肖 升，赵江华

（瓮福达州化工有限责任公司，四川 达州 635000）

不论是热法磷酸还是湿法磷酸，生产过程中都需消耗大量热能，生产工序中存在多处热能转移与消耗，热能消耗是磷酸生产成本的一项主要支出。若能将湿法磷酸反应工序中浓硫酸稀释放出的低位热能有效转移并充分利用，将有利于反应工序高效运行，减缓反应槽结垢，延长运行周期，降低生产能耗，降低生产成本，提升装置的经济效益。

1 二水湿法磷酸生产现状

1.1 二水湿法磷酸反应工序概述

磷精矿、浓硫酸、稀磷酸返酸分别进入六室方格反应槽。浓硫酸与稀磷酸返酸在反应槽上方的混酸器中混合后，带着大量稀释热直接进入反应槽。磷精矿与硫酸、稀磷酸在反应槽内进行一系列反应，释放大量热量。反应槽内的料浆温度要维持75～85 ℃，才有利于二水硫酸钙结晶。现有技术采用低位闪冷蒸发+洗涤冷凝技术移走多余热量，维持反应正常进行。

1.2 低位闪冷蒸发+洗涤冷凝移热技术

低位闪冷蒸发+洗涤冷凝移热工艺流程如图1所示。

图1 低位闪冷蒸发+洗涤冷凝移热工艺流程

低位闪冷循环轴流泵将第六室方格的料浆打入低位闪冷器，在真空环境下料浆快速蒸发降温。降温后的料浆在重力作用下自动返回第一室方格，在轴流泵的作用下，料浆在反应槽、低位闪冷器多次循环，实现降温，维持反应温度动态平衡。低位闪冷器蒸发出的蒸汽，依次经过预洗涤器、预冷凝器、冷凝器、除雾器、水环真空泵，使用大量冷却循环水换热、洗涤，实现热量的转移。

1.3 浓硫酸稀释热能损耗

浓硫酸稀释物料衡算：以1 h为基准，用qm表示各股物料的质量流量，浓硫酸稀释过程如图2所示。1 h 生产P2O51 t 消耗w（H2SO4）98%硫酸3.18 m3，w（H2SO4）98%硫酸相对密度为1.831。根据物料质量守恒，求得各组分质量流量：qm1=3.18×1 831 kg/h = 5 822.58 kg/h，qm2= 1 785.591 2 kg/h，qm3= 7 608.171 2 kg/h。

图2 浓硫酸稀释过程

根据《硫酸工艺设计手册》［1］，在25 ℃下，将w（H2SO4）为98%的硫酸溶液中1 mol硫酸加水稀释至w（H2SO4）为75%的硫酸溶液，并保持硫酸溶液温度不变，放出的稀释热为：

其中：n1为w（H2SO4）98%硫酸溶液中含有的水的物质的量，n2为w（H2SO4）75%硫酸溶液中所含有的水的物质的量。

进而得出在25 ℃下w（H2SO4）98%的硫酸稀释为w（H2SO4）75%的硫酸，并保持硫酸溶液温度为25 ℃，每小时产生的稀释热为：

Q=n× （Q2-Q1）= （5 822.58 ×1 000×0.98/98）×33.208 kJ=1 933 562.37 kJ。

又查《硫酸工艺设计手册》中硫酸和发烟硫酸的热焓量（以0 ℃为基准），并采用内插法得25 ℃时w（H2SO4）75%的硫酸溶液热焓H1为68.45 kJ/kg，100 ℃时w（H2SO4）75%的硫酸溶液热焓H2为203.9 kJ/kg，热焓量之差为135.45 kJ/kg。每小时损失的稀释热为：

Q-qm3× ΔH=（1 933 562.37- 7 608.171 2 × 135.45） kJ =903 035.58 kJ。

该部分热量相当于30.7 kg标准煤的发热量。

2 低位热能回收利用

2.1 利用池水回收低位热能

利用湿法磷酸的池水作为换热载体，将混酸器设置在石墨换热器的封头内，封头处使用池水夹套换热［2］。稀磷酸返酸与浓硫酸在换热器的封头处混合，混合液直接进入换热器管程，换热后约100 ℃的混酸进入反应槽。来自封头处的池水走壳层，带走硫酸稀释放出的热量，获得80～90 ℃的热池水。

2.2 工序节能利用分析

稀磷酸存储工序，通常工厂配置有两个稀磷酸槽，来自过滤机的稀磷酸在稀磷酸槽内缓存和初步沉降分离。稀磷酸槽为外壁碳钢+内壁衬胶，80 ℃稀磷酸在稀磷酸槽沉降分离后，出酸温度在50～60 ℃。稀磷酸槽使用一段时间后，槽壁易发生冷凝结晶、结垢现象，大量垮塌的结块物易将转耙埋没，须组织清理，影响系统平稳生产。

解决思路及节能分析：若在稀磷酸进入稀磷酸槽前，使用池水在换热器内对稀磷酸降温，降温后的稀磷酸再进入稀磷酸槽缓存和沉降分离，低热能池水直接进入过滤机冲洗滤布。因温差及温度降低，理论上稀磷酸沉降分离效果将明显改善，槽壁冷凝析晶、结垢的情况将减缓，利于稀磷酸的缓存和沉降分离。同时，将两个稀磷酸槽进行功能定位，第一个稀磷酸槽用于缓存冷稀磷酸，实现稀磷酸的高效初步沉降分离；来自第一稀磷酸槽的冷稀磷酸，与来自硫酸稀释工序的热池水换热后，保温存储在第二稀磷酸槽，以相对较高温度进入浓缩工序，以节省浓缩蒸汽消耗量。

二水湿法磷酸湿法排渣工艺的磷石膏渣浆管，在运行一定周期后，须定期停车拆管清理，耗时耗力，是磷酸装置大检修必须开展的清理项目。若将第二稀磷酸槽换热后的池水用于磷石膏再浆，将磷石膏渣浆的温度由现在的40 ℃提升至50 ℃，则理论上会延长渣浆管结垢周期，进而延长磷酸装置的运行周期。

节能改造工艺流程见图3。

图3 改造后移热工艺流程

2.3 热能利用与热能平衡估算验证

据二水湿法磷酸生产经验和有关理论数据，不考虑热量损失，进行热量及物料平衡计算（见表1）。计算时各参数取值：w（H2SO4）26%稀磷酸cp为2.9 kJ/（kg ·℃）， 池 水cp为4.2 kJ/（kg · ℃），吨产品池水用量为12 600 kg。

表1 物料及热量平衡

由表1 可知，3.18 m3w（H2SO4）98%的硫酸稀释释放的热量，可通过3 583.5 kg池水由25 ℃升至85 ℃回收。该热池水由85 ℃换热至70 ℃释放的热量（225 758.9 kJ）大于稀磷酸由50 ℃升温至65 ℃的需求热（167 307.7 kJ），低位热能利用理论可行。来自过滤机的热稀磷酸降温（由80 ℃降低至60 ℃）可通过与1 770.5 kg池水（由25 ℃升至55 ℃）热交换实现。吨产品池水总消耗量（5 353.9 kg）小于系统提供池水量（12 600 kg），剩余池水加入循环冷却水池，用于生产系统抽真空，系统水平衡理论计算可行。

3 经济效益分析

以磷酸装置产能40 万t/a 计算，依据上述分析，吨产品回收硫酸稀释热节省的热量计标准煤为30.7 kg，标准煤价格以800 元/t 计，考虑热能损失（热能回收率以60%计），不考虑设备改造支出，经济效益约589万元/a，节能及经济效益明显。

4 小结

经分析验证，利用池水转移、回收二水湿法磷酸反应工序的浓硫酸稀释热，低位热能用于稀磷酸的加热、保温，磷石膏再浆加热，冲洗滤布等环节，物料、能量理论上能实现平衡，可节省装置能耗，提升装置经济效益，但须考虑石墨换热器结垢风险，以及增加石墨换热器、稀磷酸换热器等设备改造支出。此改造思路与方法，可供二水湿法磷酸行业节能改造参考。