張益帥

（天脊集團(tuán)鉀鹽有限公司，山西 長(zhǎng)治 047507）

引言

硝酸鉀是一種廣泛應(yīng)用在玻璃加工、復(fù)合肥料等領(lǐng)域的化合物，全球硝酸鉀產(chǎn)能主要集中在美國(guó)和以色列，其產(chǎn)能占據(jù)了總產(chǎn)能的70%以上，我國(guó)的硝酸鉀制備產(chǎn)業(yè)在近幾年有了飛速的發(fā)展，規(guī)模和制備工藝均有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但和世界先進(jìn)水平還存在著較大的差距。目前我國(guó)硝酸鉀生產(chǎn)主要采用離子交換法，但該方法在生產(chǎn)過(guò)程中存在著純水、硝酸銨、氯化鉀消耗量大，工藝流程相對(duì)復(fù)雜的不足，難以滿(mǎn)足快速“綠色”生產(chǎn)的需求，極大地限制了我國(guó)硝酸鉀產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

本文在對(duì)傳統(tǒng)的離子交換法生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的硝酸鉀生產(chǎn)工藝流程，該生產(chǎn)工藝是對(duì)離子交換法的改進(jìn)，通過(guò)低濃度硝酸鉀循環(huán)提取、高濃度硝酸鉀蒸發(fā)、結(jié)晶、離心、干燥的一個(gè)流程生產(chǎn)，減少了在硝酸鉀制備過(guò)程中純水、能量的消耗量。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，優(yōu)化后的硝酸鉀生產(chǎn)工藝能夠?qū)⒓兯南牧拷档?3.4%，將運(yùn)行能耗降低7.6%，為進(jìn)一步提升硝酸鉀生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力奠定了基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)硝酸鉀生產(chǎn)工藝流程分析

目前我公司生產(chǎn)硝酸鉀時(shí)，主要是以硝酸銨、氯化鉀為原料，通過(guò)001×7 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行離子置換，最終形成硝酸鉀，其反應(yīng)方程為[1]式（1）、式（2）：

式中：X 表示交換樹(shù)脂中的分子骨架，我公司為鈉骨架。

在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中兩種化學(xué)反應(yīng)交替進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)硝酸鉀的連續(xù)生產(chǎn)。

在工業(yè)化批量生產(chǎn)的過(guò)程中，首先利用流量泵將氯化鉀精鹽水從交換柱的下側(cè)傳輸?shù)疥?yáng)離子交換柱一側(cè)，在此完成鉀離子從溶液中轉(zhuǎn)移到陽(yáng)離子樹(shù)脂上，銨離子則從樹(shù)脂上轉(zhuǎn)移到溶液中去，進(jìn)而完成鉀離子和銨離子的互換，形成新的氯化銨溶液從交換柱的上側(cè)進(jìn)入到存儲(chǔ)槽內(nèi)，該過(guò)程會(huì)持續(xù)進(jìn)行到樹(shù)脂內(nèi)的銨離子全部被溶液中的鉀離子置換完，此時(shí)停止供應(yīng)氯化鉀精鹽水。然后利用脫鹽水從交換柱的下側(cè)開(kāi)始向上進(jìn)行清洗，將殘留的氯化銨溶液給洗掉，直到?jīng)_洗液中的氯離子含量滿(mǎn)足要求時(shí)停止沖洗。

完成以上步驟后用流量泵把硝酸銨溶液加入到交換柱的上部，讓銨離子從溶液轉(zhuǎn)移到樹(shù)脂中，讓鉀離子從樹(shù)脂中轉(zhuǎn)移到溶液中，進(jìn)而形成硝酸鉀溶液并進(jìn)入到溶液存儲(chǔ)槽內(nèi)。該過(guò)程會(huì)一直持續(xù)到銨離子被置換完成，然后對(duì)交換柱進(jìn)行水洗，直至水洗溶液中的鉀離子滿(mǎn)足要求，完成一個(gè)完整的置換周期。按以上流程反復(fù)進(jìn)行，即可實(shí)現(xiàn)硝酸鉀的連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)，其工藝流程如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)硝酸鉀制備工藝流程圖

2 硝酸鉀制備工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)硝酸鉀制備工藝，需要將低濃度的硝酸鉀和氯化銨洗液進(jìn)行排放，因此加大了對(duì)純水的消耗，而由于對(duì)低濃度硝酸鉀和氯化銨洗液的排放等也進(jìn)一步加大了對(duì)原料氯化鉀和硝酸銨的消耗。不僅硝酸鉀的制備效率偏低，而且也會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境污染，因此本文提出了一種新的硝酸鉀制備工藝，在不影響硝酸鉀制備效率的情況下降低生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)純水及原料的消耗，且硝酸鉀純度可以滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)用硝酸鉀國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該新的工藝流程如下頁(yè)圖2 所示[2]。

圖2 新型硝酸鉀制備工藝流程圖

由圖2 可知，優(yōu)化后的工藝流程包括：上鉀→反洗1→反洗2→上銨→水洗[3]，提高了固定床陽(yáng)離子交換柱的離子捕捉效率。其中，反洗水利用的是儲(chǔ)槽內(nèi)循環(huán)利用的低濃度溶液洗滌水，首先不使用純水進(jìn)行洗滌，不增加純水消耗；其次洗滌水經(jīng)過(guò)循環(huán)又收集進(jìn)入廢水槽和冷卻水槽等儲(chǔ)水槽中，洗滌水不外排，既能實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能，又能消除環(huán)境影響。其整個(gè)生產(chǎn)工藝流程和現(xiàn)有的氯化銨制備工藝流程相近，只是在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的水洗液會(huì)被存儲(chǔ)并作為下一個(gè)循環(huán)周期的低濃度硝酸鉀溶液使用，同時(shí)增加了高濃度氯化銨及高濃度硝酸鉀的蒸發(fā)、結(jié)晶、離心、干燥工藝流程，提高了氯化銨副產(chǎn)品和硝酸鉀的生產(chǎn)品質(zhì)。

對(duì)高濃度硝酸鉀溶液蒸發(fā)、結(jié)晶、離心、干燥工藝流程分析可知，在制備過(guò)程中從離子交換柱產(chǎn)生的高濃度硝酸鉀的濃度不足，因此需要經(jīng)過(guò)一系列的蒸發(fā)后才能達(dá)到結(jié)晶的需求，為了提高蒸發(fā)結(jié)晶的效率，采用了二效降膜蒸發(fā)工藝[4]。一效蒸發(fā)的時(shí)候需要采用0.6 MPa 的低壓蒸汽，處理完成后產(chǎn)生的約110 ℃的二次蒸汽可以作為二效蒸發(fā)時(shí)的熱媒，二效蒸發(fā)后產(chǎn)生的約90 ℃的蒸汽排空。在工作過(guò)程中二效蒸汽冷凝液可以回收后用于溶解精制過(guò)程中的硝酸銨和氯化鉀，當(dāng)完成蒸發(fā)后硝酸鉀溶液的質(zhì)量濃度可以達(dá)到400 g/L～500 g/L，然后轉(zhuǎn)移到結(jié)晶罐內(nèi)，開(kāi)始進(jìn)行冷卻結(jié)晶，結(jié)晶完成后用高速離心機(jī)進(jìn)行分離并漂洗。系統(tǒng)將離心液回收到一效蒸發(fā)器中重復(fù)使用[5]，硝酸鉀在進(jìn)行干燥時(shí)可以采用熱空氣干燥，空氣的溫度不低于140 ℃，在干燥管內(nèi)，硝酸鉀濕料被氣流帶起來(lái)后隨空氣氣流進(jìn)入到流化床內(nèi)完成干燥并封裝，形成高質(zhì)量的硝酸鉀晶體。粉塵通過(guò)旋風(fēng)分離器進(jìn)行回收，形成硝酸鉀粉末。

3 應(yīng)用情況分析

為了對(duì)該新型硝酸鉀制備工藝的實(shí)際效果進(jìn)行研究，本文對(duì)不同工藝條件下的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)比可知，在生產(chǎn)過(guò)程中，能夠?qū)⒓兠壳Э讼跛徕浿苽鋾r(shí)所需的純水消耗量由46 kg 降低到目前的3 kg，純水消耗量降低了93.4%，將生產(chǎn)過(guò)程中能耗由最初的251 kW·h/t，降低到目前的231.9 kW·h/t，將工作能耗降低了7.6%。新的生產(chǎn)工藝流程能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)用硝酸鉀的純度提高至96%，接近工業(yè)級(jí)硝酸鉀99.8%的純度。

4 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)硝酸鉀生產(chǎn)過(guò)程中存在的純水消耗量大、能耗高、工藝流程復(fù)雜的不足，提出了一種新的硝酸鉀制備工藝，通過(guò)低濃度硝酸鉀循環(huán)提取、高濃度硝酸鉀蒸發(fā)、結(jié)晶、離心、干燥的一個(gè)流程生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了硝酸鉀生產(chǎn)的高純度、低能耗，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）傳統(tǒng)硝酸鉀制備工藝，需要將低濃度的硝酸鉀和氯化銨洗液進(jìn)行排放，因此加大了對(duì)純水的消耗和外排水造成的環(huán)境污染，難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化、綠色化生產(chǎn)；

2）新的硝酸鉀制備工藝優(yōu)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的水洗液會(huì)被存儲(chǔ)并作為下一個(gè)循環(huán)周期的洗滌低濃度硝酸鉀和氯化銨溶液使用，降低了對(duì)水和能量的消耗；

3）新的硝酸鉀制備工藝能夠?qū)⒓兯南牧拷档土?4%，將運(yùn)行能耗降低7.6%，農(nóng)業(yè)用硝酸鉀的純度接近工業(yè)級(jí)水平，極大地提升了硝酸鉀的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。