硝酸钾副产母液钾资源高效回收利用工艺研究及经济分析

李 涛,郝晓翠,王泽江,高书宝,高春娟,骆碧君,王玉琪,张 琦,黄西平

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所,天津 300192)

1 前言

硝酸钾是一种重要的无机化工产品和无氯氮钾二元高品质复合肥料。在农业上,硝酸钾具备理想的化学、物理特性和良好的环境品质,可提高蔬菜、大田作物、花卉、水果和坚果的产量,改善其质量[1-3]。在工业上,硝酸钾多用于制造陶瓷、精密仪器玻璃、触摸屏玻璃、光学玻璃、火药、烟花,并用作分析试剂等[4]。目前,全球硝酸钾的产能约400万t/a,其中智利矿业化工公司(SQM)的产能在所有企业中占比最大,占总产能的33%。中国全部企业产能约占全球产能的50%,是产能占比最大的国家[5]。根据中国无机盐工业协会钾盐(肥)行业分会统计的数据显示,国内农业级硝酸钾市场需求潜力巨大,工业级硝酸钾市场需求持续稳定,将呈现产需两旺的局面。综合考虑复合肥以及果蔬、烟草等对高端水溶肥的需求,硝酸钾未来前景可期。

我国硝酸钾生产规模发展迅速,传统生产方法为硝酸铵与氯化钾转化法,包括离子交换法和复分解法[6-18],这两种工艺的主要局限性在于:(1)原料硝酸铵属于易爆危险品,购买和运输贮存有危险性,价格昂贵;(2)副产氯化铵对设备腐蚀严重,设备投资大[19]。为了克服硝酸铵法存在缺点,近年来依托煤化工,硝酸镁和氯化钾复分解法(硝酸镁法)生产硝酸钾得到迅猛发展,该方法具有工艺路线简单,产品纯度高等优点。该工艺副产大量硝酸钾母液(20%氯化镁、3%氯化钾、4%硝酸镁),现有企业处理方式为通过蒸发浓缩制备六水氯化镁作为镁肥或建筑装饰材料廉价出售。由于硝酸钾母液中含有少量的氯化钾和硝酸镁,六水氯化镁产品品质不高,难以达到氯化镁产品质量要求,还造成了硝酸钾母液中钾资源的极大浪费。针对硝酸镁法制备硝酸钾的行业共性问题,课题组对硝酸钾母液钾资源高效回收利用进行了专题研究,研发了高效节能钾资源回收工艺与“钾盐定向精准提取高效节能专用技术装备”(专用装备),相关技术成果具备产业化转化条件。研发的提取工艺和专用装备具有钾回收利用率高、运行过程不需增加额外蒸汽和水、提取成本低等优点,经济、社会效益显著,行业推广前景好。

2 工艺流程

2.1 工艺流程概述

通过对硝酸钾母液组成进行分析及工艺试验研究,制定了工艺流程,见图1。

图1 硝酸钾母液钾资源高效回收利用工艺流程框图

上述工艺流程包括钾盐定向精准提取、固液分离、洗涤、蒸发浓缩等工序,将副产母液中氯化钾提取出来。部分浓缩结晶母液首先和洗涤液混合,进入专用装备,析出晶体,再经过固液分离,得到结晶固体和结晶母液,结晶固体加入经专用装备排出的硝酸钾母液得含氯化钾浆料,浆料经固液分离得到氯化钾产品和洗涤液,洗涤液返回本系统循环利用。结晶母液经专用装备排出后通过蒸发浓缩,一部分返回本系统循环利用,另一部分制成氯化镁副产品。上述工艺实现了硝酸钾生产母液中钾资源的高效回收利用,钾回收率可达85%。

硝酸钾副产母液定向提钾生产线主要由“钾盐定向精准提取高效节能专用技术装备”、离心泵、混合槽、液体贮槽、离心机、压滤机等组成。提取过程中仅需少量电能(主要用于液体输送和固液分离),提取过程不需额外蒸汽和工艺水,专用技术装备除停产时需要少量水涮洗外,运行过程免清水清洗。生产线排出的提钾母液后续生产氯化镁,其能耗、运行成本和现有生产工艺相比基本不变。

2.2 运行成本及产出情况

2.2.1 运行能耗

以5万t/a硝酸钾副产母液10万m3为例,提钾生产线装机总功率约237 kW;年耗电量约1 407 780 kW·h,单价0.6元/kW·h,电费约84.5万元。

2.2.2 提取氯化钾年产值

氯化钾纯度按90%计,单价2 000元/t,年工作330 d。不同回收率氯化钾年产值见表1。

表1 不同回收率氯化钾年产值

3 经济性分析

5万t/a硝酸钾副产母液钾资源高效回收利用工艺的经济性分析,原料液参照山西某5万t/a硝酸钾生产企业的副产硝酸钾母液(10万m3)组成(表2),以课题组研发的成套高效节能提钾技术相关数据及工艺的整体设计为测算依据。

表2 硝酸钾生产母液的组成

3.1 投资估算

工艺总投资为800万元。其中,建筑工程费80万元,设备购置费660万元,安装工程费60万元。

3.2 财务分析

经济评价基础数据:职工工资72万元/a(10人每人6 000元/月);电费0.6元/kW·h;设备修理费率4%;所得税率25%;财务折现率10%;城市维护建设费率7%;教育附加费率3%;房屋建筑物折旧期限30 a,残值0%;机器设备折旧年限15 a,残值5%。

按照氯化钾回收率75%、80%和85%以及售价1 850、2 000、2 300元分别进行测算,结果见表3、表4、表5。

表3 主要财务数据及评价指标表(氯化钾回收率85%)

表4 主要财务数据及评价指标表(氯化钾回收率80%)

表5 主要财务数据及评价指标表(氯化钾回收率75%)

以年产5万t硝酸钾副产母液提钾工艺测算为例,总投资为800万元。氯化钾1850元/t,回收率为75%,经营期每年平均营业收入不低于517万元,经营期每年平均税后利润不低于227万元,投资回收期(所得税前)不超过3.4 a,总投资收益率不低于38%。氯化钾售价及回收率均为较低水平时,该工艺仍然具有较好的财务评价指标。

综上,采用该工艺回收硝酸钾副产母液中的钾资源经济效益显著。

4 结论

该工艺以硝酸镁法制取硝酸钾副产母液钾资源回收的行业共性问题为切入点,实现了氯化钾的高效回收利用,工艺运行稳定,技术风险低,降低了企业的生产成本,符合循环经济理念,适用于工业化生产。据不完全统计,全国硝酸镁与氯化钾复分解法生产硝酸钾产能约27万t/a,副产母液约65万t/a,采用该工艺可从中回收氯化钾约1.6万t,经济、社会效益显著。