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中國高錳酸鉀生產工藝現狀與展望

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發表時間:2021-11-02 11:49作者:戶少勇、廣州賀隆小賀來源:《冶礦》

中國高錳酸鉀生產工藝現狀與展望

高錳酸鉀(Potassium permanganate),俗稱“灰錳氧”、“PP粉”,是一種常見的強氧化劑,常溫下呈紫黑色板狀晶體,易見光分解。使用廣泛,主要用于輕工業、化學、冶金工業,環保、農業、石油、軍用、水產養殖,也適用于防腐劑、制藥工業中的消毒劑和氧化劑。2018年全球高錳酸鉀總產能達到8.4萬t/a,中國是第一個生產高錳酸鉀的國家,高錳酸鉀的年生產能力約為6萬噸,其次是美國14,000 t/a,西班牙生產能力為60萬t/a;印度等國的產能為40萬t/a。中國重慶昌元化工有限公司是世界上最大的高錳酸鉀生產商,生產能力為3萬噸/年,實際產量為24,000噸/年,其次是美國卡洛斯公司14,000噸/年。中國有7個主要的高錳酸鉀生產商,這些企業主要分布在重慶、云南、北京、廣東、湖南、山東等地。

高錳酸鉀樣品a_裁剪加水印.jpg

一、國內外錳酸鉀的制備工藝及發展

高錳酸鉀產品已有數百年的國際生產歷史。中國高錳酸鉀的生產始于20世紀50年代,已有60多年的歷史。根據氧化工序中的不同工藝技術,高錳酸鉀的生產分為固相法和液相法。高錳酸鉀的常用工業生產方法是以軟錳礦(MnO2)和堿(KOH)和氧化劑(O2)為原料,通過氧化反應制備錳酸鉀(K2MnO),再經電解、結晶、分離、干燥等工序制得高錳酸鉀。

20世紀50年代以前,國內外所有高錳酸鉀的生產都采用固相法。在20世紀60年代,美國的Carlos開發了一種新的液相工藝;20世紀80年代末,廣州同濟化工廠開發了連續制備外循環三相反應器;20世紀90年代初,重慶昌元化工有限公司(原重慶嘉陵化工廠)開發了一種生產錳酸鉀的氣動流化塔;2010年,云南建水錳礦有限公司開發出一種利用臥式反應釜壓力氧化連續制備錳酸鉀的新工藝。經過幾十年的生產實踐和不斷完善,國內外錳酸鉀生產技術取得了長足的進步,取得了豐碩的成果,產生了新一代的技術。目前,中國擁有世界上最先進的錳酸鉀制備技術。

目前工業上采用的固相焙燒氧化法,又分為轉爐焙燒和平爐氧化焙燒2種,介紹如下:

1.2.1轉爐法典型工藝

將軟錳礦粉與50%KOH的堿液(MnO2:KOH=1:2.3—1:2.7)混合而成的漿料噴人390~420的轉爐中,通入空氣瞬間形成K3MnO4的熔化物,反應物經磨碾,然后進入另一轉爐或沸騰反應器,保持溫度180~220,控制加入水量,使空氣中水含量在300g/cm。,磨碎的物料經3~4h,使85%~95%的K3MnO4轉化成K2MnO4。此法具有原料品位要求高,能耗高,環境污染嚴重,生產周期長,轉化率低,勞動強度大,規?;a困難等缺點。

1.2.2平爐法分為:二步法和一步法

平爐法二步法

典型工藝是將90%KOH加熱至380~460℃,與錳粉充分混合,混料經粉碎在平爐上焙燒,平爐用煤加熱,物料鋪在平爐爐面上通過翻料機上下翻料,表面吸氧,從而生成K2MnO。為防止爐面過熱,控制溫度在250~280℃,焙燒后的物料推浸取桶,用淡堿水浸取K2MnO。

平爐法之一步法

典型工藝是將粉碎的錳粉鋪在平爐爐面上,先用50%KOH液體潤濕,再用翻料機進行上下翻料,并分批加入90%KOH固體片堿(最好達到MnO2:KOH=1:1.5~1:1.8),表面吸氧生成K2MnO固體顆粒,反應完成后,推入化料槽,用淡堿水浸取K2MnO4。

我國固相法開發較早,是高錳酸鉀主要的生產方法。采用轉爐焙燒雖經使用及試驗,因其設備工藝未過關,生產投資大,故沒有采用。而國外固相法生產大多采用轉爐氧化焙燒,生產可以連續。

平爐氧化法主要的工藝流程圖如圖1所示。


1.2 Carus液相法

該技術的擁有者是美國Carus化學公司,20世紀60年代開發成功。Carus液相法:用二氧化錳、氫氧化鉀和氧氣3種物料在懸濁液中進行反應。該法與固相法相比,有原料消耗低、效率高,勞動條件好等優點,它是由2個連續的反應器組成,其反應器容積更大,從熱的反應熔化物中分離錳酸鉀,不必稀釋而通過特殊的過濾直接分離。

1.3外循環三相反應器連續制備錳酸鉀

外循環三相反應器連續制備錳酸鉀,該技術的擁有者是中國廣州同濟化工廠,20世紀80年代末開發成功。外循環三相反應器連續制備錳酸鉀:將濃度為65%~90%(質量)的氫氧化鉀在加熱成液相熔融狀態下,與軟錳礦進行液相氧化反應生成錳酸鉀。該法具有設備簡單,產品純度高,操作時無粉塵,反應時間短,同時所需空氣或其它含氧氣體的量顯著地減少,熔體攪拌時動力消耗不大,操作容易等特點。因其具備節能、環保和高效的特點,目前此法是世界高錳酸鉀工業的主要發展方向。外循環三相反應器連續制備錳酸鉀新技術流程圖如圖2所示。

1.4氣動流化塔生產高錳酸鉀新技術

到20世紀90年代初期,重慶嘉陵化工廠對廣州同濟化工廠研發的傳統外循環三相反應器連續制備錳酸鉀法進行改進,并將反應器改為塔式,較好地實現了固液氣三相的接觸,并實現了儀表自動控制。據報道,物料在220~225,一定壓力條件下連續反應約4h,二氧化錳的轉化率可達90%,錳酸鉀粗晶含量高達70%,成為高錳酸鉀工業生產技術的一次飛躍。氣動流化塔生產高錳酸鉀工藝技術流程圖如圖3所示。

1.5臥式釜加壓氧化連續制備錳酸鉀新技術

21世紀初,云南建水錳礦有限責任公司對液相法制備錳酸鉀工藝和設備進行深入細致地研究后,開發出臥式釜加壓氧化連續制備錳酸鉀新技術,并且這項技術已經在半工業試驗中取得了成功。目前正在進行示范廠的建設改造。臥式釜加壓氧化連續制備錳酸鉀新技術:在一定溫度和壓力下,二氧化錳(固)和氫氧化鉀(固)按一定比例制成礦漿(液),預熱后泵人臥式反應釜中,通入富氧空氣,進行連續氧化浸出2.5~3.5h,溫度260℃以下,二氧化錳的轉化率可達95%以上,錳酸鉀粗晶含量可達70%以上;該法占地面積小、設備投資小、能源利用集中、能耗小、環境友好;關鍵是對錳粉的品位要求低,可以使用MnO2≥45%的礦石,大大緩解了我國高品位軟錳礦石日益枯竭的壓力。該技術自動化程度高,特制的反應設備很好地實現了固、液、氣三相的接觸和連續傳輸,并且實現了全程電腦自動監控。這項技術應用于高錳酸鉀工業生產,將會對高錳酸鉀工業產生深遠的影響。臥式釜加壓氧化連續制備錳酸鉀新技術流程見圖4:

1.6錳酸鉀生產技術的比較

經過一代又一代工程技術人員的努力,隨著高錳酸鉀生產新技術的不斷應用和發展,各項經濟技術指標也越來越好,現將各種工藝的相關指標列于表1。


二、高錳酸鉀制備工藝技術

由錳粉空氣氧化制備的錳酸鉀,電解氧化錳酸鉀制備高錳酸鉀,電解生成的高錳酸鉀進一步重溶結晶凈化除雜便得到合格的高錳酸鉀工業產品。高錳酸制備過程中,電解工序也是一個關鍵的環節。國外電解工序一般采用階梯式電解槽或復極式串聯電解槽,再與濃縮、結晶裝置配合,實現了生產過程連續化。我國電解過程一般采用間歇式和敞開式電解工序,電解效率僅50%左右,單槽生產力低。電解法生產高錳酸鉀,電解槽的結構設計決定著電流效率的高低,同時電解工藝條件對電流的效率影響也很大,因此開發高效的連續電解迫在眉睫。

我國常見的高錳酸鉀電解裝置均為落后的間歇式和敞開式電解槽,每槽的產量約100t/a,電解液中錳酸鉀濃度0.75~0.95mol/L,電解液初始溫度:70~80,電解陽極電流密度:60~100A/m。電解周期:24~30h,平均槽電壓:2.5V。連續電解池是根據在高錳酸鉀電解中,在電流密度為50~100A/dm2、溫度為30~50cc時,每層極板間的每個粒子(錳或其合金顆粒)都是一個雙電極單位,當在陰陽極間施加電流后,隨著陽極的溶解,每個粒子中都會產生高錳酸鉀的原理來制作的。其電解裝置一般分為兩種:一種為板塔式密封電解池,陰極是網格狀的,陽極是用傾斜的振動架子來固定的多級振動石墨電極,振動的目的是為了收集電解產物,每臺電解裝置設有排氣管,能及時排出電解產生的廢氣;另一種電解池采用的是壓濾流量電解槽,陽極為鈦材質,陰極為不銹鋼材質并采用全氟磺酸離子交換膜將陽極分開,離子交換膜控制K和水分子的穿過,陰極區的KOH被回收循環用于錳酸鉀的制液,陽極區產生的高錳酸鉀可及時分離回收。連續電解裝置較敞開式生產成本可降低20%~25%,占地面積可減少15倍,電解效率可達80%以上。

高錳酸鉀 25kg.jpg

三、高錳酸鉀工業前景展望

3.1高錳酸鉀供需狀況

作為一種強氧化劑,高錳酸鉀已在世界上使用了150多年。目前,我國高錳酸鉀的年生產能力約為6萬噸,并且還在不斷擴大。中國的高錳酸鉀生產不僅能滿足國內需求,還能對國際市場產生更大的影響。

高錳酸鉀主要集中在化學和制藥公司。隨著工業發展、藥物、環保、的繁殖,對高錳酸鉀的需求量不斷增加。近年來,飼料、飲用水和工業廢水處理領域的消費量為、也迅速增加,是一種良好的無機化工產品,具有良好的市場前景。據中國海關統計,2009年中國高錳酸鉀進口量為0.497噸,出口量為8931.5噸。 2010年,中國高錳酸鉀進口量為0.652噸,出口量為14299.9噸。 2009年,高錳酸鉀出口增長率達到60%以上。隨著中國經濟社會的發展和世界經濟的復蘇,市場對高錳酸鉀的需求更加旺盛,導致價格走勢極為強勁。近年來,高錳酸鉀的價格一直保持在17,000-23,000元/噸的強勢走勢。隨著市場缺口突然增加,預計高錳酸鉀價格將逐步上漲,高錳酸鉀價格將保持強勢走勢。

近期國家產業政策的調整,尤其是進入2018年后國內環保高壓下,國內平爐法生產高錳酸鉀企業面臨關停整改,一些工藝設備落后、物耗成本高、規模小和產品質量差的生產企業在競爭中被淘汰出局,市場高錳酸鉀產能的缺口達3.2萬t。中國在高錳酸鉀生產方面處于世界領先地位。如果能夠充分利用這一優勢,通過技術改造和設備更新提高產品的生產能力和產品質量,降低生產成本,將大大提高我國的高錳含量。鉀酸公司在全球范圍內具有競爭力。未來,高錳酸鉀市場將更加廣泛,這將為中國高錳酸鉀生產商創造更多機會。

3.2我國高錳酸鉀工業展望

隨著科技的進步,依靠高新技術的進步促進生產的發展,將成為世界的發展主流,我國產業政策的調整將帶動新技術的開發和應用。

1、淘汰平爐法高錳酸鉀,鼓勵液相法高錳酸鉀。

2、加大淘汰落后工藝產能的力度。國內一部分實力弱的高錳酸生產企業將被淘汰,短時間內我國高錳酸鉀的年產量將降低,誰先將先進技術產業化應用,誰就早一步贏得占領市場的先機。

3、隨著液相法錳酸鉀新技術的推廣應用以及高錳酸鉀連續電解的開發,將給高錳酸鉀行業帶來新的發展,未來高錳酸鉀行業國家的產業政策調整必將轉移到能夠滿足安全、節能、環保的新工藝和新裝置上來。

隨著新技術的發展,國內高錳酸鉀行業又將進行行業內的大規模洗牌,國內絕大部分高錳酸鉀生產企業將面臨關停整改,高錳酸鉀行業將向技術優勢企業轉移,可以說誰控制了技術,誰就控制了生產和市場。但隨著2018年國家產業化的調整,國內高錳酸鉀的產能驟然,這將使市場缺口更大,短時問內無法彌補。因此,有技術、有實力的企業應該盡快更新生產工藝,抓住機遇,用更先進、更優化的液相法擴大生產規模,以填補市場缺口。因此,加強高錳酸鉀生產技術的研究投入是勢在必行,液相法生產高錳酸鉀將成為世界的潮流。由于其生產環境好、效率高,生產工藝裝置可以實現大型化,生產流程可實現連續化,操作控制可實現自動等優點,這些優點將使采用液相法的生產技術迎來一個新的技術變革,推進高錳酸鉀行業朝著節能降耗、清潔生產的目標向前邁進。


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