硫酸钾造粒工艺优化研究 *

李东星，刘清旺

(国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司，新疆 哈密 839000)

0 引言

国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司(简称“国投罗钾”)15万t/a硫酸钾造粒项目于2017年4月建成投产，同年11月达产达标，2018年10月通过验收。该装置以国投罗钾自产硫酸钾粉末为原料，采用对辊挤压工艺造粒，生产过程中不添加除水之外的其他黏合剂，产品粒径为2.0～5.0 mm，有效成分含量满足GB/T 20406-2017《农业用硫酸钾》及企业标准相关要求。

1 15万t/a硫酸钾造粒生产工艺介绍

硫酸钾粉末与系统返料在混料器中与水充分混合后输送至挤压工段，挤压后的料块经破碎机破碎后进入双层振动筛，筛分后物料有三个走向，分别是：粒径大于5.0 mm的大块返回破碎机再次破碎，粒径小于2.0 mm的物料进入返料系统，粒径为2.0～5.0 mm的合格物料经喷水润湿、干燥抛光、精筛去粉后进入包装工序。

2 工艺过程优化

2.1 造粒系统粉尘污染治理措施

本项目原料为干燥后的硫酸钾粉末，在设备接口和观察口等处极易产生粉尘，有效治理粉尘污染、改善现场工作环境是保障生产稳定运行的首要问题。针对试生产过程中暴露的粉尘污染问题，治理工作的基本思路为“密封+负压”，具体措施有：①增加设备接口处的除尘点；②增加皮带机机头及下料口处集尘箱的高度及长度；③在刮板机、挤压机、破碎机观察门、盖板等处采用“石棉绳+密封胶”的方式密封；④将自动包装机除尘风管连接至布袋除尘器主风管；⑤使用螺旋输送机将布袋除尘器回收的粉尘送回造粒系统。

在除尘设备日常运行过程中，需要重点关注的事项有：①各引风口风量的调节与平衡，防止因负压不均衡导致除尘管道积灰、堵塞；②布袋的定期(每月)检查与更换，确保布袋的过滤效果；③输灰设施(螺旋输送机)的维护与保养，避免回收的粉尘在布袋除尘器的灰斗内积存；④干燥尾气温度的控制(80～120 ℃)，防止温度过高烧毁布袋或温度过低致使布袋结露；⑤压缩空气管道的保温，避免布袋除尘器气动元件出现故障。

2.2 系统成品率的优化

造粒系统成品率(系统最终颗粒产品产出量与进入系统的物料量的比值)是衡量整个造粒系统设备有效利用率和系统产能的重要指标，目前国内硫酸钾对辊挤压造粒工艺的成品率通常在20%左右。分析本项目工艺流程可知：系统成品率=挤压成型率×破碎成品率×精筛成品率，其中挤压成型率是指粒径大于2.0 mm物料的占比，破碎、精筛成品率均指粒径为2.0～5.0 mm物料的占比。因此，提升系统成品率应从挤压、破碎、精筛3个工序着手。

2.2.1 挤压工序

1)挤压机操作参数调整

挤压机主要操作参数为轧辊弧槽对应方式、轧辊间隙、挤压压力，其中：轧辊弧槽对应方式可分为波谷对波谷、波峰对波谷两种形式，本项目采用前者；轧辊间隙的调节可通过改变固定辊与滑动辊间的调整垫片数量、尺寸来实现，本项目采用的DH850型挤压机的轧辊间隙调整范围为1～5 mm，由于原料晶型较为完整、不易挤压成型，通过试验验证，采用最小间隙(1 mm)；前两个参数固定以后，挤压压力与挤压料块的质量直接相关，综合考虑挤压颗粒强度和成型率，选用8～12 MPa的操作压力。

2)给料匹配

给料匹配是指与挤压机配套的给料螺旋、预压螺旋和挤压机主机的给料量(电机频率)要保持平衡，否则会出现挤压机不做功或堵塞问题，导致成型率下降。本项目试生产阶段主要以挤压成型率为评价指标，通过单因素试验，结合厂家配套的给料螺旋、预压螺旋、挤压机闭环变频连锁控制系统，摸索出三者的给料匹配关系为30、45、45 Hz，在此条件下，成型率可稳定在70%以上，挤压机主机驱动电流达到额定电流的75%以上，设备基本实现满负荷运转。

3)物料性质对挤压成型率的影响[1]

硫酸钾粉末颗粒的含水量、粒度、温度是影响挤压成型率的主要因素。

a.水是对辊挤压造粒生产硫酸钾颗粒的黏合剂，其主要作用是在挤压过程中黏结硫酸钾粉末颗粒，增强分子间作用力，从而起到桥连作用。本项目试生产阶段采用单因素试验法得出挤压成型率最优的水分控制范围是1.0%～1.5%，控制关键点是水、新鲜物料和系统返料要混合均匀，避免“夹生”，为实现这一效果，可采用多点雾化喷水、多次混合的方式。

b.影响硫酸钾成品颗粒粒度的因素主要体现在两个方面：①粒径小于1.0 mm的物料比例应控制在10%以内，避免物料过细导致预压螺旋除气效果下降、物料在压辊表面迅速排出空气，以及挤压成型率下降；②粒径大于2.0 mm的物料过多，会导致料块压实度降低，因而需要更多的压碎能量。因此需要从两方面控制：系统配套的布袋除尘器应分散布置，多点回收，避免粉尘积存；粗筛和精筛工序应从筛网选型、日常监测两方面控制返料中粒径大于2.0 mm物料的比例不大于25%。

c.通过近3年的生产实践发现，当物料温度超过40 ℃时，挤压成型率急剧下降(低于50%)，系统返料增加，更换40 ℃以内的物料后，成型率恢复正常，其机理目前尚不知晓，但可作为生产经验参数使用。也有厂家反映，当物料温度超过150 ℃时，可获得较好的成型率。白俄罗斯钾盐企业在氯化钾挤压造粒试验中发现，原料氯化钾的温度升至120～130 ℃时有利于料块挤压和提高颗粒强度[2]。因条件限制，未开展高温挤压造粒试验。

2.2.2 破碎工序

影响破碎工序成品率的首要因素是破碎机的选型。反击式破碎机因其处理能力大、设备稳定性强，是国内钾肥造粒首选，但其存在过粉率高、大颗粒循环量大等缺点；相对而言，齿辊式破碎机的过粉率和大颗粒循环量均比较低，但由于双齿辊破碎机的处理能力不足，因此本项目采用四齿辊破碎机。

对于四齿辊破碎机，影响破碎成品率的主要参数是齿辊间隙(以齿辊中心距为表征)和上下齿辊转速比。调整的步骤是：在上下辊工频转速下，确定下辊间隙为排料最小粒径(2.0 mm)；再调整上辊间隙，优化破碎成品率，使粒径大于5.0 mm的物料分布降至最低水平；最后调整上下辊转速比，降低粒径小于2.0 mm的细颗粒分布，即降低过粉率。结果表明：在上辊间隙为5.0 mm，下辊间隙为2.0 mm，上下辊转速比为0.9的条件下，破碎成品率高于30%。

近年来，利用离散元模型通过分析齿形、齿数、布齿方式等研究矿物破碎性能在国内也较为常见[3-4]，可利用该研究方法进一步提高四齿辊破碎机在本造粒装置中的应用效果。

2.2.3 精筛工序

本造粒装置选用圆筒筛作为精筛设备，主要作用是去除粗筛阶段未完全筛除的细颗粒以及物料输送、干燥抛光过程中产生的粒径小于2.0 mm的细颗粒。就单位面积筛分效率而言，圆筒筛的低于振动筛，但其优点在于密封性好、便于除尘，且兼具抛光作用。提高精筛工序成品率的主要途径是确保干燥前后颗粒的强度，即确保挤压料块的强度不低于30 N，以减少物料转运及干燥抛光过程中的二次破碎，具体措施见2.3。

2.3 颗粒抗压强度的优化

颗粒抗压强度是硫酸钾颗粒产品的重要质量表征参数，较高的颗粒强度可以减少产品运输过程中的二次破碎，同时也兼具缓释效果，满足作物不同生长阶段的营养元素需求。本项目经过试生产阶段的调试和技术改造，最终产品颗粒平均抗压强度不低于40 N(不同粒径加权平均结果，下同)，达到或超过了国内同类企业质量水平，其主要措施叙述如下。

2.3.1 提高挤压颗粒强度

挤压机挤出的料块长度在100 mm以上，直接测定其抗压强度较为困难，在挤压机调试阶段，通常以料块的压实度(密度)作为挤压颗粒强度的表征，即料块的压实度越高，其破碎后的颗粒强度也越高。调试的主要方法是：运用阿基米德原理测定不同工况下的挤压料块密度，在确保挤压成型率不低于70%且挤压压力稳定在10 MPa的条件下，料块的压实度为2.0～2.1 g/cm3，干燥前颗粒强度可以高于30 N。结合挤压机的液压系统工况，选定挤压机工作压力为10 MPa、泄压压力为12 MPa、油泵启动压力为8 MPa。

2.3.2 提高干燥后颗粒强度

为提高最终产品颗粒强度，在干燥转筒前的皮带机上装有一套水喷淋系统，经过工艺小试和现场试验发现，与直接喷淋生产水相比，喷淋硫酸钾饱和母液可获得更高的颗粒强度。根据三大破碎理论之邦德(Bond)破碎理论[5]推断其机理为：矿石在破碎过程中，外力作用首先使局部变形产生裂口，储存在物体内部的形变能量使裂口扩展形成断面，因此在破碎后的颗粒内部仍存在尚未扩展成断面的残余裂缝。水喷淋的作用在于溶解裂缝周边的硫酸钾、填充裂缝，干燥过程中，水分蒸发，裂缝被填满，从而提高颗粒的抗压强度；但由于硫酸钾在常温下的溶解度较低(20 ℃时仅为11.1 g)、溶解速度慢，溶解的硫酸钾在蒸发水分后不足以填满裂缝，故而对颗粒强度的提高贡献不大，而使用硫酸钾饱和母液可以克服此缺点。

为保证母液充分、均匀润湿硫酸钾颗粒，主要进行了两项改造：

a.改造喷淋装置。原有的螺旋喷头仅靠系统自身压力无法使母液呈雾状喷淋，若使用细水雾喷头，又会因为母液中含有细小颗粒物而导致喷头堵塞。为此，设计制作了一种双通道喷头，其中一个通道连接带有减压阀的压缩空气，另一个通道与母液支管相连，使用压缩空气将母液雾化，喷淋至颗粒表面。

b.增加皮带耙料装置。改造过程中，除将干燥转筒进料皮带上的1个喷淋点增加为5个外，还在每个喷淋点后增加了通过铰链连接的皮带耙料装置，当皮带机带料运转时，耙子充分搅拌物料与母液，使母液充分润湿物料。

结合皮带机运转速度、母液润湿物料速率和现场试验情况，最终选定母液喷淋量为进料量的5%～6%，干燥后的颗粒强度可提高10 N以上，从而确保最终颗粒产品的强度不低于40 N。

3 结果分析

a.通过改造造粒除尘系统，实现了除尘设施连续稳定运转，粉尘的有组织排放达到国标要求、无组织排放得到有效控制，现场环境得到明显改善。

b.在粒径小于1.0 mm的物料的质量分数控制在10%以内、返料中粒径大于2.0 mm物料的质量分数不大于25%、水质量分数为1.0%～1.5%的条件下，确定了挤压机的工作参数：挤压压力8～12 MPa，轧辊间隙1.0 mm，给料螺旋、预压螺旋、挤压机的变频设定为30、45、45 Hz，挤压料块成型率高于70%；优化了齿辊破碎机控制参数：上辊间隙5.0 mm，下辊间隙2.0 mm，上下辊转速比为0.9，破碎成品率高于30%。

c.运用阿基米德原理测得挤压料块的压实度在2.0～2.1 g/cm3时，破碎后的颗粒平均抗压强度可以高于30 N；经过试验对比和技术改造，选定饱和硫酸钾母液作为喷淋介质，当喷淋量为进料量的5%～6%时，干燥后的颗粒强度可提高10 N以上，有效减少了干燥、精筛过程中的二次破碎，提高了精筛工序成品率，而且可确保最终颗粒产品强度不低于40 N。

4 结语

经过两年多的探索和工艺优化，国投罗钾15万t/a硫酸钾造粒装置运行稳定，连续两年达到设计产能，产品质量满足国标及客户要求。下阶段将重点做好以下工作：①探索设备运维周期，确保设备长期稳定运行；②进一步改善颗粒成品质量，提升客户满意度；③提高装置自动化、智能化控制水平，降低造粒生产人工成本。