提高硫酸钾颗粒强度的工艺研究与应用

刘清旺

(国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司，新疆 哈密 839000)

对辊挤压造粒法自20世纪90年代引入国内以来，广泛应用于钾肥造粒。对于水盐体系法生产的硫酸钾粉末而言，其晶型多呈规则的假六边形[1]，挤压造粒难度较大，且生产出的颗粒平均抗压强度低，在产品运输过程中极易产生二次磨损，导致终端销售产品观感质量差、含粉量高。为解决这一问题，业内通常采用添加膨润土、黏土等粘合剂的方法[2]提高颗粒强度，但该法引入了无效成分，降低了成品颗粒的养分(K2O)含量。

国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司(以下简称“国投罗钾”)15万t/a硫酸钾造粒项目于2017年建成投产，试车完成后，针对成品颗粒强度偏低的问题，现场组织攻关小组，拟开发一种基于现有颗粒生产线，不需要借助于其它粘合剂的提高硫酸钾颗粒强度的生产工艺。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用物料采集自国投罗钾15万t/a硫酸钾造粒生产线，为挤压破碎后的硫酸钾颗粒半成品。

1.2 试验设备

YHKC-2A型颗粒强度测定仪(量程0 N～200 N，精确度0.1 N，姜堰市银河仪器厂)；101-2ABS烘箱(北京光明仪器厂)；标准筛(中国航空工业540厂)。

1.3 试验原理

根据三大经典破碎理论之Bond FC 建立的裂缝学说[3]，矿石在破碎过程中，外力的作用会使料块局部变形，当形变达到临界点即产生裂口，随其内部形变能量蓄积，裂口进一步扩展形成断面。因此，挤压破碎后的硫酸钾颗粒内部不免存在尚未扩展成断面的裂缝，这是导致对辊挤压法硫酸钾颗粒强度不高的主要原因。试验拟通过在颗粒表面喷淋水或硫酸钾饱和母液的方法，浸入这些裂缝，经干燥蒸发水分后，水溶解的硫酸钾或母液含有的硫酸钾结晶析出，以类似粘合剂的作用“修补”裂缝，从而起到提高颗粒强度的作用。

1.4 试验方法

将称重后的硫酸钾颗粒样品均匀摊平在瓷盘上，使用喷壶喷淋不同重量比例的水或饱和硫酸钾母液，并搅拌使其混合均匀，放置在烘箱中105 ℃烘干1 h，冷却至室温后，使用2.00 mm、3.35 mm、5.00 mm标准筛筛分，测定不同粒径颗粒抗压强度，加权平均法计算烘干后的颗粒平均抗压强度。

需要说明的是，在已报道的关于硫酸钾挤压造粒的文献中，关于颗粒强度的样本选择皆语焉不详，笔者认为，以不同粒径的颗粒强度加权平均值，作为颗粒样本的整体质量表征更具有代表性。同时，为测算出喷淋水/母液干燥后的强度变化，特安排一组空白对照，即不喷淋任何介质，直接进行干燥，测定其颗粒强度。

2 结果与讨论(表1、表2、图1)

从表1、表2和图1可以看出：

图1 不同喷水/母液强度趋势图Fig.1 Trend chart of different water spray and strength of mother liquor

表1 颗粒喷淋水干燥试验结果Tab.1 Experimental results of particle spray water drying

表2 颗粒喷淋硫酸钾饱和母液干燥试验结果Tab.2 Experimental results of drying saturated mother liquor with potassium sulfate by particle spray

(1)通过喷淋水和硫酸钾饱和母液，干燥后的硫酸钾颗粒强度均有所提高；从颗粒强度的变化量来看，显然喷淋母液可以得到更高的颗粒强度，最高可达46.4 N，较空白样品干燥后的强度提高13.8 N。

(2)随着喷淋母液量的增加，干燥后的颗粒强度逐步增加，当硫酸钾饱和母液喷淋量≥5%，颗粒强度可以提高12 N以上；但过高的喷淋量会增加干燥工序的负荷，因此选择较为合适的喷淋母液量为5%～6%。

结合1.3的试验原理，可推测母液喷淋—干燥路线优于水喷淋—干燥路线的机理为：在常温下(20 ℃)硫酸钾的溶解度较小，仅为11.1 g，且溶解速度较慢，在喷淋水进入颗粒内部过程中，溶解的硫酸钾较少，水分蒸发后，结晶析出的硫酸钾不足以填满裂缝，故而对颗粒强度提高贡献不大；而喷淋硫酸钾饱和母液则可以避免此问题，可以较完美地弥补颗粒内部缝隙，获得更高的颗粒强度。

3 成果应用

为将以上试验成果应用于生产线，主要制定了以下技术方案：

3.1 设计硫酸钾饱和母液配制设施

硫酸钾饱和母液配制设施主要由配浆槽、搅拌沉降槽和母液槽组成，利用布袋除尘器回收的细灰，与生产水在配浆槽搅拌均匀后，通过自吸泵导入搅拌沉降槽充分搅拌、沉降后，清液自流至母液槽中，使用管道泵输送至各喷淋点。

3.2 制作母液喷淋装置

为使母液呈雾状均匀喷射至颗粒表面，在半成品颗粒输送皮带正上方，沿皮带输送方向，均匀布置五个双通道喷头，该喷头一个通道连接带有减压阀的压缩空气，另一个通道连接阀门控制母液支管，当母液从支管流出时，迅速被高速的压缩空气雾化、喷淋至颗粒表面。生产过程中，可根据皮带输送量，调节母液总管和支管流量，使总母液喷淋量达到颗粒料量的5%～6%。

3.3 制作皮带耙料机构

皮带耙料机构(如图2所示)安装在每个喷淋头后方，主要作用是在皮带上将母液与颗粒搅拌均匀。采用铰接方式将其固定在套管上，耙子放置在皮带上，耙齿端部打磨成圆头，以免刮伤皮带。当皮带机带料运转时，耙子将物料与母液充分搅拌，从而使母液充分润湿颗粒；当皮带机上无物料时，将耙子翻转，以避免耙子损伤皮带。

图2 皮带耙料装置结构示意图Fig.2 Structural diagram of belt harrow device

通过以上改造，成功地将母液喷淋—干燥工艺应用于15万t/a硫酸钾造粒生产装置，经干燥抛光后的硫酸钾颗粒平均抗压强度达到40 N以上，与挤压破碎后的半成品相比，强度提高10 N～15 N。

4 结语

平均抗压强度是硫酸钾颗粒产品质量的重要表征参数。文章通过工艺试验，确定了提高硫酸钾颗粒强度的最佳工艺路线：与水喷淋—干燥工艺相比，在颗粒表面喷淋重量比例为5%～6%的硫酸钾饱和母液时，干燥后的颗粒强度可提高10 N～15 N，成品颗粒平均强度达到40 N以上。该工艺不添加任何粘合剂，即可达到或超过同行业产品质量水平，为后期的稳定生产奠定了质量基础。