張 罡 岳陽(yáng)市鉀鹽科學(xué)研究所 岳陽(yáng) 414000

我國(guó)生產(chǎn)硝酸鉀主要方法是硝酸銨與氯化鉀復(fù)分解法，生產(chǎn)裝置規(guī)模一般在1 至2.5kt/a，機(jī)械化自動(dòng)化水平較低，部分生產(chǎn)廠仍是間歇式生產(chǎn)。

為擴(kuò)大硝酸鉀生產(chǎn)裝置規(guī)模，實(shí)現(xiàn)硝酸鉀規(guī)模化連續(xù)化自動(dòng)化生產(chǎn)，根據(jù)20 多年的硝酸鉀生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在原有20kt/a 硝酸鉀裝置基礎(chǔ)上，為某公司設(shè)計(jì)建設(shè)了一套50kt/a 農(nóng)用硝酸鉀生產(chǎn)裝置。我們?nèi)虆⑴c該裝置的設(shè)計(jì)、設(shè)備制作、安裝、人員培訓(xùn)、開(kāi)車(chē)指導(dǎo)、單機(jī)試車(chē)、聯(lián)動(dòng)試車(chē)。2015年初，裝置正式投料試車(chē)，取得成功，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹該裝置設(shè)計(jì)與投料試車(chē)情況。

1 裝置設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)

1.1 復(fù)分解三步循環(huán)法工藝

國(guó)內(nèi)普遍采用硝酸銨與氯化鉀復(fù)分解四步循環(huán)法生產(chǎn)硝酸鉀，即在循環(huán)銨母液中加入氯化鉀加熱溶解，再冷卻結(jié)晶分離得硝酸鉀，分離鉀母液中再加入硝酸銨溶解，經(jīng)蒸發(fā)濃縮，再冷卻結(jié)晶，分離得氯化銨［1，2，4］。本裝置采用硝酸銨與氯化鉀復(fù)分解三步循環(huán)法生產(chǎn)硝酸鉀，其工藝過(guò)程:將硝酸銨與氯化鉀及添加劑硝酸鈉按一定比例混和溶解于熱水中，經(jīng)冷卻結(jié)晶分離硝酸鉀，分離所得鉀母液經(jīng)蒸發(fā)濃縮到一定濃度后，再冷卻結(jié)晶分離氯化銨，分離的銨母液返回循環(huán)使用。三步循環(huán)法和四步循環(huán)法相比有以下特點(diǎn)［5，6］:

(1)減少了一個(gè)加料步驟，使工藝控制更簡(jiǎn)單方便，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)化自動(dòng)化控制操作。

(2)加入鹽析劑硝酸鈉，使硝酸鉀與氯化銨結(jié)晶率提高，減少工藝母液循環(huán)量，降低能耗，且提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 空氣冷卻結(jié)晶工藝

本裝置采用4 臺(tái)噴射式空氣冷卻結(jié)晶塔串聯(lián)，連續(xù)冷卻結(jié)晶析出硝酸鉀。冷卻塔直徑4.5m，高15m，用循環(huán)泵將塔底溶液抽送到塔中間設(shè)置的噴射裝置，使溶液通過(guò)噴嘴從下往上噴射，溶液噴射一定高度后，再自由散落入塔底部槽中。同時(shí)，自然通風(fēng)的空氣作為冷卻介質(zhì)和溶液直接混合接觸，溶液冷卻結(jié)晶析出硝酸鉀。

與國(guó)內(nèi)采用的真空結(jié)晶相比，本裝置硝酸鉀冷卻結(jié)晶不消耗水和蒸汽，噸硝酸鉀產(chǎn)品耗電33.3kWh，能耗與成本均降低。

1.3 氯化銨結(jié)晶工藝

氯化銨外循環(huán)空氣冷卻結(jié)晶工藝設(shè)備主要由結(jié)晶器、循環(huán)泵、翅片管換熱器與風(fēng)機(jī)組成。其工藝過(guò)程:結(jié)晶器中溶液通過(guò)循環(huán)泵以一定流速循環(huán)通過(guò)翅片管換熱器的管程，在風(fēng)機(jī)將空氣鼓入翅片管換熱器殼程內(nèi)條件下，溶液與空氣通過(guò)間壁換熱而實(shí)現(xiàn)氯化銨冷卻結(jié)晶，換熱后熱空氣送干燥機(jī)干燥用。本裝置氯化銨結(jié)晶采用外循環(huán)空氣冷卻結(jié)晶工藝，與傳統(tǒng)的夾套冷卻和真空冷卻結(jié)晶工藝相比，不消耗水與蒸汽，更加節(jié)能，結(jié)晶粒度大［9，10］。

1.4 干燥與除塵

振動(dòng)流化床干燥機(jī)在國(guó)內(nèi)硝酸鉀行業(yè)應(yīng)用效果較好，本裝置仍選用振動(dòng)流化床干燥機(jī)組，該機(jī)組主要包括振動(dòng)流化床、熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、換熱器、旋風(fēng)除塵器、水沫除塵器和除塵循環(huán)泵。由于生產(chǎn)能力較大，流化床篩板也由原來(lái)的圓孔型改為條形孔，布風(fēng)與干燥效果更佳。

1.5 三效逆流蒸發(fā)工藝

由于溶液蒸發(fā)過(guò)程中，沸點(diǎn)升高較大，故采用了三效逆流蒸發(fā)工藝。蒸發(fā)器采用外循環(huán)蒸發(fā)器，設(shè)備材質(zhì)選用進(jìn)口2205 雙相合金鋼，Ⅰ效、Ⅱ效、Ⅲ效蒸發(fā)器換熱面積依次為250m2，280m2，280m2。

1.6 分離

硝酸鉀晶體料液與氯化銨晶體料液均采用重力沉降稠厚器增濃，增濃到固液比40% ～50%后，進(jìn)雙級(jí)活塞推料離心機(jī)離心分離。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品連續(xù)分離與洗滌。

1.7 節(jié)水措施

所有泵與離心機(jī)冷卻用水及蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝水全部回收，用于系統(tǒng)配料補(bǔ)水。一次蒸汽冷凝水回收后用于冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水及鍋爐房補(bǔ)水。實(shí)現(xiàn)水循環(huán)平衡，節(jié)省大量水。

1.8 DCS 控制系統(tǒng)

本裝置采用DCS 控制系統(tǒng)，大部分控制采用單回路控制，蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)出料液系統(tǒng)與投料配比采用比值控制，硝酸鉀結(jié)晶溫度控制采用串級(jí)控制。

主要儀表選型力求穩(wěn)妥可靠，操作方便。溶液與水流量檢測(cè)選用一體式電磁流量計(jì);蒸汽流量選用勻速管流量計(jì);結(jié)晶器與蒸發(fā)器液位檢測(cè)選用雙法蘭差壓式液位計(jì)，其它容器選用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì);帶晶粒溶液流量調(diào)節(jié)閥選用V 型電動(dòng)球閥;水和蒸汽流量調(diào)節(jié)選用單級(jí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥;溫度檢測(cè)均選熱電阻;壓力檢測(cè)選用電子膜片式壓力計(jì);溶液濃度(密度)的檢測(cè)采用兩臺(tái)電子膜片式壓力變送器，分別裝在容器內(nèi)上下相距1m的不同位置，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)換后，將差壓信號(hào)的變化轉(zhuǎn)為密度信號(hào)，從而間接測(cè)出密度。

2 投料試車(chē)

2.1 試車(chē)前準(zhǔn)備工作

本裝置業(yè)主為新成立公司，所有人員均從社會(huì)聘用，絕大多數(shù)人員沒(méi)有化工生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)。為此，采取三個(gè)階段培訓(xùn):一是理論學(xué)習(xí)階段;二是以現(xiàn)有裝置模擬進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)練兵階段;三是參加投料前的各項(xiàng)試車(chē)，進(jìn)行實(shí)際操作的培訓(xùn)階段，生產(chǎn)工人通過(guò)以上三個(gè)階段學(xué)習(xí)，特別通過(guò)參加管道核對(duì)、吹掃、氣密試驗(yàn)，單機(jī)試車(chē)、聯(lián)動(dòng)試車(chē)，生產(chǎn)工人基本掌握了開(kāi)停車(chē)、正常操作、事故處理。在單機(jī)試車(chē)、聯(lián)動(dòng)試車(chē)中發(fā)現(xiàn)了不少問(wèn)題，逐一整改，確保投料順利進(jìn)行。

2.2 化工投料過(guò)程

2.2.1 配料結(jié)晶工段試車(chē)

按裝置設(shè)計(jì)能力的25%進(jìn)行投料，將硝酸銨、氯化鉀與硝酸鈉及水按一定比例混和加入溶解槽，加熱并攪拌，配成65℃溫度與32 波美濃度的鉀溶液，將鉀溶液用泵抽送入過(guò)濾器過(guò)濾，再送硝酸鉀冷卻結(jié)晶塔冷卻結(jié)晶，經(jīng)過(guò)4 級(jí)冷卻，再打入硝酸鉀稠厚器中。剛開(kāi)始投料時(shí)，沒(méi)有銨母液參與循環(huán)，進(jìn)入循環(huán)生產(chǎn)后，有銨母液循環(huán)參與，其硝酸銨與氯化鉀之比約為1∶ 1 (摩爾比)，硝酸鈉定期微量補(bǔ)充。

2.2.2 硝酸鉀分離干燥工段試車(chē)

當(dāng)硝酸鉀稠厚器中硝酸鉀增稠到一定濃度后，即將硝酸鉀料液通入離心機(jī)分離，分離出來(lái)的硝酸鉀經(jīng)皮帶機(jī)送干燥機(jī)干燥，再經(jīng)包裝機(jī)包裝后入庫(kù)。首次離心分離過(guò)程中，采用清水洗滌硝酸鉀產(chǎn)品;進(jìn)入生產(chǎn)后，則采用干燥機(jī)系統(tǒng)中水沫除塵器除塵液洗滌硝酸鉀，因?yàn)槌龎m液中硝酸鉀基本飽和，故洗滌時(shí)，不會(huì)溶解硝酸鉀產(chǎn)品，只洗去夾帶氯化銨雜質(zhì)。

2.2.3 蒸發(fā)與回收水工段試車(chē)

硝酸鉀分離過(guò)程中產(chǎn)生的鉀母液送三效蒸發(fā)系統(tǒng)，蒸發(fā)到一定濃度后，送入氯化銨結(jié)晶器中。蒸發(fā)過(guò)程中，回收蒸汽冷凝水與二次蒸汽冷凝水循環(huán)使用，作為配料補(bǔ)水與冷卻水循環(huán)補(bǔ)水。

2.2.4 氯化銨結(jié)晶分離工段試車(chē)

蒸發(fā)濃縮液經(jīng)過(guò)外循環(huán)空氣冷卻結(jié)晶系統(tǒng)冷卻到50 ～55℃;結(jié)晶懸浮液送氯化銨稠厚器中增稠，再送雙級(jí)推料離心機(jī)分離得濕氯化銨與銨母液，濕氯化銨含水量一般在2% ～3.5%之間，故濕氯化銨不需要干燥直接送包裝機(jī)包裝后入庫(kù)，銨母液返回配料結(jié)晶工段循環(huán)使用。氯化銨冷卻結(jié)晶過(guò)程中，產(chǎn)生的熱空氣送干燥機(jī)系統(tǒng)，作為干燥機(jī)預(yù)熱空氣使用。

2.3 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

2.3.1 原材料與動(dòng)力消耗

投料試車(chē)過(guò)程中，因部分投入原料轉(zhuǎn)化為鉀母液、銨母液、除塵液，無(wú)法精確統(tǒng)計(jì)消耗。另外，由于投料僅為設(shè)計(jì)能力的25%，原材料動(dòng)力消耗只能采用折算形式估算，以1t 農(nóng)用硝酸鉀計(jì)算，其消耗見(jiàn)表1。

表1 原料動(dòng)力消耗

2.3.2 產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)測(cè)指標(biāo)值

農(nóng)用硝酸鉀產(chǎn)品按GB/T20784 -2013 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，所有檢測(cè)樣品均超過(guò)國(guó)標(biāo)一等品要求，除主含量未超過(guò)國(guó)標(biāo)優(yōu)等品外，其它指標(biāo)均超過(guò)優(yōu)等品指標(biāo)。副產(chǎn)品氯化銨含有一定的鉀，實(shí)際上可稱(chēng)之為氮鉀復(fù)合肥，由于農(nóng)用氯化銨市場(chǎng)售價(jià)低，而氮鉀肥市場(chǎng)暢銷(xiāo)，為此，采用增加副產(chǎn)品氯化銨中鉀含量，以滿足市場(chǎng)對(duì)氮鉀復(fù)合肥市場(chǎng)的需求。故本裝置中通過(guò)采用調(diào)整工藝參數(shù)，提高氯化銨產(chǎn)品中氧化鉀含量，產(chǎn)品檢驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表2、3。

表2 農(nóng)用硝酸鉀產(chǎn)品實(shí)測(cè)值(%)

表3 副產(chǎn)品氯化銨(氮鉀肥)產(chǎn)品實(shí)測(cè)值(%)

2.4 投料試車(chē)小結(jié)

2.4.1 工藝流程可行、設(shè)備選型合理

本裝置為國(guó)內(nèi)同類(lèi)工藝中最大單套裝置，其機(jī)械化與自動(dòng)化水平較高，在生產(chǎn)工人無(wú)任何硝酸鉀生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)情況下，能夠一次性打通工藝流程，生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，證明工藝流程可行，設(shè)備選型合理，也證明了開(kāi)車(chē)前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作是扎實(shí)的。

2.4.2 “三廢”排放

(1)廢水:采用全封閉循環(huán)生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的各種母液、洗滌水、冷卻水全部循環(huán)使用，蒸汽冷凝水也循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)全封閉循環(huán)生產(chǎn)，不產(chǎn)生廢水。

(2)粉塵廢氣:一是干燥機(jī)出口尾氣，帶出硝酸鉀粉塵;二是配料槽加入氯化鉀與硝酸銨時(shí)產(chǎn)生氯化鉀粉塵與硝酸銨粉塵;三是包裝機(jī)包裝時(shí)分別產(chǎn)生硝酸鉀粉塵與氯化銨粉塵。由于干燥機(jī)尾氣采用水沫除塵，加入原料設(shè)備與包裝產(chǎn)品均采用密閉裝置，其粉塵排放濃度均符合國(guó)家《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 16297 -1996 與《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GBZ1 -2010。

2.4.3 存在問(wèn)題及建議

(1)開(kāi)車(chē)時(shí)環(huán)境溫度低，低至-12℃，造成室外工藝水與冷卻循環(huán)水凍結(jié)，使室外泵用冷卻水凍結(jié)，室外水管結(jié)冰凍結(jié)，不得不采用蒸汽臨時(shí)加熱保溫。建議加強(qiáng)室外管與用水設(shè)備保溫，在冬季時(shí)采用低于50℃的熱水用作泵冷卻水。

(2)部分設(shè)備與管道發(fā)生結(jié)晶堵塞，主要是硝酸鉀冷卻結(jié)晶系統(tǒng)管道與設(shè)備。原因有:①部分設(shè)備與管道未保溫，由于環(huán)境溫度低，造成降溫結(jié)晶結(jié)壁堵塞;②管道較長(zhǎng)，而且傾斜度不夠大，造成積料堵塞;③管道過(guò)料后未及時(shí)清理清洗。建議:①對(duì)易發(fā)生堵塞設(shè)備管道進(jìn)行保溫;②盡量縮短管線，少用彎頭，加大管線傾角;③增加熱水與蒸汽清洗管道裝置。

(3)流化床干燥機(jī)進(jìn)料處易積料堵塞。開(kāi)車(chē)過(guò)程須人工清堵，給開(kāi)車(chē)造成不便，也易發(fā)生粉塵外溢，建議加設(shè)一臺(tái)振動(dòng)給料機(jī)以消除積料堵塞。

(4)稠厚器排料不暢。主要原因攪拌器離出料口太遠(yuǎn)，建議將攪拌器靠近排料口安裝，使排料暢通，同時(shí)設(shè)置吹堵裝置。

(5)部分儀表檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。①鉀母液電磁流量計(jì)由于安裝在水平管道上，生產(chǎn)時(shí)，小負(fù)荷投料，難以灌滿流量計(jì)，造成不準(zhǔn)確，建議修改配管以滿足流量計(jì)滿灌要求;②硝酸鉀冷卻結(jié)晶塔溫度計(jì)不能真實(shí)測(cè)出結(jié)晶槽內(nèi)溫度，分析原因，系溫度計(jì)安裝位置溶液流動(dòng)性差，檢測(cè)溫度不能代表槽內(nèi)溫度，建議改變安裝位置。

(6)室內(nèi)鉀母液與銨母液槽內(nèi)母液降溫結(jié)晶，造成工藝不平衡，建議增加熱水或蒸汽加熱保溫措施。

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