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1、黄磷尾气用于烘干的热能计算及烘干机的选型摘要：黄磷尾气中含有80%-85%的一氧化碳，是一种燃值很高的气体，本 文通过物料衡算和热量衡算介绍了黄磷尾气用于烘干确切的量，并通过尾气提供 的热量对烘干机进行选型计算。关键词：黄磷尾气；物料衡算；热量衡算；烘干机选型由于黄磷尾气含有磷、硫、砷、氟等杂质及较多水分，不净化直接作为 燃气使用，对结构复杂的热工设备会产生较为的严重腐蚀。所以直接燃用未净化 的黄磷尾气，其热工设备结构不能复杂，无材料保护的受热金属构件要求便于更 换。这就制约了黄磷尾气热能利用效率地提高和热能利用途径的拓，目前我国的 多数黄磷厂尾气除用于原料的烘干外都是直接燃烧，这种直接燃烧放
2、空不仅浪费 资源且污染环境，近年来，很多化工企业在逐步寻求黄磷尾气净化后作为化工原 料合成多种化工产品及作为燃料用于发电。黄磷尾气用于原料的烘干一直是黄磷尾气最直接的用途，不仅不需要净化对 设备也无特殊要求，一直是黄磷尾气的最大用途，云南南磷集团在弥勒巡检司电 厂拥有一座135MW发电机组，根据国家关于加快关停小火电机组若干意见的 通知要求：“ 十一五期间，在大电网覆盖范围内逐步关停以下燃煤（油） 机组（含企业自备电厂机组和趸售电网机组）：单机容量5万千瓦以下的常规火 电机组；运行满20年、单机10万千瓦级以下的常规火电机组；按照设计寿命服 役期满、单机20万千瓦以下的各类机组；供电标准煤耗高
3、出2005年本省（区、 市）平均水平10%或全国平均水平15%的各类燃煤机组；未达到环保排放标准 的各类机组；按照有关法律、法规应予关停或国务院有关部门明确要求关停的机 组。”该发电机组的规模属于国家关停之列，但其服役期尚未达到设计寿命。为 使该发电机组在有效使用期限内，继续发挥装置能力。公司决定将其改造为用黄 磷尾气作为辅助劣质煤燃烧热电联产装置。将公司5万吨/年黄磷产能转移至巡 检司电厂附近，用黄磷生产所副产的尾气作为燃料发电，所发电再回于黄磷电炉 自用，这样不仅节能减排，还提高产品的附加值，降低综合能耗，如何合理分配 黄磷尾气用于烘干的量就成了一个一个问题，下面我们以南磷年产五万吨黄磷装
4、 置为例，计算黄磷尾气用于烘干的量是多少。1. 原料用量通过物料平衡算出年产5万吨黄磷所用原料如下表：表二：年产5万吨黄磷原料用料表（kt/a）将上表转换成小时消耗量，一年按6000小时计则:表三：年产5万吨黄磷原料用料表(t/h)2. 物料衡算和热量衡算为确保生产能顺利进行，原料烘干机初步设计为5台，如下表:表四：烘干机一览表2.1磷矿石物料衡算和热量衡算以一台烘干机为例，已知条件：处理量取中间值G1=30t=30000kg/h,磷矿的 密度 ps=2250kg/m³比热容 Cs=0.8kJ(kg.C),堆积密度 ps1=1400kg/m³温度为 t0=20C，磷 矿初始
5、含湿量31=13%，最终湿度32=3%，用热空气进行干燥(黄磷尾气直接 燃烧加热，同时用鼓风机吹入空气)，环境温度t设为20C，热空气入口温度 t1=700C。出口气速u=1.5m/s,采用并流干燥。(1)物料衡算 水分蒸发量=2783.5kg/h 产量 G2=G1-W=30000-2783.5=27216.8 kg/h 绝干物料 G=G1(1-31)=30000(1 -0.12)=26400 kg/h(2)热量衡算查手册知：水的比热容cw=4.19kJ/ (kg.C)，水蒸气比热容cw1=1.886kJ/(kg.C),水在0C的汽化潜热r0=2504 kJ/ (kg.C),空气比热容cg=1
6、.05 kJ/ (kg.C)。查干燥器设 计手册有经验公式，干燥器进口的热空气温度有如下经验关系t2=0.05t1+64.5所以 t2=0.05700+64.5=99.5C磷矿干燥所需要的热量主要有三部分组成 磷矿中水分蒸发所需要的热量Q1=W(r0+cw1t2-t0cw)Q1=2783.5(2504+1.886-204.19)=7258969.96kJ/h 磷矿升温所需要的热量Q2=G2cs(t2-t0)Q2 =27216.80.8(99.5-20)=1730988.48 kJ/h 产品磷矿中残留水分升温所需热量Q3=G22cw(t2-t0)Q3 =27216.80.03(99.5-20)=
7、271981.56 kJ/h考虑热损失，取热损失系数为1.25则 烘 干 磷 矿 所 需 的 热 量Q=1.25(Q1+Q2+Q3)=1.25(7258969.96+1730988.48+271981.56)=11577425.01 kJ/h热源提供的热量Q0 = Q=13110156.55 kJ/h所以磷矿烘干机所需热源 Q磷=Q0=13110156.55 kJ/h2.2焦炭物料衡算和热量衡算已知条件:处理量取中间值G1=30t=30000kg/h,焦炭的密度ps=500kg/m³ 【1】比热容Cs=1.2kJ(kg.C)【1】，堆积密度ps1=750kg/m³【1】温度为
8、t0=20C，焦炭初始含湿量31=10%，最终湿度32=1%，用热空气进行干燥(黄 磷尾气直接燃烧加热，同时用鼓风机吹入空气)，环境温度t设为20C，热空气 入口温度t1=700C。出口气速u=1.5m/s，采用并流干燥。(1)物料衡算 水分蒸发量=2727.3kg/h 产量 G2=G1-W=30000-2727.2=27272.8 kg/h 绝干物料 G=G1(1-ro1)=30000(1 -0.10)=27000 kg/h(2)热量衡算查手册知：水的比热容cw=4.19kJ/ (kg.C),水蒸气比热容cw1=1.886kJ/ (kg.C),水在 0C的汽化潜热 r0=2504 kJ/ (
9、kg.C)，空气比热容 cg=1.05 kJ/ (kg.C)。查干燥器设计手册有经验公式，干燥器进口的热空气温度有如下经验 关系 t2=0.05t1+64.5所以 t2=0.05700+64.5=99.5C焦炭干燥所需要的热量主要有三部分组成 焦炭中水分蒸发所需要的热量Q4=W(r0+cw1t2-t0cw)Q4=2727.3(2504+1.886-204.19)=7112408.4kJ/h 焦炭升温所需要的热量Q5=G2cs(t2-t0)Q5=27272.8 1.2(99.5-20)=2307278.88 kJ/h 成品焦炭中残留水分升温所需热量Q6=G22cw(t2-t0)Q6=27272.
10、80.01(99.5-20)=90847.1 kJ/h考虑热损失，取热损失系数为1.25则 烘 干 焦 炭 所 需 的 热 量Q8=1.25(Q1+Q2+Q3)=1.25(7112408.4+2307278.88+90847.1)=9510534.34 kJ/h焦炭备用一台烘干机，所以焦炭所需热量Q9=2 Q8=19021068.68 kJ/h热源提供的热量Q焦=Q=21539261.79 kJ/h所以整个原料烘干系统所需的总热量Q总=。磷+。焦=kJ/h+21539261.79kJ/h=60869731.44 kJ/h黄磷尾气的热值约为10000KJ/Nm3 ,则单位所需尾气量为 V=608
11、6.97Nm3/h每生产一吨黄磷可产生25003000Nm3的尾气，取最小值，一顿黄磷产生 2500 Nm3尾气，则年产5万吨黄磷的单位产气量V1如下：V1=2500=20833.3 Nm3/h所以黄磷尾气用于原料烘干的量占总尾气的百分比为=29.2%烘干机选型验算3.1转同干燥机直径D的验算以一台磷矿烘干机为例子；前面算出磷矿烘干机所需热源Q0= 13110156.55 kJ/h则所需要的空气量为：L= =18364.56kg/h空气的密度随温度的变化关系用如下经验表达式：pg = (kg/m³)当 t2=99.5 C 时，pg = =0.953 kg/m³水蒸气密度随温
12、度的变化关系用如下经验表达式：pw = (kg/m³)当 t2=99.5C 时，pw = =0.537 kg/m³)因烘干机下料出和热空气进口处敞开不完全封闭，所以空气会漏入，故取空 气漏入量系数为1.2所以 空气体积 V1=1.2=1.2=23124.31m³/h水蒸气的体积 V2 = =5183.43 m³/h气体总体积 Vg=V1+V2=23124.31+5183.43=28307.74 m³/h转筒直径D=u:操作气速；u=1.5m/s k:考虑抄板等影响的有效截面系数，k=0.8-1.0,取 k=0.85贝D= =2.8m3.2转同干
13、燥机长度L0的验算干燥剂属于直接加热型；所以其传热量Q传=haV(Atm)= haL0D(Atm)其中ha-容积传热系数，W/(m³.C)；V-干燥器的有效容积，m³；tm-干燥器对数平均温差，C此次设计采用的是尾气直接燃烧加热空气，属于并流传热，对于并流干燥有 经验公式黑田经验公式HaD=2.0X103(FpS)0.7GM0.3但因计算数据与测量结果偏差较大，这一领域研究正待完善，所以对于常规 直接加热的转同干燥机容积传热系数ha=400850kJ/ (m3h C)，转同直径大取 小值，转同直接小取大值，无实际设计参考数据时取ha=650 kJ/ (m3h C)为宜干燥器
14、对数平均温差Atm有如下经验公式，=1.5 2.0式中t1、t2分别为空气的进出口温度，lt为转筒有效长度，m,Gm，为湿空气 质量流率，kg/(mCh1为干空气的比热容，J/(kg.C)，取值为2.0.所以由=1.5 2.0tm= =300CQ 传=haV(tm)= haL0D(Atm) L0= =24通过计算，烘干机型号选择如下表五：烘干机型号一览表通过物料衡算和热量衡算得出黄磷尾气用于原料烘干的量约占总尾气的 30%，电炉法生产黄磷，每生产一吨黄磷便可产生25003000Nm3的尾气，其 中CO含量大于80%，热值约为10000KJ/Nm3。目前我国100多家黄磷厂家中， 多数厂家都将剩余的70%尾气直接燃烧放空，这不仅浪费资源，同时也污染环境， 所以在尾气的净化利用方面有待提高。参考资料1. 于才渊王宝和王喜忠干燥装置设计手册化学工业出版社 北京2005 年5月2. 梁英教车萌昌无机物热力学手册东北大学出版社沈阳1993年8月3. 刘光启马连湘刘杰化学化工物性数据手册有机卷化学工业出版社北 京2002年5月4. 刘光启马连湘项曙光化学化工物性数据手册无机卷化学工业出版社 北京2002年5月
