岳陽(yáng)市鉀鹽科學(xué)研究所 岳陽(yáng) 414000

我國(guó)硝酸鉀生產(chǎn)工藝主要有三種：①硝酸銨與氯化鉀離子交換法；②硝酸銨與氯化鉀復(fù)分解法；③硝酸與氯化鉀轉(zhuǎn)化法[1-3]。在這些硝酸鉀生產(chǎn)工藝中，蒸汽能耗占硝酸鉀生產(chǎn)成本至少在15%以上，為此，在硝酸鉀生產(chǎn)企業(yè)中進(jìn)行了節(jié)能技術(shù)改造。現(xiàn)以復(fù)分解法生產(chǎn)硝酸鉀裝置節(jié)能技術(shù)改造為例, 簡(jiǎn)要介紹如下幾項(xiàng)節(jié)能技術(shù)在硝酸鉀生產(chǎn)中的應(yīng)用及節(jié)能效果。

1 蒸汽直接加熱溶解氯化鉀[4-5]

改造前，氯化鉀溶解與升溫是在攪拌條件下，將蒸汽通入蛇管進(jìn)行間壁加熱升溫，使氯化鉀溶解，由于蛇管傳熱系數(shù)與傳熱面積受到限制，故加熱升溫時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)氯化鉀溶解速度慢，生產(chǎn)效率低，蒸汽冷凝水的顯熱未能利用。

改造后，采用蒸汽直接加熱溶解氯化鉀工藝，將蒸汽直接通入混合料液中，通入的蒸汽與氯化鉀混合料液直接換熱，高溫蒸汽換熱后變成冷凝水留在混合料液中，這部分冷凝水正好作為溶解氯化鉀所需的補(bǔ)充水，使混合料液溫度不斷升高直至沸騰；同時(shí)由于高溫高速的蒸汽在混合料液中沖刷翻動(dòng)料液，使投入的氯化鉀在加熱與沖刷翻動(dòng)中快速溶解。如通入蒸汽所形成的冷凝水量不夠工藝要求的補(bǔ)充水量，則可以另行補(bǔ)充加入來(lái)自硝酸鉀蒸發(fā)濃縮工段的冷凝水，直到配制成符合工藝要求的氯化鉀溶液。

與原溶解氯化鉀工藝相比，蒸汽直接加熱溶解氯化鉀具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

(1)蒸汽熱能利用率高，每生產(chǎn)1t硝酸鉀可節(jié)省蒸汽用量62kg，相應(yīng)節(jié)省水62kg。

(2)新工藝可省去攪拌機(jī)和蛇管換熱器設(shè)備，節(jié)省設(shè)備投資。

(3)不僅加熱速度很快，而且溶解氯化鉀速度也快，從而使生產(chǎn)時(shí)間縮短。

2 空氣冷卻結(jié)晶工藝

改造前，硝酸鉀冷卻結(jié)晶采用真空冷卻結(jié)晶裝置，使用三級(jí)蒸汽噴射真空泵抽真空，使真空結(jié)晶器內(nèi)硝酸鉀溶液在負(fù)壓狀態(tài)下蒸發(fā)水份，從而使溶液溫度下降并結(jié)晶析出硝酸鉀，真空冷卻結(jié)晶所得產(chǎn)品清潔，生產(chǎn)效率高，但操作控制復(fù)雜，能耗高[6]。每生產(chǎn)1t硝酸鉀需消耗蒸汽1.18t，冷卻水15.5t，且蒸汽壓力至少要達(dá)到0.7MPa以上。

改造后，采用空氣冷卻結(jié)晶工藝，以空氣為冷卻劑冷卻硝酸鉀溶液[7]。其工作原理是在空氣冷卻結(jié)晶器內(nèi)，通過(guò)特制的噴射裝置將硝酸鉀溶液分散成水滴或水膜狀，通過(guò)風(fēng)機(jī)與空氣分布裝置將空氣均勻鼓入空氣冷卻結(jié)晶器，硝酸鉀溶液在與空氣逆流充分接觸過(guò)程中，發(fā)生對(duì)流傳熱和蒸發(fā)傳熱。對(duì)流傳熱是硝酸鉀溶液和空氣之間存在溫差，通過(guò)熱傳導(dǎo)傳熱來(lái)冷卻；蒸發(fā)傳熱是空氣吸收水蒸汽，使溶液中的水分蒸發(fā)帶走熱量，使硝酸鉀溶液冷卻并析出硝酸鉀結(jié)晶。采用空氣冷卻結(jié)晶工藝過(guò)程中，熱量是靠液滴和空氣間的擴(kuò)散和對(duì)流來(lái)傳遞的。硝酸鉀溶液冷卻傳熱速率隨空氣與溶液的界面面積、相對(duì)流速、接觸時(shí)間以及冷卻范圍的增加而增加。

改造后的空氣冷卻結(jié)晶裝置采用二級(jí)冷卻，即第一級(jí)空氣冷卻結(jié)晶器先初步冷卻硝酸鉀溶液，再進(jìn)入第二級(jí)空氣冷卻結(jié)晶器冷卻至終點(diǎn)溫度,并析出大量硝酸鉀結(jié)晶。

為了防止空氣流夾帶液滴造成物料損耗，空氣冷卻結(jié)晶裝置采用了合理的布液裝置與風(fēng)速，并增設(shè)了捕液裝置。在空氣冷卻結(jié)晶過(guò)程中，采用控制溶液的過(guò)飽和度與加快溶液對(duì)流擴(kuò)散，從而析出晶粒較大的結(jié)晶產(chǎn)品。

與原真空冷卻結(jié)晶工藝相比，改造后的空氣冷卻結(jié)晶工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)使用空氣作為冷卻介質(zhì)，不需使用冷卻水與蒸汽，每生產(chǎn)1t硝酸鉀節(jié)省蒸汽1.18t和冷卻水15.5t。

(2)空氣冷卻結(jié)晶比真空冷卻結(jié)晶夾帶液滴損耗要小，每生產(chǎn)1t農(nóng)用硝酸鉀，空氣冷卻結(jié)晶消耗氯化鉀為0.768t，而真空冷卻結(jié)晶消耗氯化鉀為0.772t。

(3)空氣冷卻結(jié)晶所得產(chǎn)品結(jié)晶粒度比真空冷卻結(jié)晶粒度大。生產(chǎn)實(shí)踐表明，兩種工藝所得產(chǎn)品純度與雜質(zhì)無(wú)差異，這是因?yàn)樵谙礈煜跛徕浡入x子過(guò)程中，也一并將空氣中雜質(zhì)洗去，使空氣中的雜質(zhì)最終進(jìn)入氯化銨產(chǎn)品。

(4)采用大風(fēng)量、小功率的軸流風(fēng)機(jī)，耗電較低。

(5)投資省，不到真空冷卻裝置的50%。

3 蒸發(fā)后溶解硝酸銨

原來(lái)是在蒸發(fā)濃縮前溶解硝酸銨，即先將分離硝酸鉀后的母液通蒸汽加熱后，加入硝酸銨溶解，再送蒸發(fā)器蒸發(fā)濃縮，濃縮后再冷卻析出氯化銨結(jié)晶。硝酸銨溶解熱為337kJ/kg[8]，溶解硝酸銨過(guò)程中需消耗蒸汽，實(shí)際生產(chǎn)中，每噸硝酸鉀溶銨時(shí)消耗蒸汽520 kg。

改造后，將硝酸銨溶解改為在蒸發(fā)后進(jìn)行，即將分離硝酸鉀后的母液直接送蒸發(fā)器蒸發(fā)濃縮后，再加入硝酸銨溶解，冷卻析出氯化銨結(jié)晶。硝酸鉀母液蒸發(fā)后，出料溫度一般為95℃，加入硝酸銨溶解后，由于硝酸銨溶解要吸熱，溶液溫度下降約為9℃，顯然，蒸發(fā)前溶解硝酸銨因吸熱而需消耗蒸汽，而蒸發(fā)后溶解硝酸銨卻省去了這部分蒸汽能耗，同時(shí)，蒸發(fā)后溶解硝酸銨，由于降低溫度，還有利于氯化銨冷卻結(jié)晶。

與蒸發(fā)前溶解硝酸銨工藝相比，蒸發(fā)后溶解硝酸銨工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)改造后，硝酸銨溶解不需消耗蒸汽，利用蒸發(fā)濃縮液顯熱溶解，每生產(chǎn)1t農(nóng)用硝酸鉀，節(jié)省蒸汽520 kg。

(2)改造后，氯化銨冷卻結(jié)晶的初始溫度由原95℃下降為86℃，可節(jié)省冷卻水14.5t。

4 二效蒸發(fā)工藝

改造前，使用兩臺(tái)外循環(huán)蒸發(fā)器，蒸發(fā)方式為單效蒸發(fā)，先將溶液在第1臺(tái)蒸發(fā)器蒸發(fā)至一定濃度，然后再送入第2臺(tái)蒸發(fā)器蒸發(fā)至終點(diǎn)濃度，每生產(chǎn)1t農(nóng)用硝酸鉀，耗蒸汽量為2.1t。

改造后，將原兩臺(tái)外循環(huán)蒸發(fā)器改為二效順流蒸發(fā)工藝，其工藝流程為：

溶液先經(jīng)過(guò)預(yù)熱器預(yù)熱，然后進(jìn)入第Ⅰ效蒸發(fā)器，在0.1MPa條件下蒸發(fā)濃縮到溶液溫度約為122℃，第Ⅰ效蒸發(fā)器出來(lái)的溶液靠壓差進(jìn)入第Ⅱ效蒸發(fā)器，在負(fù)壓條件下蒸發(fā)濃縮到溶液溫度約為95℃，最后用泵將完成液打入氯化銨冷卻結(jié)晶器，加入硝酸銨溶解后，再進(jìn)行冷卻結(jié)晶。蒸發(fā)過(guò)程中，來(lái)自鍋爐的蒸汽進(jìn)入第Ⅰ效蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)，由第Ⅰ效蒸發(fā)器出來(lái)的二次蒸汽進(jìn)入第Ⅱ效蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)，由第Ⅱ效蒸發(fā)器出來(lái)的二次蒸汽進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱溶液，從預(yù)熱器中出來(lái)的蒸汽與冷凝水經(jīng)汽水分離器分離冷凝水后，進(jìn)入冷凝器冷凝，再去真空系統(tǒng)抽真空以維持第Ⅱ效蒸發(fā)器內(nèi)的負(fù)壓。

經(jīng)過(guò)兩年多運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐表明，采用二效順流蒸發(fā)工藝比原單效蒸發(fā)工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)節(jié)能降耗顯著，每生產(chǎn)1t農(nóng)用硝酸鉀，耗蒸汽量由原來(lái)2.1t下降為1.3t，節(jié)省蒸汽0.8t。

(2)設(shè)備腐蝕現(xiàn)象顯著減輕，原來(lái)兩臺(tái)蒸發(fā)器蒸發(fā)操作溫度、壓力、濃度都較高，設(shè)備在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，故腐蝕速度較快，采用二效順流蒸發(fā)工藝后，第Ⅰ效蒸發(fā)器在低溫度、低濃度下運(yùn)行，第Ⅱ效蒸發(fā)器在低溫、高濃度下運(yùn)行，從而減緩了設(shè)備腐蝕速度。

5 干燥機(jī)空氣加熱器串聯(lián)進(jìn)蒸汽

硝酸鉀干燥選用振動(dòng)流化床干燥機(jī)，改造前，采用蒸汽并聯(lián)進(jìn)入3臺(tái)空氣加熱器，每臺(tái)空氣加熱器出口的蒸汽較多，損失大，每生產(chǎn)1t農(nóng)用硝酸鉀，干燥機(jī)耗蒸汽量為220kg。

硝酸鉀物料的干燥過(guò)程被分為兩個(gè)階段[9]：

(1)恒速干燥階段，開(kāi)始干燥時(shí)，硝酸鉀物料含有較多水份，干燥過(guò)程主要是除去物料表面含有的自由水以及從物料內(nèi)部因毛細(xì)管力遷移到表面的內(nèi)部水。在恒速干燥階段，需大的熱風(fēng)量和高的氣流速度，把水分氣化的蒸汽從物料表面迅速吹走，以提高干燥速率。

(2)降速干燥階段，當(dāng)物料干燥到濕含量達(dá)到臨界含量時(shí)，進(jìn)一步干燥使表面出現(xiàn)干點(diǎn)，干燥速率下降，在物料的濕含量降至與氣相濕度相應(yīng)的平衡值時(shí)，干燥停止。在降速干燥階段，從物料表面水分氣化的蒸汽顯著減少，需要的熱風(fēng)量顯著減少、熱風(fēng)氣流速度顯著降低。

根據(jù)這一原理，對(duì)干燥機(jī)內(nèi)部熱風(fēng)供給分布進(jìn)行改造，將原3臺(tái)空氣加熱器的蒸汽由并聯(lián)進(jìn)汽改為串聯(lián)進(jìn)汽，即蒸汽先進(jìn)第1臺(tái)空氣加熱器、從加熱器出口排出的蒸汽進(jìn)第1臺(tái)汽液分離器進(jìn)行汽液分離，汽液分離后的低壓蒸汽送第2臺(tái)空氣加熱器，排出的蒸汽進(jìn)第2臺(tái)汽液分離器進(jìn)行汽液分離，汽液分離后的低壓蒸汽送第3臺(tái)空氣加熱器，排出的蒸汽進(jìn)第3臺(tái)汽液分離器進(jìn)行汽液分離，蒸汽冷凝水外排供溶解氯化鉀使用。

改造中，干燥機(jī)的干燥面積不變，干燥能力與效果不變。改造后，每生產(chǎn)1t農(nóng)用硝酸鉀，干燥機(jī)節(jié)省蒸汽量為60kg。

6 結(jié)語(yǔ)

將蒸汽直接加熱溶解氯化鉀、空氣冷卻結(jié)晶、蒸發(fā)后溶解硝酸銨、二效蒸發(fā)、干燥機(jī)空氣加熱器串聯(lián)進(jìn)蒸汽等節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用于硝酸鉀生產(chǎn)中，每噸硝酸鉀可降低蒸汽消耗分別為62kg、1180kg、800kg、520kg、60kg，合計(jì)降低蒸汽消耗2622 kg, 按年生產(chǎn)20kt硝酸鉀計(jì)，年可節(jié)約蒸汽52440t(約合7341.6t標(biāo)準(zhǔn)煤)，新增經(jīng)濟(jì)效益786萬(wàn)元。這些節(jié)能新技術(shù)可以大幅度降低硝酸鉀能耗與生產(chǎn)成本，提高企業(yè)竟?fàn)幜Α?/p>

參 考 文 獻(xiàn)

1 張 罡,夏重陽(yáng),何斌鴻等.我國(guó)硝酸鉀市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力分析[J].化學(xué)工業(yè),2007(9)：16-18.

2 沈晃宏,張 罡,張一甫等.年產(chǎn)20kt硝酸鉀生產(chǎn)裝置概況[J].化工進(jìn)展,2002,21(7)：506-508.

3 易健民,張 罡,沈晃宏等.硝酸鉀與氯化鎂聯(lián)產(chǎn)新工藝[J].現(xiàn)代進(jìn)展,2005,25(6)：52-54.

4 張 罡,易健民,沈晃宏.復(fù)分解法生產(chǎn)硝酸鉀技術(shù)存在的問(wèn)題與建議[J].化肥設(shè)計(jì),2006,44(3)：39-41.

5 張 罡,沈晃宏,張一甫.用直接混合式加熱改造間壁式加熱化鉀工藝[J].中氮肥,2005(1)：39-40.

6 沈晃宏,張 罡.硝酸鉀真空冷卻結(jié)晶工藝[J].化學(xué)工程,2006,34(5)：16-18.

7 張 罡.硝酸鈉轉(zhuǎn)化法制取硝酸鉀新工藝裝置[J].化工設(shè)計(jì),2009，19(5)：11-13.

8 化肥工業(yè)大全編委會(huì).化肥工業(yè)大全[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988.

9 江家伍,夏 萍,夏 薇.提高熱效率的節(jié)能干燥工藝[J].包裝與食品機(jī)械,2001,19(3)：23-25.