李 濤,郝曉翠,王澤江,高書寶,高春娟,駱碧君,王玉琪,張 琦,黃西平

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

1 前言

硝酸鉀是一種重要的無機化工產(chǎn)品和無氯氮鉀二元高品質(zhì)復(fù)合肥料。在農(nóng)業(yè)上,硝酸鉀具備理想的化學(xué)、物理特性和良好的環(huán)境品質(zhì),可提高蔬菜、大田作物、花卉、水果和堅果的產(chǎn)量,改善其質(zhì)量[1-3]。在工業(yè)上,硝酸鉀多用于制造陶瓷、精密儀器玻璃、觸摸屏玻璃、光學(xué)玻璃、火藥、煙花,并用作分析試劑等[4]。目前,全球硝酸鉀的產(chǎn)能約400萬t/a,其中智利礦業(yè)化工公司(SQM)的產(chǎn)能在所有企業(yè)中占比最大,占總產(chǎn)能的33%。中國全部企業(yè)產(chǎn)能約占全球產(chǎn)能的50%,是產(chǎn)能占比最大的國家[5]。根據(jù)中國無機鹽工業(yè)協(xié)會鉀鹽(肥)行業(yè)分會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示,國內(nèi)農(nóng)業(yè)級硝酸鉀市場需求潛力巨大,工業(yè)級硝酸鉀市場需求持續(xù)穩(wěn)定,將呈現(xiàn)產(chǎn)需兩旺的局面。綜合考慮復(fù)合肥以及果蔬、煙草等對高端水溶肥的需求,硝酸鉀未來前景可期。

我國硝酸鉀生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展迅速,傳統(tǒng)生產(chǎn)方法為硝酸銨與氯化鉀轉(zhuǎn)化法,包括離子交換法和復(fù)分解法[6-18],這兩種工藝的主要局限性在于:(1)原料硝酸銨屬于易爆危險品,購買和運輸貯存有危險性,價格昂貴;(2)副產(chǎn)氯化銨對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,設(shè)備投資大[19]。為了克服硝酸銨法存在缺點,近年來依托煤化工,硝酸鎂和氯化鉀復(fù)分解法(硝酸鎂法)生產(chǎn)硝酸鉀得到迅猛發(fā)展,該方法具有工藝路線簡單,產(chǎn)品純度高等優(yōu)點。該工藝副產(chǎn)大量硝酸鉀母液(20%氯化鎂、3%氯化鉀、4%硝酸鎂),現(xiàn)有企業(yè)處理方式為通過蒸發(fā)濃縮制備六水氯化鎂作為鎂肥或建筑裝飾材料廉價出售。由于硝酸鉀母液中含有少量的氯化鉀和硝酸鎂,六水氯化鎂產(chǎn)品品質(zhì)不高,難以達到氯化鎂產(chǎn)品質(zhì)量要求,還造成了硝酸鉀母液中鉀資源的極大浪費。針對硝酸鎂法制備硝酸鉀的行業(yè)共性問題,課題組對硝酸鉀母液鉀資源高效回收利用進行了專題研究,研發(fā)了高效節(jié)能鉀資源回收工藝與“鉀鹽定向精準(zhǔn)提取高效節(jié)能專用技術(shù)裝備”(專用裝備),相關(guān)技術(shù)成果具備產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化條件。研發(fā)的提取工藝和專用裝備具有鉀回收利用率高、運行過程不需增加額外蒸汽和水、提取成本低等優(yōu)點,經(jīng)濟、社會效益顯著,行業(yè)推廣前景好。

2 工藝流程

2.1 工藝流程概述

通過對硝酸鉀母液組成進行分析及工藝試驗研究,制定了工藝流程,見圖1。

圖1 硝酸鉀母液鉀資源高效回收利用工藝流程框圖

上述工藝流程包括鉀鹽定向精準(zhǔn)提取、固液分離、洗滌、蒸發(fā)濃縮等工序,將副產(chǎn)母液中氯化鉀提取出來。部分濃縮結(jié)晶母液首先和洗滌液混合,進入專用裝備,析出晶體,再經(jīng)過固液分離,得到結(jié)晶固體和結(jié)晶母液,結(jié)晶固體加入經(jīng)專用裝備排出的硝酸鉀母液得含氯化鉀漿料,漿料經(jīng)固液分離得到氯化鉀產(chǎn)品和洗滌液,洗滌液返回本系統(tǒng)循環(huán)利用。結(jié)晶母液經(jīng)專用裝備排出后通過蒸發(fā)濃縮,一部分返回本系統(tǒng)循環(huán)利用,另一部分制成氯化鎂副產(chǎn)品。上述工藝實現(xiàn)了硝酸鉀生產(chǎn)母液中鉀資源的高效回收利用,鉀回收率可達85%。

硝酸鉀副產(chǎn)母液定向提鉀生產(chǎn)線主要由“鉀鹽定向精準(zhǔn)提取高效節(jié)能專用技術(shù)裝備”、離心泵、混合槽、液體貯槽、離心機、壓濾機等組成。提取過程中僅需少量電能(主要用于液體輸送和固液分離),提取過程不需額外蒸汽和工藝水,專用技術(shù)裝備除停產(chǎn)時需要少量水涮洗外,運行過程免清水清洗。生產(chǎn)線排出的提鉀母液后續(xù)生產(chǎn)氯化鎂,其能耗、運行成本和現(xiàn)有生產(chǎn)工藝相比基本不變。

2.2 運行成本及產(chǎn)出情況

2.2.1 運行能耗

以5萬t/a硝酸鉀副產(chǎn)母液10萬m3為例,提鉀生產(chǎn)線裝機總功率約237 kW;年耗電量約1 407 780 kW·h,單價0.6元/kW·h,電費約84.5萬元。

2.2.2 提取氯化鉀年產(chǎn)值

氯化鉀純度按90%計,單價2 000元/t,年工作330 d。不同回收率氯化鉀年產(chǎn)值見表1。

表1 不同回收率氯化鉀年產(chǎn)值

3 經(jīng)濟性分析

5萬t/a硝酸鉀副產(chǎn)母液鉀資源高效回收利用工藝的經(jīng)濟性分析,原料液參照山西某5萬t/a硝酸鉀生產(chǎn)企業(yè)的副產(chǎn)硝酸鉀母液(10萬m3)組成(表2),以課題組研發(fā)的成套高效節(jié)能提鉀技術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)及工藝的整體設(shè)計為測算依據(jù)。

表2 硝酸鉀生產(chǎn)母液的組成

3.1 投資估算

工藝總投資為800萬元。其中,建筑工程費80萬元,設(shè)備購置費660萬元,安裝工程費60萬元。

3.2 財務(wù)分析

經(jīng)濟評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù):職工工資72萬元/a(10人每人6 000元/月);電費0.6元/kW·h;設(shè)備修理費率4%;所得稅率25%;財務(wù)折現(xiàn)率10%;城市維護建設(shè)費率7%;教育附加費率3%;房屋建筑物折舊期限30 a,殘值0%;機器設(shè)備折舊年限15 a,殘值5%。

按照氯化鉀回收率75%、80%和85%以及售價1 850、2 000、2 300元分別進行測算,結(jié)果見表3、表4、表5。

表3 主要財務(wù)數(shù)據(jù)及評價指標(biāo)表(氯化鉀回收率85%)

表4 主要財務(wù)數(shù)據(jù)及評價指標(biāo)表(氯化鉀回收率80%)

表5 主要財務(wù)數(shù)據(jù)及評價指標(biāo)表(氯化鉀回收率75%)

以年產(chǎn)5萬t硝酸鉀副產(chǎn)母液提鉀工藝測算為例,總投資為800萬元。氯化鉀1850元/t,回收率為75%,經(jīng)營期每年平均營業(yè)收入不低于517萬元,經(jīng)營期每年平均稅后利潤不低于227萬元,投資回收期(所得稅前)不超過3.4 a,總投資收益率不低于38%。氯化鉀售價及回收率均為較低水平時,該工藝仍然具有較好的財務(wù)評價指標(biāo)。

綜上,采用該工藝回收硝酸鉀副產(chǎn)母液中的鉀資源經(jīng)濟效益顯著。

4 結(jié)論

該工藝以硝酸鎂法制取硝酸鉀副產(chǎn)母液鉀資源回收的行業(yè)共性問題為切入點,實現(xiàn)了氯化鉀的高效回收利用,工藝運行穩(wěn)定,技術(shù)風(fēng)險低,降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本,符合循環(huán)經(jīng)濟理念,適用于工業(yè)化生產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計,全國硝酸鎂與氯化鉀復(fù)分解法生產(chǎn)硝酸鉀產(chǎn)能約27萬t/a,副產(chǎn)母液約65萬t/a,采用該工藝可從中回收氯化鉀約1.6萬t,經(jīng)濟、社會效益顯著。