CC BY
56
УДК 661.832.099:631.811.94
С.Х. Загидуллин, В.Л. Долганов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ГРАНУЛИРОВАНИЕ ОТХОДОВ И ТРУДНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРОДУКТОВ КАЛИЙНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Изучена возможность переработки трудно используемых пылевидных фракции флотационного хлористого калия и глинисто-солевыгх шламов путем гранулирования различными способами. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании опытно-промышленных грануляционных установок.
Производство хлористого калия, являющегося основным видом калийных удобрений, связано с образованием большого количества отходов и трудно используемых продуктов. К ним относятся глинисто-солевые шламы (ГСШ), большая часть которых в настоящее время сбрасывается в отвалы [1], а также трудно используемая мелкодисперсная пыль, образующаяся при сушке готового продукта. Наиболее рациональный путь переработки этих материалов - гранулирование и дальнейшее использование полученных продуктов в качестве удобрения.
Наиболее эффективным методом гранулирования мелкодисперсных фракций хлористого калия является окатывание в присутствии связующих добавок. Перспективным направлением переработки ГСШ, содержащих большое количество влаги (до 70 %), является их обезвоживание с одновременным гранулированием в высокоинтенсивных аппаратах с псевдоожиженным слоем (ПС) [2]. Для повышения концентрации полезного компонента в получаемом продукте в ГСШ целесообразно вводить добавки мелкодисперсных фракций хлористого калия.
Необходимым условием образования прочных и однородных гранул при окатывании является хорошая смачиваемость порошкообразных материалов связующей жидкостью. Вместе с тем смачивание мелкодисперсных фракций флотационного хлористого калия заметно осложняется из-за наличия на их поверхности гидрофобных флотореа-гентов, в частности, алифатических аминов.
Количественно смачиваемость оценивали по величине краевого угла смачивания (0), который рассчитывали по методу, описанному в работе [3].
В опытах использовали промышленные пробы мелкодисперсного хлорида калия, полученные на Первом Березниковском калийном рудоуправлении ОАО «Уралкалий» при сушке в пневматической трубе-сушилке технического флотоконцентрата (проба № 1) и имеющие следующий химический состав (мас. %): КС1 - 94,3; №С1 - 3,0; MgCl2 -
0,5; Са804 - 1,5; нерастворимый остаток - 0,682; алифатические амины - 0,018. Дисперсный состав (мас. %): фракция от 800 до 315 мкм - 8; от 315 до 200 мкм - 15; от 200 до 100 мкм - 35; менее 100 мкм - 42.
Основные результаты изучения смачиваемости (табл. 1) показывают, что краевой угол смачивания данного материала составляет 89 град.
Таблица 1
Результаты исследования смачиваемости мелкодисперсных фракций хлористого калия при 25 °С
Номер образца Смачивающая жидкость ож-г, мН/м 0, град
1 Насыщенный раствор КС1 72 89
2 Насыщенный раствор КС1 72 43
1 Насыщенный раствор КС1 + 1 мас. % ЛСТ 36 64
Для дезаминированного продукта (образец № 2) угол смачивания уменьшается до 43 град. Дезаминирование проводили промывкой образца № 1 горячим этиловым спиртом до остаточного содержания реагента не более 0,0005 мас. %.
Известно, что смачиваемость гидрофобных материалов может быть улучшена за счет добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) [4]. В качестве ПАВ нами использованы технические лигносульфонаты (ЛСТ) - побочный продукт ОАО «Соликамскбумпром». Выбор этого реагента обусловлен его доступностью и достаточно высокими поверхностно-активными и пластифицирующими свойствами, а также отсутствием негативного влияния на свойства удобрения [5].
Из табл. 1 видно также, что введение в исходную смачивающую жидкость небольших количеств ЛСТ в количестве 1,0 мас. % снижает поверхностное натяжение с 72 до 36 мДж/м2 и тем самым улучшает смачиваемость образца № 1. При этом краевой угол смачивания снижается с 89 до 64 град.
Полученные данные использованы нами для оптимизации процесса гранулирования мелкодисперсных фракций флотационного хлорида калия.
На первом этапе опыты проводили на лабораторных моделях барабанного и дискового (тарельчатого) аппаратов периодического действия. Диаметр барабанного гранулятора составлял 0,3 м, длина 0,4 м; диаметр тарели 0,6 м, высота борта 0,1 м. Навеску пылевидного хлористого калия при коэффициенте заполнения аппаратов 0,15-0,20 помещали в грануля-торы и обрабатывали тонкораспыленными водными растворами ЛСТ различной концентрации.
Дальнейшее исследование проводили на укрупненных стендовых установках непрерывного действия, включающих в себя барабанный и тарельчатый грануляторы с устройствами для непрерывного дозирования исходного материала и распыливания связующей жидкости (табл. 2).
Таблица 2
Характеристики укрупненных грануляторов непрерывного действия
Параметры Единицы Барабанный Тарельчатый
гранулятора измерения гранулятор гранулятор
Диаметр м 0,6 0,8
Длина барабана м 1,6
Высота борта тарели м - 0,05-0,25
Частота вращения мин 5-40 10-45
Угол наклона град 3-4 30-70
Полученные результаты подтвердили высокую эффективность процесса гранулирования мелкодисперсных фракций хлористого калия методом окатывания.
В ходе экспериментов были определены оптимальные условия гранулирования в тарельчатом аппарате: концентрация ЛСТ в связующей жидкости 15-20 мас. %, степень увлажнения сырцовых гранул 9-10 мас. %, угол наклона тарели 50-55 град, высота борта 0,15 м, частота вращения 22-28 мин-1. При этом прочность высушенных гранул находится на уровне 3,5-4,5 МПа, что обеспечивает их сохранность при бестарном хранении и транспортировании. Производительность аппарата составляла 100-120 кг/ч.
Исследованиями, проведенными с барабанным гранулятором, установлено, что выход гранул товарной фракции в данном аппарате составляет 40-45 %. Средняя производительность аппарата составляет 180-200 кг/ч.
Как показали результаты исследования (рис. 1), большое влияние на прочность гранул оказывает состав связующей жидкости.
Рис. 1. Зависимость динамической (1) и статической (2) прочности гранул (фракция -3+2) от концентрации ЛСТ в связующей жидкости
С увеличением концентрации ЛСТ до 20-25 мас. % статическая прочность на раздавливание и динамическая прочность гранул на истирание значительно возрастают. Это объясняется тем, что добавки ЛСТ, во-первых, улучшают смачиваемость, а во-вторых, выполняют роль пластической смазки, снижая взаимное трение частиц внутри образующихся гранул. В результате гранулы лучше формируются и уплотняются, а при сушке продукта образуются более прочные кристаллизационные контакты, армирующие их внутреннюю структуру.
Для определения условий бестарного хранения и транспортирования продукта были изучены его гигроскопические свойства.
Опыты показали, что при относительной влажности воздуха вплоть до 85 % максимальное количество гигроскопической влаги в продукте не превышает 0,6-0,8 мас. %. Дальнейшее повышение влажности воздуха вызывает резкий сдвиг сорбционного равновесия.
Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют заключить, что гранулирование мелкодисперсных фракций флотационного хлористого калия методом окатывания в присутствии добавок ЛСТ характеризуется высокой эффективностью.
Исследование процесса гранулирования смеси глинисто-солевых шламов и мелкодисперсных фракций флотационного хлористого калия проводили в аппарате ПС. Он представлял собой футерованную шамо-
том вертикальную цилиндрическую шахту 1, разделенную газораспределительной решеткой 2 на топочную камеру и зону гранулирования (рис. 2). Внутренний диаметр аппарата составляет 0,4 м, общая высота около 3 м.
В качестве топлива использовали природный газ, который через вентиль 3, подавали к горелке 4, оборудованной блоком автоматического управления. Воздух на горение топлива поступал из воздуховода через расходомерное устройство 5 и вентиль 6. Вторичный воздух на разбавление продуктов горения подавали через расходомер 7 и вентиль 8. При необходимости дополнительное количество вторичного воздуха подводили в топочную камеру гранулятора через вентиль 9.
Рис. 2. Схема гранулятора с псевдоожиженным слоем материала:
1 - шахта; 2 - газораспределительная решетка; 3, 6, 8, 9 - вентили; 4 - горелка; 5, 7 - расходомерные устройства; 10 - бак; 11 - сопло; 12 - форсунка; 13 - устройство для выгрузки; 14 - циклон; 15 - бункер для загрузки; 16 - бункер для выгрузки продукта
Циклон 14 предназначен для очистки отходящего запыленного газа, бункер 15 служил для первоначальной загрузки гранулированного продукта в аппарат. Он также может быть использован для дозирования мелких фракций гранул в процессе работы аппарата с целью корректировки гранулометрического состава готового продукта.
Порядок экспериментов был следующий. Через бункер 15 загружали определенное количество заранее приготовленного гранулированного хлористого калия, который при помощи топочных газов переводили в псевдоожиженное состояние и разогревали до 280-330 °С. После этого из бака с мешалкой 10 через расходомерное сопло 11 при помощи пневматической форсунки 12 в псевдоожиженный слой постепенно начинали подавать исходную сырьевую смесь, состоящую из ГСШ и тонкодисперсного хлорида калия. При этом непрерывно контролировали температуру слоя, поддерживая ее в пределах 140-160 °С.
По мере накопления количества образующихся гранул, о чем свидетельствовало возрастание гидравлического сопротивления ПС до заданного предельного значения, производили частичную выгрузку материала из аппарата при помощи устройства 13. Таким образом, гранулятор работал при непрерывной подаче исходной сырьевой смеси и циклической выгрузке готового продукта.
Для улучшения условий гранулирования использовали добавки ЛСТ, которые вводили в исходную сырьевую смесь в количестве 2-3 мас. %.
Результаты опытов показали, что при обезвоживании смеси мелкодисперсных фракций флотационного хлористого калия и глинистосолевых шламов в аппарате ПС достигается практически полное гранулирование материала. Пылеунос из аппарата в циклон в изученном диапазоне скоростей газа от 1,5 до 2,2 м/с и числах псевдоожижения 2-3 не превышал 5-10 %. Остаточное влагосодержание гранулированного продукта при температуре в слое 140-160 °С не превышало 0,1-0,5 мас. %.
Из рис. 3 видно, что в процессе гранулирования происходит постепенное увеличение эквивалентного диаметра гранул с соответствующим уменьшением выхода гранул товарного размера (от 4 до 1 мм). Вместе с тем практически все гранулы выгружаемого продукта имеют правильную сферическую форму без остроугольных частиц.
Оба эти фактора свидетельствуют о том, что в изученных условиях процесс гранулирования протекает преимущественно по «нормальному» механизму, т.е. путем многократного увлажнения гранул сырье-
вой смесью с последующей сушкой с образованием на их поверхности твердой и достаточно прочной корочки продукта. За счет этого происходит послойное увеличение размеров гранул. Термического дробления и генерирования за счет этого новой популяции мелких гранул практически не происходит.
О 10 20 30 40 50 60 70
Время, мин
Рис. 3. Динамика изменения эквивалентного диаметра гранул (1) и содержания товарной фракции (2) без использования внешнего рецикла
При использовании внешнего рецикла в виде мелких фракций продукта размером менее 1,5 мм в количестве 15-25 % от массы слоя средний размер частиц в течение 15-20 мин стабилизировался на уровне 2,5-3,0 мм. В этих условиях выход гранул товарной фракции составляет 75-80 % и одновременно достигается повышение однородности фракционного состава продукта.
Получаемый готовый продукт в зависимости от соотношения количества ГСШ и пылевидного хлористого калия в исходной сырьевой смеси имеет следующий химический состав (мас. %): КС1 - 57,5-67,1; №С1 - 16,1-22,5; MgC12 - 1,1-2,2; Са804 - 2,5-3,5; нерастворимый остаток - 6,2-8,6; Н20 - 0,2-0,4.
Для определения граничных условий бестарного хранения и транспортирования продукта были изучены гигроскопические свойства гранул. Исследованиями установлено, что при относительной влажности воздуха, равной 60-65 %, сорбируется 2-4 % влаги. В указанных условиях статическая прочность гранул фракции 2,5 мм остается достаточно высокой и составляет 1,5-2,5 МПа. Такая прочность является вполне достаточной для сохранности продукции в условиях бестарного хранения и транспортирования продукции [6].
Таким образом, сушка смеси глинисто-солевых шламов с мелкодисперсными фракциями флотационного хлористого калия в аппарате ПС позволяет обеспечить эффективное гранулирование исходного материала с получением нового вида калийных удобрений. При использовании внешнего рецикла мелких гранул в количестве 15-25 % достигается выход товарной части продукта на уровне 75-80 %. Полученные гранулы отличаются высокой прочностью и при относительной влажности воздуха в пределах 60-65 % пригодны для бестарного хранения и транспортирования.
Полученные результаты исследования могут быть использованы для проектирования опытно-промышленных установок по гранулированию отходов и трудно используемых продуктов производства калийных удобрений.
Список литературы
1. Технология калийных удобрений: учеб. пособие для вузов / под ред. В.В. Печковского. - 2-е изд., перераб. - Минск: Вышэйш. шк., 1978. - 273 с.
2. Фролов В.Ф., Флисюк О.М. Гранулирование во взвешенном слое. - СПб.: Химиздат, 2007. - 279 с.
3. Гиматудинов Ш.К. Физика нефтяного пласта. - М.: Гостоптех-издат, 1963. - 274 с.
4. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. - М.: Химия, 1974. - 416 с.
5. Маньковский М.А., Равич Б.М., Окладников В.П. Связующие вещества в процессах окускования горных пород. - М.: Недра, 1977. -183 с.
6. Кувшинников И.М. Минеральные удобрения и соли: Свойства и способы их улучшения. - М.: Химия, 1987. - 256 с.
Получено 20.06.2012
