硫酸鉀結塊原因分析及其處理方法

孫藝飛

（北京中科格瑞特科技有限公司，北京 101100）

鉀是植物生長必需的三大元素之一。硫酸鉀主要用于煙草、甜菜、甘蔗、馬鈴薯、葡萄、西瓜、菠蘿、茶葉等喜鉀忌氯作物，不但能提高農作物產量，而且還能提高其質量，如提高煙草的可燃性，提高葡萄、西瓜的糖度，提高薯類淀粉的含量等，在干旱地區施用硫酸鉀還能避免有害氯化物在作物體內積累，保持穩定高產［1-3］。

2016年北京中科格瑞特科技有限公司承建了埃及60 kt/a硫酸鉀裝置，該項目采用曼海姆法工藝，裝置工藝簡單，投資少，工藝可操作性強。但由于項目所在地靠近地中海，產品包裝后易結塊，在實際操作過程中，對硫酸鉀包裝溫度、產品粒度、游離酸等影響結塊的因素進行分析，并對生產工藝、儲存方式等進行了優化改進。

1 60 kt/a硫酸鉀裝置生產工藝

在550 ℃左右，氯化鉀和濃硫酸在曼海姆反應爐中反應，反應結束后，產品進入冷卻推料機（對反應后的產品進行粉碎降溫），之后進入氣封螺旋輸送機，然后由埋刮板機送至粉碎機粉碎，經振動篩篩分后進入包裝系統，硫酸鉀輸送及包裝系統產生的粉塵由袋式除塵器收集處理。反應產生的HCl氣體經過石墨換熱器冷卻降溫后，進入硫酸洗滌塔除去SO3氣體以及粉塵等雜質，然后進入降膜吸收塔，生成w（HCl）31%的鹽酸溶液，尾氣進入尾氣洗滌塔，用清水進一步吸收HCl氣體，以達到環保排放的要求。

2 影響硫酸鉀結塊的主要因素分析

2.1 包裝溫度的影響

通過測試發現，經冷卻推料機冷卻后的硫酸鉀溫度在75～82 ℃，進入包裝機的硫酸鉀溫度在67～73 ℃。有研究表明，當包裝溫度大于50 ℃時［4］，包裝后的硫酸鉀降溫后會有水汽凝結。包裝后的硫酸鉀溫度過高時，在冷卻過程中，原來溶解在殘余水分中的硫酸鉀鹽就結晶析出，形成鹽橋，從而導致結塊。因此，包裝溫度越高儲存時越容易結塊，一般將產品包裝溫度控制到50 ℃以下。

為了降低硫酸鉀的溫度，選擇夾套水冷式埋刮板機對其進行冷卻降溫，即在每節刮板機兩側及下側裝有夾套，每節之間的夾套通過管道連接，冷卻介質為冷卻循環水［5］。

1） 計算條件 進入埋刮板機的硫酸鉀溫度為78 ℃，硫酸鉀進入量為7.5 t/h，比熱容為0.796 kJ/（kg·℃），冷卻水進水溫度為35 ℃，出水溫度為39 ℃，循環水密度為1 060 kg/m3，比熱容為4.187 kJ/（kg·℃），以1 h為計算基準，熱損失按10%計算。循環水管為φ48 mm×4 mm，循環水流速為1.1 m/s。

2） 輸入熱量 每小時硫酸鉀帶入熱量Q1=7.5×1 000×0.796×78 kJ=465 660 kJ，冷卻循環水帶入熱量Q2=3.141 59×0.020×0.020×1 060×1.1×3 600×35×4.187kJ=773003.67kJ，總輸入熱量Q入=Q1+Q2=（465 660.00+773 003.67）kJ=1 238 663.67 kJ。

3） 輸出熱量 硫酸鉀帶出熱量為Q3，冷卻循環水帶出熱量Q4=3.141 59×0.020×0.020×1 060×1.1×3 600×39×4.187 kJ=861 346.94 kJ，熱損失Q5=Q入×10%=123 866.4 kJ，總輸出熱量Q出=Q3+Q4+Q5=Q3+985 213.31 kJ。

4） 熱量平衡 根據Q出=Q入，刮板機出口硫酸鉀溫度計算如下：1 238 663.67 kJ=Q3+985 213.31 kJ。經計算，刮板機出口硫酸鉀溫度為42.45 ℃，可以滿足進入包裝機的硫酸鉀溫度低于50 ℃的要求，而在實際生產過程中測試溫度為48.5 ℃左右。而且出口硫酸鉀溫度也可以通過控制循環水的進入量合理控制，即當進入包裝機的溫度高時，增加循環水閥門開度，加大循環水加入量；當進入包裝機硫酸鉀溫度低時，減小循環水加入量。

2.2 硫酸鉀粒度的影響

硫酸鉀粒度也是影響結塊的重要因素，粒度越小，比表面積越大，顆粒之間的接觸面積越大，硫酸鉀越容易結塊。而且小粒徑硫酸鉀儲運過程中顆粒間接觸緊，摩擦多，顆粒易破碎，發生不均勻離散，易造成結塊。顆粒過細，其抗壓強度、耐磨性、抗沖擊強度也比較差，在貯運中易粉化或受壓變形，分離度高。這些細粉填滿了顆粒之間的空隙，顆粒間接觸點與接觸面積成百倍增加，很易造成硫酸鉀結塊。原設計的篩網孔徑為0.3 mm，考察后發現當地市場可以接受粒度為0.5 mm的硫酸鉀，因此，更換為孔徑0.5 mm的篩網，通過增加粒度來減小接觸面積，以減緩硫酸鉀結塊的速度。

2.3 游離酸的影響

硫酸鉀的生產過程為固液反應，濃硫酸有一定的過量，不可避免地還會有少量未充分反應的KCl存在，如果游離酸含量過高，在儲存過程中游離酸會進一步與未反應的KCl反應產生KHSO4，該反應的進行也會加速結塊發生。游離酸具有親水性，其存在使得硫酸鉀吸水吸潮，而水分的存在導致毛細粘合，并產生晶橋，另一方面水分也會導致肥料顆粒軟化，在壓力作用下變形，使顆粒間接觸面積增大，加大了顆粒間結合的強度。硫酸鉀粉體的水含量越少，結塊的可能性就越小，產品的水含量越高，結塊就會更嚴重。因此，在生產過程中盡可能地控制游離酸質量分數在3%以下。在實際的生產過程中，在成品斗提機的進口增加石粉料倉和石粉給料螺旋輸送機，根據游離酸的含量，加入相應量的石粉（粒徑0.147 mm的CaCO3細粉）中和多余的游離酸，將產品的pH控制在6.0～6.5，以消除游離酸的影響。

2.4 除塵系統返料的影響

硫酸鉀成品的輸送系統會產生粉塵，為了減少粉塵污染，成品輸送系統配備袋式除塵器以收集斗提機、皮帶輸送機、粉碎機、振動篩等產生的粉塵。原設計袋式除塵器收集的粉塵返回到產品料倉，與成品混合后進入包裝系統。除塵器收集的粉塵粒度很小，而且水含量較高，當細粉與成品混合后，增加了產品的接觸面積，引起顆粒間鹽橋的增加，細粉在硫酸鉀顆粒之間形成的鹽橋將大顆粒連接在一起，進一步促使硫酸鉀包裝后出現結塊。另外，細粉的比表面積較大，在相同條件下，由于毛細現象的作用，細粉會吸收空氣中更多的水分，包裝冷卻后，水分析出，也會進一步加劇肥料結塊。因此，在實際生產中除塵系統返料應單獨包裝。

2.5 硫酸鉀堆積高度的影響

硫酸鉀包裝后的堆積高度也會影響結塊的速度，增加硫酸鉀的堆積高度就會增加顆粒形變的可能性和顆粒間的接觸面積，使晶體交聯的可能性加大，從而增加結塊的可能性。因此，需要長期庫存的硫酸鉀要盡可能地降低堆放高度，在實際堆放過程中采取每垛15層堆包。

2.6 空氣濕度和儲存溫度的影響

2.6.1空氣濕度

空氣濕度是影響硫酸鉀結塊速率的重要因素，在倉庫管理的過程中要避免濕度的劇烈波動，盡可能將空氣濕度控制在穩定的范圍內。當空氣濕度較大時，硫酸鉀吸濕使水含量增加，特別是在硫酸鉀粒度較小情況下硫酸鉀極易吸收水分。顆粒間的水分會形成凹形液面，其飽和蒸汽壓低于平面液體蒸汽壓，空氣中的水蒸氣很容易使顆粒表面硫酸鉀溶液達到飽和而產生凝結，在實際儲存過程中，一般控制硫酸鉀倉庫的相對濕度在78%～83%。為了實現空氣濕度的可測可調控，一方面加強了空氣濕度的檢測，每天對倉庫進行濕度記錄。另一方面對倉庫進行整改，增加通風口來加快空氣流通，以達到調節倉庫空氣濕度的目的；當空氣濕度過大時，在倉庫固定位置投放干燥劑，配備2臺可移動式的除濕機，用于空氣濕度的調節控制。

2.6.2儲存溫度

硫酸鉀貯存的環境溫度過高時，在水分存在的情況，環境溫度的波動會引起硫酸鉀的溶解、結晶反復發生，產生晶橋。貯存的環境溫度過高，硫酸鉀的臨界相對濕度將降低，其吸濕性將增強，導致結塊容易發生，通常情況下將硫酸鉀倉庫溫度控制在15～30 ℃。溫度的控制要結合空氣濕度的控制要求，切忌溫度在短期內劇烈變化。

3 結束語

綜上所述，通過改用帶水夾套埋刮板對產品進行冷卻，使得包裝溫度降到了50 ℃以下，并且實現了產品包裝溫度的可調可控，以延緩硫酸鉀結塊的速度；通過將產品振動篩更換為0.5 mm的篩網，提高產品的粒度，減小比表面積，以延長硫酸鉀儲存時間；通過控制產品中游離酸的含量，也可以有效延長硫酸鉀的存儲時間；通過將袋式除塵器返料的細粉單獨包裝，避免與成品混合，亦可以達到延長儲存時間的效果；通過降低硫酸鉀的堆積高度，控制倉庫的溫度和濕度，亦可控制硫酸鉀產品的結塊速度。