中国是黄磷和热法磷酸生产大国,总生产能力及产量均超过世界产能和产量的70%。黄磷产能集中于云、鄂、贵、川四省,热法磷酸产能则主要分布在消费与交通枢纽地区,集中于桂、云、苏、鄂、贵、川等六省。进入二十一世纪,节能低碳成为时代发展主题,中国成功开发的直接利用自然空气燃烧黄磷的热能回收利用技术,采用了燃磷塔与反应热回收装置相结合的整体设计方案来回收反应热；所设计的具有反应热回收装置特种燃磷塔,同时具备两个功能：其一,能满足磷化工生产的要求,相当于化工设备中的一个反应塔；其二,能满足反应热回收的要求,相当于热工设备中的工业锅炉。该技术在国内获得全面推广和应用,带动了热法磷酸新一轮的技术进步。该工艺方法即为带热能回收的燃烧水化二步法。该工艺与装备技术,自2001年产业化至今,其装置能力占据了国内热法磷酸生产能力的47%。带热能回收的燃烧水化二步法技术自应用以来,极大地推动了热法磷酸的技术进步,但由于受当时研究的限制,单系列装置规模只能达到6.5万吨／年,极大地限制了劳动生产率的提高,限制了能源的有效利用。而提高回收热能副产蒸汽的压力将使热法磷酸生产系统的能量利用更趋于合理。而且中压蒸汽更适宜与发电系统配套,为热法磷酸生产的余热发电创造了条件。大型化是化工生产的基本要求。装置大型化,有利于减少操作人员,提高劳动生产率；有利于降低单位产品的投资额；有利于降低消耗。由于本研究的介质是黄磷在自然空气中燃烧,燃烧后生成双分子五氧化二磷P4010,P4010与空气中的水分结合成含磷的化合物,这些物质在高温(平均2000℃,局部高温可达2600～2800℃)下具有强烈的腐蚀性,如何防止高温下的腐蚀是本研究的核心。本研究是在已有的带热能回收副产低压蒸汽的燃烧水化二步法基础上,进一步系统研究并解决利用自然空气燃烧黄磷副产中压蒸汽及其大型化带来的以下三个关键问题：(1)蒸汽压力提高,使得特种燃磷塔的内表面温度上升,造成原有的水冷壁翅片腐蚀,如何在获得中压蒸汽的同时,有效解决腐蚀问题,是本研究技术的核心技术。(2)蒸汽压力提高,对设备强度要求随之提高,如何在既满足设备不被腐蚀,又满足压力容器的强度、刚度要求的设备结构,是保证特种燃磷塔长周期运行的关键。(3)装置大型化受到运输条件的限制,其外形最大尺寸为∮4200,扣除接管等,实际特种燃磷塔的塔壁外形尺寸不能超过∮3800。原设备的换热完全依靠膜式水冷壁将热量带走,由于燃烧温度与热流密度的关系,使得在一定直径的膜式水冷壁换热器难于达到更高燃磷量的单系列能力,限制了装置的大型化。针对以上三个关键性问题,本研究开展了三个方面的工作：(1)通过实验室、中试与生产状态结膜物的研究,初步揭示了结膜物的形成机理,提出了结膜物腐蚀控制参数。研究表明,在高温低水分条件下,P4010与H2O反应生成超磷酸化合物,该物质在<490℃时冷凝形成固体结膜物,该结膜物对316L材质的腐蚀率<0.06mm/a,属于轻微腐蚀；结膜物的存在阻断了高温腐蚀性气体与燃烧塔内壁面的直接接触,反应塔材质的防腐问题由含磷酸及其聚合物的高温腐蚀性气体对设备材质的强腐蚀转化为固体结膜物对设备材质轻微腐蚀的影响,从而有效地阻断了高温腐蚀性气体对燃烧塔内壁面的腐蚀。研究获得了形成结膜物控制的条件是：H2O/(H2O+P4O10)5%-28%；反应区域温度>1000℃,燃磷塔出口温度>600℃；反应器内壁温度<490℃。(2)在结膜物研究成果的基础上,建立了能反映燃磷塔内的流动、燃烧与传热过程的综合数学模型。采取循序渐进的办法,建立了由连续性方程、动量方程、能量方程、组分输运方程等构成的控制方程组,其中湍流流动采用标准k-ε双方程模型,湍流燃烧采用涡耗散模型,辐射传热采用P-1模型来封闭控制方程组。依据此数学模型详细系统地分析了影响大型燃磷塔余热回收的各结构与运行参数,分别模拟研究了塔形、塔高、塔径、喷枪高度、喷枪安装角度及其数量等不同结构参数和燃磷量、空气过剩系数等工艺控制参数对燃磷塔内流场、温度场和浓度场的影响规律,获得的燃磷塔优化设计方案为；塔型：圆形塔；直径3600mm；塔高11000～12000mm;双喷枪；喷枪高度～1650mm；喷枪夹角41°；空气过剩系数1.3～1.7；燃磷量：2600-3000kg/h。经与产业化装置相关数据印证,数值模拟所得到的燃磷塔温度分布、出口浓度分布和余热回收率等与投产设备的运行情况吻合较好。(3)以防腐机理和腐蚀控制方法为主线,以数值计算结果为基础,以提高副产蒸汽压力与设备大型化为目标,通过研发双环形上集箱及其防腐结构、变径管与下集箱连接结构以及喷磷枪附近采用局部冷却水箱结构对特种燃磷塔进行了结构创新。其中,通过降低翅片宽度,进一步降低了翅片中心温度;采用双环形的内、外上集箱可以满足燃磷塔产生中压蒸气的强度要求；采用变径管与下集箱连接技术,配合采用小冷却水箱的创新结构,既满足了下集箱的强度要求,确保了结膜物的形成,同时也保证了自然水循环的安全性；喷磷枪附近采用局部冷却水箱结构可有效避免高温腐蚀现象,保证特种燃磷塔的正常运行。采用同一下集箱环管与环形内外联通的上集箱相联,或上下集箱之间的径向多层排管技术,在设备直径变化不大的情况下获取了足够的换热面积,解决了带有余热回收装置的特种燃磷塔外径受限条件下受热面大型化问题。通过研究,本课题获得了三个方面的成果：①首次在国际上建成了利用自然空气燃烧黄磷并副产中压蒸汽的大型化装置；②编制国家标准1项；③获得2014年度中国石油和化学工业联合会科学技术奖二等奖1项。