磷酸装置酸性含氟循环冷却水系统设计

（南化集团设计院，南京 210048）　周朝金

　　摘　要：磷酸生产装置的循环冷却水具有含氟、含磷，pH值较低，悬浮物含量较高。循环回水温度较高的特点。针对这些特点，磷酸生产装置循环冷却水系统的设计要能满足防腐。防结垢、防堵塞的要求，以使磷酸生产装置的循环冷却水系统正常运行。
　　关键词：磷酸；循环冷却水；设计
　　中图分类号：TQ126.3
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009-2455（2000）01-0013-03

The Dsign of Acidic and Fluorine-Containing Recirculating Cooling Water System
ZHOU Chao-jin

　　Abstract: The recirculating cooling water for phosphoric acid production plants is featured by low content of fluoring. low content of phosphorus, low pH value, high contents of suspended matters and high temperature of recirculating cooling water. Taking into consideration these features, the design of the recirculating cooling water system for phosphoric acid production plants shall satisfy the requirements for corrosion resistance, scaling resistance and blocking resistance so as to ensure the normal operation of the recirculating cooling water system for phosphoric acid production plants.
　　Keywords: phosphoric acid plant; recirculating cooling water; design

前言

　　磷肥行业的主导产品一磷酸的生产过程中有大量的含氟酸性污水产生，为避免这些污水污染环境，最理想的办法是对这些污水进行回用，做到污水零排放或少排放。磷酸装置酸性循环水系统的设计即是将磷酸生产过程中产生的污水作为工艺循环冷却水，做到正常生产过程中污水不外排，也节约厂一次水的用量。下面以4万吨／年磷酸装置为例对酸性含氟循环水系统的设计进行讨论。

1 酸性含氟循环水系统流程

1.1 酸性含氟循环水的用途
　　目前湿法磷酸的生产几乎全部采用硫酸法，即用98％的浓硫酸分解磷矿，这种工艺生产过程中要用到酸性循环水，其主要用于以下几方面。
1.1.1 带走反应稀释热和净化有害气体
　　在磷矿与硫酸的反应过程中有大量的反应热和硫酸的稀释热需要从系统中移去，移走的方法是通过料浆在真空状态下闪蒸蒸发，蒸发出的水蒸汽和含氟有害气体在大气冷凝器中和循环水混和，从而被冷却和洗涤，这部分循环水的用量为358m³／h。
1.1.2 用于过滤系统的气体冷却和洗涤
　　过滤机的过滤真空度由水环式真空泵产生，真空泵抽出的气体在过滤系统大气冷凝器中和循环冷却水混和而被冷却和洗涤，循环水用量为50－60 m3／h。
1.1.3 混用作尾气洗涤器的补充水和过滤机的洗涤水
　　尾气洗涤器用于洗涤。净化来自反应槽的尾气和过滤机散发出的含氟气体以及磷酸储槽中溢出的含氟气体，洗涤器的补充水为酸性循环水，用量为15m³/h，该部分循环水被工艺消耗。过滤机的三洗水也采用酸性循环水，用量为15m³／h，这部分循环水电被工艺系统消耗。
　　供大气冷凝器使用的循环冷却水，在使用过程中因吸收水蒸汽及气体中的杂质，使循环水量及杂质含量增加。
　　循环水流量见图1。
1.2 酸性含氟循环水系统补充水的来源
　　在磷酸装置设计中，为节约一次水用量，设计中将用于工艺系统水环式真空泵的直流冷却水（未受污染），作为酸性循环水的补充水，多余部分向外排放。这样在装置正常运行的情况下，酸性循环水系统无须对外排污，也不用一次水作补充水。
　　上述酸性循环水来自酸性循环水站的冷水泵，冷却回水通过重力流管道送至循环水热水池，经热水泵加压上塔冷却，再循环使用。循环水系统流程简图见图1。

　　由于部分循环水被工艺消耗，循环水系统可不设排污设施。

2 循环系统设备选型

　　磷酸装置循环冷却水的回水温度一般为45℃，在冷却过程中与含有F-、P₂O₅及水蒸汽的湿热气体进行混合，使循环水中含有氟（主要以HZSIF6形式存在）和少量P₂O₅浊度升高（有时高达11mg／L以上），酸性较强。因此，所选用设备要能满足耐氟、耐酸、耐磨、耐温的要求，磷酸装置酸性循环水系统的主要设备有冷、热水加压泵和冷却塔。
2.1 泵的选型
　　工程设计中，酸性含氟循环水加压泵一般选用工程塑料离心泵或不锈钢耐腐蚀离心泵。
2.1.1 工程塑料泵
　　工程塑料泵的过流部件采用超高分子聚乙烯制作，具有耐腐、耐磨。耐冲击等优点，在化肥行业中适于输送氢氟酸、氟硅酸及磷酸料浆等介质，适用温度为一50℃－80℃，因此，可以用来输送酸性含氟循环水。笔者在数个小型磷酸装置循环水设计中均选用了这种泵，并已有几年的成功运行经验，工程塑料离心泵的造价要比不锈钢离心泵低得多。
2.2.2 不锈钢泵
　　不锈钢离心泵应用在含氟酸性循环水中，已有多年的成功运行经验，但不是每种不锈钢材质都能适用，循环水泵过流部件的材质应根据循环水的水质确定，能成功使用的不锈钢材质有316L和1Cr18Ni12Mo2Ti等。不锈钢水泵的使用寿命较长，但价格昂贵。
2.2 冷却塔的设计
　　冷却塔是循环水系统的核心设备，酸性含氟循环水冷却塔与清洁循环水冷却塔的主要区别在于对防腐蚀、防堵塞要求高和冷却温差大。冷却塔选型推荐使用鼓风式钢筋混凝土冷却塔，该塔具有如下特点：
2.2.1 塔的主体结构选型
　　冷却塔的四周侧壁及其内部的主要支撑结构均为钢筋混凝土，混凝土与循环水接触的表面，加做防腐层的材料一般采用耐氟环氧树脂及涤纶无纺布等，由于钢筋混凝土结构的梁板表面平整，棱角和连接点少，防腐层的施工质量能够保证，防腐层在安装和运行过程中不易被破坏。如果采用钢结构，因其棱角和连接件。连接点多，防腐层施工很难保证质量，在安装及运行过程中，防腐层很容易被破坏，造成钢构件及螺栓很快被腐蚀。因此，在磷酸装置酸性循环水设计中一般不使用钢结构冷却塔。由于酸性循环水中的氟对玻璃纤维有腐蚀作用，防腐层中及与循环水接触的管材和板材中禁止使用玻璃纤维材料。
2.2.2 配水系统设计
　　混凝土冷却塔内的配水采用混凝土水槽，有水管与配水槽和喷头连接，喷头采用上喷式，靠喷头出口与配水槽中的水位差使喷头的出水呈伞形分布，这样布置既延长了水气的热交换时间，又能有效的防止喷头堵塞。设计中在每个布水管的末端设有放水阀，使布水管能够定期冲洗，防止水中的杂质在管道内沉积结垢。冷却塔内的布水管及喷头采用聚丙烯（PP），硬PVC或ABS等耐氟、耐酸的材料制造，填料及收水器也采用PP、PVC等材料制造。对浊度较低的冷却水（＜70mg/L）采用薄膜型填料，对高浊度冷却水采用点滴式填料，以防填料堵塞。
2.2.3 风机的防腐
　　冷却塔鼓风机叶片设在冷却塔壁外侧，防止循环水侵蚀叶片。叶片及电机、减速箱等，均需要进行加强防腐处理。冷却塔的材修门及内走道等均要采用耐酸、耐氟的材料制造。

3 输水管材的设计选用

　　设计选川的管材，应能耐氢氟酸、氟硅酸、硫酸及磷酸的腐蚀。目前的设计中选用的管材主要有衬胶钢管、PP管。FRP／PP和FRP／PVC复合管、钢塑管（内衬高分子聚乙烯）等等。
　　聚氯乙烯管、聚丙内烯管、衬胶钢管、钢材聚乙烯管等，均能耐磷酸。低浓度氢氟酸、氟硅酸及硫酸的腐蚀，均可用于输送酸性循环水，但因循环水温度较高，且大部分管道埋地敷设，而聚氯乙烯的耐温性个如聚丙烯管，衬胶钢管和衬塑钢管的施工安装较复杂，须采用法兰接口，用于埋地管道不太合适，且价格较高。故聚丙烯管及玻璃钢／聚丙烯复和管是用于输送酸性循环水是较理想的管材。由循环水管的工作压力一般不高于0.50MPa，使用0.6MPa压力等级的管道即可，阀门一般选用衬胶或衬四氟防腐。

4 结语

　　酸性循环水系统设计的好坏，直接关系到工艺装置的污水排放量及一次水的用量的多少。对循环水系统的防腐及材料的选用，关系到循环水装置能否正常运行和投资的大小，也关系到整个磷酸装置能否正常运行、例如某磷酸工程选用了钢结构玻璃钢冷却塔，因钢结构防腐很难做得面面具到，加上安装和管理上的疏漏，使酸性防性循环水乘隙而人，严重腐蚀厂钢结构，造成冷却塔的严重破坏，目前正在运行的磷酸装置酸件循环水系统有很多成功的经验值得我们在设计中予以借鉴。新型防腐材料和耐腐管道的不断出现，给我们的设计选材提供了充分的选择余地，我们在设计中应力求从经济适用和长远利益出发进行精心设计，将“一切为用户服务”的指导思想切实贯彻到设计中。

　　作者简介：周朝金（1964-），男，工程师