新型硝酸鉀關鍵工藝技術研究

張益帥

（天脊集團鉀鹽有限公司，山西 長治 047507）

引言

硝酸鉀是一種廣泛應用在玻璃加工、復合肥料等領域的化合物，全球硝酸鉀產能主要集中在美國和以色列，其產能占據了總產能的70%以上，我國的硝酸鉀制備產業在近幾年有了飛速的發展，規模和制備工藝均有了長足的進步，但和世界先進水平還存在著較大的差距。目前我國硝酸鉀生產主要采用離子交換法，但該方法在生產過程中存在著純水、硝酸銨、氯化鉀消耗量大，工藝流程相對復雜的不足，難以滿足快速“綠色”生產的需求，極大地限制了我國硝酸鉀產業的進一步擴展。

本文在對傳統的離子交換法生產工藝進行分析的基礎上，提出了一種新的硝酸鉀生產工藝流程，該生產工藝是對離子交換法的改進，通過低濃度硝酸鉀循環提取、高濃度硝酸鉀蒸發、結晶、離心、干燥的一個流程生產，減少了在硝酸鉀制備過程中純水、能量的消耗量。根據實際應用表明，優化后的硝酸鉀生產工藝能夠將純水的消耗量降低93.4%，將運行能耗降低7.6%，為進一步提升硝酸鉀生產的經濟性，提高市場競爭力奠定了基礎。

1 傳統硝酸鉀生產工藝流程分析

目前我公司生產硝酸鉀時，主要是以硝酸銨、氯化鉀為原料，通過001×7 陽離子交換樹脂進行離子置換，最終形成硝酸鉀，其反應方程為[1]式（1）、式（2）：

式中：X 表示交換樹脂中的分子骨架，我公司為鈉骨架。

在實際生產的過程中兩種化學反應交替進行，最終實現硝酸鉀的連續生產。

在工業化批量生產的過程中，首先利用流量泵將氯化鉀精鹽水從交換柱的下側傳輸到陽離子交換柱一側，在此完成鉀離子從溶液中轉移到陽離子樹脂上，銨離子則從樹脂上轉移到溶液中去，進而完成鉀離子和銨離子的互換，形成新的氯化銨溶液從交換柱的上側進入到存儲槽內，該過程會持續進行到樹脂內的銨離子全部被溶液中的鉀離子置換完，此時停止供應氯化鉀精鹽水。然后利用脫鹽水從交換柱的下側開始向上進行清洗，將殘留的氯化銨溶液給洗掉，直到沖洗液中的氯離子含量滿足要求時停止沖洗。

完成以上步驟后用流量泵把硝酸銨溶液加入到交換柱的上部，讓銨離子從溶液轉移到樹脂中，讓鉀離子從樹脂中轉移到溶液中，進而形成硝酸鉀溶液并進入到溶液存儲槽內。該過程會一直持續到銨離子被置換完成，然后對交換柱進行水洗，直至水洗溶液中的鉀離子滿足要求，完成一個完整的置換周期。按以上流程反復進行，即可實現硝酸鉀的連續、穩定生產，其工藝流程如圖1 所示。

圖1 傳統硝酸鉀制備工藝流程圖

2 硝酸鉀制備工藝優化

傳統硝酸鉀制備工藝，需要將低濃度的硝酸鉀和氯化銨洗液進行排放，因此加大了對純水的消耗，而由于對低濃度硝酸鉀和氯化銨洗液的排放等也進一步加大了對原料氯化鉀和硝酸銨的消耗。不僅硝酸鉀的制備效率偏低，而且也會產生一定的環境污染，因此本文提出了一種新的硝酸鉀制備工藝，在不影響硝酸鉀制備效率的情況下降低生產過程中對純水及原料的消耗，且硝酸鉀純度可以滿足農業用硝酸鉀國家標準，該新的工藝流程如下頁圖2 所示[2]。

圖2 新型硝酸鉀制備工藝流程圖

由圖2 可知，優化后的工藝流程包括：上鉀→反洗1→反洗2→上銨→水洗[3]，提高了固定床陽離子交換柱的離子捕捉效率。其中，反洗水利用的是儲槽內循環利用的低濃度溶液洗滌水，首先不使用純水進行洗滌，不增加純水消耗；其次洗滌水經過循環又收集進入廢水槽和冷卻水槽等儲水槽中，洗滌水不外排，既能實現節水節能，又能消除環境影響。其整個生產工藝流程和現有的氯化銨制備工藝流程相近，只是在生產過程中產生的水洗液會被存儲并作為下一個循環周期的低濃度硝酸鉀溶液使用，同時增加了高濃度氯化銨及高濃度硝酸鉀的蒸發、結晶、離心、干燥工藝流程，提高了氯化銨副產品和硝酸鉀的生產品質。

對高濃度硝酸鉀溶液蒸發、結晶、離心、干燥工藝流程分析可知，在制備過程中從離子交換柱產生的高濃度硝酸鉀的濃度不足，因此需要經過一系列的蒸發后才能達到結晶的需求，為了提高蒸發結晶的效率，采用了二效降膜蒸發工藝[4]。一效蒸發的時候需要采用0.6 MPa 的低壓蒸汽，處理完成后產生的約110 ℃的二次蒸汽可以作為二效蒸發時的熱媒，二效蒸發后產生的約90 ℃的蒸汽排空。在工作過程中二效蒸汽冷凝液可以回收后用于溶解精制過程中的硝酸銨和氯化鉀，當完成蒸發后硝酸鉀溶液的質量濃度可以達到400 g/L～500 g/L，然后轉移到結晶罐內，開始進行冷卻結晶，結晶完成后用高速離心機進行分離并漂洗。系統將離心液回收到一效蒸發器中重復使用[5]，硝酸鉀在進行干燥時可以采用熱空氣干燥，空氣的溫度不低于140 ℃，在干燥管內，硝酸鉀濕料被氣流帶起來后隨空氣氣流進入到流化床內完成干燥并封裝，形成高質量的硝酸鉀晶體。粉塵通過旋風分離器進行回收，形成硝酸鉀粉末。

3 應用情況分析

為了對該新型硝酸鉀制備工藝的實際效果進行研究，本文對不同工藝條件下的生產工藝流程進行對比分析，根據實際應用情況對比可知，在生產過程中，能夠將純每千克硝酸鉀制備時所需的純水消耗量由46 kg 降低到目前的3 kg，純水消耗量降低了93.4%，將生產過程中能耗由最初的251 kW·h/t，降低到目前的231.9 kW·h/t，將工作能耗降低了7.6%。新的生產工藝流程能夠將農業用硝酸鉀的純度提高至96%，接近工業級硝酸鉀99.8%的純度。

4 結論

本文針對傳統硝酸鉀生產過程中存在的純水消耗量大、能耗高、工藝流程復雜的不足，提出了一種新的硝酸鉀制備工藝，通過低濃度硝酸鉀循環提取、高濃度硝酸鉀蒸發、結晶、離心、干燥的一個流程生產，實現了硝酸鉀生產的高純度、低能耗，根據實際應用表明：

1）傳統硝酸鉀制備工藝，需要將低濃度的硝酸鉀和氯化銨洗液進行排放，因此加大了對純水的消耗和外排水造成的環境污染，難以實現經濟化、綠色化生產；

2）新的硝酸鉀制備工藝優在生產過程中產生的水洗液會被存儲并作為下一個循環周期的洗滌低濃度硝酸鉀和氯化銨溶液使用，降低了對水和能量的消耗；

3）新的硝酸鉀制備工藝能夠將純水的消耗量降低了94%，將運行能耗降低7.6%，農業用硝酸鉀的純度接近工業級水平，極大地提升了硝酸鉀的生產經濟性。