热管蒸发器在热法磷酸余热回收中的应用

在传统的一步法热法磷酸生产工艺中，黄磷燃烧的反应热全部由低温循环水或酸带出，经热交换由冷却塔散入大气中，相反为了融化固态磷使之进入喷磷枪与空气混合燃烧，工艺上必须配置额外的蒸汽锅炉，造成热能利用的不合理现象。新型热法磷酸生产技术实现了高温的余热回收利用，但是从燃磷塔出来的 P₂O₅ 气体温度仍然高达 750 ℃左右，这部分中温P₂O₅气体目前还没有进行余热回收而是直接进入水化塔形成磷酸，造成能源的浪费。由于工艺气体中含有腐蚀性很强的磷酸气体，如采用常规的对流换热管，一旦个别换热管件局部腐蚀穿孔，汽水就有可能泄露到整个反应塔燃烧空间，引起大面积腐蚀，将严重影响整个生产系统安全运行。热管换热器由于本身结构的特殊性，即使个别热管发生泄露也不会影响整体换热器效能，且可以保证换热器一直运行到计划检修。所以采用热管蒸发器是解决热法磷酸中温余热回收较好的选择。

一、单独热管蒸发器的工作原理

热管蒸发器是由热管、翅片、隔板、下联箱、水夹套和上联箱组成。热管自身是一根封闭的管件，内部充有一定量工作液（工质），并抽成高真空。热管一端为蒸发（吸收）段，另一端为冷凝（放热）段，中间用隔板分开，如下图所示。当热流体流过吸热段时，气体的热量由隔板下方的蒸发段吸收传至热管内的工质，工质受热汽化并向上流动到达冷凝段，向外部放热并冷凝成为液体，在重力的作用下再顺着热管内壁回流到隔板下方的蒸发段，再次吸收管外的气体的热量汽化，如此往复循环，不断将中温气体的热量传递到水夹套中，使循环水加热汽化，产生工业所需要的蒸汽。

热管的工作原理

分体式热管蒸发器

整体式热管蒸发器

二、整体热管蒸发器的工作过程

热管蒸发器在气体流动方向上分中、低温 2 段，中温段采用奈工质热管，低温段采用水工质热管，这样热管在其工作温度范围内具有较低的饱和蒸汽压力，运行更安全可靠。热管蒸发器纵向有 N 排，横向有 M 列，共有 N × M 个单独的热管蒸发器组成；单个热管蒸发器的下联箱与汽包的下降管相连通，上联箱的出口与导汽管相连，导汽管再与汽包相连，构成外部密闭汽水系统。

从磷酸塔出来的中温 P₂O₅ 气体，横向冲刷热管加热段，热管内部工质经过连续的蒸发、上升、凝结、回流过程，将热量从加热段传递到冷凝段；热管冷凝段套管中的水经加热汽化，汽水混合物上升经上联箱和导汽管汇集到汽包，进行汽水分离后，蒸汽引出供外部热用户，而饱和水与给水混合后，再经下降管和下联箱分流到各套管中，这样就构成了一个连续不断产汽的汽水循环系统。通过热管蒸发器，使 P₂O₅ 气体温度从 750 ℃降至 400 ℃左右，并将这部分热量作为热源生产较高品味的蒸汽。

三、热管蒸发器的工作特点

1 、各热管单根并列布置，独立工作。单根热管是一个密封元件，与高温 P₂O₅ 气体接触的吸热段与水夹套中的放热段用隔板完全隔开，消除了冷热流体横向混杂。即使某根热管或少数热管在高温 P₂O₅ 气体中受到腐蚀损坏，两种换热流体也不可能想混，因而不会加重腐蚀而影响整体换热效果。

2 、每根热管均可根据需要调整吸热段和放热段的长度，来改变两侧热阻的大小，使蒸发器的所有热管壁面温度趋于均匀，避免局部温度过高破坏结膜物的形成引起腐蚀。

3 、由于承受压应力与承压体的直径有关，采用小直径套管能以较少的金属耗量承受较高的压力。

4 、组合式结构，可使蒸发器先在制造车间分体组装，到现场再拼接完成，安装灵活方便。

四、应用热管蒸发器应注意的问题

1 、控制热管具有较低的避免温度且趋于均匀化。由于 P₂O₅ 气体中含有超磷酸聚合物，当热管壁面低于其凝固温度时，将会在管壁面上产生结膜物，结膜物可以有效防止磷酸气体对壁面的腐蚀，因此维持所有管排壁面温度较低且均匀是热管蒸发器安全稳定运行的重要条件。

2 、合理选择 P₂O₅ 气体的流速。流速对壁面上结膜物的形成有较大的影响，流速过大时，结膜物可能被吹掉，金属管壁受到腐蚀的可能性增加；当流速较小时，结膜较厚，热阻增加，影响传热过程。

3 、合理布置热管的纵向间距和横向间距。当间距较小且结膜层较厚时，热管外的结膜物可能出现搭桥，将严重阻塞气体流动或影响蒸发器的稳定工作；当间距较大时，气体的流速可能较慢，也将影响壁面的传热过程。

4 、优选热管的材料。由于 P₂O₅ 气体中含有腐蚀性很强的磷酸气体，同时热管内部工作压力较高，热管材料应选用高强度、耐高温和抗腐蚀的合金钢。

5 、确保气体侧良好的密封和冷却条件。气体外泄与空气中水蒸气结合成磷酸，将引起严重的外部设备腐蚀，蒸发器外壳内壁面温度应低于结膜物的固化温度，否则将会加快气体对结构的腐蚀或引起其他工艺问题。

五、热管蒸发器的换热计算（略）

六、经济效益分析

现以 6.5 万 t/d 生产规模的热法磷酸生产装置为例，燃磷量 2600kg/h 的热法磷酸装置利用热管蒸发器回收气体的余热设计见表 1 ， 6.5 万 t/d 热法磷酸改造前后对比见表 2 。

表 1  热管蒸发器设计参数

表 2  6.5 万 t/d 热法磷酸改造前后对比

从表 2 可以看出，利用热管蒸发器回收高温 P₂O₅ 气体后，多产汽 3.8t/h 。若以蒸汽 200 元 /t 价格计算，则全年可增加经济效益达 500 万元。热法磷酸余热利用效率也从原来的 61.64% 提高到了 71.46% 。

七、结论

热管蒸发器用于热法磷酸生产回收 P₂O₅ 气体的中温余热，并生产低压饱和蒸汽，是一项新的节能技术。其最突出的优点是可增加设备的安全可靠性，减少因设备事故而带来的停车损失。热管蒸发器能否成功运用，主要取决于热管本身的技术问题，热管对磷酸中温气体的适应性，通过结膜物动态平衡解决热管受热面腐蚀等。

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知识点：热管蒸发器在热法磷酸余热回收中的应用

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