“冷結(jié)晶—正浮選—洗滌法”生產(chǎn)氯化鉀物料衡算

史忠錄，黃 龍,杜佩英,馬占梅，傅鈴麟

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，青海省鹽湖資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海省鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，國(guó)家鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)研究中心， 青海 格爾木 816099)

1 前言

鉀肥生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中生產(chǎn)能耗和氯化鉀的收率是控制成本的關(guān)鍵指標(biāo)，而物料衡算對(duì)于生產(chǎn)過程控制起到舉足輕重的作用，通過物料衡算可以直觀地計(jì)算出原輔材料的各項(xiàng)消耗定額，同時(shí)也可以通過實(shí)際分析數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，查找生產(chǎn)過程中控制不當(dāng)?shù)沫h(huán)節(jié)采取措施及時(shí)糾錯(cuò)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝提高生產(chǎn)收率降低生產(chǎn)成本。

“冷結(jié)晶—正浮選—洗滌法”生產(chǎn)氯化鉀工藝是青海鹽湖元通公司發(fā)明的一種新型生產(chǎn)工藝，也是目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)氯化鉀的主要方法之一，它的出現(xiàn)逐漸取代了“冷分解—正浮選—洗滌法”生產(chǎn)氯化鉀工藝。“冷結(jié)晶—正浮選—洗滌法”生產(chǎn)氯化鉀工序主要包括：冷結(jié)晶、浮選及分離、真空過濾、洗滌、離心分離及干燥等六個(gè)工序。

在察爾汗鹽湖地區(qū)鉀肥生產(chǎn)過程中一直利用四元水鹽體系相圖指導(dǎo)鹽田生產(chǎn)光鹵石礦和加工車間生產(chǎn)鉀肥工藝，無論是在鹽田曬制光鹵石礦還是在加工廠生產(chǎn)鉀肥，都存在質(zhì)量守恒。因此，使用四元水鹽體系相圖指導(dǎo)生產(chǎn)過程同時(shí)也是在使用質(zhì)量守恒原理。因此，文章主要利用“杠桿規(guī)則法和質(zhì)量守恒原理”進(jìn)行氯化鉀生產(chǎn)過程的物料衡算。

2 “冷結(jié)晶—正浮選—洗滌法”生產(chǎn)氯化鉀工藝過程

2.1 原礦組分

原礦(含鈉光鹵石)，由于E點(diǎn)鹵水是(氯化鉀、氯化鈉和光鹵石)的三相飽和點(diǎn)，因此，在析出光鹵石的同時(shí)析出氯化鈉其組分見表1；原礦取自青海察爾汗鹽湖。

表1 原礦(含鈉光鹵石)組成Tab.1 Raw mine composition

2.2 生產(chǎn)工藝控制參數(shù)及計(jì)算依據(jù)

生產(chǎn)氣溫：以15 ℃為計(jì)算依據(jù)；浮選粗鉀泡沫(K點(diǎn))組分WE(K)∶WI=3 ∶1 (濕基比)；粗鉀泡沫固相組成(I點(diǎn))WKCl∶WNaCl=9 ∶1；尾鹽漿料固相組成(J點(diǎn))WKCl∶WNaCl=3 ∶97；粗鉀泡沫經(jīng)過濾濾餅N含母液量為20%，即WE(N)∶WI=2 ∶8(濕基比)；洗滌料漿經(jīng)離心分離后精鉀含水量為6.00 %；精鉀氯化鉀中干燥后含水量為2%。

2.3 相圖分析

利用相圖可以得到制取KCl的工藝流程如圖1，并對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題加以解決，文章利用相圖獲取“冷結(jié)晶—正浮選—洗滌法”生產(chǎn)KCl的工藝流程圖。

圖1 光鹵石用“冷結(jié)晶—正浮選—洗滌法”生產(chǎn)氯化鉀的四元體系(15 ℃)Fig.1 Quaternary system for production of KCl from carnallite by “Cold crystallization-Positive flotation-Washing method”

第一階段：冷分解結(jié)晶工序。將原料光鹵石M(M0)在結(jié)晶器加水恰好使光鹵石完全分解同時(shí)氯化鉀結(jié)晶，不同于冷分解過程是多了氯化鉀的結(jié)晶工序，使得氯化鉀顆粒在結(jié)晶器成長(zhǎng)大于單純冷分解工序氯化鉀顆粒。在干基圖上固相點(diǎn)從R→Q→H。同時(shí)相對(duì)應(yīng)的液相點(diǎn)由F→E,系統(tǒng)點(diǎn)M點(diǎn)仍然不變；在水圖上固相點(diǎn)變化從R′運(yùn)行到Q′，液相點(diǎn)由F′運(yùn)行到E′，系統(tǒng)點(diǎn)由M0運(yùn)行到M1點(diǎn)；繼而固相點(diǎn)由Q′運(yùn)行到H′，而液相點(diǎn)在E′不動(dòng)，系統(tǒng)點(diǎn)由M1運(yùn)行到M2點(diǎn)。

第二階段：浮選及分離工序。浮選物料為第一工序的高鎂母液E(E′),浮選藥劑是鹽酸十八胺和二號(hào)油。經(jīng)過藥劑的浮選作用，分解結(jié)晶后固相鉀石鹽H(H′)以粗鉀I(I′)和尾鹽J(J′)的形式存在。粗鉀泡沫礦漿K(K′)從浮選頂部刮出和尾鹽礦漿L(L′)從掃選槽排出系統(tǒng)。此階段為第一次分離過程，將尾鹽氯化鈉泡沫同氯化鉀分離。

第三階段，將浮選出的粗鉀泡沫K(K′)中的固相粗鉀I(I′)與其對(duì)應(yīng)的母液E(E′)進(jìn)行分離。實(shí)際生產(chǎn)過程通常采用方便且易操作 的轉(zhuǎn)筒過濾機(jī)進(jìn)行分離，分離后的固相濾餅為相圖N(N0)點(diǎn)母液依然為E(E′)點(diǎn)。此工序?yàn)榈诙畏蛛x過程，將粗鉀泡沫同母液進(jìn)行分離得到粗鉀半成品。

第四階段，對(duì)粗鉀濾餅N(N0)中的NaCl進(jìn)行洗滌。由相圖分析可知，濾餅N(N0)是由粗鉀I(I′)和共飽液E(E′)所組成，當(dāng)對(duì)其加適量水時(shí)，固相則由I(I′)運(yùn)行至C(C′)，而液相則由E(E′)運(yùn)行至O(O′)，在干基圖上系統(tǒng)點(diǎn)在N不變；在水圖上系統(tǒng)點(diǎn)則由N0運(yùn)行至N1。此工序?yàn)榈诙渭铀^程，加水量恰好使I(I′)中的NaCl全部洗完，得到洗滌料漿N(N1)。

第五階段：將洗滌料漿N(N1)中的固相KClC(C′)與其對(duì)應(yīng)的精鉀母液O(O′)通過離心設(shè)備進(jìn)行固液分離。固相即為濕精鉀P(P′)， 液相為精鉀母液O(O′)返回系統(tǒng)分解結(jié)晶工序以降低分解工序氯化鉀損失，同時(shí)可以提高光鹵石生產(chǎn)氯化鉀的收率。此工序?yàn)榈谌畏蛛x過程，使得精鉀P(P′)與精鉀母液O(O′)得以分離。

第六階段，將濕精鉀P(P′)在干燥設(shè)備中烘干除去水分，即可得到成品KCl產(chǎn)品。

經(jīng)過以上的相圖分析，可以得出由含鈉光鹵石生產(chǎn)氯化鉀的工藝流程，如圖2。

圖2 冷結(jié)晶生產(chǎn)氯化鉀工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of KCl production by cold crystallization

3 “冷結(jié)晶—正浮選—洗滌法”生產(chǎn)KCl物料衡算

3.1 各工序物料點(diǎn)組分

從四元水鹽體系相圖中得到相關(guān)物料的組成見表2。

表2 物料的組成Tab.2 Composition of materials

3.2 初開車工序物料衡算

加工廠初開車時(shí)沒用循環(huán)母液，全部依靠淡水分解原礦光鹵石。

3.2.1 分解結(jié)晶過程的物料衡算(圖3)

以100 kg原礦為計(jì)算基準(zhǔn)，分解結(jié)晶器為衡算對(duì)象進(jìn)行物料衡算如下：

設(shè)：W0為分解結(jié)晶過程加水量，kg/h；WE為分解母液量，kg/h;WB(H)為分解料漿中固相KCl的量，kg/h;WC(H)為分解料漿中NaCl的量，kg/h。

從圖3得出如下方程:WB(H)+WC(H)+WE=WM+W0

圖3 冷分解結(jié)晶過程Fig.3 Cold decomposition crystallization process

對(duì)KCl進(jìn)行物料衡算：WB(H)×100%+WE×2.76%=100×16.73%；

對(duì)NaCl進(jìn)行物料衡算：WC(H)×100%+WE×1.83%=100×27.45%；

對(duì)MgCl2進(jìn)行物料衡算：WE×25.60%=100×26.43%；

對(duì)H2O進(jìn)行物料衡算：WE×69.81%=100×29.38%+WO。

解方程得：WE=103.24 kg/h,WB(H)=13.88 kg/h,WC(H)=25.56 kg/h,WO=42.68 kg/h

因此，原礦光鹵石剛好完全分解時(shí)：

(1)加水量為42.68 kg/h；

(2)產(chǎn)生分解母液103.24 kg/h；

(3)料漿中固相氯化鉀為13.88 kg/h；

(4)料漿中固相氯化鈉為25.56 kg/h。

所以，礦漿中固相總量：WE=WB(H)+WC(H)=13.88+25.56=39.44 kg/h。

3.2.2 浮選及分離過程物料衡算(圖4)

圖4 浮選過程Fig.4 Floation process

設(shè)：WC(I)為I點(diǎn)的KCl量kg/h；WC(J)為J點(diǎn)的KCl量，kg/h；WB(I)為I點(diǎn)的NaCl量，kg/h；WB(J)為J點(diǎn)的NaCl量，kg/h。

根據(jù)已知條件：粗鉀泡沫固相組份(I點(diǎn))

WKCl∶WNaCl=90 ∶10

尾鹽料漿中固相組份(J點(diǎn))WKCl∶WNaCl=3 ∶97

粗鉀泡沫(K點(diǎn))WE(K)∶WI=3 ∶1(濕基比)。

依據(jù)物料衡算得：

WC(I)+WC(J)=13.88 kg/h，WB(I)+WB(J)=25.56 kg/h；

WC(I)∶WB(I)=9 ∶1，WC(J)∶WB(J)=3 ∶97。

解方程得：WC(I)=13.14 kg/h，WC(J)=0.75 kg/h

WB(I)=1.46 kg/h，WB(J)=24.10 kg/h。

(1)粗鉀泡沫產(chǎn)量：

WK=4×(WC(I)+WC(J))=58.4 kg/h；

(2)尾鹽料漿分解母液產(chǎn)量：

WE(L)=WE-3×(WC(I)+WC(J))=59.44 kg/h；

(3)尾鹽料漿產(chǎn)量：

WL=WE(L)+(WC(J)+WB(J))=84.29 kg/h。

3.2.3 過濾過程物料衡算(圖5)

由題意和圖5可知WE(N)∶WN=2 ∶8；

圖5 過濾過程Fig.5 Filtration process

=58.4-40.15=18.25 kg/h。

3.2.4 洗滌過程的物料衡算(圖6)

圖6 再漿洗滌過程Fig.6 Washing process after slurry

設(shè)：W1為洗滌用水量，kg/h；W0為洗滌母液量，kg/h；WA(N)為洗滌料漿中固相KCl量，kg/h。

由題意列方程如下：

W1+WN=W0+WA(N)

KCl進(jìn)行物料衡算：

18.25×72.55%=WA(N)×100%+W0×7.33%

MgCl2進(jìn)行物料衡算：

18.25×5.12%=W0×8.17%

H2O進(jìn)行物料衡算：

18.25×13.97%+W1×100%=W0×71.45%

解方程得：W1=5.62 kg/h,W0=11.43 kg/h,WA(N)=12.40 kg/h

3.2.5 離心分離過程的物料衡算(圖7)

圖7 離心分離過程Fig.7 Process of centyrifugal separation

已知：濕精鉀的含水量為6.0%。

則有：(0.714 5×WO(P))/(12.40+WO(P))=6/100

解得：WO(P)=1.14 kg/h

洗滌料漿洗滌分離后得：

濕精鉀量為：WP=WA(N)+WO(P)=13.54 kg/h

3.2.6 干燥過程的物料衡算(圖8)

圖8 干燥過程Fig.8 Drying process

設(shè)：G2為干燥后產(chǎn)品的量；W為蒸發(fā)水量；G2中KCl含量為xA；G2中MgCl2含量為xC；G2中NaCl含量為xB；G2中H2O含量為2%。

已知：由濕精鉀的組成可知x1=6.0%；G1=WP=13.54 kg/h

則有：G1(1-6.0%)=G2(1-2%)，解得G2=12.99 kg/h

即蒸發(fā)水量：W=G1-G2=0.55 kg/h。

對(duì)KCl進(jìn)行物料衡算：

12.99×xA=13.54×91.60%

對(duì)NaCl進(jìn)行物料衡算：

12.99×xB=13.54×1.10%

對(duì)MgCl2進(jìn)行物料衡算：

12.99×xC=13.54×0.69%

解得：xA=95.48%;xB=1.15%;xC=0.72%

3.3 正常生產(chǎn)條件下的物料衡算

根據(jù)加工廠實(shí)際生產(chǎn)情況，為了節(jié)約生產(chǎn)用淡水資源以及回收精鉀母液中的鉀，將從離心機(jī)甩出來的精鉀母液重新利用進(jìn)行冷結(jié)晶分解原礦。以“3.2.5”所得到的精鉀母液量作為返回母液進(jìn)行迭代計(jì)算。將其過程迭代至定值此處不再贅述。

4 結(jié)論

1)通過冷結(jié)晶—正浮選物料衡算可以設(shè)計(jì)加工廠生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備選型。

2)通過冷結(jié)晶—正浮選物料衡算可以準(zhǔn)確計(jì)算分解結(jié)晶階段和再漿洗滌階段各過程加水量控制。

3)通過冷結(jié)晶—正浮選物料衡算可以計(jì)算加工廠各個(gè)階段氯化鉀收率以及加工廠的綜合收率。