代家聚

(洛陽建材建筑設計研究院有限公司 河南洛陽 471003)

以鉀長石為原料生產(chǎn)窯灰鉀肥的試驗與應用

代家聚

(洛陽建材建筑設計研究院有限公司 河南洛陽 471003)

試驗研究了高溫煅燒鉀長石配制的水泥生料的K2O揮發(fā)率，結果表明摻入適量的添加劑，K2O的揮發(fā)率高達90%以上，以鉀長石代替生料配料中的黏土質(zhì)原料，利用現(xiàn)有新型干法熟料生產(chǎn)線，采用旁路放風工藝生產(chǎn)窯灰鉀肥的技術是可行的。對于5 000 t/d新型干法熟料生產(chǎn)線，每年可生產(chǎn)窯灰鉀肥143.4 kt，折合K2O量38.62 kt，年產(chǎn)值為2.044億元，年利潤為5 490萬元，經(jīng)濟效益可觀。

鉀長石；新型干法熟料生產(chǎn)線；旁路放風；窯灰鉀肥

鉀是農(nóng)作物生長必需的元素，我國鉀肥的消費量約占世界總消費量的25%。2015年，我國鉀肥產(chǎn)量為10 630 kt(折KCl，下同)，進口量為9 430 kt，自給率僅為53%[1]。我國是鉀礦資源豐富的國家，但絕大部分是水不溶性的鉀長石，不能被植物所吸收，水溶性的鉀鹽資源嚴重緊缺且分布很不均勻[2]。

國內(nèi)很多學者研究了利用鉀長石制鉀肥，主要方法有直接法、揮發(fā)法和浸取法[3- 4]，但均存在工藝流程長、投資大、產(chǎn)品成本高、尾渣多、經(jīng)濟效益差等問題。從鉀長石的化學成分來看，除了含有在熟料高溫煅燒過程中可以揮發(fā)的K2O外，其余都是熟料組成部分，故可用其代替生料配料中的黏土質(zhì)原料，利用熟料煅燒時的高溫使K2O揮發(fā)，將水不溶性鉀轉化為可溶性鉀，再經(jīng)收集制取鉀肥。洛陽建材建筑設計研究院有限公司從2012年開始研究以鉀長石為原料，利用新型干法熟料生產(chǎn)線，采用旁路放風工藝生產(chǎn)窯灰鉀肥的技術。

河南省平頂山市魯山縣已探明的鉀長石礦儲量大，河南海亮興發(fā)鉀鹽工業(yè)投資有限公司計劃與平頂山市某水泥廠合作，建設年產(chǎn)150 kt窯灰鉀肥生產(chǎn)線，由洛陽建材建筑設計研究院有限公司負責試驗研究和工程設計工作。

1 試驗用添加劑、原料和燃料

試驗中所采用的添加劑為螢石，來自魯山縣，其w(CaF2)=71.72%。

試驗用原料的化學成分如表1所示，試驗用燃料煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)如表2所示，煤灰全分析數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 試驗用原料的化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 試驗用燃料煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)

Mad/%Vad/%Aad/%St.ad/%FCad/%Qnet,ad/(kJ·kg-1)來源0.7411.9830.940.4455.9022483魯山縣

表3 煤灰全分析數(shù)據(jù)(質(zhì)量分數(shù)) %

2 試驗研究

2.1 試驗配料方案

試驗配料方案見表4。

表4 試驗配料方案(質(zhì)量分數(shù)) %

2.2 試驗方法

(1) 按表4的配比配料，然后加入試驗管磨機粉磨生料，得到的粉磨后生料細度為0.08 mm方孔篩篩余12%～15%。

(2) 稱取一定量生料(G1)，測定其空氣干燥基成分。

(3) 將生料平鋪于容器中，然后在馬弗爐中于950 ℃下預燒30 min，取出后立即放入已升至預定溫度(1 400 ℃或1 450 ℃)的高溫爐中并保溫30 min，取出后在空氣中冷卻并稱重(G2)，然后測定成分。

2.3 煅燒后物料XRD圖譜結果

經(jīng)1 450 ℃煅燒后，作為原料中主要組成的CaCO3分解生成CaO和CO2，CaO繼續(xù)與其他成分發(fā)生反應，而生成的CO2放出導致發(fā)生較大的灼減。通過對煅燒后的樣品進行XRD圖譜分析，可知煅燒后的組成主要為硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鐵鋁酸鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)和鋁酸鈣(3CaO·Al2O3)，與水泥熟料組成一致。

2.4 K2O揮發(fā)率的計算

通過測定煅燒前后K2O質(zhì)量分數(shù)的變化，計算得到的K2O揮發(fā)率見表5。

表5 K2O揮發(fā)率

項目 w(K2O)/%煅燒前生料煅燒后物料生料燒失量/%K2O揮發(fā)率1)/%配比1(干基)1.850.9436.2867.6配比2(干基)1.790.8936.2968.3配比3(干基)1.570.6536.5973.7配比4(干基)1.610.6436.6874.8配比5(干基)1.680.4836.4281.8配比6(干基)1.740.4836.3282.4配比7(干基)1.740.3936.0385.7配比8(干基)1.790.3735.9886.8配比9(干基)1.840.2036.0093.0配比10(干基)1.950.1935.6093.7

注：1)K2O揮發(fā)率=[(生料中K2O質(zhì)量分數(shù)×G1-煅燒后物料中K2O質(zhì)量分數(shù)×G2)/(生料中K2O質(zhì)量分數(shù)×G1)]×100%

2.5 試驗結果

(1) 摻入適量的添加劑可提高K2O揮發(fā)率。

(2) 為了提高鉀長石的摻加量，要求硅質(zhì)校正原料中的w(SiO2)>95%，鐵質(zhì)校正原料中的w(Fe2O3)>55%。

(3) 實驗室中煅燒時物料處于平攤固定的狀態(tài)，而實際生產(chǎn)中物料處于不斷翻滾狀態(tài)，窯灰懸浮在煙氣中，K2O的揮發(fā)率應大于試驗結果。

3 窯灰鉀肥生產(chǎn)線設計方案

旁路放風技術是為了解決堿、硫、氯等有害成分的循環(huán)富集所造成的結皮堵塞、熟料質(zhì)量下降等問題[5]，在此項目中用來收集窯灰鉀肥，抽風口設置在K2O含量高、氣流含塵濃度低的窯尾煙室上部。預分解窯采用100%旁路放風時，熱耗較不放風時增大約30%，而預熱器廢氣僅減少10%，這樣少量的減少在預熱器操作的允許波動范圍內(nèi)[5]。因此，平頂山市現(xiàn)有某5 000 t/d水泥廠采用100%旁路放風生產(chǎn)窯灰鉀肥時，1 kg熟料熱耗為730×1.3×4.186=3 972.5(kJ)。

3.1 窯灰鉀肥生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程

窯灰鉀肥生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 窯灰鉀肥生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程

3.2 設計計算

計算基準：1 kg熟料熱耗3 972.5 kJ，生產(chǎn)1 kg熟料耗生料1.612 kg，K2O揮發(fā)率83%，旁路粉塵質(zhì)量濃度0.15 kg/m3(標態(tài))，1 kg熟料100%旁路放風量0.617 m3(標態(tài))；實際生產(chǎn)時的原料配比為w(石灰石)79.66%，w(砂巖)3.93%，w(鐵礦石)1.96%，w(鉀長石)14.45%，添加劑螢石添加量占原料總質(zhì)量的0.5%；日產(chǎn)熟料5 000 t，年生產(chǎn)時間310 d。

經(jīng)配料計算，得到的生料、熟料、堿收集系統(tǒng)粉料成分見表6。

3.3 旁路放風系統(tǒng)收集的窯灰鉀肥量

1 t熟料堿收集系統(tǒng)收下的粉料量為0.15×0.617×1 000=92.55(kg)，粉料中含K2O質(zhì)量分數(shù)為26.93%，折合純K2O為26.93%×92.55=24.92(kg)。年窯灰鉀肥的產(chǎn)量為5 000×310×92.55÷1 000÷10 000=143.4(kt)，折合K2O為38.62 kt/a。

窯灰鉀肥提純部分在此不再贅述。

3.4 主要設備工藝參數(shù)

(1) 冷卻風機：風溫20 ℃，風量300 000 m3/h，全壓1 500 Pa，功率185 kW，2臺。

(2) 增濕塔：Φ8.5 m×36.0 m，處理風量600 000 m3/h，1座。

(3) 袋收塵器：氣箱脈沖，風量500 000 m3/h，風溫180 ℃，1臺。

表6 生料、熟料、堿收集系統(tǒng)粉料成分

項目生料出窯熟料旁路粉料w(燒失量)/%36.284.97w(SiO2)/%12.7022.3814.40w(Al2O3)/%2.415.293.41w(Fe2O3)/%2.013.322.13w(CaO)/%43.2065.9942.45w(MgO)/%1.151.801.16w(K2O)/%1.790.4826.93w(Na2O)/%0.040.050.48w(SO3)/%0.170.173.32w(Cl-)/%0.030.000.42w(其他)/%0.230.510.33鋁氧率1.201.601.60硅酸率2.872.602.60飽和比1.080.900.90石灰飽和系數(shù)108.8292.8492.84w(硅酸三鈣)/%58.27w(硅酸二鈣)/%20.23w(鋁酸三鈣)/%8.40w(鐵鋁酸四鈣)/%10.08w(游離氧化鈣)/%w(堿含量)/%0.365w(硅酸三鈣+硅酸二鈣)/%78.50

(4) 鍋爐引風機：風溫160 ℃，全壓3 000 Pa，風量500 000 m3/h，功率630 kW，1臺。

3.5 經(jīng)濟效益分析

熟料的熱耗增加量為730×0.3×4.186=916.7 kJ/kg，煤的熱值為22 185.8 kJ/kg，則1 t熟料煤耗的增加量為916.7÷22 185.8×1 000=41.3(kg)。煤價按500元/t計，1 t熟料增加的成本為20.65元。

生產(chǎn)1 t熟料收集產(chǎn)生24.92 kg純K2O，折合硫酸鉀肥(含K2O質(zhì)量分數(shù)≥51%)48.86 kg。按照硫酸鉀價格2 700元/t、堿收集系統(tǒng)電耗700 kW、窯灰鉀肥提純系統(tǒng)的生產(chǎn)成本折硫酸鉀1 500元/t、工業(yè)電價0.76元/(kW·h)計算，則硫酸鉀肥總的生產(chǎn)成本為700×0.76÷(5 000÷24×48.86÷1 000)+1 500=1 552.26(元/t)，折合硫酸鉀肥的年產(chǎn)值為2.044億元，折合硫酸鉀肥的年利潤為5 490萬元。

4 結語

(1) 高溫煅燒鉀長石配制的水泥生料中摻入適量的添加劑，K2O的揮發(fā)率高達90%以上。

(2) 以鉀長石代替生料配料中的黏土質(zhì)原料，利用現(xiàn)有新型干法熟料生產(chǎn)線，采用旁路放風工藝生產(chǎn)窯灰鉀肥的技術是可行的。

(3) 水泥產(chǎn)能嚴重過剩，2015年行業(yè)虧損面達到35%。在鉀長石礦產(chǎn)資源豐富的地區(qū)，利用當?shù)噩F(xiàn)有新型干法熟料生產(chǎn)線生產(chǎn)鉀肥，能取得良好的經(jīng)濟和社會效益。

[1] 阿杜.猴年伊始 鉀肥三盼[EB/OL].(2016- 02- 15)[2016- 03- 08] http:∥www.fert.cn/news/2016/2/15/2016215152 9408 7535.shtml.

[2] 薛彥輝，楊靜.鉀長石低溫燒結法制鉀肥[J].非金屬礦，2000(1)：19- 21.

[3] 陶紅，馬鴻文，廖立兵.鉀長石制取鉀肥的研究進展及前景[J].礦產(chǎn)綜合利用，1998(1)：28- 32.

[4] 喬繁盛.我國利用鉀長石的研究現(xiàn)狀及建議[J].濕法冶金，1998(2)：22- 28.

[5] 陳全德.新型干法水泥技術原理與應用[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2004：147- 149.

ExperimentofProductionofKilnAshPotassiumFertilizerUsingPotassiumFeldsparasRawMaterialandUse

DAI Jiaju

(Luoyang Cement Engineering Design & Research Institute Ltd., Luoyang 471003, China)

An experimental study is carried out of volatilization rate of cement raw material K2O prepared with high- temperature calcinated potassium feldspar. Experimental results show that mixing appropriate amount of additive, K2O volatilization rate reaches above 90%, and using potassium feldspar to replace clayey raw material in raw material proportioning, with current new dry clinker production line, the technology of adopting bypass system to produce kiln ash potassium fertilizer is feasible. A 5 000 t/d new dry clinker production line can produce 143.4 kt kiln ash potassium fertilizer annually, which is equivalent to 38.62 kt K2O, the annual output value is 204.4 million yuan, and annual profit is 54.9 million yuan. The economic benefit is considerable.

potassium feldspar; new dry clinker production line; bypass system; kiln ash potassium fertilizer

TQ443.5

A

1006- 7779(2017)04- 0060- 04

2016- 07- 05)

代家聚(1971—)，男，洛陽建材建筑設計研究院有限公司工藝所所長，建材專業(yè)高級工程師；djj710518@126.com