史忠录，黄 龙,杜佩英,马占梅，傅铃麟

(青海盐湖工业股份有限公司，青海省盐湖资源综合利用重点实验室，青海省盐湖资源综合利用工程技术研究中心，国家盐湖资源综合利用工程技术研究中心， 青海 格尔木 816099)

1 前言

钾肥生产企业在生产过程中生产能耗和氯化钾的收率是控制成本的关键指标，而物料衡算对于生产过程控制起到举足轻重的作用，通过物料衡算可以直观地计算出原辅材料的各项消耗定额，同时也可以通过实际分析数据和理论数据进行对比，查找生产过程中控制不当的环节采取措施及时纠错，优化生产工艺提高生产收率降低生产成本。

“冷结晶—正浮选—洗涤法”生产氯化钾工艺是青海盐湖元通公司发明的一种新型生产工艺，也是目前国内生产氯化钾的主要方法之一，它的出现逐渐取代了“冷分解—正浮选—洗涤法”生产氯化钾工艺。“冷结晶—正浮选—洗涤法”生产氯化钾工序主要包括：冷结晶、浮选及分离、真空过滤、洗涤、离心分离及干燥等六个工序。

在察尔汗盐湖地区钾肥生产过程中一直利用四元水盐体系相图指导盐田生产光卤石矿和加工车间生产钾肥工艺，无论是在盐田晒制光卤石矿还是在加工厂生产钾肥，都存在质量守恒。因此，使用四元水盐体系相图指导生产过程同时也是在使用质量守恒原理。因此，文章主要利用“杠杆规则法和质量守恒原理”进行氯化钾生产过程的物料衡算。

2 “冷结晶—正浮选—洗涤法”生产氯化钾工艺过程

2.1 原矿组分

原矿(含钠光卤石)，由于E点卤水是(氯化钾、氯化钠和光卤石)的三相饱和点，因此，在析出光卤石的同时析出氯化钠其组分见表1；原矿取自青海察尔汗盐湖。

表1 原矿(含钠光卤石)组成Tab.1 Raw mine composition

2.2 生产工艺控制参数及计算依据

生产气温：以15 ℃为计算依据；浮选粗钾泡沫(K点)组分WE(K)∶WI=3 ∶1 (湿基比)；粗钾泡沫固相组成(I点)WKCl∶WNaCl=9 ∶1；尾盐浆料固相组成(J点)WKCl∶WNaCl=3 ∶97；粗钾泡沫经过滤滤饼N含母液量为20%，即WE(N)∶WI=2 ∶8(湿基比)；洗涤料浆经离心分离后精钾含水量为6.00 %；精钾氯化钾中干燥后含水量为2%。

2.3 相图分析

利用相图可以得到制取KCl的工艺流程如图1，并对生产中出现的问题加以解决，文章利用相图获取“冷结晶—正浮选—洗涤法”生产KCl的工艺流程图。

图1 光卤石用“冷结晶—正浮选—洗涤法”生产氯化钾的四元体系(15 ℃)Fig.1 Quaternary system for production of KCl from carnallite by “Cold crystallization-Positive flotation-Washing method”

第一阶段：冷分解结晶工序。将原料光卤石M(M0)在结晶器加水恰好使光卤石完全分解同时氯化钾结晶，不同于冷分解过程是多了氯化钾的结晶工序，使得氯化钾颗粒在结晶器成长大于单纯冷分解工序氯化钾颗粒。在干基图上固相点从R→Q→H。同时相对应的液相点由F→E,系统点M点仍然不变；在水图上固相点变化从R′运行到Q′，液相点由F′运行到E′，系统点由M0运行到M1点；继而固相点由Q′运行到H′，而液相点在E′不动，系统点由M1运行到M2点。

第二阶段：浮选及分离工序。浮选物料为第一工序的高镁母液E(E′),浮选药剂是盐酸十八胺和二号油。经过药剂的浮选作用，分解结晶后固相钾石盐H(H′)以粗钾I(I′)和尾盐J(J′)的形式存在。粗钾泡沫矿浆K(K′)从浮选顶部刮出和尾盐矿浆L(L′)从扫选槽排出系统。此阶段为第一次分离过程，将尾盐氯化钠泡沫同氯化钾分离。

第三阶段，将浮选出的粗钾泡沫K(K′)中的固相粗钾I(I′)与其对应的母液E(E′)进行分离。实际生产过程通常采用方便且易操作 的转筒过滤机进行分离，分离后的固相滤饼为相图N(N0)点母液依然为E(E′)点。此工序为第二次分离过程，将粗钾泡沫同母液进行分离得到粗钾半成品。

第四阶段，对粗钾滤饼N(N0)中的NaCl进行洗涤。由相图分析可知，滤饼N(N0)是由粗钾I(I′)和共饱液E(E′)所组成，当对其加适量水时，固相则由I(I′)运行至C(C′)，而液相则由E(E′)运行至O(O′)，在干基图上系统点在N不变；在水图上系统点则由N0运行至N1。此工序为第二次加水过程，加水量恰好使I(I′)中的NaCl全部洗完，得到洗涤料浆N(N1)。

第五阶段：将洗涤料浆N(N1)中的固相KClC(C′)与其对应的精钾母液O(O′)通过离心设备进行固液分离。固相即为湿精钾P(P′)， 液相为精钾母液O(O′)返回系统分解结晶工序以降低分解工序氯化钾损失，同时可以提高光卤石生产氯化钾的收率。此工序为第三次分离过程，使得精钾P(P′)与精钾母液O(O′)得以分离。

第六阶段，将湿精钾P(P′)在干燥设备中烘干除去水分，即可得到成品KCl产品。

经过以上的相图分析，可以得出由含钠光卤石生产氯化钾的工艺流程，如图2。

图2 冷结晶生产氯化钾工艺流程图Fig.2 Process flow chart of KCl production by cold crystallization

3 “冷结晶—正浮选—洗涤法”生产KCl物料衡算

3.1 各工序物料点组分

从四元水盐体系相图中得到相关物料的组成见表2。

表2 物料的组成Tab.2 Composition of materials

3.2 初开车工序物料衡算

加工厂初开车时没用循环母液，全部依靠淡水分解原矿光卤石。

3.2.1 分解结晶过程的物料衡算(图3)

以100 kg原矿为计算基准，分解结晶器为衡算对象进行物料衡算如下：

设：W0为分解结晶过程加水量，kg/h；WE为分解母液量，kg/h;WB(H)为分解料浆中固相KCl的量，kg/h;WC(H)为分解料浆中NaCl的量，kg/h。

从图3得出如下方程:WB(H)+WC(H)+WE=WM+W0

图3 冷分解结晶过程Fig.3 Cold decomposition crystallization process

对KCl进行物料衡算：WB(H)×100%+WE×2.76%=100×16.73%；

对NaCl进行物料衡算：WC(H)×100%+WE×1.83%=100×27.45%；

对MgCl2进行物料衡算：WE×25.60%=100×26.43%；

对H2O进行物料衡算：WE×69.81%=100×29.38%+WO。

解方程得：WE=103.24 kg/h,WB(H)=13.88 kg/h,WC(H)=25.56 kg/h,WO=42.68 kg/h

因此，原矿光卤石刚好完全分解时：

(1)加水量为42.68 kg/h；

(2)产生分解母液103.24 kg/h；

(3)料浆中固相氯化钾为13.88 kg/h；

(4)料浆中固相氯化钠为25.56 kg/h。

所以，矿浆中固相总量：WE=WB(H)+WC(H)=13.88+25.56=39.44 kg/h。

3.2.2 浮选及分离过程物料衡算(图4)

图4 浮选过程Fig.4 Floation process

设：WC(I)为I点的KCl量kg/h；WC(J)为J点的KCl量，kg/h；WB(I)为I点的NaCl量，kg/h；WB(J)为J点的NaCl量，kg/h。

根据已知条件：粗钾泡沫固相组份(I点)

WKCl∶WNaCl=90 ∶10

尾盐料浆中固相组份(J点)WKCl∶WNaCl=3 ∶97

粗钾泡沫(K点)WE(K)∶WI=3 ∶1(湿基比)。

依据物料衡算得：

WC(I)+WC(J)=13.88 kg/h，WB(I)+WB(J)=25.56 kg/h；

WC(I)∶WB(I)=9 ∶1，WC(J)∶WB(J)=3 ∶97。

解方程得：WC(I)=13.14 kg/h，WC(J)=0.75 kg/h

WB(I)=1.46 kg/h，WB(J)=24.10 kg/h。

(1)粗钾泡沫产量：

WK=4×(WC(I)+WC(J))=58.4 kg/h；

(2)尾盐料浆分解母液产量：

WE(L)=WE-3×(WC(I)+WC(J))=59.44 kg/h；

(3)尾盐料浆产量：

WL=WE(L)+(WC(J)+WB(J))=84.29 kg/h。

3.2.3 过滤过程物料衡算(图5)

由题意和图5可知WE(N)∶WN=2 ∶8；

图5 过滤过程Fig.5 Filtration process

=58.4-40.15=18.25 kg/h。

3.2.4 洗涤过程的物料衡算(图6)

图6 再浆洗涤过程Fig.6 Washing process after slurry

设：W1为洗涤用水量，kg/h；W0为洗涤母液量，kg/h；WA(N)为洗涤料浆中固相KCl量，kg/h。

由题意列方程如下：

W1+WN=W0+WA(N)

KCl进行物料衡算：

18.25×72.55%=WA(N)×100%+W0×7.33%

MgCl2进行物料衡算：

18.25×5.12%=W0×8.17%

H2O进行物料衡算：

18.25×13.97%+W1×100%=W0×71.45%

解方程得：W1=5.62 kg/h,W0=11.43 kg/h,WA(N)=12.40 kg/h

3.2.5 离心分离过程的物料衡算(图7)

图7 离心分离过程Fig.7 Process of centyrifugal separation

已知：湿精钾的含水量为6.0%。

则有：(0.714 5×WO(P))/(12.40+WO(P))=6/100

解得：WO(P)=1.14 kg/h

洗涤料浆洗涤分离后得：

湿精钾量为：WP=WA(N)+WO(P)=13.54 kg/h

3.2.6 干燥过程的物料衡算(图8)

图8 干燥过程Fig.8 Drying process

设：G2为干燥后产品的量；W为蒸发水量；G2中KCl含量为xA；G2中MgCl2含量为xC；G2中NaCl含量为xB；G2中H2O含量为2%。

已知：由湿精钾的组成可知x1=6.0%；G1=WP=13.54 kg/h

则有：G1(1-6.0%)=G2(1-2%)，解得G2=12.99 kg/h

即蒸发水量：W=G1-G2=0.55 kg/h。

对KCl进行物料衡算：

12.99×xA=13.54×91.60%

对NaCl进行物料衡算：

12.99×xB=13.54×1.10%

对MgCl2进行物料衡算：

12.99×xC=13.54×0.69%

解得：xA=95.48%;xB=1.15%;xC=0.72%

3.3 正常生产条件下的物料衡算

根据加工厂实际生产情况，为了节约生产用淡水资源以及回收精钾母液中的钾，将从离心机甩出来的精钾母液重新利用进行冷结晶分解原矿。以“3.2.5”所得到的精钾母液量作为返回母液进行迭代计算。将其过程迭代至定值此处不再赘述。

4 结论

1)通过冷结晶—正浮选物料衡算可以设计加工厂生产工艺流程和设备选型。

2)通过冷结晶—正浮选物料衡算可以准确计算分解结晶阶段和再浆洗涤阶段各过程加水量控制。

3)通过冷结晶—正浮选物料衡算可以计算加工厂各个阶段氯化钾收率以及加工厂的综合收率。