于磊,倪春林,朱秀偉,牛振國(guó),張璐,張帥

(山東天力能源股份有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

1 工藝概述

鉀鹽,是指含鉀天然礦物。包括鉀巖、鉀鹽鎂明礬、鉀鈣石、硫酸鎂和氯化鉀。鉀一般是可溶性的,純度高。鉀鹽存在于地殼表層湖泊和海洋的鹵水中,或存在于將要干涸的湖泊和海洋中。最重要的鉀鹽礦藏分布于德國(guó)、俄羅斯、加拿大、意大利、法國(guó)、西班牙和美國(guó),我國(guó)的鉀鹽儲(chǔ)量很少。

鉀鹽在生產(chǎn)和生活中,應(yīng)用都極為廣泛。若是沒(méi)有鉀鹽,我們吃的蔬菜、種的糧食、買(mǎi)的藥品等等都要受影響,因此鉀鹽是一種重要的戰(zhàn)略資源。

中國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家,人均耕地面積少。目前,穩(wěn)定糧食生產(chǎn),確保糧食安全和糧食生產(chǎn)體量滿足人口增長(zhǎng)的需求,是國(guó)家的頭等大事。穩(wěn)定糧食生產(chǎn),是確保國(guó)家糧食安全重要的戰(zhàn)略支撐。尤其是當(dāng)前正值我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵時(shí)期,疊加新冠肺炎疫情的此起彼伏,國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)更為復(fù)雜。因此,穩(wěn)定糧食生產(chǎn),對(duì)于完成全面建成小康社會(huì)目標(biāo)、全面打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行和社會(huì)安全穩(wěn)定,具有極為重要的意義。

我們都知道,糧食種植離不開(kāi)肥料。鉀肥是三大肥料之一,鉀鹽的主要作用就是用來(lái)制作鉀肥。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),世界上95%的鉀鹽產(chǎn)品用于制作肥料,5%用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著人口增長(zhǎng)對(duì)糧食生產(chǎn)的要求,鉀肥需求量快速增長(zhǎng),因此鉀鹽的需要也與日俱增。目前了解的生產(chǎn)鉀鹽的工藝很多,常用的有內(nèi)加熱流化床干燥冷卻工藝、回轉(zhuǎn)圓筒干燥+流化床冷卻工藝、回轉(zhuǎn)干燥+回轉(zhuǎn)冷卻工藝。

1.1 內(nèi)加熱流化床干燥冷卻工藝

如圖1,作為熱源的蒸汽經(jīng)流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥組后從高端進(jìn)入干燥機(jī)干燥段的換熱管組,來(lái)自離心機(jī)的物料從流化床的頂部進(jìn)入,經(jīng)打散布料器均勻分布在干燥段,在干燥段內(nèi)通過(guò)換熱管和蒸汽進(jìn)行間接熱交換,常溫空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器過(guò)濾后,在鼓風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入空氣加熱器預(yù)熱,預(yù)熱后的空氣進(jìn)入風(fēng)室,經(jīng)布風(fēng)板將進(jìn)入流化段的物料吹起并流化,處于流態(tài)化的物料和埋在物料里的換熱管進(jìn)行充分換熱得以干燥,干燥后的物料在布風(fēng)板的作用下從前向后流動(dòng)進(jìn)入冷卻段;來(lái)自冷卻水系統(tǒng)的冷卻水從低端進(jìn)入冷卻段的換熱管組,常溫空氣在冷卻鼓風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)冷卻過(guò)濾器進(jìn)入冷卻段風(fēng)室,經(jīng)布風(fēng)板將冷卻段的物料吹起和換熱管進(jìn)行充分換熱冷卻,干燥完的物料經(jīng)流化床末端的出料口排出,經(jīng)關(guān)風(fēng)器進(jìn)入輸送設(shè)備送至后續(xù)工段;干燥尾氣和冷卻尾氣在引風(fēng)機(jī)的作用下,經(jīng)流化床上部殼體出風(fēng)口排出進(jìn)入一級(jí)旋風(fēng)除塵器除塵和二級(jí)濕式除塵后排入大氣。旋風(fēng)下關(guān)風(fēng)器收集的物料也經(jīng)輸送設(shè)備進(jìn)入后續(xù)工段。

1.干燥空氣過(guò)濾器;2.干燥鼓風(fēng)機(jī);3.空氣加熱器;4.內(nèi)熱流化床干燥冷卻一體機(jī);5.皮帶機(jī);6.冷卻鼓風(fēng)機(jī);7.冷卻空氣過(guò)濾器;8.旋風(fēng)除塵器;9.引風(fēng)機(jī);10.洗滌塔;11.循環(huán)水泵圖1 內(nèi)加熱流化床干燥冷卻工藝流程圖

1.2 回轉(zhuǎn)干燥+流化床冷卻工藝

如圖2,本工藝熱源是高溫?zé)煔?來(lái)自管網(wǎng)的天然氣和助燃風(fēng)在熱風(fēng)爐里充分燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?高溫?zé)煔夂蜐裎锪蠌母稍餀C(jī)高端并行進(jìn)入筒體,從高端向低端流動(dòng)的過(guò)程中,在筒內(nèi)多種內(nèi)件的組合作用下,快速干燥并從出料端經(jīng)關(guān)風(fēng)器排出,干燥成品和旋風(fēng)及布袋收集下來(lái)的物料一起經(jīng)輸送機(jī)送入斗提機(jī),提升后經(jīng)緩沖料倉(cāng)和進(jìn)料打散送入內(nèi)置布袋流化床冷卻機(jī),在冷卻鼓風(fēng)機(jī)的作用下,常溫空氣進(jìn)入內(nèi)置布袋流化床冷卻機(jī)風(fēng)室,經(jīng)布風(fēng)板將物料吹起,在冷卻機(jī)內(nèi)沸騰的物料和來(lái)自管網(wǎng)的冷卻水通過(guò)換熱管充分換熱冷卻至適宜的溫度,經(jīng)出料關(guān)風(fēng)器排出進(jìn)入后續(xù)工段。干燥尾氣在干燥引風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)一級(jí)旋風(fēng)除塵+布袋除塵后直接排入大氣,冷卻尾氣在冷卻引風(fēng)機(jī)的作用下直接排入大氣。

1.空氣過(guò)濾器;2.燃?xì)鉄犸L(fēng)爐.3.助燃風(fēng)機(jī);4.燃?xì)忾y組;5.出料關(guān)風(fēng)器;6.旋風(fēng)關(guān)風(fēng)器;7.皮帶輸送機(jī);8.斗提機(jī);9.內(nèi)置布袋流化床冷卻機(jī);10.冷卻鼓風(fēng)機(jī);11.空氣過(guò)濾器;12.暫存?zhèn)};13.振動(dòng)料管;14.回轉(zhuǎn)干燥機(jī);15.旋風(fēng)除塵器;16.布袋除塵器;17.干燥引風(fēng)機(jī);18.冷卻引風(fēng)機(jī)圖2 回轉(zhuǎn)干燥+流化床冷卻工藝流程圖

1.3 回轉(zhuǎn)干燥+回轉(zhuǎn)冷卻工藝

如圖3,作為熱源的高溫?zé)煔鈦?lái)自燃煤熱風(fēng)爐,高溫?zé)煔饨?jīng)沉降后直接進(jìn)入干燥機(jī)高端,濕物料經(jīng)緩沖倉(cāng)進(jìn)入,由皮帶輸送機(jī)經(jīng)關(guān)風(fēng)器后進(jìn)入振動(dòng)料管進(jìn)入干燥機(jī),濕物料和高溫?zé)煔獠⑿?結(jié)合筒體內(nèi)件的組合作用,物料在筒內(nèi)前行的過(guò)程中快速干燥,從出料罩下部的關(guān)風(fēng)器排到輸送機(jī)上,和旋風(fēng)及布袋收集的物料一起被送入冷卻機(jī)進(jìn)料螺旋。常溫空氣在冷卻引風(fēng)機(jī)的作用和干燥后的物料并行進(jìn)入冷卻機(jī),在回轉(zhuǎn)冷卻機(jī)內(nèi)從前往后的過(guò)程中,不斷進(jìn)行熱交換從而冷卻物料,冷卻好的物料從冷卻機(jī)出料罩下部的關(guān)風(fēng)器排出冷卻機(jī),經(jīng)由斗提機(jī)提升到暫存料倉(cāng),然后進(jìn)入后續(xù)包裝系統(tǒng)。冷卻風(fēng)由冷卻機(jī)出料罩的上端排出,依次進(jìn)入旋風(fēng)除塵器和布袋除塵器進(jìn)行除塵,除塵后的干凈氣體經(jīng)冷卻引風(fēng)機(jī)后排入大氣。兩級(jí)除塵收集的物料回到冷卻進(jìn)料螺旋或單獨(dú)收集進(jìn)入包裝系統(tǒng)。

1.燃煤熱風(fēng)爐;2.回轉(zhuǎn)干燥機(jī);3.關(guān)風(fēng)器;4.輸送機(jī);5.冷卻進(jìn)料螺旋;6.回轉(zhuǎn)冷卻機(jī);7.暫存料倉(cāng);8.斗提機(jī);9.冷卻旋風(fēng)除塵器;10.冷卻引風(fēng)機(jī);11-冷卻布袋除塵器;12.干燥引風(fēng)機(jī);13.干燥布袋除塵器;14-干燥旋風(fēng)除塵器;15.振動(dòng)料管;16.輸送機(jī);17.暫存?zhèn)}圖3 回轉(zhuǎn)干燥+回轉(zhuǎn)冷卻工藝流程圖

2 現(xiàn)有鉀鹽生產(chǎn)工藝存在缺陷

2.1 內(nèi)熱流化床干燥冷卻工藝

(1)因受制于干燥主機(jī)內(nèi)熱流化床的干燥能力,本工藝系統(tǒng)處理量小。

(2)鼓風(fēng)機(jī)需要提供較高的壓頭來(lái)滿足內(nèi)熱流化床的流態(tài)化動(dòng)力,功率大,噸產(chǎn)品能耗高。

(3)工藝系統(tǒng)內(nèi)配置風(fēng)機(jī)數(shù)量多,噸產(chǎn)品能耗高。

(4)系統(tǒng)配置旋風(fēng)除塵+濕式洗滌除塵,需要回收、處理鉀鹽廢水。

2.2 回轉(zhuǎn)干燥+內(nèi)置布袋流化床冷卻工藝

(1)受限于流化床冷卻機(jī)的能力,系統(tǒng)處理量小,噸產(chǎn)品能耗高。

(2)熱源是來(lái)自燃煤爐的高溫?zé)煔?熱效率低,且存在二氧化碳排放問(wèn)題。

(3)工藝系統(tǒng)內(nèi)配置風(fēng)機(jī)數(shù)量多,噸產(chǎn)品能耗高。

(4)工藝設(shè)備多,設(shè)備及管道布置復(fù)雜,工藝控制繁瑣。

2.3 回轉(zhuǎn)干燥+回轉(zhuǎn)冷卻工藝

(1)配置雙除塵系統(tǒng),工藝流程、設(shè)備布置復(fù)雜。

(2)熱源是燃煤爐產(chǎn)生的煙氣,熱效率低。

(3)對(duì)相同處理量,干燥、冷卻分體,系統(tǒng)能耗高、維護(hù)工作量大。

(4)干燥、冷卻分體,功能單一,運(yùn)行成本高。

(5)輸送設(shè)備多,用電設(shè)備多,噸產(chǎn)品能耗高。

3 工藝研發(fā)

3.1 確定研發(fā)方向和內(nèi)容

綜合研究目前常用的鉀鹽生產(chǎn)工藝,存在的主要缺陷如上所述,主要是處理量小、效率低、能耗高、運(yùn)行成本高。我們工藝開(kāi)發(fā)就分別從以上這幾方面著力研究。

首先,要克服處理量小,必須選用回轉(zhuǎn)類(lèi)設(shè)備?；剞D(zhuǎn)干燥機(jī)或冷卻機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是處理量大,而且結(jié)構(gòu)可以針對(duì)性設(shè)計(jì),對(duì)不同的物料可以匹配不同的內(nèi)件組合,以達(dá)到滿意的干燥或冷卻效果;其次,要克服系統(tǒng)工藝效率低、能耗高,就要優(yōu)選熱源、優(yōu)化設(shè)備。選用潔凈的天然氣作為熱源,匹配低氮燃燒器,不但提高了燃燒效率、熱效率,還降低了氮氧化物的排放。

要克服除塵系統(tǒng)二次廢水,必須選用干式除塵。現(xiàn)有的袋式除塵是最理想的干式除塵方式,除塵效率高、效果好。

要克服能耗高,需要優(yōu)化工藝線路選型、設(shè)備選型,甚至要優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。不管是流化床工藝還是雙回轉(zhuǎn)工藝,均存在熱效率低、系統(tǒng)能耗高的問(wèn)題。我們需要著重解決裝置的效率和能耗,因此優(yōu)化干燥機(jī)和冷卻機(jī)的結(jié)構(gòu),是開(kāi)發(fā)工作的重中之重。

要克服運(yùn)行成本高,需要在優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)的同時(shí),要優(yōu)化工藝路線,減少設(shè)備數(shù)量,選擇經(jīng)濟(jì)的設(shè)備功率。

3.2 確定工藝路線

綜合以上研究方向和內(nèi)容,結(jié)合現(xiàn)有鉀鹽生產(chǎn)裝置及工藝的運(yùn)行情況,我們確定要開(kāi)發(fā)一種集干燥、冷卻于一體的鉀鹽生產(chǎn)裝置及工藝。

熱源一般有高溫?zé)煔?、蒸?一般結(jié)合工藝、主設(shè)備結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性等確定熱源。本工藝選用天然氣作為燃料,燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛闊嵩?。熱源系統(tǒng)由助燃風(fēng)機(jī)、閥組、控制系統(tǒng)、火焰檢測(cè)系統(tǒng)、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐組成,通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱源系統(tǒng)溫度自控,根據(jù)干燥機(jī)排風(fēng)溫度來(lái)調(diào)節(jié)干燥機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度(熱風(fēng)爐的出風(fēng)溫度),其中燃燒器采用低氮燃燒器,燃燒高效,有助于系統(tǒng)節(jié)能減排。

裝置生產(chǎn)能力取決于主設(shè)備,而對(duì)于工藝系統(tǒng)性能等級(jí)評(píng)價(jià),一般依據(jù)噸產(chǎn)品能耗,因此我們需要采用大處理量的主設(shè)備,同樣的能耗,大處理量的設(shè)備性能等級(jí)高。所以選用回轉(zhuǎn)干燥機(jī)和回轉(zhuǎn)冷卻機(jī)是首選。為了降低能耗,提升裝置性能等級(jí),考慮采用回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機(jī)。濕物料在干燥冷卻一體機(jī)內(nèi)從前往后通過(guò)各種內(nèi)件的組合作用完成了干燥、冷卻兩個(gè)過(guò)程,得到合格的溫度適中的產(chǎn)品。工藝流程短、工序少,工藝簡(jiǎn)潔、效率高。

關(guān)于尾氣處理,綜合考量后決定采用旋風(fēng)除塵器+布袋除塵器兩級(jí)除塵,一級(jí)旋風(fēng)除塵器收塵約90%,二級(jí)布袋除塵器收塵后,尾氣含塵≤10 mg/m3,除塵效果好。另采用干式除塵,沒(méi)有廢水和廢氣排放,沒(méi)有二次污染。

如圖4,本工藝流程把干燥和冷卻功能合為一體,除塵設(shè)備、輸送設(shè)備、風(fēng)機(jī)和儀表減少一套,工藝流程簡(jiǎn)單,邏輯控制點(diǎn)少,設(shè)備布置相對(duì)其他工藝簡(jiǎn)單。

1.空氣過(guò)濾器;2.燃?xì)忾y組;3.助燃風(fēng)機(jī);4.燃?xì)鉄犸L(fēng)爐;5.回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機(jī);6.振動(dòng)料管;7;暫存料倉(cāng);8.出料關(guān)風(fēng)器;9.輸送機(jī);10.旋風(fēng)除塵器;11.布袋除塵器;12.引風(fēng)機(jī);13.關(guān)風(fēng)器;14.輸送機(jī)。圖4 干燥冷卻一體鉀鹽生產(chǎn)工藝

本工藝流程把干燥和冷卻合為一體,省了一套傳動(dòng)系統(tǒng),降低了動(dòng)力消耗,噸產(chǎn)品能耗降低。少了一套密封裝置,少了機(jī)加工工作量,省了運(yùn)行維護(hù)工作量。

4 一體機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

一體機(jī)進(jìn)料端設(shè)置進(jìn)料罩,進(jìn)料罩和筒體之間設(shè)有進(jìn)料密封,一體機(jī)的前段是干燥段,筒體內(nèi)有各種利于干燥的內(nèi)件組合;一體機(jī)的中段,在筒體圓周方向上設(shè)置多個(gè)出風(fēng)管,用于干燥尾氣和冷卻尾氣排出筒體,筒體外側(cè)設(shè)置出風(fēng)罩,用于收集出風(fēng)管排出的干燥和冷卻尾氣并排出至后續(xù)除塵設(shè)備,出風(fēng)罩和筒體通過(guò)密封裝置連接。一體機(jī)的后段是冷卻段,筒體內(nèi)設(shè)置多圈換熱管,有回水管和進(jìn)水管。冷卻水通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭殼層進(jìn)入進(jìn)水腔體從而進(jìn)入各進(jìn)水管,冷卻水通過(guò)管壁和物料進(jìn)行換熱冷卻;進(jìn)水管的出水端匯集在一個(gè)環(huán)管上,環(huán)管上有多個(gè)入口和幾個(gè)出口,出口和回水管相連,從而將完成冷卻換熱的溫水送入回水腔體,經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭的中心管排出一體機(jī)外。在一體機(jī)的出料罩頂部設(shè)置進(jìn)風(fēng)口,進(jìn)風(fēng)口帶防護(hù)過(guò)濾網(wǎng),此處引進(jìn)室溫空氣對(duì)物料進(jìn)行輔助冷卻,從而達(dá)到更好的冷卻效果。

為了提高一體機(jī)的效率,本工藝中,在一體機(jī)的冷卻段筒體的正上方,可以設(shè)置一套噴淋裝置。冷卻水經(jīng)噴淋裝置在筒體外壁上形成水幕,冷卻筒體外壁,從而冷卻筒體內(nèi)的物料。

1.進(jìn)料罩;2.導(dǎo)料板;3.進(jìn)料密封;4.鏈條;5.揚(yáng)料板;6.滾圈,7;筒體;8.出風(fēng)罩密封;9.出風(fēng)罩;10.出風(fēng)管;11.管架;12;回水管;13.齒圈;14.出料罩;15.傳動(dòng)裝置;16.托輪裝置;17.進(jìn)水管;18.冷卻風(fēng)進(jìn)口;19.回水腔體;20.進(jìn)水腔體;21.旋轉(zhuǎn)接頭裝置; 22.噴淋裝置;23—擋水圈;24.水槽;25—溢流口;26.延時(shí)板;27.出料密封;28.中心揚(yáng)料板;29.進(jìn)料口;30.干燥風(fēng)進(jìn)口;31.擋托輪裝置。圖5 干燥冷卻一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

5 一體機(jī)裝置及工藝特點(diǎn)

(1)本工藝采用回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機(jī)為主設(shè)備,集干燥、冷卻于一體,系統(tǒng)處理量大,工藝流程簡(jiǎn)單;一體機(jī)的干燥段,高溫?zé)煔夂臀锪享樍?結(jié)合多種內(nèi)件強(qiáng)化換熱;冷卻段,物料和冷卻風(fēng)逆流,同時(shí)和換熱管內(nèi)冷卻水冷卻換熱,被高效快速冷卻;各種內(nèi)部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu),防止物料粘壁、結(jié)疤,干燥效率高,噸產(chǎn)品能耗低。

(2)和內(nèi)加熱流化床干燥冷卻工藝比,本工藝系統(tǒng)處理量大,約是流化床的5～10倍;且采用干式除塵,沒(méi)有污水排放。

(3)和回轉(zhuǎn)干燥+流化床冷卻工藝比,受限于冷卻流化床的處理量,本工藝的系統(tǒng)處理量大。

(4)和回轉(zhuǎn)干燥+回轉(zhuǎn)冷卻工藝比,在相同處理量下,少了一套除塵系統(tǒng)及管道,少了一套引風(fēng)系統(tǒng),能耗大大降低;動(dòng)設(shè)備減少,溫度、壓力、變頻等控制點(diǎn)減少,控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化。

(5)本工藝對(duì)熱源系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),采用低氮燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng),降低了氮氧化物的排放,提高了燃燒效率,間接提高了熱效率。低氮燃燒,系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行,安全保障高。

(6)本工藝采用回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機(jī)為主設(shè)備,換熱管、風(fēng)冷、噴淋等多種冷卻方式組合,直接、間接多方位冷卻,換熱強(qiáng)度加大,換熱效率高,冷卻效果好。

(7)本工藝采用獨(dú)特的回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機(jī)為主設(shè)備,減少一套回轉(zhuǎn)設(shè)備,占地面積省,節(jié)省了加工成本;系統(tǒng)控制點(diǎn)減少,節(jié)省自控成本;設(shè)備維護(hù)工作量減少一半,維護(hù)費(fèi)用減半。

(8)采用回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機(jī)作為主設(shè)備,少了2套密封,少了系統(tǒng)漏風(fēng)量,提高了干燥系統(tǒng)的效率,減少了噸產(chǎn)品能耗。

(9)一體機(jī)降溫冷卻水循環(huán)使用,公用工程消耗低。

(10)整個(gè)工藝貫穿各種節(jié)能減排優(yōu)化措施,與“碳中和、碳達(dá)峰”的宗旨高度匹配。

6 應(yīng)用前景

近年來(lái),國(guó)家對(duì)各生產(chǎn)企業(yè)的環(huán)保要求不斷提高,各項(xiàng)節(jié)能減排政策被大力推廣,“碳中和、碳達(dá)峰”的戰(zhàn)略目標(biāo)對(duì)各生產(chǎn)企業(yè)也提出了總體要求。隨著人民對(duì)鉀鹽需求量的增加,鉀鹽生產(chǎn)企業(yè)也需要不斷優(yōu)化他們的生產(chǎn)裝置和工藝,或?qū)υに嚰夹g(shù)進(jìn)行升級(jí)改造,或新建高效節(jié)能裝置來(lái)滿足不斷增加的鉀鹽需求。

一體機(jī)裝置及工藝具有高效節(jié)能、產(chǎn)量大、排放低、占地省、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)工作量少等特點(diǎn),與時(shí)下節(jié)能減排趨勢(shì)高度吻合,比原有生產(chǎn)工藝具有明顯的先進(jìn)性和可行性。因此,一體機(jī)的生產(chǎn)裝置及工藝將會(huì)被很多鉀鹽生產(chǎn)企業(yè)采用,并為他們帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。