Разработка технологии получения гранулированных NPK-удобрений методом окатывания на основе сульфата аммония и хлорида калия, содержащего примеси флотореагентов

Актуальность проблемы. Гранулированные комплексные ФК-удобрения, содержащие азот, фосфор и калий, пользуются наибольшим спросом у потребителей, поскольку обладают высоким содержанием питательных компонентов и хорошими физико-химическими и механическими свойствами.

Развитие технологии гранулированных №К — удобрений является актуальной проблемой химической промышленности РФ. Процесс получения удобрений методом окатывания состоит из стадий агломерационного формования гранул при окатывании, сушки гранул с термическими превращениями, образованием центров кристаллизации, ростом кристаллов внутри и на поверхности гранул, способствующих упрочнению структуры гранул. При использовании в производстве гранулированных комплексных ЫРК — удобрений сырья, содержащего флотореагенты, процесс сопровождается снижением смачиваемости, блокированием агломерации частиц, ухудшением товарных свойств гранул и снижением их прочности. В связи с этим, в технологии гранулирования методом окатывания существует проблема подбора эффективного связующего, которое можно было бы использовать для различных видов исходного сырья (включающего некондиционное сырье и отходы) с целью получения гранул высокой прочности и с высокими товарными свойствами. Недостаточное знание закономерностей протекания агломерационного формирования гранул и основных процессов гранулирования методом окатывания приводит к увеличению затрат на поиск оптимальных режимов технологии. Решение указанных проблем актуально для предприятий, имеющих высокопроизводительные установки и выпускающих ИРКудобрения в гранулированной форме методом окатывания.

Цель работы. Целью работы являлось изучение закономерностей протекания основных стадий гранулирования и разработка технологии получения комплексных №К-удобрений методом окатывания на основе сульфата аммония и хлорида калия, содержащего примеси флотореагентов, обеспечивающей получение гранул с высокими товарными свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать экспресс-метод оценки смачиваемости и изучить смачиваемость порошка КС1 — компонента сырья КРК-удобрений, содержащего примеси флотореагентов, растворами связующих различного типа.

2. Исследовать закономерности протекания основных стадий процесса гранулирования ЫРК — удобрений из компонентов сырья, содержащих примеси флотореагентов: агломерационного формования окатыванием и сушки гранул.

3. Определить оптимальные параметры процессов агломерационного формования (температура, продолжительность процесса, вид и расход связующего, упрочняющая добавка, величина ретура) и режима сушки гранул при использовании в качестве исходных веществ аммофоса, сульфата аммония и хлорида калия, а также отхода магниевой промышленностиотработанного магниевого электролита (ОМЭ).

4. Изучить механизм упрочнения гранул ЫРКудобрения в присутствии связующего и характеристики гранулированных МРК — удобрений (прочность, гигроскопичность, угол естественного откоса, скорость растворения в воде).

5. Разработать технологический модуль производства комплексных КРК-удобрений на основе сульфата аммония и хлорида калия, содержащего примеси флотореагентов, методом окатывания.

Научная новизна. Изучена смачиваемость порошка KCl, содержащего флотореагенты и входящего в состав сырья NPK — удобрений, растворами связующих различного типа: вода, водные растворы сульфата аммония, триполифосфата натрия, силиката натрия. Доказано, что отрицательное действие гидрофобных примесей флотореагентов (солянокислых аминов), блокирующих агломерацию, можно устранить за счет использования связующего — раствора силиката натрия, имеющего щелочную среду и вызывающего химическое модифицирование аминов (превращая кислотную активную форму в неактивную основную).

Установлена способность к агломерации компонентов сырья NPKудобрений в присутствии этих связующих. Исследуемые водные растворы связующих можно расположить в убывающий ряд эффективности к агломерации: Na2Si03- Na3P04- (NH4)2S04 — вода. Выявлено, что в присутствии связующего силиката натрия на поверхности частиц образуются игольчатые микрокристаллы, которые увеличивают сцепление агломерируемых частиц исходной смеси, способствуя росту кристаллических мостиков, упрочняющих формируемые гранулы.

Изучено термическое поведение гранул NPK — удобрений. Установлено, что упрочнение гранул NPK-удобрений происходит при температурах 100−120°С после удаления физически связанной воды, формирования кристаллических упрочняющих структур, центров кристаллизации в процессе дегидратации. Показано, что с повышением температуры термической обработки более 120 °C происходит увеличение количества каверн и трещин внутри гранул и значительное снижение их прочности, а выше 150 °C наблюдается выделение аммиака в результате термического разложения аммофоса.

Практическая ценность. Разработан экспресс-метод оценки смачиваемости порошковых компонентов исходной смеси ЫРК-удобрений, который может быть использован в технологии получения удобрений для выбора эффективных связующих.

Установлены оптимальные параметры процесса гранулирования методом окатывания для 11 составов КРК-удобрений с использованием технических продуктов и отходов (аммофос, ОМЭ, флотационного хлорида калия, сульфата аммония двух марок), обеспечивающие получение гранулята с высокими физико-механическими характеристиками. На разработанную технологию подана заявка на изобретение. Внедрение технологии позволит использовать эффективное связующее для гранулирования удобрений различного состава, будет способствовать решению проблемы переработки некондиционных продуктов и отходов калийных и магниевых предприятий в комплексные удобрения.

Доказано, что присутствие примеси нерастворимого в воде остатка в составе флотационного хлорида калия приводит к упрочнению гранул МРК-удобрений, за счет увеличения числа центров кристаллизации, а добавки труднорастворимого соединения магния существенно снижают скорость растворения гранул за счет образования структуры, устойчивой к действию воды, что имеет практическое значение для пролонгирования агрохимической активности внесенных в почву гранул.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований положены в основу разработанных исходных данных для проектирования установки по производству комплексных МРК — удобрений на основе сульфата аммония методом окатывания мощностью 60 тыс. т/год для ЗАО «Агросоль». Приведен расчет ожидаемого экономического потенциала, который составляет 62,57 млн руб. при мощности производства КРКудобрений 60 тыс. тонн.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Экспресс-метод оценки смачиваемости порошков компонентов растворами связующих различного типа и результаты исследований смачиваемости и способности к агломерации порошковых компонентов исходной смеси ЫРК — удобрений в присутствии этих связующих.

2. Закономерности протекания основных стадий процесса гранулирования ЫРК — удобрений методом окатывания при использовании различных видов сырья: в виде зависимостей изменения выхода и прочности гранул товарной фракции от параметров процесса гранулирования (температуры, продолжительности процесса, вида и расхода связующего, упрочняющей добавки, величины ретура) при агломерационном формовании и в виде зависимостей влияния температуры процесса сушки на степень обезвоживания, выделение аммиака, изменение прочности и внутренних макродефектов гранул.

3. Характеристики КРК-удобрений (статическая прочность, гигроскопичность, угол естественного откоса, скорость растворения гранул в воде), полученных с использованием сырья различного состава.

4. Технологические решения по разработке новой технологии получения гранулированных комплексных ЫРК-удобрений переменного состава на основе сульфата аммония и хлорида калия, содержащего примеси флотореагентов, методом окатывания, обеспечивающей получение гранул высокой прочности из различных видов сырья.

Апробация работы. Работа была представлена на конкурсе на лучший научный доклад студентов и аспирантов по естественным, техническим и гуманитарным наукам ПНИПУ в 2008 г, а также на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Эврика-2011».

Содержание и основные результаты работы докладывались на XIII Региональной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия, экология, биотехнология — 2011» (г. Пермь, 2011) и на VIII Всероссийской конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Международная наука в развитии регионов» (г. Березники, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных статей, в т. ч. 2 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 1 тезисы и 1 заявка на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, выводов, списка литературы (80 наименований). Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и 29 таблиц.

выводы.

1. Разработан экспресс-метод оценки смачиваемости порошковых компонентов в исходной смеси NPK-удобрений, который может быть использован в технологии получения удобрений. Изучена смачиваемость порошка KCl, содержащего флотореагенты и входящего в состав сырья NPK — удобрений на основе сульфата аммония и хлорида калия, растворами связующих различного типа: вода, водные растворы сульфата аммония, триполифосфата натрия, силиката натрия. Доказано, что отрицательное действие гидрофобных примесей флотореагентов (солянокислых аминов) блокирующих агломерацию, можно устранить за счет использования связующего — раствора силиката натрия, имеющего щелочную среду и вызывающего химическое модифицирование аминов (превращая кислотную активную форму в неактивную основную).

2. Установлена способность к агломерации компонентов сырья NPKудобрений после обработки растворами связующих. Исследуемые растворы связующих можно расположить в убывающий ряд эффективности к агломерации: Na2Si03- ЫазР04- (N114)2804 — вода, в котором максимальная эффективность достигается при использовании в качестве связующего раствора силиката натрия. Выявлено, что в присутствии связующего силиката натрия на поверхности гранул образуются игольчатые микрокристаллы, которые увеличивают сцепление агломерируемых частиц исходной смеси, способствуя росту кристаллических мостиков и упрочнению формируемых гранул.

3. Определены закономерности протекания основных стадий процесса гранулирования NPK — удобрений методом окатывания при использовании различных видов сырья для 11 составов NPK-удобрений с использованием технических продуктов и отходов (ОМЭ, флотационного хлорида калия, сульфата аммония двух марок): в виде зависимостей изменения выхода и прочности гранул товарной фракции от параметров процесса гранулирования (температуры, продолжительности процесса, вида и расхода связующего, упрочняющей добавки, величины ретура) при агломерационном формовании и в виде зависимостей влияния температуры процесса сушки на степень обезвоживания, выделение аммиака, изменение прочности и внутренних дефектов гранул.

4. Изучено термическое поведение гранул КРК — удобрений. Установлено, что упрочнение гранул ЫРК-удобрений происходит при температурах после удаления физически связанной воды, формирования кристаллических упрочняющих структур, центров кристаллизации в процессе дегидратации. С повышением температуры термической обработки более 120 °C происходит увеличение количества каверн и трещин внутри гранул и значительное снижение их прочности, а выше 150 °C наблюдается выделение аммиака в результате термического разложения аммофоса.

5. Установлены характеристики КРК-удобрений (статическая прочность, гигроскопичность, угол естественного откоса, скорость растворения гранул в воде), полученных с использованием сырья различного состава. Установлено, что добавки труднорастворимого соединения магния существенно снижают скорость растворения гранул за счет образования структуры, устойчивой к действию воды, что имеет практическое значение для пролонгирования агрохимической активности внесенных в почву гранул.

6. Разработан технологический модуль производства комплексных МРК-удобрений на основе сульфата аммония и хлорида калия, содержащего примеси флотореагентов, методом окатывания. Приведен расчет ожидаемого экономического потенциала, который составляет 62,57 млн руб. при мощности производства ИРК — удобрений 60 тыс. тонн.

11.6.