CN105910483B - 自然循环沸腾传热回收浆状物料余热及升温利用的方法 - Google Patents

Abstract

一种自然循环沸腾传热回收腐蚀性料浆余热及提高余热温位替代一次热源的方法，利用工艺系统自身所需的料浆垂直输送高度，构建上升管内料浆强制对流放热、管外低沸点传热工质自然循环沸腾吸热的高效余热回收方式，无需外加循环动力；视余热温位是否满足工艺需求，既可直接利用、也可升温使用，升温利用热量的总和与消耗的动力之比不低于10，同时获得的冷量与消耗的动力之比不低于5；实施本发明方法回收利用料浆余热对相关工业领域节能、减排和提高余热回收利用经济性均有显著作用。

Description

自然循环沸腾传热回收浆状物料余热及升温利用的方法

技术领域

本发明涉及浆状物料余热回收利用技术领域，特别是回收强腐蚀性浆状物料余热并提高其再利用温位的节能方法。

背景技术

浆状物料（含固体微粒的溶液，以下简称料浆）化学加工大多伴随着热质交换过程，例如磷矿石酸解料浆冷却、硫酸铵晶浆冷却等，具有强腐蚀、高粘度、低温位以及易堵塞流道等特性，余热回收利用难度大、经济性差，通常作为废热排放，既损失能量又消耗冷却水，在采用蒸发冷却的情况下废热随尾气排放，尾气所含挥发性有害气体需多重净化方可达标，例如磷矿石酸解槽~90℃酸性料浆蒸发冷却尾气除氟（吴佩芝，《湿法磷酸》§15-1~2，化学工业出版社，1987：pp.342~351）。克服上述弊端关键在于低位余热回收再利用应该具有经济竞争性，这需要低成本回收和高效利用两个方面的技术措施。本发明的要点是巧妙利用原有工艺流程及设施，在不增加、甚至缩减原流程及设备的前提下实施料浆冷却余热回收，将其直接、或提高温位后用于替代原工艺消耗的一次热源（指由化石能源物质转化产生的热源），实现节能、减排同时节省冷却水消耗。

发明内容

本发明公开一种自然循环沸腾传热回收腐蚀性料浆余热及提高余热温位替代一次热源的方法。本发明方法适用于各种固体颗粒含量不大于40%（质量%，下同）、表观黏度不大于50mPa·s、温度60~105℃的料浆余热回收与利用。本发明主要发明思想是利用工艺系统自身所需的料浆垂直输送高度，构建上升管内料浆强制对流放热、管外低沸点传热工质（以下简称工质）自然循环沸腾吸热的高效余热回收方式，无需外加循环动力；低沸点传热工质为纯溶剂或完全互溶的二元溶液，其常压沸点温度0 ~ -35℃，在本发明工作范围内沸腾压力0.6 ~ 6.0 MPa；利用工质汽化回收并传递余热，视余热温位是否满足工艺需求，既可直接利用、也可通过本发明方法升温后使用，提高余热利用价值。本发明利用料浆输送过程同步进行余热回收的方法，不仅节约成本、还可节省专为料浆降温所设的工艺过程与设备，对节能、减排、提高经济效益均有显著作用。

如附图所示，利用原工艺系统中的料浆循环泵11，使含余热的料浆（温度T ₀，60~105℃）加压进入直立的自然循环再沸器1（管壳式结构）管程底部，分布到列管内上升流动，流速不低于1.5 m/s，向管壁强制对流放热，降温后的料浆（温度T ₁，52~103℃）从管程顶部排出，进入后续加工工序。再沸器1列管外（壳程空间）的工质在小于20℃的传热温差推动下间壁接受管内料浆放出的热量而汽化，形成压力0.8~8.0MPa上升气液两相流，进入气液分离器2。在截止阀4与4’均关闭的工况下，通过气液分离器2，工质蒸汽（温度T ₂，50~100℃）直接将料浆余热从再沸器1输运到回热器3（直立管壳式换热器结构），蒸汽在回热器3的壳程冷凝放热将管程流动的工艺物流加热到t ₃（48~98℃），由此构成余热回收直接利用模式。该模式下气液分离器2与回热器3壳程空间等压，在回热器3壳程冷凝的工质从底部返回气液分离器2的液相空间，并通过下降管从底部进入再沸器1壳程、其沸腾传热高度至少6.0 m、汽化产生气液两相流的平均密度比下降管内液相工质密度小至少1倍，由密度差产生的自然循环推动力，确保下降管内液体工质的质量流量与回热器3壳程内冷凝的蒸汽质量流量之比大于5.0。余热回收直接利用模式下，工质既可采用纯溶剂也可采用完全互溶的二元溶液。

如附图所示，在截止阀4与4’均开启的工况下，实现料浆余热回收升温利用模式。该模式下再沸器1的工作过程与上述余热回收直接利用模式相同，但工质必须采用轻、重两组分完全互溶的二元溶液，例如氨-水二元溶液。该模式下气液分离器2的压力比回热器3壳程空间压力高至少0.03MPa，使气液分离器2输出的轻组分蒸汽（轻组分含量大于99%）与液相工质（轻组分含量50%~65%）能够在回热器3壳程空间均匀混合吸收，吸收热通过管壁传递给管程流动的工艺物流1使其升温到t ₃（比同一条件下轻组分蒸汽温度T ₂低5~10℃），此为热量输出1。回热器3壳程混合均匀的工质溶液（其轻组分含量比气液分离器2增加0.5%~1.5%）通过截止阀4调节流量，进入吸收器5（直立管壳式换热器结构）的壳程、吸收从蒸发器9（水平管壳式换热器结构）输送而来的轻组分蒸汽，吸收热通过管壁传递给管程流动的工艺物流2使其升温到t ₅（比同一条件下T ₂低8~12℃），此为热量输出2。吸收器5底部的安放高度比回热器3底部低至少10 m，液柱作用使前者壳程压力比后者高至少0.07MPa。吸收器5壳程混合均匀的工质溶液（其轻组分含量比回热器3增加2.5%~6.0%）进入绝热解析器6降温降压解析，溶液中轻组分含量下降到与回热器3出口溶液相同、温度则比之降低15~25℃、压力比之降低0.1~0.5 MPa，解析后的溶液通过工质循环泵10加压输送至气液分离器2底部位置处连接的下降管顶端，参与自然循环沸腾传热。解析产生的轻组分蒸汽则通过压缩机7加压后在冷凝器8（直立管壳式换热器结构）的壳程冷凝放热，加热管程流动的工艺物流3，使其升温到t ₈（70~110℃），此为热量输出3。在冷凝器8壳程液化的轻组分工质，通过膨胀阀12减压后在蒸发器9（水平管壳式换热器结构）的壳程汽化吸热，将管内流动的冷却水降温至t ₉（低于38℃），此为冷量输出。蒸发器9壳程汽化压力比吸收器5壳程吸收压力高至少0.02MPa，以克服流动阻力并提供吸收推动力。由上述步骤，构成二元溶液工质多重汽化/吸收与压缩/冷凝相耦合的料浆余热回收升温利用模式。

本发明的有益效果是利用工艺系统料浆垂直输送高度实施自然循环沸腾传热回收料浆余热且直接利用或升温利用的过程，减少了传统工艺专为料浆降温所设的过程与设备，节省了冷却水。余热回收直接利用模式不消耗动力，升温利用模式所利用热量的总和与消耗的动力之比（供热系数）不低于10，获得的冷量与消耗的动力之比（供冷系数）不低于5。实施本发明方法回收利用料浆余热对相关工业领域节能、减排和提高余热回收利用的经济性均有显著作用。

附图说明 附图1是本发明提供的自然循环沸腾传热回收浆状物料余热及其升温利用方法示意图。图中：1–再沸器；2–气液分离器；3–回热器；4、4’ –截止阀；5–吸收器；6–绝热解析器；7–压缩机；8–冷凝器；9–蒸发器；10–工质循环泵；11–料浆循环泵；12–膨胀阀。

具体实施方式 以下结合但不限于实施例阐述本发明具体实施方式

实施例1：回收半水法磷矿石酸解反应槽95℃废热，直接用于加热工艺水。磷矿石酸解料浆循环量300 m³/h，从95℃降温至92℃。料浆固体颗粒物含量35%、平均密度1700kg/m³、定压热容2.75 kJ/kg.℃。工艺水流量15000kg/h，从15℃加热至75℃。

该实施例采用料浆余热回收直接利用模式。如附图所示，截止阀4与4’均关闭。95℃的酸解料浆通过循环泵11加压，以1.9 m/s的流速通过高度为15m的直立自然循环再沸器1的管程，在管内强制对流放热，降温至92℃，从顶部排出后按工艺要求分配到对应的酸解槽参与反应。再沸器1列管外的壳程空间内，以氨（NH₃）为传热工质，在12℃的平均传热温差推动下吸热汽化，形成压力4.2~4.5MPa的上升气液两相流，通过气液分离器2后，氨蒸汽（80~82℃）直接进入高度为9m的直立管壳式回热器3的壳程冷凝放热，将管程自上而下沿管内壁降膜流动的工艺水从15℃加热至75℃。回热器3壳程冷凝的液氨从底部返回气液分离器2的液相空间，并通过下降管从底部进入再沸器1的壳程，参与沸腾传热汽化。本实施例再沸器1壳程上升流动的气液两相流平均密度小于330 kg/m³、下降管流动的液氨密度大于700kg/m³，二者密度差产生的自然循环推动力确保从下降管进入再沸器1的液氨工质流量与回热器3壳程冷凝的氨蒸汽质量流量之比大于8。该实施例无需外加动力。

该实施例与原半水法磷矿石酸解反应槽低位闪蒸降温方法相比，其有益效果是：1）回收利用余热折合低压饱和蒸汽1800 kg/h；2）节省冷却水用量100 t/h及相应动力消耗45kW；3）杜绝了由此产生的含氟废气排放及含氟废水处理。

实施例2：回收湿法磷酸浓缩产生的75℃含氟废蒸汽余热，将其回用于浓缩过程。废蒸汽流量5000 kg/h，含氟量0.026 kg-F/kg-H₂O。

该实施例采用料浆余热回收升温利用模式，传热工质采用55%~65%的氨-水二元溶液。首先以常规喷淋冷却冷凝塔方式，用65℃的循环料浆600 m³/h将该含氟废蒸汽冷凝，循环料浆温升至70℃，含氟化物颗粒不超过3%。该料浆通过一道网孔直径约2mm的筛网后，进入循环泵11加压，以2.5 m/s的流速通过高度为15m的直立自然循环再沸器1的管程，在管内强制对流放热，降温至65℃，从顶部排出，其中5000 kg/h输出并澄清后作为湿法磷酸过滤工序洗水、其余进入喷淋冷却冷凝塔循环使用。

如附图所示，采用料浆余热回收升温利用模式，截止阀4与4’均开启。经过绝热解析器6降温降压解析后的溶液，氨含量58%~62%、温度28~38℃、压力0.6~1.2MPa，该溶液通过工质循环泵10加压输送至气液分离器2底部位置处连接的下降管顶端，参与再沸器1壳程的自然循环沸腾传热，产生的气液两相流平均温度55~60℃、压力1.0~1.5MPa，上升进入气液分离器2，气相氨含量大于99%、液相氨含量56%~60%，气、液两相在0.04~0.06MPa压差推动下进入回热器3的壳程空间，依附换热管外壁面在52~57℃温度下进行气液吸收与混合，吸收热通过管壁传递给管程流动的来自吸收器5的循环稀磷酸900 t/h、将其从43~45℃进一步加热到44~46℃后进行低温真空闪蒸浓缩。回热器3壳程的氨-水溶液下降15m进入直立管壳式吸收器5的壳程，在50~55℃的温度下吸收从蒸发器9输送来的氨蒸汽，吸收热通过管壁传递给管程流动的稀磷酸900 t/h、使其从40~42℃升温到43~45℃送往回热器3管程继续加热。吸收器5壳程的氨-水溶液浓度增加到64%~68%，进入绝热解析器6降温降压解析，溶液氨含量下降到与回热器3壳程出口相同（58%~62%）、温度比之降低15~25℃、压力比之降低0.1~0.5 MPa，通过溶液循环泵10加压输送至气液分离器2底部位置处连接的下降管的顶端，参与自然循环沸腾传热。绝热解析器6汽化的氨蒸汽则由压缩机7加压至5.5~6.0MPa，在直立管壳式冷凝器8的壳程冷凝放热，将管程循环流动的620 t/h稀磷酸从 80~85℃加热到85~90℃后真空闪蒸浓缩，产生75℃含氟废蒸汽5000 kg/h即为本实施例回收及升温利用的废热源。冷凝器8壳程液化的液氨通过膨胀阀12减压后在水平管壳式蒸发器9的壳程吸热汽化、将管程流动的冷却水从38~40℃降温至35℃以下循环用于上述低温真空闪蒸浓缩尾气冷却冷凝。

本实施例与常规磷酸浓缩方法相比，其有益效果是：1）回收浓缩产生的含氟废蒸汽余热并升温回用于浓缩热源，利用的热量与消耗的动力之比大于12.5；2）同时获得冷量使低温真空闪蒸浓缩冷却水封闭循环，获得的冷量与消耗的动力之比大于6.2；3）杜绝了含氟废气排放及含氟废水处理。

本发明不限于上述实施例，其技术方案已在发明内容部分予以说明。

Claims (2)

1.一种自然循环沸腾传热回收腐蚀性料浆余热的方法，其特征在于利用工艺系统自身所需的料浆垂直输送高度，构建上升管内料浆强制对流放热、管外低沸点传热工质自然循环沸腾吸热的高效余热回收方式，无需外加循环动力；

用料浆循环泵使含有60～105℃余热的料浆加压进入直立的管壳式自然循环再沸器管程底部，分布到列管内上升流动，流速不低于1.5m/s，向管壁强制对流放热，降温到52～103℃从管程顶部排出；再沸器壳程空间内的工质在小于20℃的传热温差推动下间壁接受管内料浆放热而汽化，形成压力0.8～8.0MPa的上升气液两相流，进入气液分离器；

通过气液分离器，50～100℃的工质蒸汽进入直立管壳式结构的回热器壳程冷凝放热，将管程流动的工艺物流加热到48～98℃，由此构成余热回收直接利用模式，该模式下气液分离器与回热器壳程空间等压，在回热器壳程冷凝的工质从底部返回气液分离器的液相空间，并通过下降管从底部进入再沸器壳程，壳程沸腾传热高度至少6.0m，汽化产生的气液两相流平均密度比下降管内液相工质密度小至少1倍，由密度差产生的自然循环推动力，确保下降管内液体工质的质量流量与回热器壳程冷凝的蒸汽质量流量之比大于5.0；

所指腐蚀性料浆是各种固体颗粒质量含量不大于40％、表观黏度不大于50mPa·s的溶液；

所指低沸点传热工质是纯溶剂或完全互溶的二元溶液，其常压沸点温度0～-35℃，在本方法工作范围内沸腾压力0.6～6.0MPa。

2.一种自然循环沸腾传热回收腐蚀性料浆余热及升温利用的方法，其特征在于利用工艺系统自身所需的料浆垂直输送高度，构建上升管内料浆强制对流放热、管外低沸点二元溶液自然循环沸腾吸热汽化的高效余热回收方式，无需外加循环动力；

所指低沸点二元溶液是轻、重两组分完全互溶的溶液；

轻组分含量50.5％～66.5％的溶液在直立管壳式自然循环再沸器壳程空间回收60～105℃料浆余热产生的上升气液两相流进入气液分离器，在至少0.03MPa压差推动下，向回热器壳程输出轻组分含量大于99％的蒸汽和轻组分含量50％～65％的液相工质，使二者在回热器壳程空间均匀混合吸收，通过管壁输出吸收热使管程流动的工艺物流温升到比气液分离器中轻组分蒸汽温度只低5～10℃；

回热器壳程混合均匀的工质溶液轻组分含量50.5％～66.5％，下降至少10m的高度，进入直立管壳式吸收器的壳程，在比回热器壳程高至少0.07MPa的压力下吸收从蒸发器输送来的轻组分蒸汽、使溶液轻组分含量比回热器增加2.5％～6.0％，通过管壁输出吸收热使管程流动的工艺物流温升到比气液分离器中轻组分蒸汽温度低8～12℃；

吸收器壳程混合均匀的工质溶液进入绝热解析器降温降压解析，溶液中轻组分含量下降到与回热器出口溶液相同、温度则比之降低15～25℃、压力比之降低0.1～0.5MPa，解析后的溶液通过工质循环泵加压输送至气液分离器底部位置处连接的下降管顶端，参与自然循环沸腾传热；

绝热解析器解析产生的轻组分蒸汽通过压缩机加压后在直立管壳式冷凝器壳程冷凝放热，通过管壁输出热量将管程流动的工艺物流加热到70～110℃；

冷凝器壳程液化的轻组分工质通过膨胀阀减压后进入水平管壳式蒸发器壳程、在比吸收器壳程高至少0.02MPa的压力下汽化吸热，通过管壁输出冷量将管程流动的冷却水降温至低于38℃。