節(jié)能技術在硝酸鉀生產中應用

岳陽市鉀鹽科學研究所 岳陽 414000

我國硝酸鉀生產工藝主要有三種：①硝酸銨與氯化鉀離子交換法；②硝酸銨與氯化鉀復分解法；③硝酸與氯化鉀轉化法[1-3]。在這些硝酸鉀生產工藝中，蒸汽能耗占硝酸鉀生產成本至少在15%以上，為此，在硝酸鉀生產企業(yè)中進行了節(jié)能技術改造?，F以復分解法生產硝酸鉀裝置節(jié)能技術改造為例, 簡要介紹如下幾項節(jié)能技術在硝酸鉀生產中的應用及節(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，將蒸汽通入蛇管進行間壁加熱升溫，使氯化鉀溶解，由于蛇管傳熱系數與傳熱面積受到限制，故加熱升溫時間長，同時氯化鉀溶解速度慢，生產效率低，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充水，使混合料液溫度不斷升高直至沸騰；同時由于高溫高速的蒸汽在混合料液中沖刷翻動料液，使投入的氯化鉀在加熱與沖刷翻動中快速溶解。如通入蒸汽所形成的冷凝水量不夠工藝要求的補充水量，則可以另行補充加入來自硝酸鉀蒸發(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：

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

(2)新工藝可省去攪拌機和蛇管換熱器設備，節(jié)省設備投資。

(3)不僅加熱速度很快，而且溶解氯化鉀速度也快，從而使生產時間縮短。

2 空氣冷卻結晶工藝

改造前，硝酸鉀冷卻結晶采用真空冷卻結晶裝置，使用三級蒸汽噴射真空泵抽真空，使真空結晶器內硝酸鉀溶液在負壓狀態(tài)下蒸發(fā)水份，從而使溶液溫度下降并結晶析出硝酸鉀，真空冷卻結晶所得產品清潔，生產效率高，但操作控制復雜，能耗高[6]。每生產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到0.7MPa以上。

改造后，采用空氣冷卻結晶工藝，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晶器內，通過特制的噴射裝置將硝酸鉀溶液分散成水滴或水膜狀，通過風機與空氣分布裝置將空氣均勻鼓入空氣冷卻結晶器，硝酸鉀溶液在與空氣逆流充分接觸過程中，發(fā)生對流傳熱和蒸發(fā)傳熱。對流傳熱是硝酸鉀溶液和空氣之間存在溫差，通過熱傳導傳熱來冷卻；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晶。采用空氣冷卻結晶工藝過程中，熱量是靠液滴和空氣間的擴散和對流來傳遞的。硝酸鉀溶液冷卻傳熱速率隨空氣與溶液的界面面積、相對流速、接觸時間以及冷卻范圍的增加而增加。

改造后的空氣冷卻結晶裝置采用二級冷卻，即第一級空氣冷卻結晶器先初步冷卻硝酸鉀溶液，再進入第二級空氣冷卻結晶器冷卻至終點溫度,并析出大量硝酸鉀結晶。

為了防止空氣流夾帶液滴造成物料損耗，空氣冷卻結晶裝置采用了合理的布液裝置與風速，并增設了捕液裝置。在空氣冷卻結晶過程中，采用控制溶液的過飽和度與加快溶液對流擴散，從而析出晶粒較大的結晶產品。

與原真空冷卻結晶工藝相比，改造后的空氣冷卻結晶工藝具有以下優(yōu)點：

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

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

(3)空氣冷卻結晶所得產品結晶粒度比真空冷卻結晶粒度大。生產實踐表明，兩種工藝所得產品純度與雜質無差異，這是因為在洗滌硝酸鉀氯離子過程中，也一并將空氣中雜質洗去，使空氣中的雜質最終進入氯化銨產品。

(4)采用大風量、小功率的軸流風機，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晶。硝酸銨溶解熱為337kJ/kg[8]，溶解硝酸銨過程中需消耗蒸汽，實際生產中，每噸硝酸鉀溶銨時消耗蒸汽520 kg。

改造后，將硝酸銨溶解改為在蒸發(fā)后進行，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，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：

(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1t農用硝酸鉀，節(jié)省蒸汽520 kg。

(2)改造后，氯化銨冷卻結晶的初始溫度由原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臺蒸發(fā)器蒸發(fā)至一定濃度，然后再送入第2臺蒸發(fā)器蒸發(fā)至終點濃度，每生產1t農用硝酸鉀，耗蒸汽量為2.1t。

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

溶液先經過預熱器預熱，然后進入第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)器出來的溶液靠壓差進入第Ⅱ效蒸發(fā)器，在負壓條件下蒸發(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晶器，加入硝酸銨溶解后，再進行冷卻結晶。蒸發(fā)過程中，來自鍋爐的蒸汽進入第Ⅰ效蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)，由第Ⅰ效蒸發(fā)器出來的二次蒸汽進入第Ⅱ效蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)，由第Ⅱ效蒸發(fā)器出來的二次蒸汽進入預熱器預熱溶液，從預熱器中出來的蒸汽與冷凝水經汽水分離器分離冷凝水后，進入冷凝器冷凝，再去真空系統(tǒng)抽真空以維持第Ⅱ效蒸發(fā)器內的負壓。

經過兩年多運轉實踐表明，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：

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

(2)設備腐蝕現象顯著減輕，原來兩臺蒸發(fā)器蒸發(fā)操作溫度、壓力、濃度都較高，設備在惡劣環(huán)境下運行，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、低濃度下運行，第Ⅱ效蒸發(fā)器在低溫、高濃度下運行，從而減緩了設備腐蝕速度。

5 干燥機空氣加熱器串聯進蒸汽

硝酸鉀干燥選用振動流化床干燥機，改造前，采用蒸汽并聯進入3臺空氣加熱器，每臺空氣加熱器出口的蒸汽較多，損失大，每生產1t農用硝酸鉀，干燥機耗蒸汽量為220kg。

硝酸鉀物料的干燥過程被分為兩個階段[9]：

(1)恒速干燥階段，開始干燥時，硝酸鉀物料含有較多水份，干燥過程主要是除去物料表面含有的自由水以及從物料內部因毛細管力遷移到表面的內部水。在恒速干燥階段，需大的熱風量和高的氣流速度，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，當物料干燥到濕含量達到臨界含量時，進一步干燥使表面出現干點，干燥速率下降，在物料的濕含量降至與氣相濕度相應的平衡值時，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，需要的熱風量顯著減少、熱風氣流速度顯著降低。

根據這一原理，對干燥機內部熱風供給分布進行改造，將原3臺空氣加熱器的蒸汽由并聯進汽改為串聯進汽，即蒸汽先進第1臺空氣加熱器、從加熱器出口排出的蒸汽進第1臺汽液分離器進行汽液分離，汽液分離后的低壓蒸汽送第2臺空氣加熱器，排出的蒸汽進第2臺汽液分離器進行汽液分離，汽液分離后的低壓蒸汽送第3臺空氣加熱器，排出的蒸汽進第3臺汽液分離器進行汽液分離，蒸汽冷凝水外排供溶解氯化鉀使用。

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

6 結語

將蒸汽直接加熱溶解氯化鉀、空氣冷卻結晶、蒸發(fā)后溶解硝酸銨、二效蒸發(fā)、干燥機空氣加熱器串聯進蒸汽等節(jié)能新技術應用于硝酸鉀生產中，每噸硝酸鉀可降低蒸汽消耗分別為62kg、1180kg、800kg、520kg、60kg，合計降低蒸汽消耗2622 kg, 按年生產20kt硝酸鉀計，年可節(jié)約蒸汽52440t(約合7341.6t標準煤)，新增經濟效益786萬元。這些節(jié)能新技術可以大幅度降低硝酸鉀能耗與生產成本，提高企業(yè)竟爭力。

參 考 文 獻

1 張 罡,夏重陽,何斌鴻等.我國硝酸鉀市場競爭力分析[J].化學工業(yè),2007(9)：16-18.

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

3 易健民,張 罡,沈晃宏等.硝酸鉀與氯化鎂聯產新工藝[J].現代進展,2005,25(6)：52-54.

4 張 罡,易健民,沈晃宏.復分解法生產硝酸鉀技術存在的問題與建議[J].化肥設計,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.硝酸鉀真空冷卻結晶工藝[J].化學工程,2006,34(5)：16-18.

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

8 化肥工業(yè)大全編委會.化肥工業(yè)大全[M].北京：化學工業(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].包裝與食品機械,2001,19(3)：23-25.