节能技术在硝酸钾生产中应用

岳阳市钾盐科学研究所 岳阳 414000

我国硝酸钾生产工艺主要有三种：①硝酸铵与氯化钾离子交换法；②硝酸铵与氯化钾复分解法；③硝酸与氯化钾转化法[1-3]。在这些硝酸钾生产工艺中，蒸汽能耗占硝酸钾生产成本至少在15%以上，为此，在硝酸钾生产企业中进行了节能技术改造。现以复分解法生产硝酸钾装置节能技术改造为例, 简要介绍如下几项节能技术在硝酸钾生产中的应用及节能效果。

1 蒸汽直接加热溶解氯化钾[4-5]

改造前，氯化钾溶解与升温是在搅拌条件下，将蒸汽通入蛇管进行间壁加热升温，使氯化钾溶解，由于蛇管传热系数与传热面积受到限制，故加热升温时间长，同时氯化钾溶解速度慢，生产效率低，蒸汽冷凝水的显热未能利用。

改造后，采用蒸汽直接加热溶解氯化钾工艺，将蒸汽直接通入混合料液中，通入的蒸汽与氯化钾混合料液直接换热，高温蒸汽换热后变成冷凝水留在混合料液中，这部分冷凝水正好作为溶解氯化钾所需的补充水，使混合料液温度不断升高直至沸腾；同时由于高温高速的蒸汽在混合料液中冲刷翻动料液，使投入的氯化钾在加热与冲刷翻动中快速溶解。如通入蒸汽所形成的冷凝水量不够工艺要求的补充水量，则可以另行补充加入来自硝酸钾蒸发浓缩工段的冷凝水，直到配制成符合工艺要求的氯化钾溶液。

与原溶解氯化钾工艺相比，蒸汽直接加热溶解氯化钾具有以下显著优势：

(1)蒸汽热能利用率高，每生产1t硝酸钾可节省蒸汽用量62kg，相应节省水62kg。

(2)新工艺可省去搅拌机和蛇管换热器设备，节省设备投资。

(3)不仅加热速度很快，而且溶解氯化钾速度也快，从而使生产时间缩短。

2 空气冷却结晶工艺

改造前，硝酸钾冷却结晶采用真空冷却结晶装置，使用三级蒸汽喷射真空泵抽真空，使真空结晶器内硝酸钾溶液在负压状态下蒸发水份，从而使溶液温度下降并结晶析出硝酸钾，真空冷却结晶所得产品清洁，生产效率高，但操作控制复杂，能耗高[6]。每生产1t硝酸钾需消耗蒸汽1.18t，冷却水15.5t，且蒸汽压力至少要达到0.7MPa以上。

改造后，采用空气冷却结晶工艺，以空气为冷却剂冷却硝酸钾溶液[7]。其工作原理是在空气冷却结晶器内，通过特制的喷射装置将硝酸钾溶液分散成水滴或水膜状，通过风机与空气分布装置将空气均匀鼓入空气冷却结晶器，硝酸钾溶液在与空气逆流充分接触过程中，发生对流传热和蒸发传热。对流传热是硝酸钾溶液和空气之间存在温差，通过热传导传热来冷却；蒸发传热是空气吸收水蒸汽，使溶液中的水分蒸发带走热量，使硝酸钾溶液冷却并析出硝酸钾结晶。采用空气冷却结晶工艺过程中，热量是靠液滴和空气间的扩散和对流来传递的。硝酸钾溶液冷却传热速率随空气与溶液的界面面积、相对流速、接触时间以及冷却范围的增加而增加。

改造后的空气冷却结晶装置采用二级冷却，即第一级空气冷却结晶器先初步冷却硝酸钾溶液，再进入第二级空气冷却结晶器冷却至终点温度,并析出大量硝酸钾结晶。

为了防止空气流夹带液滴造成物料损耗，空气冷却结晶装置采用了合理的布液装置与风速，并增设了捕液装置。在空气冷却结晶过程中，采用控制溶液的过饱和度与加快溶液对流扩散，从而析出晶粒较大的结晶产品。

与原真空冷却结晶工艺相比，改造后的空气冷却结晶工艺具有以下优点：

(1)使用空气作为冷却介质，不需使用冷却水与蒸汽，每生产1t硝酸钾节省蒸汽1.18t和冷却水15.5t。

(2)空气冷却结晶比真空冷却结晶夹带液滴损耗要小，每生产1t农用硝酸钾，空气冷却结晶消耗氯化钾为0.768t，而真空冷却结晶消耗氯化钾为0.772t。

(3)空气冷却结晶所得产品结晶粒度比真空冷却结晶粒度大。生产实践表明，两种工艺所得产品纯度与杂质无差异，这是因为在洗涤硝酸钾氯离子过程中，也一并将空气中杂质洗去，使空气中的杂质最终进入氯化铵产品。

(4)采用大风量、小功率的轴流风机，耗电较低。

(5)投资省，不到真空冷却装置的50%。

3 蒸发后溶解硝酸铵

原来是在蒸发浓缩前溶解硝酸铵，即先将分离硝酸钾后的母液通蒸汽加热后，加入硝酸铵溶解，再送蒸发器蒸发浓缩，浓缩后再冷却析出氯化铵结晶。硝酸铵溶解热为337kJ/kg[8]，溶解硝酸铵过程中需消耗蒸汽，实际生产中，每吨硝酸钾溶铵时消耗蒸汽520 kg。

改造后，将硝酸铵溶解改为在蒸发后进行，即将分离硝酸钾后的母液直接送蒸发器蒸发浓缩后，再加入硝酸铵溶解，冷却析出氯化铵结晶。硝酸钾母液蒸发后，出料温度一般为95℃，加入硝酸铵溶解后，由于硝酸铵溶解要吸热，溶液温度下降约为9℃，显然，蒸发前溶解硝酸铵因吸热而需消耗蒸汽，而蒸发后溶解硝酸铵却省去了这部分蒸汽能耗，同时，蒸发后溶解硝酸铵，由于降低温度，还有利于氯化铵冷却结晶。

与蒸发前溶解硝酸铵工艺相比，蒸发后溶解硝酸铵工艺具有以下优点：

(1)改造后，硝酸铵溶解不需消耗蒸汽，利用蒸发浓缩液显热溶解，每生产1t农用硝酸钾，节省蒸汽520 kg。

(2)改造后，氯化铵冷却结晶的初始温度由原95℃下降为86℃，可节省冷却水14.5t。

4 二效蒸发工艺

改造前，使用两台外循环蒸发器，蒸发方式为单效蒸发，先将溶液在第1台蒸发器蒸发至一定浓度，然后再送入第2台蒸发器蒸发至终点浓度，每生产1t农用硝酸钾，耗蒸汽量为2.1t。

改造后，将原两台外循环蒸发器改为二效顺流蒸发工艺，其工艺流程为：

溶液先经过预热器预热，然后进入第Ⅰ效蒸发器，在0.1MPa条件下蒸发浓缩到溶液温度约为122℃，第Ⅰ效蒸发器出来的溶液靠压差进入第Ⅱ效蒸发器，在负压条件下蒸发浓缩到溶液温度约为95℃，最后用泵将完成液打入氯化铵冷却结晶器，加入硝酸铵溶解后，再进行冷却结晶。蒸发过程中，来自锅炉的蒸汽进入第Ⅰ效蒸发器加热蒸发，由第Ⅰ效蒸发器出来的二次蒸汽进入第Ⅱ效蒸发器加热蒸发，由第Ⅱ效蒸发器出来的二次蒸汽进入预热器预热溶液，从预热器中出来的蒸汽与冷凝水经汽水分离器分离冷凝水后，进入冷凝器冷凝，再去真空系统抽真空以维持第Ⅱ效蒸发器内的负压。

经过两年多运转实践表明，采用二效顺流蒸发工艺比原单效蒸发工艺具有以下优点：

(1)节能降耗显著，每生产1t农用硝酸钾，耗蒸汽量由原来2.1t下降为1.3t，节省蒸汽0.8t。

(2)设备腐蚀现象显著减轻，原来两台蒸发器蒸发操作温度、压力、浓度都较高，设备在恶劣环境下运行，故腐蚀速度较快，采用二效顺流蒸发工艺后，第Ⅰ效蒸发器在低温度、低浓度下运行，第Ⅱ效蒸发器在低温、高浓度下运行，从而减缓了设备腐蚀速度。

5 干燥机空气加热器串联进蒸汽

硝酸钾干燥选用振动流化床干燥机，改造前，采用蒸汽并联进入3台空气加热器，每台空气加热器出口的蒸汽较多，损失大，每生产1t农用硝酸钾，干燥机耗蒸汽量为220kg。

硝酸钾物料的干燥过程被分为两个阶段[9]：

(1)恒速干燥阶段，开始干燥时，硝酸钾物料含有较多水份，干燥过程主要是除去物料表面含有的自由水以及从物料内部因毛细管力迁移到表面的内部水。在恒速干燥阶段，需大的热风量和高的气流速度，把水分气化的蒸汽从物料表面迅速吹走，以提高干燥速率。

(2)降速干燥阶段，当物料干燥到湿含量达到临界含量时，进一步干燥使表面出现干点，干燥速率下降，在物料的湿含量降至与气相湿度相应的平衡值时，干燥停止。在降速干燥阶段，从物料表面水分气化的蒸汽显著减少，需要的热风量显著减少、热风气流速度显著降低。

根据这一原理，对干燥机内部热风供给分布进行改造，将原3台空气加热器的蒸汽由并联进汽改为串联进汽，即蒸汽先进第1台空气加热器、从加热器出口排出的蒸汽进第1台汽液分离器进行汽液分离，汽液分离后的低压蒸汽送第2台空气加热器，排出的蒸汽进第2台汽液分离器进行汽液分离，汽液分离后的低压蒸汽送第3台空气加热器，排出的蒸汽进第3台汽液分离器进行汽液分离，蒸汽冷凝水外排供溶解氯化钾使用。

改造中，干燥机的干燥面积不变，干燥能力与效果不变。改造后，每生产1t农用硝酸钾，干燥机节省蒸汽量为60kg。

6 结语

将蒸汽直接加热溶解氯化钾、空气冷却结晶、蒸发后溶解硝酸铵、二效蒸发、干燥机空气加热器串联进蒸汽等节能新技术应用于硝酸钾生产中，每吨硝酸钾可降低蒸汽消耗分别为62kg、1180kg、800kg、520kg、60kg，合计降低蒸汽消耗2622 kg, 按年生产20kt硝酸钾计，年可节约蒸汽52440t(约合7341.6t标准煤)，新增经济效益786万元。这些节能新技术可以大幅度降低硝酸钾能耗与生产成本，提高企业竟争力。

参 考 文 献

1 张 罡,夏重阳,何斌鸿等.我国硝酸钾市场竞争力分析[J].化学工业,2007(9)：16-18.

2 沈晃宏,张 罡,张一甫等.年产20kt硝酸钾生产装置概况[J].化工进展,2002,21(7)：506-508.

3 易健民,张 罡,沈晃宏等.硝酸钾与氯化镁联产新工艺[J].现代进展,2005,25(6)：52-54.

4 张 罡,易健民,沈晃宏.复分解法生产硝酸钾技术存在的问题与建议[J].化肥设计,2006,44(3)：39-41.

5 张 罡,沈晃宏,张一甫.用直接混合式加热改造间壁式加热化钾工艺[J].中氮肥,2005(1)：39-40.

6 沈晃宏,张 罡.硝酸钾真空冷却结晶工艺[J].化学工程,2006,34(5)：16-18.

7 张 罡.硝酸钠转化法制取硝酸钾新工艺装置[J].化工设计,2009，19(5)：11-13.

8 化肥工业大全编委会.化肥工业大全[M].北京：化学工业出版社，1988.

9 江家伍,夏 萍,夏 薇.提高热效率的节能干燥工艺[J].包装与食品机械,2001,19(3)：23-25.