CC BY
65
УДК 622.363
В.З. Пойлов, И.С. Потапов, М.Л. Березин, А.В. Новоселов, В.А. Рупчева, С.А. Смирнов
Пермский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРАЦИИ ПЫЛЕВИДНОГО ХЛОРИДА КАЛИЯ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ
Изучено влияние параметров процесса агломерации циклонной пыли КС1 Соликамского и Березниковского калийных предприятий в кипящем слое на дифференциальные кривые распределения кристаллов по размерам. С использованием оптической и электронной микроскопии выявлены особенности образования агломератов пылевидных частиц КС1.
В производстве хлорида калия флотационным способом одной из основных проблем является наличие большого количества циркулирующей в процессе циклонной пыли - мелкодисперсной соли с высоким содержанием аминов. Циклонная пыль плохо поддается гранулированию методом прессования, при добавлении к флотоконцентрату ухудшает качество получаемого прессата. Амины, присутствующие в циклонной пыли в виде солей - хлоридов, покрывают тонкой пленкой кристаллы хлорида калия и препятствуют образованию связей между кристаллами либо образованию непрочных связей, снижают растворимость и скорость растворения хлорида калия в воде. Для осуществления процесса агломерации частиц КС1 необходимым условием является дезактивация аминов или их удаление с поверхности пылевидных частиц. Это возможно за счет предварительной обработки циклонной пыли прокаливанием при высоких температурах или обработки циклонной пыли специальными добавками. Тепловое воздействие на кристаллы хлорида калия вызывает термическое разрушение образовавшихся агломератов, следовательно, применение высоких температур для ведения процесса ограничено.
В связи с этим представляет практический интерес разработка физико-химических основ технологии гранулирования циклонной пыли или способа подготовки пыли КС1 для последующего гранулирова-
ния прессованием. Эти направления совершенствования технологии переработки циклонной пыли могут быть реализованы за счет процесса агломерации в аппаратах кипящего слоя. Однако закономерности такого процесса пока мало изучены [1-3].
На процесс агломерации циклонной пыли в кипящем слое в основном оказывают влияние содержание аминов в пыли, температура ведения процесса, количество подаваемого или образующегося пара, введение веществ, улучшающих отгонку аминов или упрочняющих получаемые агломераты частиц. Целью данной работы являлось установление особенностей процесса агломерации в кипящем слое и определение влияния некоторых из указанных факторов на гранулометрический состав продукта агломерации, отражающий эффективность протекания процесса агломерации.
Исследование проводили на установке, состоящей из помещенного в печь с определенной температурой кварцевого аппарата кипящего слоя, в который подавали с определенным расходом предварительно нагретый воздух и водяной пар. Методика исследования заключалась в следующем: к исходной навеске циклонной пыли хлорида калия известного грансостава добавляли различные связующие (вода, раствор карбоната натрия, раствор соединения кремния) до влажности навески 5 %, тщательно перемешивали до получения однородной массы, затем загружали ее в печь кипящего слоя, предварительно нагретую до температуры опыта (200 и 300 °С) и подавали нагретый до температуры печи воздух и пар. Продолжительность процесса агломерации изменяли от 5 до 15 мин. После опыта продукт выгружали на поддон, охлаждали до комнатной температуры, измеряли гранулометрический состав и проводили фотомикроскопический анализ на оптическом и электронном микроскопах.
Объектом исследования служила циклонная пыль хлорида калия сушильно-грануляционных отделений СКРУ-2 ОАО «Сильвинит» и БКРУ-2 ОАО «Уралкалий». В состав циклонной пыли входят (%): КС1 - 90-92, NaCl - 5-5,5, MgCh - 0,2-0,3, CaSO4 - 0,8, нерастворимый остаток - 2,0-2,5, амины - 0,12-0,13. Гранулометрический состав исходной циклонной пыли КС1 представлен на рис. 1.
Содержание пылевидной фракции (класса < 0,14 мм) в циклонной пыли БКРУ-2 значительно больше (85,49 %), чем в циклонной пыли СКРУ-2 (41,7 %).
Размер, мм
Рис. 1. Г ранулометрический состав исходной циклонной пыли хлорида калия предприятий СКРУ-2 и БКРУ-2
Анализ циклонной пыли на электронном микроскопе (рис. 2) показал, что в пыли присутствуют крупные агломераты (размером 1260 мкм), составленные из кубических кристаллов хлоридов калия и натрия (размером 2-3 мкм), первичные микрочастицы кубической формы (идентифицированные как хлориды калия и натрия) размером 0,11,0 мкм, а также частицы овальной, осколочной, окатанной и сложной форм, относящиеся к примесным компонентам, входящим в состав нерастворимого остатка.
Рис. 2. Внешний вид циклонной пыли хлорида калия предприятия СКРУ-2
Влияние длительности процесса агломерации в кипящем слое проводили при следующих условиях: исходная влажность гранулируемого образца - 5,0 %, расход Н20 - 50 кг/т, температура Т = 200 оС, расход пара - 40 л/(т-мин), расход воздуха 50 л/мин, длительность процесса 5; 10 и 15 мин. Гранулометрический состав и внешний вид полученного при экспериментах агломерированного продукта КС1 приведены на рис. 3-5.
60 т-------------------------------------------------
о4
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Размер, мм
Рис. 3. Дифференциальные кривые гранулометрического состава исходной циклонной пыли КС1 СКРУ-2 и продуктов агломерации, полученных при различной
длительности процесса
Из анализа кривых на рис. 3 следует, что агломерация циклонной пыли КС1 СКРУ-2 в кипящем слое с продувкой водяного пара в течение 5 мин приводит к смещению дифференциальных кривых грансо-става вправо (в сторону больших размеров частиц), к повышению среднего размера частиц продукта с 0,194 до 0,410 мм и снижению содержания пылевой фракции (< 0,14 мм) с 41,7 до 7,68 % (в 5,4 раза). Дальнейшее увеличение длительности обработки циклонной пыли острым паром с 5 до 15 мин не приводит к улучшению агломерации частиц. Причиной снижения содержания пылевидной фракции в продукте, по нашему мнению, является удаление аминов с поверхности пылевидных частиц КС1 и агломерация частиц в более крупные агрегаты (см. рис. 4,5).
В кипящем слое частиц КС1 при повышенных температурах пар, выделяющийся при сушке, вызывает гидролиз солянокислых аминов и одновременную их отгонку, что приводит к ускорению термодесорбции аминов с поверхности кристаллов. После этой операции возможна
как механическая агломерация пылевидных частиц, так и растворение паром части пылевой фракции и перенос тонкодисперсного хлорида калия на более крупные частицы, что приводит в конечном итоге к укрупнению пылевидных частиц.
а б
Рис. 4. Вид агломерированного продукта: длительность обработки 10 мин (а); 15 мин (б)
Фотографии, полученные на оптическом микроскопе (см. рис. 4), показывают, что агрегирование частиц происходит в основном к вершинам, а не плоскостям спайности кристаллов КС1. Измерения показали, что прочность таких агрегатов невысока - 0,10-0,20 кгс. На больших частицах КС 1 присутствуют мелкие агломераты, наблюдаются агломераты в виде «шубы», которая нарастает в виде тонкодисперсных кристаллов кубической формы. Это является результатом перекристаллизации частиц на поверхности крупных кристаллов КС1.
а б
Рис. 5. Вид агрегатов-гранул (а - *50; б - *40)
На фотографиях, полученных при съемке образца на электронном микроскопе (см. рис. 5), видно, что получаемые гранулы-агломераты имеют неплотную упаковку, входящие в них частицы находятся на значительном расстоянии друг от друга, между частицами находится небольшое число солевых мостиков. Форма агломерированных гранул -несферическая, часто неправильная. По размерам гранулы сильно различаются, число агломерированных частиц в них различно (от нескольких частиц до нескольких сотен частиц). Встречаются агломераты крупных частиц с налипшими на поверхность мелкими частицами. Анализ поверхности отдельных частиц показывает, что на поверхности присутствуют иглообразные, кубические и сферические частицы.
Эксперименты по агломерации циклонной пыли, проведенные при температурах процесса 200 и 300 оС, показали, что повышение температуры проведения процесса мало влияет на содержание пылевидной фракции, но приводит к увеличению среднего размера частиц КС 1 за счет появления крупных спеченных агломератов. Увеличение расхода пара с 40 до 100 л/(т-мин) также незначительно отражается на грансоставе агломерированного продукта, способствуя увеличению среднего размера частиц КС1 за счет появления более крупных агломератов.
Значительное влияние на агрегируемость циклонной пыли оказывает введение добавок, повышающих степень дезактивации аминов на поверхности частиц циклонной пыли и повышающих адгезию частиц КС1. Из исследованных добавок наиболее эффективным связующим явился раствор соединения кремния (рис. 6).
Рис. 6. Вид поверхности агрегатов КС1, полученных с соединением кремния (х1000)
При увеличении *1000 на поверхности агломератов видно большое количество кристаллов игловидной формы, появление которых связано, по-видимому, с влиянием силикатов на форму роста микрочастиц КС1, происходящего при подаче пара и последующем испарении воды с поверхности частиц.
Можно предположить, что процесс гранулирования в кипящем слое происходит следующим образом. На первом этапе происходит термодесорбция аминов и паров воды с поверхности пылевидных частиц КС1. Пары воды частично растворяют тонкодисперсные частицы КС1, которые затем прилипают к поверхности более крупных частиц. За счет испарения в точке контакта частиц происходит кристаллизация КС1 с образованием солевого мостика. Вводимое связующее (соединение кремния) при испарении воды с поверхности частицы способствует образованию иглообразных кристаллов КС1, которые, в свою очередь, увеличивают шероховатость поверхности частиц. Игольчатые кристаллы, увеличивая шероховатость поверхности, способствуют присоединению новых тонкодисперсных частиц к грануле. В результате соединение кремния участвует в образовании дополнительных солевых мостиков и упрочнении последних. Помимо этого соединение кремния за счет собственного термического разложения образует большое число центров кристаллизации, которые упрочняют связи между частицами. Постепенно происходит заращивание мест контакта, образование крупных агрегатов и их упрочнение.
На рис. 7 показана гранула, образовавшаяся в процессе агломерации и сушки в кипящем слое в присутствии соединения кремния при оптимальном режиме процесса агломерации. Видно, что гранула имеет плотную упаковку, большое количество сросшихся контактов. Измерение статической прочности таких гранул показало, что разрушение гранул происходит при достаточно высоких нагрузках 0,8—1,5 кгс.
а б
Рис. 7. Вид агломератов-гранул КС1, полученных с соединением кремния при оптимальном режиме процесса (а - *50; б - *100)
Таким образом, получаемый в аппарате кипящего слоя из циклонной пыли агломерированный продукт КС1 по прочностным характеристикам соответствует требованиям, предъявляемым к готовому гранулированному продукту.
Выводы:
1. Исследован процесс агломерации в кипящем слое пылевидных продуктов хлорида калия, получаемых в сушильно-грануляционных отделениях Соликамского и Березниковского калийных комбинатов №2. Изучено влияние длительности процесса, величины температуры, расхода пара и вида связующего на гранулометрический состав гранулята.
2. С использованием фотомикроскопического метода анализа и электронной микроскопии установлено, что процесс гранулирования в кипящем слое в присутствии связующего происходит через следующие этапы: термодесорбция аминов с поверхности пылевидных частиц - образование адсорбционных контактов пылевидных частиц с крупными частицами - протекание процесса перекристаллизации с образованием кристаллизационных мостиков - заращивание поверхности крупных частиц - упрочнение сформировавшихся агломератов.
3. Выявлено, что в присутствии соединения кремния и паров воды на поверхности пылевидных частиц образуются иглообразные кристаллы хлорида калия. Получаемые при этом гранулы-агломераты имеют высокую статическую прочность, соответствующую требованиям, предъявляемым к готовому гранулированному продукту.
Список литературы
1. Гержберг Ю.И., Дерябин П. А. Агломерация как способ улучшения физико-механических свойств хлорида калия // Актуальные вопросы добычи и переработки природных солей: сб. науч. тр. / ВНИИГ. Т. 2. СПб.: ЛИК, 2001. С. 70-75.
2. Пат. 2057102 РФ. Способ получения непылящего мелкозернистого хлористого калия / Давыдов А.В., Коновалов В.И. Опубл. 05.03.1996.
3. Пат. 2213078 РФ. Способ получения агломерированного хлористого калия / Букша Ю.В., Перминов Л.М. Опубл. 08.04.2003.
Получено 17.06.2009
