硫酸鉀造粒工藝優(yōu)化研究 *

李東星，劉清旺

(國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司，新疆 哈密 839000)

0 引言

國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司(簡稱“國投羅鉀”)15萬t/a硫酸鉀造粒項目于2017年4月建成投產(chǎn)，同年11月達產(chǎn)達標，2018年10月通過驗收。該裝置以國投羅鉀自產(chǎn)硫酸鉀粉末為原料，采用對輥擠壓工藝造粒，生產(chǎn)過程中不添加除水之外的其他黏合劑，產(chǎn)品粒徑為2.0～5.0 mm，有效成分含量滿足GB/T 20406-2017《農(nóng)業(yè)用硫酸鉀》及企業(yè)標準相關(guān)要求。

1 15萬t/a硫酸鉀造粒生產(chǎn)工藝介紹

硫酸鉀粉末與系統(tǒng)返料在混料器中與水充分混合后輸送至擠壓工段，擠壓后的料塊經(jīng)破碎機破碎后進入雙層振動篩，篩分后物料有三個走向，分別是：粒徑大于5.0 mm的大塊返回破碎機再次破碎，粒徑小于2.0 mm的物料進入返料系統(tǒng)，粒徑為2.0～5.0 mm的合格物料經(jīng)噴水潤濕、干燥拋光、精篩去粉后進入包裝工序。

2 工藝過程優(yōu)化

2.1 造粒系統(tǒng)粉塵污染治理措施

本項目原料為干燥后的硫酸鉀粉末，在設(shè)備接口和觀察口等處極易產(chǎn)生粉塵，有效治理粉塵污染、改善現(xiàn)場工作環(huán)境是保障生產(chǎn)穩(wěn)定運行的首要問題。針對試生產(chǎn)過程中暴露的粉塵污染問題，治理工作的基本思路為“密封+負壓”，具體措施有：①增加設(shè)備接口處的除塵點；②增加皮帶機機頭及下料口處集塵箱的高度及長度；③在刮板機、擠壓機、破碎機觀察門、蓋板等處采用“石棉繩+密封膠”的方式密封；④將自動包裝機除塵風管連接至布袋除塵器主風管；⑤使用螺旋輸送機將布袋除塵器回收的粉塵送回造粒系統(tǒng)。

在除塵設(shè)備日常運行過程中，需要重點關(guān)注的事項有：①各引風口風量的調(diào)節(jié)與平衡，防止因負壓不均衡導致除塵管道積灰、堵塞；②布袋的定期(每月)檢查與更換，確保布袋的過濾效果；③輸灰設(shè)施(螺旋輸送機)的維護與保養(yǎng)，避免回收的粉塵在布袋除塵器的灰斗內(nèi)積存；④干燥尾氣溫度的控制(80～120 ℃)，防止溫度過高燒毀布袋或溫度過低致使布袋結(jié)露；⑤壓縮空氣管道的保溫，避免布袋除塵器氣動元件出現(xiàn)故障。

2.2 系統(tǒng)成品率的優(yōu)化

造粒系統(tǒng)成品率(系統(tǒng)最終顆粒產(chǎn)品產(chǎn)出量與進入系統(tǒng)的物料量的比值)是衡量整個造粒系統(tǒng)設(shè)備有效利用率和系統(tǒng)產(chǎn)能的重要指標，目前國內(nèi)硫酸鉀對輥擠壓造粒工藝的成品率通常在20%左右。分析本項目工藝流程可知：系統(tǒng)成品率=擠壓成型率×破碎成品率×精篩成品率，其中擠壓成型率是指粒徑大于2.0 mm物料的占比，破碎、精篩成品率均指粒徑為2.0～5.0 mm物料的占比。因此，提升系統(tǒng)成品率應(yīng)從擠壓、破碎、精篩3個工序著手。

2.2.1 擠壓工序

1)擠壓機操作參數(shù)調(diào)整

擠壓機主要操作參數(shù)為軋輥弧槽對應(yīng)方式、軋輥間隙、擠壓壓力，其中：軋輥弧槽對應(yīng)方式可分為波谷對波谷、波峰對波谷兩種形式，本項目采用前者；軋輥間隙的調(diào)節(jié)可通過改變固定輥與滑動輥間的調(diào)整墊片數(shù)量、尺寸來實現(xiàn)，本項目采用的DH850型擠壓機的軋輥間隙調(diào)整范圍為1～5 mm，由于原料晶型較為完整、不易擠壓成型，通過試驗驗證，采用最小間隙(1 mm)；前兩個參數(shù)固定以后，擠壓壓力與擠壓料塊的質(zhì)量直接相關(guān)，綜合考慮擠壓顆粒強度和成型率，選用8～12 MPa的操作壓力。

2)給料匹配

給料匹配是指與擠壓機配套的給料螺旋、預壓螺旋和擠壓機主機的給料量(電機頻率)要保持平衡，否則會出現(xiàn)擠壓機不做功或堵塞問題，導致成型率下降。本項目試生產(chǎn)階段主要以擠壓成型率為評價指標，通過單因素試驗，結(jié)合廠家配套的給料螺旋、預壓螺旋、擠壓機閉環(huán)變頻連鎖控制系統(tǒng)，摸索出三者的給料匹配關(guān)系為30、45、45 Hz，在此條件下，成型率可穩(wěn)定在70%以上，擠壓機主機驅(qū)動電流達到額定電流的75%以上，設(shè)備基本實現(xiàn)滿負荷運轉(zhuǎn)。

3)物料性質(zhì)對擠壓成型率的影響[1]

硫酸鉀粉末顆粒的含水量、粒度、溫度是影響擠壓成型率的主要因素。

a.水是對輥擠壓造粒生產(chǎn)硫酸鉀顆粒的黏合劑，其主要作用是在擠壓過程中黏結(jié)硫酸鉀粉末顆粒，增強分子間作用力，從而起到橋連作用。本項目試生產(chǎn)階段采用單因素試驗法得出擠壓成型率最優(yōu)的水分控制范圍是1.0%～1.5%，控制關(guān)鍵點是水、新鮮物料和系統(tǒng)返料要混合均勻，避免“夾生”，為實現(xiàn)這一效果，可采用多點霧化噴水、多次混合的方式。

b.影響硫酸鉀成品顆粒粒度的因素主要體現(xiàn)在兩個方面：①粒徑小于1.0 mm的物料比例應(yīng)控制在10%以內(nèi)，避免物料過細導致預壓螺旋除氣效果下降、物料在壓輥表面迅速排出空氣，以及擠壓成型率下降；②粒徑大于2.0 mm的物料過多，會導致料塊壓實度降低，因而需要更多的壓碎能量。因此需要從兩方面控制：系統(tǒng)配套的布袋除塵器應(yīng)分散布置，多點回收，避免粉塵積存；粗篩和精篩工序應(yīng)從篩網(wǎng)選型、日常監(jiān)測兩方面控制返料中粒徑大于2.0 mm物料的比例不大于25%。

c.通過近3年的生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，當物料溫度超過40 ℃時，擠壓成型率急劇下降(低于50%)，系統(tǒng)返料增加，更換40 ℃以內(nèi)的物料后，成型率恢復正常，其機理目前尚不知曉，但可作為生產(chǎn)經(jīng)驗參數(shù)使用。也有廠家反映，當物料溫度超過150 ℃時，可獲得較好的成型率。白俄羅斯鉀鹽企業(yè)在氯化鉀擠壓造粒試驗中發(fā)現(xiàn)，原料氯化鉀的溫度升至120～130 ℃時有利于料塊擠壓和提高顆粒強度[2]。因條件限制，未開展高溫擠壓造粒試驗。

2.2.2 破碎工序

影響破碎工序成品率的首要因素是破碎機的選型。反擊式破碎機因其處理能力大、設(shè)備穩(wěn)定性強，是國內(nèi)鉀肥造粒首選，但其存在過粉率高、大顆粒循環(huán)量大等缺點；相對而言，齒輥式破碎機的過粉率和大顆粒循環(huán)量均比較低，但由于雙齒輥破碎機的處理能力不足，因此本項目采用四齒輥破碎機。

對于四齒輥破碎機，影響破碎成品率的主要參數(shù)是齒輥間隙(以齒輥中心距為表征)和上下齒輥轉(zhuǎn)速比。調(diào)整的步驟是：在上下輥工頻轉(zhuǎn)速下，確定下輥間隙為排料最小粒徑(2.0 mm)；再調(diào)整上輥間隙，優(yōu)化破碎成品率，使粒徑大于5.0 mm的物料分布降至最低水平；最后調(diào)整上下輥轉(zhuǎn)速比，降低粒徑小于2.0 mm的細顆粒分布，即降低過粉率。結(jié)果表明：在上輥間隙為5.0 mm，下輥間隙為2.0 mm，上下輥轉(zhuǎn)速比為0.9的條件下，破碎成品率高于30%。

近年來，利用離散元模型通過分析齒形、齒數(shù)、布齒方式等研究礦物破碎性能在國內(nèi)也較為常見[3-4]，可利用該研究方法進一步提高四齒輥破碎機在本造粒裝置中的應(yīng)用效果。

2.2.3 精篩工序

本造粒裝置選用圓筒篩作為精篩設(shè)備，主要作用是去除粗篩階段未完全篩除的細顆粒以及物料輸送、干燥拋光過程中產(chǎn)生的粒徑小于2.0 mm的細顆粒。就單位面積篩分效率而言，圓筒篩的低于振動篩，但其優(yōu)點在于密封性好、便于除塵，且兼具拋光作用。提高精篩工序成品率的主要途徑是確保干燥前后顆粒的強度，即確保擠壓料塊的強度不低于30 N，以減少物料轉(zhuǎn)運及干燥拋光過程中的二次破碎，具體措施見2.3。

2.3 顆粒抗壓強度的優(yōu)化

顆?？箟簭姸仁橇蛩徕涱w粒產(chǎn)品的重要質(zhì)量表征參數(shù)，較高的顆粒強度可以減少產(chǎn)品運輸過程中的二次破碎，同時也兼具緩釋效果，滿足作物不同生長階段的營養(yǎng)元素需求。本項目經(jīng)過試生產(chǎn)階段的調(diào)試和技術(shù)改造，最終產(chǎn)品顆粒平均抗壓強度不低于40 N(不同粒徑加權(quán)平均結(jié)果，下同)，達到或超過了國內(nèi)同類企業(yè)質(zhì)量水平，其主要措施敘述如下。

2.3.1 提高擠壓顆粒強度

擠壓機擠出的料塊長度在100 mm以上，直接測定其抗壓強度較為困難，在擠壓機調(diào)試階段，通常以料塊的壓實度(密度)作為擠壓顆粒強度的表征，即料塊的壓實度越高，其破碎后的顆粒強度也越高。調(diào)試的主要方法是：運用阿基米德原理測定不同工況下的擠壓料塊密度，在確保擠壓成型率不低于70%且擠壓壓力穩(wěn)定在10 MPa的條件下，料塊的壓實度為2.0～2.1 g/cm3，干燥前顆粒強度可以高于30 N。結(jié)合擠壓機的液壓系統(tǒng)工況，選定擠壓機工作壓力為10 MPa、泄壓壓力為12 MPa、油泵啟動壓力為8 MPa。

2.3.2 提高干燥后顆粒強度

為提高最終產(chǎn)品顆粒強度，在干燥轉(zhuǎn)筒前的皮帶機上裝有一套水噴淋系統(tǒng)，經(jīng)過工藝小試和現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，與直接噴淋生產(chǎn)水相比，噴淋硫酸鉀飽和母液可獲得更高的顆粒強度。根據(jù)三大破碎理論之邦德(Bond)破碎理論[5]推斷其機理為：礦石在破碎過程中，外力作用首先使局部變形產(chǎn)生裂口，儲存在物體內(nèi)部的形變能量使裂口擴展形成斷面，因此在破碎后的顆粒內(nèi)部仍存在尚未擴展成斷面的殘余裂縫。水噴淋的作用在于溶解裂縫周邊的硫酸鉀、填充裂縫，干燥過程中，水分蒸發(fā)，裂縫被填滿，從而提高顆粒的抗壓強度；但由于硫酸鉀在常溫下的溶解度較低(20 ℃時僅為11.1 g)、溶解速度慢，溶解的硫酸鉀在蒸發(fā)水分后不足以填滿裂縫，故而對顆粒強度的提高貢獻不大，而使用硫酸鉀飽和母液可以克服此缺點。

為保證母液充分、均勻潤濕硫酸鉀顆粒，主要進行了兩項改造：

a.改造噴淋裝置。原有的螺旋噴頭僅靠系統(tǒng)自身壓力無法使母液呈霧狀噴淋，若使用細水霧噴頭，又會因為母液中含有細小顆粒物而導致噴頭堵塞。為此，設(shè)計制作了一種雙通道噴頭，其中一個通道連接帶有減壓閥的壓縮空氣，另一個通道與母液支管相連，使用壓縮空氣將母液霧化，噴淋至顆粒表面。

b.增加皮帶耙料裝置。改造過程中，除將干燥轉(zhuǎn)筒進料皮帶上的1個噴淋點增加為5個外，還在每個噴淋點后增加了通過鉸鏈連接的皮帶耙料裝置，當皮帶機帶料運轉(zhuǎn)時，耙子充分攪拌物料與母液，使母液充分潤濕物料。

結(jié)合皮帶機運轉(zhuǎn)速度、母液潤濕物料速率和現(xiàn)場試驗情況，最終選定母液噴淋量為進料量的5%～6%，干燥后的顆粒強度可提高10 N以上，從而確保最終顆粒產(chǎn)品的強度不低于40 N。

3 結(jié)果分析

a.通過改造造粒除塵系統(tǒng)，實現(xiàn)了除塵設(shè)施連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，粉塵的有組織排放達到國標要求、無組織排放得到有效控制，現(xiàn)場環(huán)境得到明顯改善。

b.在粒徑小于1.0 mm的物料的質(zhì)量分數(shù)控制在10%以內(nèi)、返料中粒徑大于2.0 mm物料的質(zhì)量分數(shù)不大于25%、水質(zhì)量分數(shù)為1.0%～1.5%的條件下，確定了擠壓機的工作參數(shù)：擠壓壓力8～12 MPa，軋輥間隙1.0 mm，給料螺旋、預壓螺旋、擠壓機的變頻設(shè)定為30、45、45 Hz，擠壓料塊成型率高于70%；優(yōu)化了齒輥破碎機控制參數(shù)：上輥間隙5.0 mm，下輥間隙2.0 mm，上下輥轉(zhuǎn)速比為0.9，破碎成品率高于30%。

c.運用阿基米德原理測得擠壓料塊的壓實度在2.0～2.1 g/cm3時，破碎后的顆粒平均抗壓強度可以高于30 N；經(jīng)過試驗對比和技術(shù)改造，選定飽和硫酸鉀母液作為噴淋介質(zhì)，當噴淋量為進料量的5%～6%時，干燥后的顆粒強度可提高10 N以上，有效減少了干燥、精篩過程中的二次破碎，提高了精篩工序成品率，而且可確保最終顆粒產(chǎn)品強度不低于40 N。

4 結(jié)語

經(jīng)過兩年多的探索和工藝優(yōu)化，國投羅鉀15萬t/a硫酸鉀造粒裝置運行穩(wěn)定，連續(xù)兩年達到設(shè)計產(chǎn)能，產(chǎn)品質(zhì)量滿足國標及客戶要求。下階段將重點做好以下工作：①探索設(shè)備運維周期，確保設(shè)備長期穩(wěn)定運行；②進一步改善顆粒成品質(zhì)量，提升客戶滿意度；③提高裝置自動化、智能化控制水平，降低造粒生產(chǎn)人工成本。