重堿過濾和煅燒設(shè)備及生產(chǎn)模式的探討

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(連云港堿業(yè)有限公司，江蘇 連云港 222042)

在純堿生產(chǎn)中，不論是聯(lián)堿法還是氨堿法，包括天然堿的生產(chǎn)工序中，濕重堿生產(chǎn)出輕質(zhì)純堿(Na2CO3，俗稱輕灰)在脫水、煅燒工序時(shí)采用設(shè)備和工藝上幾乎相同，主要是通過不同的設(shè)備和方法將濕重堿中的水分去除，通過加熱生產(chǎn)出符合要求的輕灰，這個(gè)工序一般稱為煅燒工序，由于該工序采用的設(shè)備多為轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，特別是核心設(shè)備煅燒爐在幾十年的發(fā)展過程中，幾乎沒有太多的改進(jìn)，成為制約純堿產(chǎn)能提升的主要瓶頸，很多堿廠都是以煅燒工序的設(shè)備生產(chǎn)能力來排定產(chǎn)量計(jì)劃，一旦煅燒工序的設(shè)備出現(xiàn)狀況，往往影響的是整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)。所以，深入研究煅燒工序的設(shè)備，特別是濕重堿脫水、煅燒的主要設(shè)備，對(duì)于純堿行業(yè)的未來發(fā)展有著非常重要的意義。

1 脫水過程中物料的主要特性

本文主要以氨堿法的工藝進(jìn)行討論，從碳化工序產(chǎn)生的懸浮粗碳酸氫鈉(俗稱重堿)進(jìn)行與母液分離開始，在目前國內(nèi)各純堿生產(chǎn)企業(yè)，不論采用轉(zhuǎn)鼓式真空過濾機(jī)還是水平帶式真空濾堿機(jī)，均為物理過程，利用真空抽走母液中的水分，將濕重堿留在濾布上。此時(shí)濕重堿的主要成分為NaHCO3，轉(zhuǎn)鼓式真空過濾機(jī)過濾后的濕重堿含水率在17%～20%之間，帶式濾堿機(jī)過濾后的濕重堿含水率在12%～16%之間。采用轉(zhuǎn)鼓式真空過濾機(jī)的工序中，有的采用離心機(jī)進(jìn)行二次脫水，此過程也是物理過程，經(jīng)過離心機(jī)的二次脫水后，水分一般可以降低4%左右。

濕重堿進(jìn)入煅燒爐后，經(jīng)過蒸汽的間接加熱，濕重堿發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，煅燒爐出來后的固體物料主要成分為Na2CO3，溫度為160～210 ℃，進(jìn)行涼堿冷卻后，即可用于成品包裝。

2 各種設(shè)備的特點(diǎn)

通過以上濕重堿NaHCO3轉(zhuǎn)變?yōu)檩p灰Na2CO3的過程可以看出，幾種最重要的設(shè)備分別為：母液過濾設(shè)備(轉(zhuǎn)鼓式真空濾堿機(jī)或者帶式濾堿機(jī))、二次脫水離心機(jī)、蒸汽煅燒爐、涼堿機(jī)以及附屬設(shè)備。下面結(jié)合國內(nèi)常用的幾種設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 轉(zhuǎn)鼓式真空過濾機(jī)

主要是通過真空的作用，在濾布上濾出懸浮液中的重堿，同時(shí)通過洗水功能洗掉濾餅中的母液，特點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，效率高，濾餅中的水分和機(jī)器的工況與碳化結(jié)晶的效果有直接的關(guān)系，一般控制在17%～20%之間。目前國內(nèi)技術(shù)主要采用原化工部第八設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的真空過濾機(jī)，主要由濾鼓、錯(cuò)氣盤、堿液槽、壓輥、刮刀、洗水槽、傳動(dòng)裝置、攪拌裝置等組成。

由于轉(zhuǎn)鼓式過濾機(jī)去除水分主要依靠真空和濾布，濕重堿在轉(zhuǎn)鼓的濾布上停留時(shí)間較短，對(duì)于濕重堿中水分的去除存在一定的局限性。特別在氣溫較高的夏季和碳化結(jié)晶變化時(shí)，有時(shí)產(chǎn)生的濕重堿水分較大，如果直接進(jìn)行煅燒爐的操作，必將影響煅燒爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 重堿離心機(jī)

該機(jī)器正是針對(duì)轉(zhuǎn)鼓式過濾機(jī)生產(chǎn)的濕重堿水分大的問題而投入使用的，特別近二十年內(nèi)，國內(nèi)幾家大型純堿企業(yè)紛紛引入了各類離心機(jī)，應(yīng)用于轉(zhuǎn)鼓式真空過濾機(jī)和煅燒爐之間，進(jìn)行濕重堿的二次脫水，一般可以有效的降低濕重堿中的水分4%～5%左右。核心部件為脫水部分和液壓部分，這兩個(gè)部分的備件經(jīng)過了多次使用改造，目前已經(jīng)基本滿足國內(nèi)純堿生產(chǎn)的要求，單臺(tái)二級(jí)推料離心機(jī)產(chǎn)能在35 t/h以上。同時(shí)國內(nèi)各離心機(jī)制造廠家在吸取進(jìn)口機(jī)型技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)純堿生產(chǎn)的特性，已經(jīng)開始研發(fā)并生產(chǎn)出適合濕重堿二次脫水的機(jī)型。

2.3 帶式濾堿機(jī)

近十年國內(nèi)新建純堿生產(chǎn)企業(yè)采用的新式脫水裝置，它替代了轉(zhuǎn)鼓式真空過濾機(jī)和重堿離心機(jī)，工作時(shí)直接將母液中的濕重堿濾出，并在運(yùn)輸過程中，不斷的將濾餅中的水分抽出，最終可以達(dá)到12%～16%的水分。它是目前比較先進(jìn)高效的過濾設(shè)備，國內(nèi)前期建設(shè)的純堿生產(chǎn)企業(yè)也正在進(jìn)行技術(shù)改造來實(shí)現(xiàn)帶濾機(jī)在生產(chǎn)中的使用。主要技術(shù)和裝備從國外引進(jìn)，費(fèi)用較高，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了成套設(shè)備的國產(chǎn)化。

2.4 蒸汽煅燒爐

蒸汽煅燒爐是各純堿企業(yè)濕重堿煅燒過程中最為核心的裝置，已經(jīng)在國內(nèi)各堿廠使用了幾十年，雖然期間有各種改造，但是主要的結(jié)構(gòu)和工作原理沒有多少變化，目前最常用的是自身返堿和外部返堿兩種模式，自身返堿的煅燒爐直徑一般在φ3200以內(nèi)，外部返堿的煅燒爐直徑一般為φ3600左右。這兩種爐型在操作中各有其特長，外部返堿煅燒爐的返堿用獨(dú)立設(shè)備輸送，不占用煅燒爐的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)有強(qiáng)制混合設(shè)備，因此，生產(chǎn)中混合堿混合充分，有利于換熱，產(chǎn)能大，目前單臺(tái)爐已經(jīng)突破1 000 t/d；但運(yùn)堿系統(tǒng)和混合系統(tǒng)復(fù)雜，檢修工作量大。自身返堿蒸汽煅燒爐是將煅燒、返堿輸送、混合在煅燒爐自身的不同部位完成，結(jié)構(gòu)簡單，但是返堿所需要能力來自于煅燒爐主電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸出，所以，一般產(chǎn)能在800 t/d以下。

2.5 粉體流涼堿爐

這是一種新型涼堿設(shè)備，最早是加拿大Solex公司有效地將固體顆粒密相輸送原理與板式傳熱板技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)合在一起，使粉體流換熱器能有效的冷卻物料，是低能耗，低成本，操作環(huán)境較好的一種工藝，在當(dāng)今世界屬于領(lǐng)先技術(shù)工藝。這種創(chuàng)新性的技術(shù)結(jié)合了密相輸送原理及傳統(tǒng)的板式換熱器設(shè)計(jì)思想。固體流板式換熱器涼堿技術(shù)將節(jié)約占地空間、降低粉塵排放、降低動(dòng)力消耗；無需配備風(fēng)機(jī)及除塵過濾設(shè)備，符合清潔生產(chǎn)的要求，符合國家節(jié)能減排的要求。

3 目前國內(nèi)常用的過濾和煅燒模式

3.1 轉(zhuǎn)鼓式過濾機(jī)+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機(jī))

上世紀(jì)初中期國內(nèi)建設(shè)純堿生產(chǎn)企業(yè)借鑒的是國外技術(shù)，采用轉(zhuǎn)鼓式真空過濾機(jī)進(jìn)行母液分離，輸送至蒸汽煅燒爐進(jìn)行加熱反應(yīng)，最后用立式攪拌涼堿爐進(jìn)行冷卻，輕灰的總體產(chǎn)能不高，一般在60萬t/a以內(nèi)。

3.2 濾堿機(jī)+離心機(jī)+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機(jī))

這是目前國內(nèi)主要大型純堿廠采用的最為普遍的模式。上世紀(jì)80年代國內(nèi)組建的三大堿廠建廠初期工藝中沒有離心機(jī)裝置，后來通過技術(shù)改造，均增加了離心機(jī)進(jìn)行濕重堿的二次脫水，以提升產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時(shí)起到了降低汽耗的作用。這種模式與第一種模式相比較，在一段時(shí)間發(fā)展歷史中，將純堿生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)量由原設(shè)計(jì)的60萬t/a提升至100萬t/a以上。國內(nèi)純堿企業(yè)在二次脫水裝置上先后引進(jìn)國外SIEBTECHNIK GmbH、Krauss-Maffei等公司的二級(jí)推料離心機(jī)，通過近二十年的使用和改造，越來越適應(yīng)目前較高產(chǎn)能的要求。在涼堿工序上，除了傳統(tǒng)的立式攪拌涼堿爐以外，還大量使用槳片式水平?jīng)鰤A機(jī)，同時(shí)粉體流輕灰涼堿爐在個(gè)別廠家也開始使用。

3.3 帶式濾堿機(jī)+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機(jī))

這種模式最大的特點(diǎn)就是引入了帶式濾堿機(jī)。帶式濾堿機(jī)在國內(nèi)純堿企業(yè)中應(yīng)用開始于21世紀(jì)初。其中大化堿廠和天津堿廠在新建首次引進(jìn)了意大利的真空帶式濾堿機(jī),并于2009年10月和2010年試車成功,這是在進(jìn)口帶式濾堿機(jī)在國內(nèi)純堿行業(yè)使用的開始，后期建設(shè)的江蘇井神鹽化淮安堿廠也是引進(jìn)了法國RPA公司生產(chǎn)的真空帶式濾堿機(jī)。它在脫水、降鹽分、消耗等方面與轉(zhuǎn)鼓式濾堿機(jī)和離心機(jī)相比，都有更加突出的優(yōu)勢。

4 未來可能出現(xiàn)的模式和設(shè)備

縱觀輕灰生產(chǎn)，核心處理過程主要集中在濕重堿水分的分離(物理反應(yīng))和煅燒(主要是化學(xué)反應(yīng))，各種模式的探討和圍繞純堿生產(chǎn)研發(fā)的設(shè)備不斷涌現(xiàn)出來。目前國內(nèi)在輕灰生產(chǎn)脫水過程中使用的各種設(shè)備，基本都是在引進(jìn)國外先進(jìn)裝備基礎(chǔ)上研發(fā)或者演變而來，隨著國內(nèi)設(shè)備制造研發(fā)技術(shù)的飛速發(fā)展，未來的純堿生產(chǎn)中，一些純堿設(shè)備的制造廠商和純堿企業(yè)提出了部分有可能出現(xiàn)的模式和設(shè)備，僅供參考。

4.1 新模式的投用

新模式：帶式濾堿機(jī)+離心機(jī)+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機(jī))

從工作原理分析，帶式濾堿機(jī)其實(shí)就是放大加長的轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)，只是過濾面積和洗鹽過程加大加長而已。帶式濾堿機(jī)和重堿離心機(jī)的脫水比較：如果純粹考慮降鹽分，效果比離心機(jī)要好很多；因?yàn)橄贷}過程時(shí)間長，次數(shù)多。但是，如果就剩余水分來說,則離心機(jī)比帶式濾堿機(jī)要好，離心機(jī)通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力進(jìn)行脫水，最好的狀態(tài)將水分降到11%～13%之間(還要根據(jù)碳化結(jié)晶顆粒的狀況判定)；而帶式濾機(jī)通過真空過濾，受各種因素的制約，最后的水分通常在12%～16%之間，如果顆粒好，也許可以達(dá)到13%以下；所以和離心機(jī)相比，還可以降低2%～5%的水分進(jìn)煅燒爐，降低蒸汽的消耗。所以，用帶濾機(jī)取代轉(zhuǎn)鼓式濾堿機(jī)和離心機(jī)，有可能不是最理想的模式，最佳結(jié)合有可能是帶式濾堿機(jī)+離心機(jī)+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機(jī))的組合，既可以降鹽分又可以降水分。

現(xiàn)在很多堿廠的產(chǎn)量動(dòng)輒百萬噸以上，噸堿蒸汽的消耗成本非常高；以前大型二次脫水離心機(jī)國內(nèi)生產(chǎn)不成熟，使用效果不好，導(dǎo)致堿廠對(duì)國產(chǎn)大型二次脫水離心機(jī)存在一定的看法或顧慮，所以在計(jì)算投資成本時(shí)，通常按進(jìn)口德國離心機(jī)計(jì)算成本，導(dǎo)致投資成本較高。目前國內(nèi)技術(shù)已經(jīng)完全可以替代進(jìn)口離心機(jī)，并在產(chǎn)量、水分的指標(biāo)上超過進(jìn)口離心機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，投資成本大大降低。所以說，帶式濾堿機(jī)+離心機(jī)+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機(jī))有可能是下一步國內(nèi)堿廠純堿生產(chǎn)的最佳組合和選擇。

4.2 處理液態(tài)物料或高轉(zhuǎn)速離心機(jī)研發(fā)使用

離心機(jī)在國內(nèi)的使用也是從國外引進(jìn)的技術(shù)上發(fā)展起來的，目前使用最多的是兩級(jí)推料離心機(jī)，直徑多為1 m左右，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，處理能力為35 t/h，基本應(yīng)用在轉(zhuǎn)鼓式真空濾堿機(jī)的后面，起到二次脫水作用，用來處理固態(tài)物料。在小蘇打生產(chǎn)工序和重灰生產(chǎn)工序使用推料離心機(jī)進(jìn)行液態(tài)物料處理，但是在輕灰工序上目前幾乎沒有嘗試。離心機(jī)在液態(tài)物料脫水中也有著很好的效果，因?yàn)殡x心機(jī)在運(yùn)行中存在三維運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致振動(dòng)不可避免，所以技術(shù)水平的限制，目前國內(nèi)離心機(jī)發(fā)展還有很大的局限性和空間。

一些致力于離心機(jī)制造的企業(yè)越來越多的實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)、生產(chǎn)的能力，特別部分針對(duì)純堿生產(chǎn)的離心機(jī)廠家也在不斷涌現(xiàn)，通過多年積累，提出了用于處理液態(tài)物料的高轉(zhuǎn)速離心機(jī)生產(chǎn)的設(shè)想：①將含有濕重堿的懸浮液直接進(jìn)入離心機(jī)處理，替代各類濾堿機(jī)，有利于效率的提高；②研發(fā)制造多級(jí)離心機(jī)，多年前國外已經(jīng)研發(fā)出四級(jí)、六級(jí)離心機(jī)，通過級(jí)數(shù)的增加，有利于濾餅的推動(dòng)和延長濾餅的停留時(shí)間，達(dá)到有效的降低水分的目的；③加大籃筐的直徑，提高工作能力；④提高轉(zhuǎn)速，離心效果與轉(zhuǎn)速有著直接的關(guān)系，只有提高轉(zhuǎn)速，才能生產(chǎn)符合要求的離心機(jī)；⑤改進(jìn)技術(shù)，逐步降低離心機(jī)不可避免的三維運(yùn)動(dòng)所帶來的不利振動(dòng)。

4.3 蒸汽煅燒爐的替代物

蒸汽煅燒爐是在淘汰沸騰煅燒爐的基礎(chǔ)上研發(fā)的，在目前國內(nèi)的純堿生產(chǎn)企業(yè)中有著不可替代的地位，這種設(shè)備也是在上世紀(jì)70年代引進(jìn)德國和日本等國家的技術(shù)，幾十年發(fā)展過程中，在濕重堿生產(chǎn)輕灰的過程中，該設(shè)備并沒有實(shí)質(zhì)性的變化。隨著自動(dòng)化程度不斷提高和節(jié)能環(huán)保的要求不斷提高，這種裝置存在越來越多不適用現(xiàn)代化企業(yè)發(fā)展的要求：①一般要求配套相應(yīng)的蒸汽鍋爐系統(tǒng)，提供源源不斷的蒸汽；②熱利用率低，煅燒爐出來的蒸汽回水很多直接通過管網(wǎng)回到鍋爐系統(tǒng)；③返堿裝置附屬設(shè)備多，能耗高，故障率高；④現(xiàn)場跑冒滴漏嚴(yán)重，爐頭密封困難，現(xiàn)場管理困難；⑤煅燒爐能力有限，單臺(tái)爐產(chǎn)量一般都在1 000 t/d以內(nèi)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新式的加熱裝置也在不斷更新，煅燒爐制造的龍頭企業(yè)提出了借鑒微波和光波加熱原理，類似于微波爐，通過靜態(tài)加熱方式，完成對(duì)濕重堿水分的降低。目前這種煅燒爐的替代物還存在于試驗(yàn)室研究階段，工業(yè)化生產(chǎn)還要經(jīng)過多次的使用論證，就如同目前粉體流涼堿爐和帶式濾堿機(jī)一樣，一旦技術(shù)成熟，將很快占領(lǐng)市場。

4.4 設(shè)計(jì)出可以將水分降低至8%的離心機(jī)或其它設(shè)備

在目前國內(nèi)各純堿生產(chǎn)企業(yè)中，不論進(jìn)入蒸汽煅燒爐之前的濕重堿怎么處理，水分都沒有低于10%以內(nèi)的，蒸汽煅燒爐在處理物料過程中要求水分控制在8%以內(nèi)，這就要求程序中增加返堿裝置。當(dāng)濕重堿的水分在14%左右的時(shí)候，一般要加入濕重堿的2～2.5倍的成品堿進(jìn)行混合，以達(dá)到降低水分的目的，否則容易導(dǎo)致傳統(tǒng)的“粘爐”故障?，F(xiàn)在國內(nèi)純堿設(shè)備制造廠家開始在如何盡可能的降低進(jìn)入煅燒爐的水分方面下功夫，通過發(fā)明或者改進(jìn)目前的設(shè)備，逐步向這個(gè)方面靠近。

4.5 輕灰涼堿設(shè)備的研發(fā)使用

粉體流涼堿機(jī)是近一段時(shí)間研發(fā)生產(chǎn)的比較高效、節(jié)能、環(huán)保的涼堿設(shè)備，特別在重灰涼堿系統(tǒng)中，目前已經(jīng)使用非常成熟，但是在輕灰涼堿系統(tǒng)使用不是太理想。主要是因?yàn)檩p灰的流動(dòng)性差、物料堆積角小、容易結(jié)疤、堿塵大等問題在輕灰粉體流涼堿機(jī)上沒有得到很好的解決，隨著粉體流使用經(jīng)驗(yàn)的積累和新材料的出現(xiàn)，輕灰涼堿系統(tǒng)傳統(tǒng)的立式攪耙涼堿爐和槳片式?jīng)鰤A機(jī)必將退出歷史的舞臺(tái)。

5 結(jié) 語

我國的純堿生產(chǎn)在世界范圍內(nèi)都起到重要的作用，經(jīng)過上百年的發(fā)展，不論在純堿生產(chǎn)的設(shè)備制造研發(fā)方面，還是在生產(chǎn)操作控制方面，都積累大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了裝備和技術(shù)對(duì)國外輸送的趨勢。任何純堿生產(chǎn)過程中不論是生產(chǎn)模式的改變還是新式設(shè)備的投用，都需要一代又一代人的不懈努力和追求，這樣才能更加有力的將國內(nèi)純堿企業(yè)推上更大的世界舞臺(tái)。

[1] 陳學(xué)勤.氨堿法純堿工藝[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1989

[2] 大連化工研究設(shè)計(jì)院.純堿工學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990