以硫酸鈉為助劑制備硅鈣鉀肥的試驗(yàn)研究

劉 陽，龐世花

(金正大生態(tài)工程股份集團(tuán)有限公司，國(guó)家緩控釋肥工程技術(shù)研究中心 山東臨沭 276700)

以硫酸鈉為助劑制備硅鈣鉀肥的試驗(yàn)研究

劉 陽，龐世花

(金正大生態(tài)工程股份集團(tuán)有限公司，國(guó)家緩控釋肥工程技術(shù)研究中心 山東臨沭 276700)

采用工業(yè)廢渣磷石膏和鉀長(zhǎng)石為主要原料，添加適量的硫酸鈉作為反應(yīng)助劑，經(jīng)高溫煅燒制備出硅鈣鉀肥。對(duì)助劑硫酸鈉的加入量、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了以硫酸鈉為燒結(jié)助劑燒制硅鈣鉀肥的最優(yōu)條件。

硅鈣鉀肥；硫酸鈉；鉀長(zhǎng)石；磷石膏

磷石膏是濕法磷酸工藝生產(chǎn)磷酸時(shí)排放的廢棄物，一般生產(chǎn)1 t磷酸副產(chǎn)磷石膏5 t左右，生產(chǎn)1 t磷酸二銨副產(chǎn)2.5～5.0 t磷石膏。隨著我國(guó)高濃度磷肥工業(yè)的發(fā)展，磷石膏的產(chǎn)生量逐年增加，而磷石膏的綜合利用起步較晚、基礎(chǔ)較差，大部分磷石膏采用濕法排渣、山谷或平地堆存、回水加以回收利用的方法處置。磷石膏中含有可溶性磷、氟、有機(jī)物、共晶磷等有害雜質(zhì)，故磷石膏的大量堆置會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

我國(guó)不溶性含鉀巖石儲(chǔ)量極豐富，開發(fā)利用不溶性含鉀巖石生產(chǎn)鉀肥一直是我國(guó)政府重點(diǎn)扶持的研究領(lǐng)域。我國(guó)從20世紀(jì)60年代初開始研究利用不溶性含鉀巖石制鉀肥，到20世紀(jì)70年代，在不溶性含鉀巖石中加入助溶劑燒結(jié)的方法已經(jīng)成型[1]，即把不溶性含鉀巖石、石灰石和煤或焦炭按一定比例混合，經(jīng)粉碎加工成球，在立窯中煅燒(1 200～1 250 ℃)，直接破壞不溶性含鉀巖石的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化生成水溶性的鋁酸鉀，成品含鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%～8%，鉀的有效溶出率在85%左右。燃燒法[2]可以采用當(dāng)?shù)氐氖沂兔鹤鳛樵?，原料成本低，成為利用不溶性含鉀巖石制取鉀肥的一個(gè)途徑，但生產(chǎn)過程中能耗大，且不溶性含鉀巖石中鉀的轉(zhuǎn)化率較低，成為推廣發(fā)展的主要障礙。

本研究在鉀長(zhǎng)石和磷石膏燒制硅鈣鉀肥的基礎(chǔ)上，加入適量的硫酸鈉作為反應(yīng)助劑，不僅解決了鉀長(zhǎng)石中鉀元素不容易活化的問題，而且大幅降低了燒結(jié)溫度，降低了生產(chǎn)成本。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料和儀器

(1)試驗(yàn)原料

鉀長(zhǎng)石產(chǎn)自山東新泰，其化學(xué)組成如表1所示；磷石膏為金正大生態(tài)工程股份集團(tuán)有限公司自產(chǎn)，其化學(xué)組成見表2；硫酸鈉，分析純；無煙煤產(chǎn)地為山東濟(jì)寧，含固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)82.3%。

(2)試驗(yàn)儀器

磨樣機(jī)，德國(guó)FRITSCH- Pulverisette5四罐行星式高能球磨機(jī)；分析天平，AL204，梅特勒-托利多；電子天平，PL3002，梅特勒-托利多；馬弗爐，CWF- 13/23，卡博來；火焰光度計(jì)，6400A；標(biāo)準(zhǔn)篩，80m(180目)。

統(tǒng)計(jì)軟件SPSSl7.0處理數(shù)據(jù),百分比方式表示計(jì)數(shù)數(shù)據(jù),x2檢驗(yàn),采用Logistic進(jìn)行多因素分析,組間差異顯著則P

表1 鉀長(zhǎng)石化學(xué)組成 %

表2 磷石膏化學(xué)組成 %

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)原理

鉀長(zhǎng)石的主要成分為K2O·Al2O3·6SiO2。在高溫煅燒下，一方面鉀長(zhǎng)石中的鉀被反應(yīng)助劑硫酸鈉中的鈉置換，另一方面鉀長(zhǎng)石與石膏中的CaO反應(yīng)，使鉀礦石的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)破解，生成具有活性的硅酸一鈣(CaO·SiO2)。其主要反應(yīng)如下[3]：

2CaSO4+C=2CaO+CO2+2SO2

K2O·Al2O3·6SiO2+6CaO=K2O·Al2O3+6(CaO·SiO2)

K2O·Al2O3·6SiO2+Na2SO4=Na2O·Al2O3·6SiO2+K2SO4

1.2.2 硅鈣鉀肥的制備

鉀礦石和磷石膏烘干后磨細(xì)過標(biāo)準(zhǔn)篩，按照預(yù)試驗(yàn)確定的磷石膏與鉀長(zhǎng)石質(zhì)量比為1.95∶1.00進(jìn)行配料，硫酸鈉和無煙煤的加入量分別為鉀礦石和石灰石總質(zhì)量的5%(14.75 g和15.00 g)，混合均勻后加入少量水并制成塊狀，然后在馬弗爐中于1 100 ℃下煅燒40 min，最后冷卻得硅鈣鉀肥熟料。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硫酸鈉加入量對(duì)硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在試驗(yàn)條件下，固定磷石膏、鉀長(zhǎng)石和無煙煤的加入量分別為195.00，100.00和15.00 g不變，改變硫酸鈉的加入量，測(cè)定硫酸鈉加入量對(duì)鉀長(zhǎng)石中鉀的活化率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 硫酸鈉加入量對(duì)硅鈣鉀肥中有效鉀含量的影響

由圖1可知：由于鉀長(zhǎng)石穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)使得燒結(jié)過程中鉀難以活化，而硫酸鈉的加入可使鉀長(zhǎng)石中的鉀容易活化；隨著硫酸鈉加入量的增加，產(chǎn)品中有效K2O含量也增加，但其增加的速率逐漸減緩?？紤]到硫酸鈉的加入會(huì)在成品硅鈣鉀肥中引入鈉離子，因此，硫酸鈉的加入量定為磷石膏和鉀長(zhǎng)石總質(zhì)量的5%(14.75 g)。

2.2 無煙煤加入量對(duì)磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

在試驗(yàn)條件下，固定磷石膏、鉀長(zhǎng)石和硫酸鈉的加入量分別為195.00，100.00和14.75 g不變，改變無煙煤的加入量，測(cè)定無煙煤加入量對(duì)磷石膏中硫酸鈣分解率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 無煙煤加入量對(duì)磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

由圖2可知：隨著無煙煤加入量的增加，磷石膏中硫酸鈣的分解率也增大；當(dāng)無煙煤加入量增加至15.00 g后，硫酸鈣的分解率增大速率顯著降低?？紤]到成本與回報(bào)的關(guān)系，無煙煤的加入量定為15.00 g，即磷石膏與無煙煤質(zhì)量比為195∶15是最佳配比。

2.3 燒結(jié)溫度對(duì)硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)和磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

在試驗(yàn)條件下，固定磷石膏、鉀長(zhǎng)石、硫酸鈉和無煙煤的加入量分別為195.00，100.00，14.75和15.00 g不變，改變燒結(jié)溫度，測(cè)定燒結(jié)溫度對(duì)硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)和磷石膏中硫酸鈣分解率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 燒結(jié)溫度對(duì)硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)和 磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

由圖3可知：隨著燒結(jié)溫度升高，硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)和磷石膏中硫酸鈣的分解率也增大；當(dāng)燒結(jié)溫度超過1 080 ℃后，硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅急劇減緩，反應(yīng)基本完成，但磷石膏中硫酸鈣的分解率要到1 100 ℃后才會(huì)明顯減緩，故最終燒結(jié)溫度確定為1 100 ℃。

2.4 燒結(jié)時(shí)間對(duì)硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)和磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

在試驗(yàn)條件下，固定磷石膏、鉀長(zhǎng)石、硫酸鈉和無煙煤的加入量分別為195.00，100.00，14.75和15.00 g不變，改變燒結(jié)時(shí)間，測(cè)定燒結(jié)時(shí)間對(duì)硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)和磷石膏中硫酸鈣分解率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 燒結(jié)時(shí)間對(duì)硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)和 磷石膏中硫酸鈣分解率的影響

由圖4可知：硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)而增大；當(dāng)燒結(jié)時(shí)間超過30 min后，硅鈣鉀肥中有效K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加幅度不大，對(duì)于磷石膏中硫酸鈣的分解率也存在同樣的現(xiàn)象，故選擇燒結(jié)時(shí)間40 min為宜。

2.5 硅鈣鉀肥有效成分含量測(cè)定

在試驗(yàn)條件下，所制備的硅鈣鉀肥有效成分與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見表3

表3 硅鈣鉀肥有效成分與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比 %

由表3可知：加入助劑所制備的硅鈣鉀肥各有效成分指標(biāo)符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)品要求，鉀礦石中K2O轉(zhuǎn)化率達(dá)95%；SiO2，MgO和CaO均轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀蛔魑镂盏挠行С煞?，有效成分總質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到70.57%。

3 結(jié)語

用磷石膏和鉀長(zhǎng)石煅燒制備硅鈣鉀肥時(shí)加入適量的硫酸鈉，可促進(jìn)鉀長(zhǎng)石活化，還能適當(dāng)降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時(shí)間，有利于降低生產(chǎn)成本。通過試驗(yàn)得到的以硫酸鈉為反應(yīng)助劑燒制硅鈣鉀肥的最優(yōu)條件：在100.00 g鉀礦石中加入195.00 g磷石膏和14.75 g硫酸鈉，在1 100 ℃下燒結(jié)40 min。在最優(yōu)條件下，鉀礦石中K2O轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%以上，磷石膏中硫酸鈣的分解率在94%以上，實(shí)現(xiàn)了不溶性含鉀巖石和磷石膏的綜合利用。

[1] 薛嚴(yán)輝，楊靜.鉀長(zhǎng)石低溫?zé)Y(jié)法制鉀肥[J].非金屬礦，2000(1)：19- 21.

[2] 朱云勤，馬武權(quán).鉀鈣肥生產(chǎn)工藝參數(shù)的研究[J].化肥工業(yè)，1999(5)：33- 40.

[3] 張西興，龐世花，朱云勤.用磷石膏和不溶性含鉀巖石制備鉀鈣肥的初步研究[J].化肥工業(yè)，2008(5)：40- 42.

Experimental Study of Preparing Silicon- Calcium- Potassium Fertilizer with Sodium Sulfate as Promoter

LIU Yang, PANG Shihua

(Shandong Kingenta Ecological Engineering Co., Ltd.， National Engineering & Technology Research Center for Slow and Controlled Release Fertilizers, Linshu 276700, China)

Using industrial waste residue phosphogypsum and potassium feldspar as main raw materials, adding proper amount of sodium sulfate as promoter, by high- temperature calcination, the silicon- calcium- potassium fertilizer is prepared. An experimental study is carried out of additive quantity of prompter sodium sulfate, calcination temperature and calcination time, and optimum conditions of calcining silicon- calcium- potassium fertilizer with sodium sulfate as sintering aid are obtained.

silicon-calcium-potassium fertilizer; sodium sulfate; potassium feldspar; phospho-gypsum

劉陽(1989—)，男，研發(fā)工程師；601754421@qq.com

TQ443

A

1006- 7779(2017)01- 0060- 03

2015- 07- 14)