一種用于鉀鹽干燥冷卻的裝置及工藝

于磊,倪春林,朱秀偉,牛振國,張璐,張帥

(山東天力能源股份有限公司,山東 濟南 250000)

1 工藝概述

鉀鹽,是指含鉀天然礦物。包括鉀巖、鉀鹽鎂明礬、鉀鈣石、硫酸鎂和氯化鉀。鉀一般是可溶性的,純度高。鉀鹽存在于地殼表層湖泊和海洋的鹵水中,或存在于將要干涸的湖泊和海洋中。最重要的鉀鹽礦藏分布于德國、俄羅斯、加拿大、意大利、法國、西班牙和美國,我國的鉀鹽儲量很少。

鉀鹽在生產(chǎn)和生活中,應用都極為廣泛。若是沒有鉀鹽,我們吃的蔬菜、種的糧食、買的藥品等等都要受影響,因此鉀鹽是一種重要的戰(zhàn)略資源。

中國是世界上人口最多的國家,人均耕地面積少。目前,穩(wěn)定糧食生產(chǎn),確保糧食安全和糧食生產(chǎn)體量滿足人口增長的需求,是國家的頭等大事。穩(wěn)定糧食生產(chǎn),是確保國家糧食安全重要的戰(zhàn)略支撐。尤其是當前正值我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級實現(xiàn)突破的關鍵時期,疊加新冠肺炎疫情的此起彼伏,國內(nèi)經(jīng)濟形勢更為復雜。因此,穩(wěn)定糧食生產(chǎn),對于完成全面建成小康社會目標、全面打贏脫貧攻堅戰(zhàn)、實現(xiàn)國民經(jīng)濟平穩(wěn)運行和社會安全穩(wěn)定,具有極為重要的意義。

我們都知道,糧食種植離不開肥料。鉀肥是三大肥料之一,鉀鹽的主要作用就是用來制作鉀肥。據(jù)不完全統(tǒng)計,世界上95%的鉀鹽產(chǎn)品用于制作肥料,5%用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著人口增長對糧食生產(chǎn)的要求,鉀肥需求量快速增長,因此鉀鹽的需要也與日俱增。目前了解的生產(chǎn)鉀鹽的工藝很多,常用的有內(nèi)加熱流化床干燥冷卻工藝、回轉(zhuǎn)圓筒干燥+流化床冷卻工藝、回轉(zhuǎn)干燥+回轉(zhuǎn)冷卻工藝。

1.1 內(nèi)加熱流化床干燥冷卻工藝

如圖1,作為熱源的蒸汽經(jīng)流量計、調(diào)節(jié)閥組后從高端進入干燥機干燥段的換熱管組,來自離心機的物料從流化床的頂部進入,經(jīng)打散布料器均勻分布在干燥段,在干燥段內(nèi)通過換熱管和蒸汽進行間接熱交換,常溫空氣經(jīng)空氣過濾器過濾后,在鼓風機的作用下進入空氣加熱器預熱,預熱后的空氣進入風室,經(jīng)布風板將進入流化段的物料吹起并流化,處于流態(tài)化的物料和埋在物料里的換熱管進行充分換熱得以干燥,干燥后的物料在布風板的作用下從前向后流動進入冷卻段;來自冷卻水系統(tǒng)的冷卻水從低端進入冷卻段的換熱管組,常溫空氣在冷卻鼓風機的作用下經(jīng)冷卻過濾器進入冷卻段風室,經(jīng)布風板將冷卻段的物料吹起和換熱管進行充分換熱冷卻,干燥完的物料經(jīng)流化床末端的出料口排出,經(jīng)關風器進入輸送設備送至后續(xù)工段;干燥尾氣和冷卻尾氣在引風機的作用下,經(jīng)流化床上部殼體出風口排出進入一級旋風除塵器除塵和二級濕式除塵后排入大氣。旋風下關風器收集的物料也經(jīng)輸送設備進入后續(xù)工段。

1.干燥空氣過濾器;2.干燥鼓風機;3.空氣加熱器;4.內(nèi)熱流化床干燥冷卻一體機;5.皮帶機;6.冷卻鼓風機;7.冷卻空氣過濾器;8.旋風除塵器;9.引風機;10.洗滌塔;11.循環(huán)水泵圖1 內(nèi)加熱流化床干燥冷卻工藝流程圖

1.2 回轉(zhuǎn)干燥+流化床冷卻工藝

如圖2,本工藝熱源是高溫煙氣,來自管網(wǎng)的天然氣和助燃風在熱風爐里充分燃燒產(chǎn)生高溫煙氣,高溫煙氣和濕物料從干燥機高端并行進入筒體,從高端向低端流動的過程中,在筒內(nèi)多種內(nèi)件的組合作用下,快速干燥并從出料端經(jīng)關風器排出,干燥成品和旋風及布袋收集下來的物料一起經(jīng)輸送機送入斗提機,提升后經(jīng)緩沖料倉和進料打散送入內(nèi)置布袋流化床冷卻機,在冷卻鼓風機的作用下,常溫空氣進入內(nèi)置布袋流化床冷卻機風室,經(jīng)布風板將物料吹起,在冷卻機內(nèi)沸騰的物料和來自管網(wǎng)的冷卻水通過換熱管充分換熱冷卻至適宜的溫度,經(jīng)出料關風器排出進入后續(xù)工段。干燥尾氣在干燥引風機的作用下經(jīng)一級旋風除塵+布袋除塵后直接排入大氣,冷卻尾氣在冷卻引風機的作用下直接排入大氣。

1.空氣過濾器;2.燃氣熱風爐.3.助燃風機;4.燃氣閥組;5.出料關風器;6.旋風關風器;7.皮帶輸送機;8.斗提機;9.內(nèi)置布袋流化床冷卻機;10.冷卻鼓風機;11.空氣過濾器;12.暫存?zhèn)};13.振動料管;14.回轉(zhuǎn)干燥機;15.旋風除塵器;16.布袋除塵器;17.干燥引風機;18.冷卻引風機圖2 回轉(zhuǎn)干燥+流化床冷卻工藝流程圖

1.3 回轉(zhuǎn)干燥+回轉(zhuǎn)冷卻工藝

如圖3,作為熱源的高溫煙氣來自燃煤熱風爐,高溫煙氣經(jīng)沉降后直接進入干燥機高端,濕物料經(jīng)緩沖倉進入,由皮帶輸送機經(jīng)關風器后進入振動料管進入干燥機,濕物料和高溫煙氣并行,結(jié)合筒體內(nèi)件的組合作用,物料在筒內(nèi)前行的過程中快速干燥,從出料罩下部的關風器排到輸送機上,和旋風及布袋收集的物料一起被送入冷卻機進料螺旋。常溫空氣在冷卻引風機的作用和干燥后的物料并行進入冷卻機,在回轉(zhuǎn)冷卻機內(nèi)從前往后的過程中,不斷進行熱交換從而冷卻物料,冷卻好的物料從冷卻機出料罩下部的關風器排出冷卻機,經(jīng)由斗提機提升到暫存料倉,然后進入后續(xù)包裝系統(tǒng)。冷卻風由冷卻機出料罩的上端排出,依次進入旋風除塵器和布袋除塵器進行除塵,除塵后的干凈氣體經(jīng)冷卻引風機后排入大氣。兩級除塵收集的物料回到冷卻進料螺旋或單獨收集進入包裝系統(tǒng)。

1.燃煤熱風爐;2.回轉(zhuǎn)干燥機;3.關風器;4.輸送機;5.冷卻進料螺旋;6.回轉(zhuǎn)冷卻機;7.暫存料倉;8.斗提機;9.冷卻旋風除塵器;10.冷卻引風機;11-冷卻布袋除塵器;12.干燥引風機;13.干燥布袋除塵器;14-干燥旋風除塵器;15.振動料管;16.輸送機;17.暫存?zhèn)}圖3 回轉(zhuǎn)干燥+回轉(zhuǎn)冷卻工藝流程圖

2 現(xiàn)有鉀鹽生產(chǎn)工藝存在缺陷

2.1 內(nèi)熱流化床干燥冷卻工藝

(1)因受制于干燥主機內(nèi)熱流化床的干燥能力,本工藝系統(tǒng)處理量小。

(2)鼓風機需要提供較高的壓頭來滿足內(nèi)熱流化床的流態(tài)化動力,功率大,噸產(chǎn)品能耗高。

(3)工藝系統(tǒng)內(nèi)配置風機數(shù)量多,噸產(chǎn)品能耗高。

(4)系統(tǒng)配置旋風除塵+濕式洗滌除塵,需要回收、處理鉀鹽廢水。

2.2 回轉(zhuǎn)干燥+內(nèi)置布袋流化床冷卻工藝

(1)受限于流化床冷卻機的能力,系統(tǒng)處理量小,噸產(chǎn)品能耗高。

(2)熱源是來自燃煤爐的高溫煙氣,熱效率低,且存在二氧化碳排放問題。

(3)工藝系統(tǒng)內(nèi)配置風機數(shù)量多,噸產(chǎn)品能耗高。

(4)工藝設備多,設備及管道布置復雜,工藝控制繁瑣。

2.3 回轉(zhuǎn)干燥+回轉(zhuǎn)冷卻工藝

(1)配置雙除塵系統(tǒng),工藝流程、設備布置復雜。

(2)熱源是燃煤爐產(chǎn)生的煙氣,熱效率低。

(3)對相同處理量,干燥、冷卻分體,系統(tǒng)能耗高、維護工作量大。

(4)干燥、冷卻分體,功能單一,運行成本高。

(5)輸送設備多,用電設備多,噸產(chǎn)品能耗高。

3 工藝研發(fā)

3.1 確定研發(fā)方向和內(nèi)容

綜合研究目前常用的鉀鹽生產(chǎn)工藝,存在的主要缺陷如上所述,主要是處理量小、效率低、能耗高、運行成本高。我們工藝開發(fā)就分別從以上這幾方面著力研究。

首先,要克服處理量小,必須選用回轉(zhuǎn)類設備。回轉(zhuǎn)干燥機或冷卻機最大的優(yōu)點就是處理量大,而且結(jié)構可以針對性設計,對不同的物料可以匹配不同的內(nèi)件組合,以達到滿意的干燥或冷卻效果;其次,要克服系統(tǒng)工藝效率低、能耗高,就要優(yōu)選熱源、優(yōu)化設備。選用潔凈的天然氣作為熱源,匹配低氮燃燒器,不但提高了燃燒效率、熱效率,還降低了氮氧化物的排放。

要克服除塵系統(tǒng)二次廢水,必須選用干式除塵。現(xiàn)有的袋式除塵是最理想的干式除塵方式,除塵效率高、效果好。

要克服能耗高,需要優(yōu)化工藝線路選型、設備選型,甚至要優(yōu)化設備結(jié)構。不管是流化床工藝還是雙回轉(zhuǎn)工藝,均存在熱效率低、系統(tǒng)能耗高的問題。我們需要著重解決裝置的效率和能耗,因此優(yōu)化干燥機和冷卻機的結(jié)構,是開發(fā)工作的重中之重。

要克服運行成本高,需要在優(yōu)化設備結(jié)構的同時,要優(yōu)化工藝路線,減少設備數(shù)量,選擇經(jīng)濟的設備功率。

3.2 確定工藝路線

綜合以上研究方向和內(nèi)容,結(jié)合現(xiàn)有鉀鹽生產(chǎn)裝置及工藝的運行情況,我們確定要開發(fā)一種集干燥、冷卻于一體的鉀鹽生產(chǎn)裝置及工藝。

熱源一般有高溫煙氣、蒸汽,一般結(jié)合工藝、主設備結(jié)構、經(jīng)濟性等確定熱源。本工藝選用天然氣作為燃料,燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣作為熱源。熱源系統(tǒng)由助燃風機、閥組、控制系統(tǒng)、火焰檢測系統(tǒng)、燃氣熱風爐組成,通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)熱源系統(tǒng)溫度自控,根據(jù)干燥機排風溫度來調(diào)節(jié)干燥機進風溫度(熱風爐的出風溫度),其中燃燒器采用低氮燃燒器,燃燒高效,有助于系統(tǒng)節(jié)能減排。

裝置生產(chǎn)能力取決于主設備,而對于工藝系統(tǒng)性能等級評價,一般依據(jù)噸產(chǎn)品能耗,因此我們需要采用大處理量的主設備,同樣的能耗,大處理量的設備性能等級高。所以選用回轉(zhuǎn)干燥機和回轉(zhuǎn)冷卻機是首選。為了降低能耗,提升裝置性能等級,考慮采用回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機。濕物料在干燥冷卻一體機內(nèi)從前往后通過各種內(nèi)件的組合作用完成了干燥、冷卻兩個過程,得到合格的溫度適中的產(chǎn)品。工藝流程短、工序少,工藝簡潔、效率高。

關于尾氣處理,綜合考量后決定采用旋風除塵器+布袋除塵器兩級除塵,一級旋風除塵器收塵約90%,二級布袋除塵器收塵后,尾氣含塵≤10 mg/m3,除塵效果好。另采用干式除塵,沒有廢水和廢氣排放,沒有二次污染。

如圖4,本工藝流程把干燥和冷卻功能合為一體,除塵設備、輸送設備、風機和儀表減少一套,工藝流程簡單,邏輯控制點少,設備布置相對其他工藝簡單。

1.空氣過濾器;2.燃氣閥組;3.助燃風機;4.燃氣熱風爐;5.回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機;6.振動料管;7;暫存料倉;8.出料關風器;9.輸送機;10.旋風除塵器;11.布袋除塵器;12.引風機;13.關風器;14.輸送機。圖4 干燥冷卻一體鉀鹽生產(chǎn)工藝

本工藝流程把干燥和冷卻合為一體,省了一套傳動系統(tǒng),降低了動力消耗,噸產(chǎn)品能耗降低。少了一套密封裝置,少了機加工工作量,省了運行維護工作量。

4 一體機結(jié)構介紹

一體機進料端設置進料罩,進料罩和筒體之間設有進料密封,一體機的前段是干燥段,筒體內(nèi)有各種利于干燥的內(nèi)件組合;一體機的中段,在筒體圓周方向上設置多個出風管,用于干燥尾氣和冷卻尾氣排出筒體,筒體外側(cè)設置出風罩,用于收集出風管排出的干燥和冷卻尾氣并排出至后續(xù)除塵設備,出風罩和筒體通過密封裝置連接。一體機的后段是冷卻段,筒體內(nèi)設置多圈換熱管,有回水管和進水管。冷卻水通過旋轉(zhuǎn)接頭殼層進入進水腔體從而進入各進水管,冷卻水通過管壁和物料進行換熱冷卻;進水管的出水端匯集在一個環(huán)管上,環(huán)管上有多個入口和幾個出口,出口和回水管相連,從而將完成冷卻換熱的溫水送入回水腔體,經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭的中心管排出一體機外。在一體機的出料罩頂部設置進風口,進風口帶防護過濾網(wǎng),此處引進室溫空氣對物料進行輔助冷卻,從而達到更好的冷卻效果。

為了提高一體機的效率,本工藝中,在一體機的冷卻段筒體的正上方,可以設置一套噴淋裝置。冷卻水經(jīng)噴淋裝置在筒體外壁上形成水幕,冷卻筒體外壁,從而冷卻筒體內(nèi)的物料。

1.進料罩;2.導料板;3.進料密封;4.鏈條;5.揚料板;6.滾圈,7;筒體;8.出風罩密封;9.出風罩;10.出風管;11.管架;12;回水管;13.齒圈;14.出料罩;15.傳動裝置;16.托輪裝置;17.進水管;18.冷卻風進口;19.回水腔體;20.進水腔體;21.旋轉(zhuǎn)接頭裝置; 22.噴淋裝置;23—擋水圈;24.水槽;25—溢流口;26.延時板;27.出料密封;28.中心揚料板;29.進料口;30.干燥風進口;31.擋托輪裝置。圖5 干燥冷卻一體機結(jié)構示意圖

5 一體機裝置及工藝特點

(1)本工藝采用回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機為主設備,集干燥、冷卻于一體,系統(tǒng)處理量大,工藝流程簡單;一體機的干燥段,高溫煙氣和物料順流,結(jié)合多種內(nèi)件強化換熱;冷卻段,物料和冷卻風逆流,同時和換熱管內(nèi)冷卻水冷卻換熱,被高效快速冷卻;各種內(nèi)部優(yōu)化結(jié)構,防止物料粘壁、結(jié)疤,干燥效率高,噸產(chǎn)品能耗低。

(2)和內(nèi)加熱流化床干燥冷卻工藝比,本工藝系統(tǒng)處理量大,約是流化床的5～10倍;且采用干式除塵,沒有污水排放。

(3)和回轉(zhuǎn)干燥+流化床冷卻工藝比,受限于冷卻流化床的處理量,本工藝的系統(tǒng)處理量大。

(4)和回轉(zhuǎn)干燥+回轉(zhuǎn)冷卻工藝比,在相同處理量下,少了一套除塵系統(tǒng)及管道,少了一套引風系統(tǒng),能耗大大降低;動設備減少,溫度、壓力、變頻等控制點減少,控制系統(tǒng)簡化。

(5)本工藝對熱源系統(tǒng)進行升級,采用低氮燃燒自動控制系統(tǒng),降低了氮氧化物的排放,提高了燃燒效率,間接提高了熱效率。低氮燃燒,系統(tǒng)全自動運行,安全保障高。

(6)本工藝采用回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機為主設備,換熱管、風冷、噴淋等多種冷卻方式組合,直接、間接多方位冷卻,換熱強度加大,換熱效率高,冷卻效果好。

(7)本工藝采用獨特的回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機為主設備,減少一套回轉(zhuǎn)設備,占地面積省,節(jié)省了加工成本;系統(tǒng)控制點減少,節(jié)省自控成本;設備維護工作量減少一半,維護費用減半。

(8)采用回轉(zhuǎn)干燥冷卻一體機作為主設備,少了2套密封,少了系統(tǒng)漏風量,提高了干燥系統(tǒng)的效率,減少了噸產(chǎn)品能耗。

(9)一體機降溫冷卻水循環(huán)使用,公用工程消耗低。

(10)整個工藝貫穿各種節(jié)能減排優(yōu)化措施,與“碳中和、碳達峰”的宗旨高度匹配。

6 應用前景

近年來,國家對各生產(chǎn)企業(yè)的環(huán)保要求不斷提高,各項節(jié)能減排政策被大力推廣,“碳中和、碳達峰”的戰(zhàn)略目標對各生產(chǎn)企業(yè)也提出了總體要求。隨著人民對鉀鹽需求量的增加,鉀鹽生產(chǎn)企業(yè)也需要不斷優(yōu)化他們的生產(chǎn)裝置和工藝,或?qū)υに嚰夹g進行升級改造,或新建高效節(jié)能裝置來滿足不斷增加的鉀鹽需求。

一體機裝置及工藝具有高效節(jié)能、產(chǎn)量大、排放低、占地省、操作簡單、維護工作量少等特點,與時下節(jié)能減排趨勢高度吻合,比原有生產(chǎn)工藝具有明顯的先進性和可行性。因此,一體機的生產(chǎn)裝置及工藝將會被很多鉀鹽生產(chǎn)企業(yè)采用,并為他們帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。