以钾长石为原料生产窑灰钾肥的试验与应用

Experiment of Production of Kiln Ash Potassium Fertilizer Using Potassium Feldspar as Raw Material and Use

代家聚 Jiaju DAI

洛阳建材建筑设计研究院有限公司河南洛阳 471003 Luoyang Cement Engineering Design & Research Institute Ltd., Luoyang 471003, China

摘要：

试验研究了高温煅烧钾长石配制的水泥生料的K₂O挥发率，结果表明掺入适量的添加剂，K₂O的挥发率高达90%以上，以钾长石代替生料配料中的黏土质原料，利用现有新型干法熟料生产线，采用旁路放风工艺生产窑灰钾肥的技术是可行的。对于5 000 t/d新型干法熟料生产线，每年可生产窑灰钾肥143.4 kt，折合K₂O量38.62 kt，年产值为2.044亿元，年利润为5 490万元，经济效益可观。

关键词：

钾长石; 新型干法熟料生产线; 旁路放风; 窑灰钾肥;

Abstract：

An experimental study is carried out of volatilization rate of cement raw material K₂O prepared with high-temperature calcinated potassium feldspar. Experimental results show that mixing appropriate amount of additive, K₂O volatilization rate reaches above 90%, and using potassium feldspar to replace clayey raw material in raw material proportioning, with current new dry clinker production line, the technology of adopting bypass system to produce kiln ash potassium fertilizer is feasible. A 5 000 t/d new dry clinker production line can produce 143.4 kt kiln ash potassium fertilizer annually, which is equivalent to 38.62 kt K₂O, the annual output value is 204.4 million yuan, and annual profit is 54.9 million yuan. The economic benefit is considerable.

Keyword：

potassium feldspar; new dry clinker production line; bypass system; kiln ash potassium fertilizer;

钾是农作物生长必需的元素，我国钾肥的消费量约占世界总消费量的25%。2015年，我国钾肥产量为10 630 kt(折KCl，下同)，进口量为9 430 kt，自给率仅为53%^[1]。我国是钾矿资源丰富的国家，但绝大部分是水不溶性的钾长石，不能被植物所吸收，水溶性的钾盐资源严重紧缺且分布很不均匀^[2]。

国内很多学者研究了利用钾长石制钾肥，主要方法有直接法、挥发法和浸取法^[3-4]，但均存在工艺流程长、投资大、产品成本高、尾渣多、经济效益差等问题。从钾长石的化学成分来看，除了含有在熟料高温煅烧过程中可以挥发的K₂O外，其余都是熟料组成部分，故可用其代替生料配料中的黏土质原料，利用熟料煅烧时的高温使K₂O挥发，将水不溶性钾转化为可溶性钾，再经收集制取钾肥。洛阳建材建筑设计研究院有限公司从2012年开始研究以钾长石为原料，利用新型干法熟料生产线，采用旁路放风工艺生产窑灰钾肥的技术。

河南省平顶山市鲁山县已探明的钾长石矿储量大，河南海亮兴发钾盐工业投资有限公司计划与平顶山市某水泥厂合作，建设年产150 kt窑灰钾肥生产线，由洛阳建材建筑设计研究院有限公司负责试验研究和工程设计工作。

1 试验用添加剂、原料和燃料

试验中所采用的添加剂为萤石，来自鲁山县，其w(CaF₂)=71.72%。

试验用原料的化学成分如表 1所示，试验用燃料煤工业分析数据如表 2所示，煤灰全分析数据如表 3所示。

表 1

试验用原料的化学成分(质量分数) %

原料	烧失量	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	SO₃	Cl^-	合计	来源
石灰石	42.80	1.95	0.43	0.41	52.90	0.86	0.21	0.05	0.12	0.03	99.76	鲁山县
砂岩	0.34	97.44	1.05	0.47	0.34	0.10	0.17	0.02	0.03	0.01	99.97	汝阳县
铁矿石	28.16	4.16	3.15	56.60	3.83	3.32	0.58	0.05	0.03	0.00	99.88	汝阳县
钾长石	11.05	49.77	13.31	4.80	6.61	2.60	11.09	0.01	0.47	0.01	99.72	鲁山县

表 2

试验用原料的化学成分(质量分数)

M_ad/ %	V_ad/ %	A_ad/ %	S_t.ad/ %	FC_ad/ %	Q_{net, ad}/ (kJ·kg^-1)	来源
0.74	11.98	30.94	0.44	55.90	22 483	鲁山县

表 3

煤灰全分析数据(质量分数) %

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	SO₃	合计
54.24	28.84	4.56	4.72	0.96	1.44	0.40	2.14	97.30

2 试验研究

2.1 试验配料方案

试验配料方案见表 4。

表 4

试验配料方案(质量分数) %

项目	石灰石	砂岩	铁矿石	钾长石	萤石	合计
配比1	79.50	3.50	2.00	15.00	0.00	100.00
配比2	80.00	4.00	1.50	14.50	0.00	100.00
配比3	81.00	4.50	1.80	12.50	0.20	100.00
配比4	81.00	4.00	2.00	12.80	0.20	100.00
配比5	80.00	3.80	2.30	13.50	0.40	100.00
配比6	80.00	3.80	1.80	14.00	0.40	100.00
配比7	78.50	3.90	3.00	14.00	0.60	100.00
配比8	79.00	4.00	1.90	14.50	0.60	100.00
配比9	79.20	3.50	1.50	15.00	1.00	100.20
配比10	78.00	3.70	1.50	16.00	1.00	100.20

2.2 试验方法

(1) 按表 4的配比配料，然后加入试验管磨机粉磨生料，得到的粉磨后生料细度为0.08 mm方孔筛筛余12%~15%。

(2) 称取一定量生料(G₁)，测定其空气干燥基成分。

(3) 将生料平铺于容器中，然后在马弗炉中于950 ℃下预烧30 min，取出后立即放入已升至预定温度(1 400 ℃或1 450 ℃)的高温炉中并保温30 min，取出后在空气中冷却并称重(G₂)，然后测定成分。

2.3 煅烧后物料XRD图谱结果

经1 450 ℃煅烧后，作为原料中主要组成的CaCO₃分解生成CaO和CO₂，CaO继续与其他成分发生反应，而生成的CO₂放出导致发生较大的灼减。通过对煅烧后的样品进行XRD图谱分析，可知煅烧后的组成主要为硅酸三钙(3CaO·SiO₂)、硅酸二钙(2CaO·SiO₂)、铁铝酸钙(4CaO· Al₂O₃·Fe₂O₃)和铝酸钙(3CaO·Al₂O₃)，与水泥熟料组成一致。

2.4 K₂O挥发率的计算

通过测定煅烧前后K₂O质量分数的变化，计算得到的K₂O挥发率见表 5。

表 5

K₂O挥发率 %

项目	w(K₂O)/%		生料烧失量/%	K₂O挥发率¹⁾/%
项目	煅烧前生料	煅烧后物料	生料烧失量/%	K₂O挥发率¹⁾/%
注：1) K₂O挥发率=[(生料中K₂O质量分数×G₁－煅烧后物料中K₂O质量分数×G₂)/(生料中K₂O质量分数×G₁)]× 100%
配比1(干基)	1.85	0.94	36.28	67.6
配比2(干基)	1.79	0.89	36.29	68.3
配比3(干基)	1.57	0.65	36.59	73.7
配比4(干基)	1.61	0.64	36.68	74.8
配比5(干基)	1.68	0.48	36.42	81.8
配比6(干基)	1.74	0.48	36.32	82.4
配比7(干基)	1.74	0.39	36.03	85.7
配比8(干基)	1.79	0.37	35.98	86.8
配比9(干基)	1.84	0.20	36.00	93.0
配比10(干基)	1.95	0.19	35.60	93.7

2.5 试验结果

(1) 掺入适量的添加剂可提高K₂O挥发率。

(2) 为了提高钾长石的掺加量，要求硅质校正原料中的w(SiO₂)＞95%，铁质校正原料中的w(Fe₂O₃)＞55%。

(3) 实验室中煅烧时物料处于平摊固定的状态，而实际生产中物料处于不断翻滚状态，窑灰悬浮在烟气中，K₂O的挥发率应大于试验结果。

3 窑灰钾肥生产线设计方案

旁路放风技术是为了解决碱、硫、氯等有害成分的循环富集所造成的结皮堵塞、熟料质量下降等问题^[5]，在此项目中用来收集窑灰钾肥，抽风口设置在K₂O含量高、气流含尘浓度低的窑尾烟室上部。预分解窑采用100%旁路放风时，热耗较不放风时增大约30%，而预热器废气仅减少10%，这样少量的减少在预热器操作的允许波动范围内^[5]。因此，平顶山市现有某5 000 t/d水泥厂采用100%旁路放风生产窑灰钾肥时，1 kg熟料热耗为730×1.3×4.186=3 972.5(kJ)。

3.1 窑灰钾肥生产系统工艺流程

窑灰钾肥生产系统工艺流程如图 1所示。

图 1

窑灰钾肥生产系统工艺流程

3.2 设计计算

计算基准：1 kg熟料热耗3 972.5 kJ，生产1 kg熟料耗生料1.612 kg，K₂O挥发率83%，旁路粉尘质量浓度0.15 kg/m³(标态)，1 kg熟料100%旁路放风量0.617 m³(标态)；实际生产时的原料配比为w(石灰石)79.66%，w(砂岩)3.93%，w(铁矿石)1.96%，w(钾长石)14.45%，添加剂萤石添加量占原料总质量的0.5%；日产熟料5 000 t，年生产时间310 d。

经配料计算，得到的生料、熟料、碱收集系统粉料成分见表 6。

3.3 旁路放风系统收集的窑灰钾肥量

1 t熟料碱收集系统收下的粉料量为0.15×0.617×1 000=92.55(kg)，粉料中含K₂O质量分数为26.93%，折合纯K₂O为26.93%×92.55=24.92(kg)。年窑灰钾肥的产量为5 000×310×92.55÷1 000÷10 000=143.4(kt)，折合K₂O为38.62 kt/a。

窑灰钾肥提纯部分在此不再赘述。

3.4 主要设备工艺参数

(1) 冷却风机：风温20 ℃，风量300 000 m³/h，全压1 500 Pa，功率185 kW，2台。

(2) 增湿塔：Φ 8.5 m×36.0 m，处理风量600 000 m³/h，1座。

(3) 袋收尘器：气箱脉冲，风量500 000 m³/h，风温180 ℃，1台。

表 6

生料、熟料、碱收集系统粉料成分

项目	生料	出窑熟料	旁路粉料
w(烧失量)/%	36.28		4.97
w(SiO₂)/%	12.70	22.38	14.40
w(Al₂O₃)/%	2.41	5.29	3.41
w(Fe₂O₃)/%	2.01	3.32	2.13
w(CaO)/%	43.20	65.99	42.45
w(MgO)/%	1.15	1.80	1.16
w(K₂O)/%	1.79	0.48	26.93
w(Na₂O)/%	0.04	0.05	0.48
w(SO₃)/%	0.17	0.17	3.32
w(Cl^-)/%	0.03	0.00	0.42
w(其他)/%	0.23	0.51	0.33
铝氧率	1.20	1.60	1.60
硅酸率	2.87	2.60	2.60
饱和比	1.08	0.90	0.90
石灰饱和系数	108.82	92.84	92.84
w(硅酸三钙)/%		58.27
w(硅酸二钙)/%		20.23
w(铝酸三钙)/%		8.40
w(铁铝酸四钙)/%		10.08
w(游离氧化钙)/%
w(碱含量)/%		0.365
w(硅酸三钙+硅酸二钙)/%		78.50

(4) 锅炉引风机：风温160 ℃，全压3 000 Pa，风量500 000 m³/h，功率630 kW，1台。

3.5 经济效益分析

熟料的热耗增加量为730×0.3×4.186=916.7 kJ/kg，煤的热值为22 185.8 kJ/kg，则1 t熟料煤耗的增加量为916.7÷22 185.8×1 000=41.3(kg)。煤价按500元/t计，1 t熟料增加的成本为20.65元。

生产1 t熟料收集产生24.92 kg纯K₂O，折合硫酸钾肥(含K₂O质量分数≥51%)48.86 kg。按照硫酸钾价格2 700元/t、碱收集系统电耗700 kW、窑灰钾肥提纯系统的生产成本折硫酸钾1 500元/t、工业电价0.76元/(kW·h)计算，则硫酸钾肥总的生产成本为700×0.76÷(5 000÷24×48.86÷1 000)+1 500=1 552.26(元/t)，折合硫酸钾肥的年产值为2.044亿元，折合硫酸钾肥的年利润为5 490万元。

4 结语

(1) 高温煅烧钾长石配制的水泥生料中掺入适量的添加剂，K₂O的挥发率高达90%以上。

(2) 以钾长石代替生料配料中的黏土质原料，利用现有新型干法熟料生产线，采用旁路放风工艺生产窑灰钾肥的技术是可行的。

(3) 水泥产能严重过剩，2015年行业亏损面达到35%。在钾长石矿产资源丰富的地区，利用当地现有新型干法熟料生产线生产钾肥，能取得良好的经济和社会效益

ckwx 参考文献

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