圓顆粒硫酸鉀造粒試驗(yàn)研究

向曉成

(國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司 新疆哈密 839000)

硫酸鉀作為一種化學(xué)肥料，可同時(shí)為植物生長提供鉀和硫兩種養(yǎng)分，被廣泛應(yīng)用于煙草、甜菜、甘蔗、馬鈴薯、茶葉、棉花等忌氯喜鉀經(jīng)濟(jì)作物的種植。施用硫酸鉀肥料不僅能提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，還能提高農(nóng)作物的品質(zhì)，如提高煙草的可燃性，提高葡萄、西瓜的糖度，提高薯類的淀粉含量等[1]。目前市場上銷售的硫酸鉀肥料以粉末狀為主，若將硫酸鉀粉末成品造粒，可有效改善其流動(dòng)性，防止在儲(chǔ)運(yùn)過程中產(chǎn)生結(jié)塊、揚(yáng)塵等問題，便于機(jī)械施肥，有利于提高肥料的利用率[2]。

國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司(以下簡稱國投羅鉀公司)利用羅布泊天然鹵水資源制取硫酸鉀，產(chǎn)能1 600 kt/a，是世界上最大的單體硫酸鉀生產(chǎn)企業(yè)之一。現(xiàn)有一套擠壓法顆粒硫酸鉀生產(chǎn)裝置，擬結(jié)合擠壓法和團(tuán)聚法[3-4]開發(fā)一種以羅布泊硫酸鉀粉末成品和副產(chǎn)品(擠壓造粒返料、旋風(fēng)除塵返料)為原料的圓顆粒硫酸鉀產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，以解決擠壓法成品顆粒不規(guī)整的問題。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料為國投羅鉀公司自產(chǎn)的硫酸鉀粉末成品和副產(chǎn)品，以及上海化工研究院有限公司試制的3#粉末造粒劑和4#液體助劑。原料化學(xué)組成見表1，擠壓造粒返料篩分結(jié)果見表2。

表1 原料化學(xué)組成 %

表2 擠壓造粒返料篩分結(jié)果

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備見表3。

表3 主要試驗(yàn)設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方法

取硫酸鉀粉末成品和副產(chǎn)品按一定比例混合均勻后放入轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)中，啟動(dòng)轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)，運(yùn)行一段時(shí)間后向其中加入3#粉末造粒劑，物料混合均勻后再加入4#液體助劑進(jìn)行造粒。造粒完成后，調(diào)低轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，開始干燥。第1次烘干以起塵為分界點(diǎn)，物料起塵即暫停烘干，取出物料篩分，粒徑大于4.0 mm的顆粒經(jīng)破碎后與粒徑小于2.0 mm的顆粒一起作為下一次造粒的返料，2.0～4.0 mm的顆粒再進(jìn)行第2次烘干。當(dāng)烘干時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后，取出物料用篩網(wǎng)規(guī)格為2.0 mm的篩子精篩，篩除表面的粉料及破碎的小粒，粒徑大于2.0 mm的顆粒作為成品取樣送分析。同一條件下第2次造粒(即返料1)除返料先加入轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)外，再補(bǔ)充與取出的成品質(zhì)量大致相等的新原料，新原料的配比與第1次配比一致，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料總質(zhì)量始終保持在1 kg左右。第3次造粒(即返料2)除第2次造粒烘干后的返料外，再補(bǔ)充與第2次取出成品質(zhì)量大致相等的新物料，依此類推。試驗(yàn)工藝流程框圖見圖1。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料配比對造粒的影響

以羅布泊硫酸鉀粉料產(chǎn)品、硫酸鉀旋風(fēng)除塵返料、硫酸鉀擠壓造粒返料等3種原料的不同配比，考察造粒烘干后圓顆粒產(chǎn)品的顆粒強(qiáng)度、成品得率和顆粒圓潤度等。

試驗(yàn)以擠壓造粒返料量為變量，硫酸鉀粉料產(chǎn)品量隨之改變，硫酸鉀旋風(fēng)除塵返料量不變。試驗(yàn)設(shè)定造粒時(shí)間為10 min、造粒機(jī)轉(zhuǎn)速為35 r/min、干燥時(shí)間為50 min、烘干溫度為300 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 原料配比試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出：當(dāng)擠壓造粒返料量為50%時(shí)，成品得率小于50%，Y3的試驗(yàn)結(jié)果最差。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的成品得率必須大于50%，否則在生產(chǎn)線上無法平衡。Y1與Y2的結(jié)果接近，Y1的成品得率較好。從所得樣品也可發(fā)現(xiàn)，Y2中碎片顆粒稍多，主要是細(xì)粉過少，有粒子未被包入所致。綜合所有指標(biāo)，Y1條件最好。后續(xù)試驗(yàn)原料配比選用擠壓造粒返料∶成品粉料∶旋風(fēng)除塵返料為6.00∶2.00∶2.00。

2.2 助劑用量對造粒的影響

試驗(yàn)主要對3#粉末造粒劑用量進(jìn)行考察，用量分別為0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、1.5%、2.5%。4#液體助劑用量保持不變，均為1.5%，即對應(yīng)助劑總用量2.0%、3.0%、4.0%。原料配比選用擠壓造粒返料∶成品粉料∶旋風(fēng)除塵返料為6.00∶2.00∶2.00，設(shè)定造粒時(shí)間為10 min、造粒機(jī)轉(zhuǎn)速為35 r/min、干燥時(shí)間為50 min、烘干溫度為300 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5可以看出：3#粉末造粒劑用量為0.5%(助劑總用量為2.0%)時(shí)，成品得率減少較多，不足50%，故不考慮此條件；3#粉末造粒劑用量增加后，產(chǎn)品得率都超過60%，說明3#粉末造粒劑用量應(yīng)不少于1.5%；助劑總用量增加至4.0%(3#粉末造粒劑用量2.5%)時(shí)，成品K2O含量大于50%，符合硫酸鉀產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。在K2O含量及顆粒強(qiáng)度符合要求的情況下，應(yīng)盡量減少助劑用量，以降低加工成本、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，故選用3#粉末造粒劑用量為1.5%，助劑總用量為3.0%。

2.3 水分對造粒的影響

在硫酸鉀圓顆粒造粒過程中，必須考慮物料中的液相量，以免影響物料的成球率。液相量過小，成球率低、粉塵量大；液相量過大，易產(chǎn)生大粒徑顆粒且物料易黏造粒機(jī)內(nèi)壁，導(dǎo)致成品率較低。在前述兩項(xiàng)試驗(yàn)得出的最優(yōu)試驗(yàn)條件下，設(shè)定造粒時(shí)間為10 min、造粒機(jī)轉(zhuǎn)速為35 r/min、干燥時(shí)間為50 min、烘干溫度為300 ℃，考察了加水量對成品得率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 3#粉末造粒劑用量試驗(yàn)結(jié)果

表6 加水量試驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看出:當(dāng)加水量過少(如S1)，成品得率有所降低，盡管粒徑2.0～4.0 mm的成品得率大于50%，但試驗(yàn)操作中實(shí)際取得成品粒徑為2.2～4.0 mm，得率只有37.7%，故此條件不予考慮；當(dāng)加水量過大(如S3)，造粒物料很快結(jié)成大團(tuán)，基本沒有成品，此條件也不予考慮；S2含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在7%左右，試驗(yàn)結(jié)果較理想。理論加水量與實(shí)測水分稍有差異，可能是造粒設(shè)備吸附水分所致，也可能是加水過程中有少量損耗。

2.4 造粒時(shí)間對造粒的影響

在硫酸鉀圓顆粒造粒過程中，造粒時(shí)間同樣是一個(gè)重要的影響因素。造粒時(shí)間越長，顆粒越圓潤密實(shí)；造粒時(shí)間短，顆粒外觀毛糙、結(jié)構(gòu)疏松，顆粒易松散。在原料配比、助劑用量及造粒水分含量最優(yōu)條件下，設(shè)定造粒機(jī)轉(zhuǎn)速為35 r/min、干燥時(shí)間為50 min、烘干溫度為300 ℃，考察了造粒時(shí)間對成品得率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 造粒時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

從表7可知：造粒時(shí)間越長，顆粒強(qiáng)度越大；造粒時(shí)間越短，顆粒越松散，強(qiáng)度明顯下降，且成品得率也隨之降低。但造粒時(shí)間越長，負(fù)荷越大，生產(chǎn)成本增大。因此，在滿足成品得率及顆粒強(qiáng)度的情況下，應(yīng)選用較短的造粒時(shí)間，故選擇造粒時(shí)間為10 min。

3 結(jié)語

(1)試驗(yàn)研究了通過添加助劑，以轉(zhuǎn)鼓造粒方式生產(chǎn)圓顆粒硫酸鉀產(chǎn)品的技術(shù)，其中擠壓造粒返料、成品粉料、旋風(fēng)除塵返料的最佳質(zhì)量比為6.00∶2.00∶2.00，助劑最佳總用量為3.0%，加水質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7%；造粒最佳試驗(yàn)條件為造粒時(shí)間10 min、造粒機(jī)轉(zhuǎn)速35 r/min、烘干時(shí)間50 min、干燥溫度300 ℃、干燥機(jī)轉(zhuǎn)速30 r/min。造粒機(jī)轉(zhuǎn)速、烘干時(shí)間、干燥溫度、干燥機(jī)轉(zhuǎn)速不是造粒過程中的主要影響因素，因此試驗(yàn)時(shí)參照實(shí)際復(fù)合肥料生產(chǎn)過程中的造粒條件作為設(shè)定參數(shù)，不再進(jìn)一步試驗(yàn)。

(2)造粒后成品中K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%，顆粒強(qiáng)度大于15 N，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%。生產(chǎn)工藝在產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)用硫酸鉀》(GB/T 20406—2017)中顆粒狀硫酸鉀優(yōu)等品指標(biāo)的基礎(chǔ)上，克服了擠壓造粒和團(tuán)聚造粒方法的缺點(diǎn)，使生產(chǎn)圓顆粒硫酸鉀成為可能。

(3)該生產(chǎn)工藝簡單，成球合格率高(一般在60%以上)，產(chǎn)量大，助劑用量少，氧化鉀養(yǎng)分含量高。