2.1 塔內(nèi)對流傳熱量計算

1）傳熱系數(shù)計算

在考慮反應氣體和管道之間的傳熱過程時，應考慮管子內(nèi)壁面存在的水垢和管外壁多聚磷酸薄膜層，其傳熱系數(shù)K的計算式如下：

式中：α1為反應氣體對管壁的放熱系數(shù)，α1=ξαd，kW/（m2·℃）；αd=cscn（λ/d）Re0.05Pr0.03，其中 Re 為雷諾數(shù)，Re=39 857；Pr為普朗特數(shù)，Pr=0.708；λ為五氧化二磷氣體的熱導率，λ=0.002 06 kW/（m·℃）；d 為管外徑，m；cs為管束相對節(jié)距影響的修正系數(shù)，cs=0.2；cn為沿氣體行程方向管排數(shù)修正系數(shù)，cn=1?？紤]到傳熱過程中存在部分輻射換熱，取放大系數(shù)ξ=1.2；α2為管壁對管內(nèi)工質的放熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；δh、δb和 δsg為管外壁結膜物厚度、金屬管壁厚度和管內(nèi)壁水垢厚度，m；λh、λb和 λsg分別為管外壁結膜物導熱系數(shù)、金屬管壁導熱系數(shù)和管內(nèi)壁水垢層導熱系數(shù)［2-3］，kW/（m2·℃）。

2）工質吸收的對流換熱量

式中：K 為受熱面的總傳熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；A 為計算受熱面積，m2；Δtm為對數(shù)平均溫差，Δtm=（Δtmax-Δtmin）/ln（Δtmax/Δtmin），最大溫差為 Δtmax，Δtmax=t′1-t′2，其中 t′1為反應氣體進口溫度，t′2為蒸汽進口溫度；最小溫差為 Δtmin，Δtmin=t″1-t″2， 其中 t″1為反應氣體出口溫度，t″2為蒸汽出口溫度，℃。

2.2 塔內(nèi)輻射傳熱量計算

1）輻射放熱模型簡化的假設條件

高溫反應氣體中三原子氣體具有一定的輻射能力，而且對流受熱面和管束都不是黑體，所以假設條件如下：

管壁黑度αb=0.8，計算中僅有考慮氣體與管壁的一次吸收輻射能。被忽略的多次反射與吸收部分用增加管壁黑度的方向進行校正，即用管束黑度αgs［αgs=（αb+1）/2］替代管壁黑度。

2）輻射放熱系數(shù)的計算

輻射放熱系數(shù)按下式計算：

式中：αy為反應氣體的黑度，αy=1-e-kpS，k 為輻射減弱系數(shù)，且k=2.37；p為受熱面中反應氣體的絕對壓力，MPa；S為爐膛有效輻射層厚度，m。Ty為反應氣體溫度，取受熱面進出口反應氣體溫度的算數(shù)平均值，℃；Thb為灰壁溫度，℃。

3）三原子氣體輻射減弱系數(shù)計算

式中：rH2O為反應氣體中水蒸氣的體積分數(shù)，rH2O=4%；pq為三原子氣體分壓力，MPa；T″f為輻射受熱面出口反應氣體溫度，℃；S為爐膛有效輻射層厚度，m。

4）工質吸收的輻射熱量

式中：αf為輻射放熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；t1為反應氣體平均溫度，℃；thb為灰壁面溫度，℃；Af為輻射受熱面積，m2。

3 具有過熱器的特種燃磷塔熱平衡和熱效率計算分析

1）過熱器的熱平衡計算

流經(jīng)過熱器的反應氣體放熱量為：

式中：φ 為保熱系數(shù)，取值范圍為 0.9~1.0；h′1為過熱器入口反應氣體的焓值，kJ/kg；h″1為過熱器出口反應氣體的焓值，kJ/kg；Vy為過熱器進口反應氣體流量，m3/h。

管內(nèi)工質對流吸熱量的計算公式如下：

式中：D 為蒸汽流量，kg/h；h′2和 h″2分別為工質進口和出口的焓值，kJ/kg；Qdf為來自輻射段的熱量，kJ/h［Qdf=3600αf（θpj-thb）Adf，αf為輻射放熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；θpj為煙氣平均溫度，℃；thb為灰壁面溫度，℃；Adf為輻射受熱面積，m2］。

工質吸熱量和放熱量之間的誤差：

式中：Q1為反應氣體的放熱量，kJ/kg；Q2為管內(nèi)工質的對流吸熱量，kJ/kg。當誤差較小時，可認為工質的對流吸熱量和反應氣體的放熱量平衡。

2）具有過熱器的特種燃磷塔熱平衡計算

式中：QT2為受熱面吸收的實際對流和輻射的熱量，QT2=Qf+Qd，Qd和 Qf分別按（2）式和（5）式計算，kJ/h；QT1為受熱面吸收的理論對流和輻射的熱量，kJ/h。

3）有過熱器的特種燃磷塔熱效率計算

熱效率是指特種燃磷塔利用的熱量與磷燃燒放出的熱量之比，其公式如下所示：式中：Dz為蒸汽量，t/h；hq為過熱蒸汽出口焓值，kJ/kg；hs為燃磷 塔 進水焓 值，kJ/kg；B 為 燃 磷 量 ，kg/h；Qp為燃磷發(fā)熱量，kJ/kg。

4 計算實例

以7.5萬t/a的熱法磷酸生產(chǎn)裝置為例，對有過熱器的特種燃磷塔進行分析計算，計算原始數(shù)據(jù)和過熱器設計參數(shù)分別如表1、表2所示，過熱器三維結構圖如圖3所示，具有過熱器的特種燃磷塔計算結果如表3所示。

表1 計算原始數(shù)據(jù)

表2 過熱器的設計參數(shù)

圖3 過熱器的三維結構圖

表3 具有過熱器的特種燃磷塔的計算結果

根據(jù)上述計算分析，具有過熱器的特種燃磷塔通過增加蛇形管過熱器來增大換熱面，從而增大對流和輻射吸熱量，有效降低反應氣體的出口溫度，使得排煙熱損失q2大幅降低，從而進一步增大特種燃磷塔熱效率，其熱效率達到76.1%，而傳統(tǒng)的特種燃磷塔的熱效率僅為65%，增幅超過11%，足見節(jié)能降耗效果顯著。

5 燃磷塔傳熱特性的影響因素分析

特種燃磷塔的傳熱特性主要反映在氣體出口溫度和最高燃燒溫度這兩個參數(shù)上，通過改變特種燃磷塔的燃磷量和過量空氣系數(shù)，對比傳統(tǒng)特種燃磷塔和具有過熱器的特種燃磷塔在傳熱特性上的區(qū)別與聯(lián)系。

5.1 燃磷量、過量空氣系數(shù)對燃磷塔氣體出口溫度的影響

圖4a為燃磷量與出口氣體溫度的關系。如圖4a所示，特種燃磷塔的氣體出口溫度隨燃磷量的增多而升高，呈單調(diào)遞增趨勢，這說明燃磷量越大，塔內(nèi)燃燒越旺盛，燃燒釋放的反應熱越多，輻射換熱量增多，塔壁面溫度就增高，能被換熱面吸收的熱量也就增多。然而，當燃磷量過少時，特種燃磷塔氣體出口溫度過低也會造成P2O5氣體凝華［4-6］，從而造成氣體出口通道堵塞，因此要求氣體出口溫度高于500℃。

由圖4a各燃磷量對應的反應氣體出口溫度求出平均值，可知：傳統(tǒng)特種燃磷塔的氣體出口溫度為665℃，具有過熱器的特種燃磷塔的氣體出口溫度為563℃，降低了102℃，這是因為過熱器的換熱面積越大，換熱強度就越大，換熱效率也就越高，將吸收的對流換熱量高效轉化為過熱蒸汽的熱能，導致反應氣體出口溫度大幅降低，增加了設備運行的安全可靠性。

圖4b為過量空氣系數(shù)與出口氣體溫度的關系。如圖4b所示，氣體出口溫度隨過量空氣系數(shù)的增大而單調(diào)遞增，這是由于隨著空氣系數(shù)的增大，帶入塔內(nèi)的空氣量增多，而塔內(nèi)燃磷量一定，導致塔內(nèi)火焰溫度降低，塔內(nèi)輻射傳熱量下降，使得短時間內(nèi)出口氣體攜帶的熱量增多，從而出口氣體溫度升高。

由圖4b各過量空氣系數(shù)對應的反應氣體出口溫度求出平均值可知：傳統(tǒng)特種燃磷塔的氣體平均出口溫度為653℃，有過熱器的特種燃磷塔氣體平均出口溫度為523℃，降低約130℃。這說明過熱器不僅吸收對流傳熱量，而且吸收部分輻射傳熱量，因此出口氣體攜帶的熱量減少，氣體出口溫度降低。

圖4 燃磷量（a）、過量空氣系數(shù)（b）與出口氣體溫度的關系

5.2 燃磷量、過量空氣系數(shù)對燃磷塔最高燃燒溫度的影響

圖5a為燃磷量與最高燃燒溫度的關系。當過量空氣系數(shù)不變時，如圖5a所示，兩類特種燃磷塔的最高燃燒溫度均隨燃磷量的增多而升高，而當燃磷量增加到一定量時，最高燃燒溫度不再增加，這是因為燃磷量增大導致燃燒強度大，需要消耗的空氣量增大，燃燒不充分導致黃磷燃燒反應熱回收率下降。傳統(tǒng)特種燃磷塔的平均最高燃燒溫度為2600.4℃，有過熱器的特種燃磷塔平均最高燃燒溫度為2 430℃，降低了約170.4℃，這說明位于特種塔中上部的過熱器吸收了大部分塔內(nèi)對流換熱量，進而塔內(nèi)壁面平均熱流降低，特種燃磷塔壁面溫度降低，塔內(nèi)輻射換熱強度下降，最高燃燒溫度下降。

圖5b為過量空氣系數(shù)與最高燃燒溫度的關系。當燃磷量不變時，如圖5b所示，兩類特種塔的最高燃燒溫度均隨過量空氣系數(shù)的增大而降低，這說明過高的過量空氣系數(shù)不僅不能強化特種燃磷塔內(nèi)部的傳熱，反而由于空氣量的增大導致單位面積吸收的輻射熱量降低，從而降低了特種燃磷塔的熱能利用效率。

圖5 燃磷量（a）、過量空氣系數(shù)（b）與最高燃燒溫度的關系

6 結論

通過對7.5萬t/a的熱法磷酸生產(chǎn)裝置的計算，得出以下結論：1）具有過熱器的特種燃磷塔，增加了過熱段對流傳熱，氣體出口溫度可降低到520℃。2）通過熱平衡法計算得出具有過熱器的燃磷塔的熱效率為76%，比傳統(tǒng)燃磷塔的熱效率提高10%以上。3）結合實際數(shù)據(jù)和簡化模型計算表明：具有過熱器的燃磷塔能強化輻射和對流換熱、調(diào)節(jié)氣體出口溫度、增強設備安全可靠性，而且過熱器產(chǎn)生350℃過熱蒸汽進行熱電聯(lián)產(chǎn)，節(jié)約生產(chǎn)成本，符合特種燃磷塔未來的發(fā)展趨勢。