硫酸钾结块原因分析及其处理方法

孙艺飞

（北京中科格瑞特科技有限公司，北京 101100）

钾是植物生长必需的三大元素之一。硫酸钾主要用于烟草、甜菜、甘蔗、马铃薯、葡萄、西瓜、菠萝、茶叶等喜钾忌氯作物，不但能提高农作物产量，而且还能提高其质量，如提高烟草的可燃性，提高葡萄、西瓜的糖度，提高薯类淀粉的含量等，在干旱地区施用硫酸钾还能避免有害氯化物在作物体内积累，保持稳定高产［1-3］。

2016年北京中科格瑞特科技有限公司承建了埃及60 kt/a硫酸钾装置，该项目采用曼海姆法工艺，装置工艺简单，投资少，工艺可操作性强。但由于项目所在地靠近地中海，产品包装后易结块，在实际操作过程中，对硫酸钾包装温度、产品粒度、游离酸等影响结块的因素进行分析，并对生产工艺、储存方式等进行了优化改进。

1 60 kt/a硫酸钾装置生产工艺

在550 ℃左右，氯化钾和浓硫酸在曼海姆反应炉中反应，反应结束后，产品进入冷却推料机（对反应后的产品进行粉碎降温），之后进入气封螺旋输送机，然后由埋刮板机送至粉碎机粉碎，经振动筛筛分后进入包装系统，硫酸钾输送及包装系统产生的粉尘由袋式除尘器收集处理。反应产生的HCl气体经过石墨换热器冷却降温后，进入硫酸洗涤塔除去SO3气体以及粉尘等杂质，然后进入降膜吸收塔，生成w（HCl）31%的盐酸溶液，尾气进入尾气洗涤塔，用清水进一步吸收HCl气体，以达到环保排放的要求。

2 影响硫酸钾结块的主要因素分析

2.1 包装温度的影响

通过测试发现，经冷却推料机冷却后的硫酸钾温度在75～82 ℃，进入包装机的硫酸钾温度在67～73 ℃。有研究表明，当包装温度大于50 ℃时［4］，包装后的硫酸钾降温后会有水汽凝结。包装后的硫酸钾温度过高时，在冷却过程中，原来溶解在残余水分中的硫酸钾盐就结晶析出，形成盐桥，从而导致结块。因此，包装温度越高储存时越容易结块，一般将产品包装温度控制到50 ℃以下。

为了降低硫酸钾的温度，选择夹套水冷式埋刮板机对其进行冷却降温，即在每节刮板机两侧及下侧装有夹套，每节之间的夹套通过管道连接，冷却介质为冷却循环水［5］。

1） 计算条件 进入埋刮板机的硫酸钾温度为78 ℃，硫酸钾进入量为7.5 t/h，比热容为0.796 kJ/（kg·℃），冷却水进水温度为35 ℃，出水温度为39 ℃，循环水密度为1 060 kg/m3，比热容为4.187 kJ/（kg·℃），以1 h为计算基准，热损失按10%计算。循环水管为φ48 mm×4 mm，循环水流速为1.1 m/s。

2） 输入热量 每小时硫酸钾带入热量Q1=7.5×1 000×0.796×78 kJ=465 660 kJ，冷却循环水带入热量Q2=3.141 59×0.020×0.020×1 060×1.1×3 600×35×4.187kJ=773003.67kJ，总输入热量Q入=Q1+Q2=（465 660.00+773 003.67）kJ=1 238 663.67 kJ。

3） 输出热量 硫酸钾带出热量为Q3，冷却循环水带出热量Q4=3.141 59×0.020×0.020×1 060×1.1×3 600×39×4.187 kJ=861 346.94 kJ，热损失Q5=Q入×10%=123 866.4 kJ，总输出热量Q出=Q3+Q4+Q5=Q3+985 213.31 kJ。

4） 热量平衡 根据Q出=Q入，刮板机出口硫酸钾温度计算如下：1 238 663.67 kJ=Q3+985 213.31 kJ。经计算，刮板机出口硫酸钾温度为42.45 ℃，可以满足进入包装机的硫酸钾温度低于50 ℃的要求，而在实际生产过程中测试温度为48.5 ℃左右。而且出口硫酸钾温度也可以通过控制循环水的进入量合理控制，即当进入包装机的温度高时，增加循环水阀门开度，加大循环水加入量；当进入包装机硫酸钾温度低时，减小循环水加入量。

2.2 硫酸钾粒度的影响

硫酸钾粒度也是影响结块的重要因素，粒度越小，比表面积越大，颗粒之间的接触面积越大，硫酸钾越容易结块。而且小粒径硫酸钾储运过程中颗粒间接触紧，摩擦多，颗粒易破碎，发生不均匀离散，易造成结块。颗粒过细，其抗压强度、耐磨性、抗冲击强度也比较差，在贮运中易粉化或受压变形，分离度高。这些细粉填满了颗粒之间的空隙，颗粒间接触点与接触面积成百倍增加，很易造成硫酸钾结块。原设计的筛网孔径为0.3 mm，考察后发现当地市场可以接受粒度为0.5 mm的硫酸钾，因此，更换为孔径0.5 mm的筛网，通过增加粒度来减小接触面积，以减缓硫酸钾结块的速度。

2.3 游离酸的影响

硫酸钾的生产过程为固液反应，浓硫酸有一定的过量，不可避免地还会有少量未充分反应的KCl存在，如果游离酸含量过高，在储存过程中游离酸会进一步与未反应的KCl反应产生KHSO4，该反应的进行也会加速结块发生。游离酸具有亲水性，其存在使得硫酸钾吸水吸潮，而水分的存在导致毛细粘合，并产生晶桥，另一方面水分也会导致肥料颗粒软化，在压力作用下变形，使颗粒间接触面积增大，加大了颗粒间结合的强度。硫酸钾粉体的水含量越少，结块的可能性就越小，产品的水含量越高，结块就会更严重。因此，在生产过程中尽可能地控制游离酸质量分数在3%以下。在实际的生产过程中，在成品斗提机的进口增加石粉料仓和石粉给料螺旋输送机，根据游离酸的含量，加入相应量的石粉（粒径0.147 mm的CaCO3细粉）中和多余的游离酸，将产品的pH控制在6.0～6.5，以消除游离酸的影响。

2.4 除尘系统返料的影响

硫酸钾成品的输送系统会产生粉尘，为了减少粉尘污染，成品输送系统配备袋式除尘器以收集斗提机、皮带输送机、粉碎机、振动筛等产生的粉尘。原设计袋式除尘器收集的粉尘返回到产品料仓，与成品混合后进入包装系统。除尘器收集的粉尘粒度很小，而且水含量较高，当细粉与成品混合后，增加了产品的接触面积，引起颗粒间盐桥的增加，细粉在硫酸钾颗粒之间形成的盐桥将大颗粒连接在一起，进一步促使硫酸钾包装后出现结块。另外，细粉的比表面积较大，在相同条件下，由于毛细现象的作用，细粉会吸收空气中更多的水分，包装冷却后，水分析出，也会进一步加剧肥料结块。因此，在实际生产中除尘系统返料应单独包装。

2.5 硫酸钾堆积高度的影响

硫酸钾包装后的堆积高度也会影响结块的速度，增加硫酸钾的堆积高度就会增加颗粒形变的可能性和颗粒间的接触面积，使晶体交联的可能性加大，从而增加结块的可能性。因此，需要长期库存的硫酸钾要尽可能地降低堆放高度，在实际堆放过程中采取每垛15层堆包。

2.6 空气湿度和储存温度的影响

2.6.1空气湿度

空气湿度是影响硫酸钾结块速率的重要因素，在仓库管理的过程中要避免湿度的剧烈波动，尽可能将空气湿度控制在稳定的范围内。当空气湿度较大时，硫酸钾吸湿使水含量增加，特别是在硫酸钾粒度较小情况下硫酸钾极易吸收水分。颗粒间的水分会形成凹形液面，其饱和蒸汽压低于平面液体蒸汽压，空气中的水蒸气很容易使颗粒表面硫酸钾溶液达到饱和而产生凝结，在实际储存过程中，一般控制硫酸钾仓库的相对湿度在78%～83%。为了实现空气湿度的可测可调控，一方面加强了空气湿度的检测，每天对仓库进行湿度记录。另一方面对仓库进行整改，增加通风口来加快空气流通，以达到调节仓库空气湿度的目的；当空气湿度过大时，在仓库固定位置投放干燥剂，配备2台可移动式的除湿机，用于空气湿度的调节控制。

2.6.2储存温度

硫酸钾贮存的环境温度过高时，在水分存在的情况，环境温度的波动会引起硫酸钾的溶解、结晶反复发生，产生晶桥。贮存的环境温度过高，硫酸钾的临界相对湿度将降低，其吸湿性将增强，导致结块容易发生，通常情况下将硫酸钾仓库温度控制在15～30 ℃。温度的控制要结合空气湿度的控制要求，切忌温度在短期内剧烈变化。

3 结束语

综上所述，通过改用带水夹套埋刮板对产品进行冷却，使得包装温度降到了50 ℃以下，并且实现了产品包装温度的可调可控，以延缓硫酸钾结块的速度；通过将产品振动筛更换为0.5 mm的筛网，提高产品的粒度，减小比表面积，以延长硫酸钾储存时间；通过控制产品中游离酸的含量，也可以有效延长硫酸钾的存储时间；通过将袋式除尘器返料的细粉单独包装，避免与成品混合，亦可以达到延长储存时间的效果；通过降低硫酸钾的堆积高度，控制仓库的温度和湿度，亦可控制硫酸钾产品的结块速度。