年产量一万吨黄磷电炉设计中技术优化探讨

年产量一万吨黄磷电炉设计中技术优化探讨作者：孔繁颖

来源：《现代商贸工业》2011年第14期

摘要：黄磷是一种极重要的基础工业原料，用于化肥，食品，电子工业等等方面。但是黄磷是高能耗产品，能源短缺是全社会目前面临的重要问题，如何合理有效地用能即高效率用能，已成为二十一世纪全球实现可持续性发展可供选择的方法之一，也是有识之士共同关注的问题。主要阐述了作为化工行业的设计院，为了贯彻落实黄磷产业政策，促进磷化工及相关行业可持续发展的现实要求，先后对黄磷电炉进行了扩能技改设计。在设计过程中，通过对炉体尺寸的扩容，底板的调整，测温口位置的改变，炉盖的优化和改变，达到提高黄磷生产率，降低成本的目的。

关键词：黄磷；制磷电炉；创新；优化

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2011）14-0283-02

1 概述

黄磷是一种极重要的基础工业原料，主要用途是制成热酸和磷酸盐，用于肥料、食品、医药、农药和电子工业。黄磷生产一般采用电炉法，将磷矿石、硅石和焦炭按一定比例及粒度混合后放入电炉，利用电炉产生的高温将矿石熔化、分解，并发生一系列的氧化还原反应，气态的单质磷随炉气一并进人冷却、洗涤系统，单质磷被分离出来。但是黄磷是高能耗产品，能源短缺是全社会目前面临的重要问题，如何合理有效地用能即高效率用能，已成为二十一世纪全球实现可持续性发展可供选择的方法之一，也是有识之士共同关注的问题。所以，为促进产业结构升级，有效遏制黄磷行业盲目投资，制止低水平重复建设，依据国家有关法律法规和产业政策，按照“控制总量、节约资源、降低能耗、保护环境、持续发展”的原则，云南省经济委员会发布并于2005年9月1日起执行的云南省黄磷行业准入条件中指出，单台磷炉容量在5500KVA、设计生产能力在2000吨／年以下的装置不得进行扩能改造。单台磷炉容量在10000KVA、设计生产能力5000吨／年以下的装置，必须在2007年底前进行扩能改造；同时，必须配套改造原料加工、尾气利用、泥磷回收、污水处理等关键工序，合理利用余热、炉渣等资源。磷化工作为云南省支柱产业之一，是一项高能耗、高污染的行业，因此节能降耗就成为磷化工企业降低产品成本、提高经济效益的有效手段之一。黄磷作为磷化工产品原材料，其本身的价值成本将决定其后续产品的价格，因此降低黄磷产品成本就成为必须注意的问题，

而作为黄磷生产耗能最大的电炉也就成为我们设计研究的重要环节。作为化工行业的设计院，为了贯彻落实黄磷产业政策，促进磷化工及相关行业可持续发展的现实要求，先后对云南及周围周边省市的一些黄磷厂进行了扩能技改设计。在设计过程中，不断摸索，吸取经验，对黄磷电炉进行了优化设计，技术创新，为黄磷厂提高了生产效率，降低了成本。

2 采用的优化及创新

（1）电炉容量。

制磷电炉是个电气、热工和化工设备，它承受着极为不利的操作条件。炉体是炉料进行加热、熔融并进行进行还原反应的地方。黄磷生产电炉的电耗的综合影响因素特别多，几乎黄磷生产运行所用的每一种源材料、辅料和每一个操作环节等都直接或间接的对其产生影响。但从宏观上看，降低电炉电耗的主要途径就是“三提高”：提高入炉混合炉料品位，提高混合炉料化料量，提高黄磷电炉产率。混合炉料化料量随电炉容量增大而增大的主要原因是：①电炉容量越大，单位容量铁损、网损以及涡流损耗和磁滞损耗越低，特别是电炉采用水冷铜管、炉面以上全采用不锈钢隔磁等，这类损耗更低得多；②电炉容量越大，电炉体单位容量热损失越低，尤其是单套25000KVA电炉散热表面积比总容量同等的几套小电炉散热表面积的总和小得多。例如：某黄磷厂电炉原内径为7050mm，电炉内高5500mm，自投产以来，磷炉运行稳定性差，断电极频繁，且每处理一次需要较长时间，设备运行率低，电极所用费用也高，不仅影响了生产的正常运行，还显著提高了产品成本。改造后电炉内径由7050mm改为8600mm，电极中心圆直径由原来的2700mm改为3400mm，一方面减小了电极与电极间的死角，炉内熔池增大，炉料的反应更加充分，产量增加，由原来的日产20t/d提高到日产28t/d（达到云南黄磷行业准入条件10000t/a的要求）；另一方面减小了炉内塌料，使炉压波动不大，电流稳定好操作，断电极率明显降低。因此，黄磷电炉容量的提高，是降低单位劳动力成本的必然趋势。电炉容量越大，黄磷入炉成本越低（不含原材料和电炉电的异常损耗）；电耗越低；综合效益越好。

（2）底板。

制磷电炉是黄磷生产的核心设备，规模的大小由黄磷的生产能力决定，通常由变压器的容量来决定。由于电炉操作效率在很大程度上受到热损失的影响，所以，要求维持最小的热损失。为了延长电炉的使用寿命，要求炉体外壁有一定的散热和冷却。为了保证炉底钢板不致引起热变形，整个炉体应固定在易于散热的基础上。我们采用的是炉底板下焊接工字钢，工字钢再放在土建条形混凝土基础上的结构，工字钢与底板的拼板焊缝平行，但与土建条基方向垂直，以达到自然通风冷却，并增加炉底钢板刚性的作用。并且，土建条形混凝土基础要有一定的高度，便于工人下去检修。

（3）测温口位置的改变。

仪表的炉底测温口以前大多设置在炉壁上，一般为4个测温点，均布于靠近炉底最底层的耐火砖的炉壁上。为了更精确监测炉底温度，测温管会尽量插入接近炉子中心，测温管外设保护套管，便于拔出检修。但在实际生产中，因电炉温度逐渐升高，保护套管太长，使用一段时间后发生变形，测温管拔不出来，无法检修，监测数据也不再准确。在之前提到的土建条形混凝土基础提高后，我们把炉底测温口改到了炉底板，减短了保护套管的长度，并且选用了耐高温的材料，方便了仪表口的检修，使监测数据更精确，更好的掌握炉况信息。

（4）炉盖。

国内1万吨/年黄磷电炉炉盖大多采用一种拱形结构，由圈梁支承，安置炉体外壳上部的环形板上。现在的黄磷电炉大多采用耐热混凝土拱顶，这种结构不用钢筋，选用耐火度高的耐火水泥和集料捣制，浇筑方便，大大节省了工时，既降低了造价，又保证了结构的稳定性。但是这种炉拱必须注意炉盖与炉壁是否结合牢固，防止因炉壁的热膨胀而变形，而造成炉盖塌落。因此在吸取了昆明马龙化工有限公司3万吨/年黄磷大电炉的经验，将不锈钢板制成的平炉盖技术应用到1万吨/年的黄磷电炉上，并在炉盖内侧喷涂专利轻质混凝土，悬挂锚固砖增加炉盖强度。见附图1。平炉盖具有如下优点：

①减少材料的使用，降低生产成本。此炉盖与原先的混凝土炉拱相比，使用材料大大减少，节省投资费用。

②增加有效容积。取消混凝土炉拱后，炉膛容积扩大，炉内熔池增大，炉料的反应更加充分，减少热损失，产量增加。并且在保证容积不变的情况下，可适当降低炉体高度，减少炉体材料的使用。

③炉体高度降低后，减少了炉内塌料，使炉压波动不大，电流稳定性好，电极的运行距离也相应缩短，减小了电极运行过程中折断的可能性。

④与原先的混凝土炉拱相比,不锈钢板平炉盖并不起承重的作用，只是起绝缘与隔热的作用，更易于养护，没有炉盖塌落的担忧。

⑤由于载有大电流的电极通过炉盖钢板，电流产生的交变磁通，会使钢板反复磁化，并在其中产生感生涡流，引起额外的能量损失，即涡流损耗和磁滞损耗。所以，将平炉盖材料采用全不锈钢，能够减少涡流损耗和磁滞损耗，降低了电炉电耗。

为防止平炉盖因跨距大而产生的变形，我又在炉盖顶部靠近中心的位置加设了索扣，与电炉液压升降平台相连接，减小了炉盖的变形。见附图2。

3 结语