以硫酸鈉為助劑制備硅鈣鉀肥的試驗研究

劉 陽，龐世花

(金正大生態工程股份集團有限公司，國家緩控釋肥工程技術研究中心 山東臨沭 276700)

以硫酸鈉為助劑制備硅鈣鉀肥的試驗研究

劉 陽，龐世花

(金正大生態工程股份集團有限公司，國家緩控釋肥工程技術研究中心 山東臨沭 276700)

采用工業廢渣磷石膏和鉀長石為主要原料，添加適量的硫酸鈉作為反應助劑，經高溫煅燒制備出硅鈣鉀肥。對助劑硫酸鈉的加入量、燒結溫度、燒結時間進行了試驗研究，得到了以硫酸鈉為燒結助劑燒制硅鈣鉀肥的最優條件。

硅鈣鉀肥；硫酸鈉；鉀長石；磷石膏

磷石膏是濕法磷酸工藝生產磷酸時排放的廢棄物，一般生產1 t磷酸副產磷石膏5 t左右，生產1 t磷酸二銨副產2.5～5.0 t磷石膏。隨著我國高濃度磷肥工業的發展，磷石膏的產生量逐年增加，而磷石膏的綜合利用起步較晚、基礎較差，大部分磷石膏采用濕法排渣、山谷或平地堆存、回水加以回收利用的方法處置。磷石膏中含有可溶性磷、氟、有機物、共晶磷等有害雜質，故磷石膏的大量堆置會對環境造成嚴重污染。

我國不溶性含鉀巖石儲量極豐富，開發利用不溶性含鉀巖石生產鉀肥一直是我國政府重點扶持的研究領域。我國從20世紀60年代初開始研究利用不溶性含鉀巖石制鉀肥，到20世紀70年代，在不溶性含鉀巖石中加入助溶劑燒結的方法已經成型[1]，即把不溶性含鉀巖石、石灰石和煤或焦炭按一定比例混合，經粉碎加工成球，在立窯中煅燒(1 200～1 250 ℃)，直接破壞不溶性含鉀巖石的結構，轉化生成水溶性的鋁酸鉀，成品含鉀質量分數在4%～8%，鉀的有效溶出率在85%左右。燃燒法[2]可以采用當地的石灰石和煤作為原料，原料成本低，成為利用不溶性含鉀巖石制取鉀肥的一個途徑，但生產過程中能耗大，且不溶性含鉀巖石中鉀的轉化率較低，成為推廣發展的主要障礙。

本研究在鉀長石和磷石膏燒制硅鈣鉀肥的基礎上，加入適量的硫酸鈉作為反應助劑，不僅解決了鉀長石中鉀元素不容易活化的問題，而且大幅降低了燒結溫度，降低了生產成本。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料和儀器

(1)試驗原料

鉀長石產自山東新泰，其化學組成如表1所示；磷石膏為金正大生態工程股份集團有限公司自產，其化學組成見表2；硫酸鈉，分析純；無煙煤產地為山東濟寧，含固定碳質量分數82.3%。

(2)試驗儀器

磨樣機，德國FRITSCH- Pulverisette5四罐行星式高能球磨機；分析天平，AL204，梅特勒-托利多；電子天平，PL3002，梅特勒-托利多；馬弗爐，CWF- 13/23，卡博來；火焰光度計，6400A；標準篩，80m(180目)。

統計軟件SPSSl7.0處理數據,百分比方式表示計數數據,x2檢驗,采用Logistic進行多因素分析,組間差異顯著則P

表1 鉀長石化學組成 %

表2 磷石膏化學組成 %

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗原理

鉀長石的主要成分為K2O·Al2O3·6SiO2。在高溫煅燒下，一方面鉀長石中的鉀被反應助劑硫酸鈉中的鈉置換，另一方面鉀長石與石膏中的CaO反應，使鉀礦石的穩定結構破解，生成具有活性的硅酸一鈣(CaO·SiO2)。其主要反應如下[3]：

2CaSO4+C=2CaO+CO2+2SO2

K2O·Al2O3·6SiO2+6CaO=K2O·Al2O3+6(CaO·SiO2)

K2O·Al2O3·6SiO2+Na2SO4=Na2O·Al2O3·6SiO2+K2SO4

1.2.2 硅鈣鉀肥的制備

鉀礦石和磷石膏烘干后磨細過標準篩，按照預試驗確定的磷石膏與鉀長石質量比為1.95∶1.00進行配料，硫酸鈉和無煙煤的加入量分別為鉀礦石和石灰石總質量的5%(14.75 g和15.00 g)，混合均勻后加入少量水并制成塊狀，然后在馬弗爐中于1 100 ℃下煅燒40 min，最后冷卻得硅鈣鉀肥熟料。

2 試驗結果與討論

2.1 硫酸鈉加入量對硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數的影響

在試驗條件下，固定磷石膏、鉀長石和無煙煤的加入量分別為195.00，100.00和15.00 g不變，改變硫酸鈉的加入量，測定硫酸鈉加入量對鉀長石中鉀的活化率的影響，試驗結果如圖1所示。

圖1 硫酸鈉加入量對硅鈣鉀肥中有效鉀含量的影響

由圖1可知：由于鉀長石穩定的結構使得燒結過程中鉀難以活化，而硫酸鈉的加入可使鉀長石中的鉀容易活化；隨著硫酸鈉加入量的增加，產品中有效K2O含量也增加，但其增加的速率逐漸減緩。考慮到硫酸鈉的加入會在成品硅鈣鉀肥中引入鈉離子，因此，硫酸鈉的加入量定為磷石膏和鉀長石總質量的5%(14.75 g)。

2.2 無煙煤加入量對磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

在試驗條件下，固定磷石膏、鉀長石和硫酸鈉的加入量分別為195.00，100.00和14.75 g不變，改變無煙煤的加入量，測定無煙煤加入量對磷石膏中硫酸鈣分解率的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2 無煙煤加入量對磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

由圖2可知：隨著無煙煤加入量的增加，磷石膏中硫酸鈣的分解率也增大；當無煙煤加入量增加至15.00 g后，硫酸鈣的分解率增大速率顯著降低。考慮到成本與回報的關系，無煙煤的加入量定為15.00 g，即磷石膏與無煙煤質量比為195∶15是最佳配比。

2.3 燒結溫度對硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數和磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

在試驗條件下，固定磷石膏、鉀長石、硫酸鈉和無煙煤的加入量分別為195.00，100.00，14.75和15.00 g不變，改變燒結溫度，測定燒結溫度對硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數和磷石膏中硫酸鈣分解率的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3 燒結溫度對硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數和 磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

由圖3可知：隨著燒結溫度升高，硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數和磷石膏中硫酸鈣的分解率也增大；當燒結溫度超過1 080 ℃后，硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數增幅急劇減緩，反應基本完成，但磷石膏中硫酸鈣的分解率要到1 100 ℃后才會明顯減緩，故最終燒結溫度確定為1 100 ℃。

2.4 燒結時間對硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數和磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

在試驗條件下，固定磷石膏、鉀長石、硫酸鈉和無煙煤的加入量分別為195.00，100.00，14.75和15.00 g不變，改變燒結時間，測定燒結時間對硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數和磷石膏中硫酸鈣分解率的影響，試驗結果如圖4所示。

圖4 燒結時間對硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數和 磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

由圖4可知：硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數隨燒結時間延長而增大；當燒結時間超過30 min后，硅鈣鉀肥中有效K2O質量分數增加幅度不大，對于磷石膏中硫酸鈣的分解率也存在同樣的現象，故選擇燒結時間40 min為宜。

2.5 硅鈣鉀肥有效成分含量測定

在試驗條件下，所制備的硅鈣鉀肥有效成分與企業標準對比見表3

表3 硅鈣鉀肥有效成分與企業標準對比 %

由表3可知：加入助劑所制備的硅鈣鉀肥各有效成分指標符合企業標準一級品要求，鉀礦石中K2O轉化率達95%；SiO2，MgO和CaO均轉變為可被作物吸收的有效成分，有效成分總質量分數達到70.57%。

3 結語

用磷石膏和鉀長石煅燒制備硅鈣鉀肥時加入適量的硫酸鈉，可促進鉀長石活化，還能適當降低燒結溫度和縮短燒結時間，有利于降低生產成本。通過試驗得到的以硫酸鈉為反應助劑燒制硅鈣鉀肥的最優條件：在100.00 g鉀礦石中加入195.00 g磷石膏和14.75 g硫酸鈉，在1 100 ℃下燒結40 min。在最優條件下，鉀礦石中K2O轉化率可達95%以上，磷石膏中硫酸鈣的分解率在94%以上，實現了不溶性含鉀巖石和磷石膏的綜合利用。

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

[2] 朱云勤，馬武權.鉀鈣肥生產工藝參數的研究[J].化肥工業，1999(5)：33- 40.

[3] 張西興，龐世花，朱云勤.用磷石膏和不溶性含鉀巖石制備鉀鈣肥的初步研究[J].化肥工業，2008(5)：40- 42.

Experimental Study of Preparing Silicon- Calcium- Potassium Fertilizer with Sodium Sulfate as Promoter

LIU Yang, PANG Shihua

(Shandong Kingenta Ecological Engineering Co., Ltd.， National Engineering & Technology Research Center for Slow and Controlled Release Fertilizers, Linshu 276700, China)

Using industrial waste residue phosphogypsum and potassium feldspar as main raw materials, adding proper amount of sodium sulfate as promoter, by high- temperature calcination, the silicon- calcium- potassium fertilizer is prepared. An experimental study is carried out of additive quantity of prompter sodium sulfate, calcination temperature and calcination time, and optimum conditions of calcining silicon- calcium- potassium fertilizer with sodium sulfate as sintering aid are obtained.

silicon-calcium-potassium fertilizer; sodium sulfate; potassium feldspar; phospho-gypsum

劉陽(1989—)，男，研發工程師；601754421@qq.com

TQ443

A

1006- 7779(2017)01- 0060- 03

2015- 07- 14)