книги из ГПНТБ / Розенберг Е.Х. Горючие, тепловые отходы и энерготехнологическое комбинирование в фосфорной промышленности

Т а б л и ц а 8

Энергетические затраты в себестоимости тонны фосфора при использовании печного газа для производства элек троэнергин

Рассматриваемый вариант имеет самый низкий уровень энергетических затрат, централизованную схему сжигания печного газа, но страдает одним существенным недостатком, а именно увеличением капитальных вложений за счет строи­ тельства заводской ТЭЦ.

ТЭЦ при этом обладает малой мощностью и ее экономиче­ ские показатели значительно ниже, чем у современных круп­ ных энергетических станций.

На основании изложенных способов использования отхо­ дящих газов фосфорных печей следует, что использование печного газа по последним двум вариантам является наибо­ лее рентабельным и их можно рекомендовать для промыш­ ленного внедрения применительно к конкретным условиям предприятия. Внедрение одного из способов использования печного газа позволит снизить энергетические затраты на од­ ну тонну фосфора на 6—8%, что принесет заводу мощностью 260000 т фосфора в год дополнительную экономию порядка 3,0—3,5 млн. руб. в год при незначительном увеличении ка­ питальных вложений в производство.

Как видно, наиболее экономичные способы использования химического тепла отходящих газов фосфорных печей связа­ ны с применением котла-утилизатора. Однако, наличие в от­ ходящих газах паров фосфора и фосфина, которые при сжи­ гании образуют фосфорные кислоты, может привести при оп­ ределенных условиях к возникновению интенсивной коррозии поверхностей нагрева котла.

24

В этой связи оказалось необходимым определить условия, вызывающие недопустимо высокую скорость коррозии метал­ лов, для чего в первую очередь необходимо установить состав среды, контактирующей с поверхностями нагрева, влияние тем­ пературы металла и состава среды в различных местах топки на скорость коррозии поверхностен нагрева.

С этой целью ОКБ ЭТХИМ совместно с ЛЕННИИГИПРОХИМ и ЧФЗ провели работы по определению скорости корро­ зии сталей в среде продуктов сгорания отходящих газов фос­

форных печей.

Полученные зависимости скорости коррозии углеродистых и легированных сталей от температуры приведены на рис. 2 и 3.

'■■y'iijxo коррозии^ м м /іад

Рис. 2. Скорость коррозии углеродистых и низколегированных сталей

— в зависимости от температуры.

На рис. 2 показана зависимость скорости коррозии от тем­ пературы стенок для углеродистых сталей (Ст. 3, сталь 45) и

низколегированной стали (20ХМФБР).

Наблюдаемый разброс экспериментальных точек, характе­ ризующих скорость коррозии определенной марки стали при близких температурах стенок, связан с усреднением темпера­ туры испытуемых образцов по его длине и по времени.

Из графика на рис. 2 видно, что Ст. 3 сталь 45 и сталь 20ХМФБР не может применяться для изготовления поверхно-

25

стей нагрева котлов-утилизаторов с температурой стенок ниже 240—250°С.

В интервале температур стенок 120—160°С скорость кор­ розии этих сталей наиболее высокая и достигает 1,5—2 мм/год.

Из-за недостатка экспериментальных точек, в диапазоне температур 320—500°С не удалось получить четкой зависи­ мости скорости коррозии. На рис. 2 пунктиром показан при­ близительный характер изменения глубины коррозии в интер­ вале температур 320—500°С.

При температурах порядка 270—280°С, соответствующих температурам стенки радиационных, поверхностей нагрева котлов среднего давления, глубина коррозии испытанных углеродистых п низколегированных сталей не превышает ве­ личины 0,15 мм/год.

На рис. 3 показана зависимость скорости коррозии'от тем-

Рис. 3. Скорость коррозии хромоникелевых и хромоникелемолибденовых

-сталей в зависимости от температуры.

пературы стенки для легированных хромоникелевых (Х18Н9Т; 1Х16Н4Б; 1Х21Н5Т) и х р о м о н и к е л е м о л и б д е н о в ы х (Х17Н13М2Т) сталей.

26

ния фосфорной кислоты от концентрации видно, что при тем­ пературе стенкн 120—160°С на образцах конденсировалась именно 60—80-процентная фосфорная кислота. С увеличением температуры стенки на образцах конденсировалась кислота большей концентрации. Так при темпертуре 300°С на образцах могла конденсироваться кислота с содержанием Р2 О5 не ме­ нее 75% (103,5%' Н3РО4) (Рис. 5). Как известно, с увеличс-

Рис. 5. Диаграмма составов пара и жидкости си­ стемы Н20 — Р20 5:

нием концентрации фосфорной кислоты наблюдается увеличе­ ние стойкости металла, что, очевидно, объясняется измене­ нием свойств кислоты в связи с переходом ортоформы в полимеризованные формы.

Снижение скорости коррозии легированных сталей при температурах стенки ниже 120°С связано, видимо, с защитны­ ми действиями образовавшейся пленки фосфатов тяжелых ме­ таллов (хрома, молибдена и др.), которая с повышением тем­ пературы проявляет тенденцию к разрушению (разбухает,

28

растворяется), что служит одной из причин увеличения скоро­ сти коррозии.

Полученные данные о скорости коррозии сталей в среде продуктов сгорания печного газа были использованы при кон­ струировании котла-утилизатора для сжигания отходящих га­ зов фосфорных печен. ОКБ ЭТХИМ выполнен эскизный про­ ект такого 'котла-утилизатора. Производительность котла 50 т/час. Давление пара 40 ата. При таком давлении темпера­ тура стенок экранных поверхностей котла равна 270—280°С. Конструктивно котел выполнен на базе котла ГМ-50-1 Белго­ родского котлостроптелыюго завода (рис. 6 ). Котел выполнен но П-образной схеме с совмещенной стенкой и выносным воз­ духоподогревателем. Котел однобарабанный с естественной циркуляцией. Топочная камера полностью экранирована тру­ бами из углеродистой стали. На боковых стенках топки раз­ мещены по три горелки для сжигания низкокалорийного топ­ лива. Схема испарения двухступенчатая. Первой ступенью ис­

парения служат внутрнбарабанные циклоны, второй—вынос­ ные сепарационные циклоны.

Пароперегреватель — конвективный, горизонтальный, рас­ положен в опускном газоходе и по ходу пара разбит на две ступени. Температура перегрева регулируется поверхностным пароохладителем.

Водяной экономайзер — кипящего типа, гладкотрубный, змеевиковый, располоясен в опускном газоходе, состоит из двух блоков. Кипящая часть выполнена из углеродистой ста­ ли, некипящая — из легированной.

Воздухоподогреватель трубчатый с прямоточно-противо­ точной схемой движения воздуха, выполнен из легированной стали.

Наряду с перечисленными исследованиями, на наш взгляд целесообразно, исследовать вопрос дополнительной очистки отходящих газов от паров фосфора и фосфина. Решение этого вопроса значительно улучшит условия работы поверхностей нагрева котла-утилизатора в атмосфере продуктов сгорания отходящих газов фосфорных печей и сделает ненужным очист­ ку продуктов сгорания после котла перед выбросом их в ат­ мосферу.

29

3. Тепло экзотермической реакции окисления фос­ фора в производстве фосфорной кислоты

В технологии производства термической фосфорной кисло­ ты, при окислении фосфора выделяется тепло в количестве 5640 ккал на 1 кг фосфора, что соответствует 40% мощности, расходуемой для выработки этого количества в электротерми­ ческом способе.

Например, на Джамбулеком заводе двойного суперфос­

мощности, потребляемой на заводе для ведения электротерми­ ческого процесса возгонки фосфора.

В настоящее время, тепло при сгорании фосфора, совсем не -используется. Научно-исследовательскими и проектными институтами ведутся работы на стадии лабораторных иссле­ дований и опытных проработок по созданию высокоэкономичных схем получения фосфорной кислоты с использованием теплофизических свойств фосфора.

Одним из направлений использования тепла сгора-ния фос­ фора является теплообменно-тіспар.ительна'Я схема производ­ ства фосфорной кислоты. Так, например, на Джамбулеком заводе двойного суперфосфата перевод производства фос­ форной кислоты с циркуляционной схемы на теплообмен- но-испарптельную, кроме сокращения капитальных вложении позволит-выработать 900 000 то-н-н технологического пара в год.

Следует отметить, что тепло-вой коэффициент полезного действия парогенератора при теплообмѳнно-и-апар-ит-ельной схеме производства фосфорной кислоты не превышает 0,55— 0,6. Столь низкий коэффициент полезного действия является следствием стремления недо-пустить в парогенераторе конден­ сации фосфорной кислоты и тем самым предотвратить корро­ зию поверхностей нагрева.

Более полной утилизации тепла сгорания фосфора можно достичь, применяя для окисления фосфора осущенный воздух. Здесь уместно обратиться к опыту производства серной кисло­ ты. Если в производстве серной кислоты по контактному ме­ тоду для окисления серы до двуокиси серы применяется сухой воздух, то образующиеся продукты сгорания являются не аг­

31

рессивными и могут быть использованы в котлах для произ­ водства пара.

Удаление влаги из воздуха, используемого для горения элементарного фосфора, приведет к образованию безводной пятиокиси фосфора, которая также является нс агрессивным соединением.

Однако S 0 2 представляет собой газ, а Р20 5 при нормаль­ ных условиях — твердое вещество. Осаждение Р20 5 на трубах котлов или других теплообменных устройств приведет к серь­ езным трудностям в их работе.

На рис. 7 приведена расчетная кривая зависимости точек

Парциальное даіпение АДв. ш ріл cm

Рис. 7. Расчетная кривая точек росы фосфорного ангидрида для газов, полученных при сжигании фосфора в сухом воздухе.

росы фосфорного ангидрида для газов, полученных при сжи­ гании фосфора в сухом воздухе, от избытка последнего. Поль­ зуясь этим графиком, можно выбирать требуемые темпера­ турные условия работы теплообменных аппаратов.

Непременным условием для проведения процесса сжига­ ния фосфора в сухом воздухе является поддержание темпера­ туры стенки поверхностей нагрева и температуры продуктов сгорания на выходе из котла-утилизатора выше точки росы фосфорного ангидрида. В этом случае исключается возмож­ ность осаждения Р2 О5 на поверхностях нагрева, а также на выходе из котла фосфорный ангидрид будет находиться в га­ зообразном состоянии и его можно будет абсорбировать циркулирующей фосфорной кислотой в специальной башне с

.32

насадками. Так при коэффициенте избытка воздуха3 =1,2 точка росы фосфорного ангидрида равна 265°С.

Отсюда следует, что при сжигании фосфора в сухом возду­ хе температура стенки поверхностей нагрева котла-утилиза­ тора должна быть не ниже 280—300°С. Как известно, темпе­ ратура стенки радиационных поверхностей нагрева котловутилизаторов среднего и высокого давления всегда выше ука­ занного предела.

Таким образом, для наиболее полной утилизации тепла сгорания фосфора в теплообменных устройствах с выработкой пара, для нормального ведения процесса необходимо произво­ дить пар энергетических параметров.

На необходимость производства пара энергетических па­ раметров при сжигании фосфора указывает и тот факт, что при условии отсутствия внешнего потребителя современные фосфорные заводы имеют ограниченную потребность в тех­ нологическом паре, который в достаточных количествах мо­ жет быть выработан при использовании горючих и тепловых отходов производства.

Пар энергетических параметров может быть использован для выработки электроэнергии, с возвратом последней в про­ цесс производства фосфора.

Все эти предпосылки легли в основу приводимого «иже

энерготехнологического способа производства полифосфорной кислоты.

Вторым направлением использования тепла сгорания фос­ фора является использование тепла по регенеративной схеме, т. е. возвратом его непосредственно в технологический про­

котлы являются простым дополнением к существующим про­

изводственным агрегатам, благодаря которым достигается эко­ номия топлива по заводу. Использование тепла непосред­ ственно в технологическом печном агрегате дает не только эко­ номию топлива в самом агрегате и по заводу в целом, но и способствует повышению технологических показателей рабо­ ты агрегата и, в частности, росту его удельной производи­ тельности.

Как будет показано ниже, наиболее полное использование всех ресурсов производства достигается в комплексных высо­ котемпературных энерготехнологических процессах с непо­ средственным использованием тепла сгорания фосфора.

33