純堿制造設(shè)備現(xiàn)狀與研發(fā)方向探討

李山嶺　吳巴特爾　郭登攀

摘? 要：該文介紹了我國(guó)目前純堿生產(chǎn)中4種常見(jiàn)的設(shè)備及其特點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合近幾年出現(xiàn)的新型設(shè)備，對(duì)未來(lái)純堿制造中新型設(shè)備研發(fā)的方向進(jìn)行了探討，以供我國(guó)純堿制造工業(yè)企業(yè)所參考。

關(guān)鍵詞：純堿? 制造設(shè)備? 現(xiàn)狀? 研發(fā)方向

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ114.16 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（a）-0070-02

在純堿（Na2CO3，俗稱(chēng)輕灰）的生產(chǎn)中，不管是采用天然堿的，還是采用聯(lián)堿法生產(chǎn)工序或者是氨堿法生產(chǎn)工序，采用的設(shè)備以及工藝基本相同，都是在除去濕重堿中的水分，再經(jīng)過(guò)加熱，生產(chǎn)出所需要的規(guī)格的純堿，這一過(guò)程也稱(chēng)為煅燒[1]。在這一過(guò)程中，所使用的設(shè)備基本上都是轉(zhuǎn)動(dòng)型設(shè)備，尤其是作為核心的煅燒爐設(shè)備在目前生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中，大部分工廠還采用傳統(tǒng)的工藝，這就在一定程度上成為了制約純堿產(chǎn)量提升的主要因素。同時(shí)，大多制堿廠的產(chǎn)量計(jì)劃的制定都是取決于煅燒工序的設(shè)備生產(chǎn)能力，如果煅燒設(shè)備故障，就會(huì)影響整個(gè)純堿生產(chǎn)系統(tǒng)。作為大眾化化工產(chǎn)品，近年來(lái)我國(guó)純堿產(chǎn)能增長(zhǎng)迅速，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)2018年，國(guó)內(nèi)純堿總產(chǎn)達(dá)3000多萬(wàn)t。這就意味著下一步如何嚴(yán)格控制純堿產(chǎn)量的進(jìn)一步擴(kuò)張，已成為純堿制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。而如何制造出高效節(jié)能的大型設(shè)備，并廣泛應(yīng)用，就成為純堿行業(yè)降本減排可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1? 純堿制備過(guò)程簡(jiǎn)介

在此以氨堿法制造純堿的工藝進(jìn)行討論，從重堿與母液分離開(kāi)始，不管是采用轉(zhuǎn)鼓式真空過(guò)濾機(jī)還是采用水平帶式真空濾堿機(jī)，都是利用真空原理抽走母液中的水分，最后在濾布上留下濕重堿，此過(guò)程為物理過(guò)程。這樣所得到的濕重堿的主要成分為NaHCO3。經(jīng)轉(zhuǎn)鼓式真空過(guò)濾機(jī)得到的濕重堿含水率在l7%～20%之間，相較于帶式濾堿機(jī)得到的濕重堿含水率要高4%左右。采用轉(zhuǎn)鼓式真空過(guò)濾機(jī)生產(chǎn)純堿的過(guò)程中，采用離心機(jī)二次脫水的過(guò)程也屬于物理過(guò)程，經(jīng)過(guò)此過(guò)程，濕重堿的水分大約可以降低4%左右[2]。下一步濕重堿會(huì)進(jìn)入煅燒爐后，在蒸汽的加熱過(guò)程中，濕重堿會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的固體物料即為所需要的純堿（Na2CO3），溫度大約為160℃～210℃，在進(jìn)行一段時(shí)間冷卻后，就可進(jìn)行包裝形成成品。

2? 當(dāng)前純堿制備的主要設(shè)備

通過(guò)上文介紹的由濕重堿NaHCO3，轉(zhuǎn)變?yōu)榧儔ANa2CO3的過(guò)程可以看出，生產(chǎn)過(guò)程中必備的設(shè)備分別為：重堿母液過(guò)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)以及其他附屬設(shè)備。下面結(jié)合常用的幾種設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行分析探討。

2.1 水平帶式真空過(guò)濾機(jī)

從20世紀(jì)90年代之后，國(guó)內(nèi)主要純堿生產(chǎn)廠家逐步摒棄了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鼓式真空過(guò)濾機(jī)，而是用更為先進(jìn)的水平帶式真空過(guò)濾機(jī)進(jìn)行了替代[3]。這一新型設(shè)別的優(yōu)勢(shì)在于可以在使用環(huán)節(jié)直接分離出更高純度的濕重堿，同時(shí)分離物運(yùn)輸過(guò)程中，增加了水分抽出功能，最終分離獲取的濕重堿的水分含量可以降低至22%～28%。由于水平帶式真空過(guò)濾機(jī)的頂部加料設(shè)計(jì)以及過(guò)濾面水平布置設(shè)計(jì)，可以在母液料漿固體濃度高、顆粒粒徑分布不均勻的情況下，獲得質(zhì)量更為可靠的濕重堿。

2.2 臥式螺旋刮刀卸料離心機(jī)

離心機(jī)的原理在于通過(guò)設(shè)備內(nèi)部轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)使不同沉降系數(shù)和浮力密度的粒子具有不同的離心速度，從而使這些物質(zhì)相互分離開(kāi)來(lái)。具體來(lái)講，粒子的離心速度主要與粒子半徑、構(gòu)成形態(tài)、密度以及混合液的粘度等指標(biāo)相關(guān)。在離心過(guò)程中，粒子質(zhì)量越大，下沉的速度就越快;相反，粒子質(zhì)量越小，下沉的速度就越慢。

目前，純堿制備所使用的臥式刮刀卸料離心機(jī)其原理與普通離心機(jī)相同，但又結(jié)合純堿生產(chǎn)的特點(diǎn)作了運(yùn)行方式的改進(jìn)。一方面，它可以在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中自主設(shè)定間歇時(shí)間;另一方面，整個(gè)設(shè)備在操作過(guò)程中所需的每一項(xiàng)步驟，如加料、離心、脫水、分離等都可以在全速狀態(tài)下進(jìn)行。這樣一來(lái)，就可以保證在獲得較大處理量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更好的分離效果。

2.3 濕重堿蒸汽煅燒爐

蒸汽煅燒爐純堿生產(chǎn)中用蒸汽間接加熱使物料發(fā)生分解反應(yīng)的一類(lèi)滾筒式反應(yīng)設(shè)備。由爐體、進(jìn)堿、出堿、加熱及傳動(dòng)裝置等部分組成二爐體為一由鋼板卷焊而成的圓筒、爐體前后有兩個(gè)滾圈，架在兩個(gè)托輪上，爐體向后傾斜1.5%～2%。爐尾滾圈附近裝有齒輪圈，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器、浮動(dòng)聯(lián)軸器、齒輪圈帶動(dòng)爐體回轉(zhuǎn)。進(jìn)堿、出堿部分均采用螺旋輸送機(jī)。爐內(nèi)加熱管以同心圓排列、由管架支承莊爐體上。加熱管外壁燼有螺旋散熱片，近爐頭一端2～4m為光管。重堿（碳酸氫鈉）和返堿由加料器加人爐內(nèi)，隨爐體的轉(zhuǎn)動(dòng)被加熱管內(nèi)中壓蒸汽間接加熱，重堿分解成純堿。

濕重堿煅燒過(guò)程中所使用的蒸汽煅燒爐是純堿制造過(guò)程中最為核心的裝置，該裝置已經(jīng)在我國(guó)堿廠使用了幾十年，雖然煅燒爐也經(jīng)過(guò)了各種改造，但是其工作原理和整體結(jié)構(gòu)并沒(méi)有質(zhì)變，目前我國(guó)采用最多的兩種模式是自身返堿和外部返堿。這兩種模式在操作中有著各自的長(zhǎng)處，其中外部返堿煅燒爐輸送返堿采用的是獨(dú)立設(shè)備，它不僅不占用煅燒爐的任何驅(qū)動(dòng)能力，而且還有強(qiáng)制混合堿的設(shè)備。因此，生產(chǎn)中可以更充分地將堿進(jìn)行混合，換熱能力強(qiáng)，可以高效產(chǎn)能。目前1臺(tái)煅燒爐每天可以生產(chǎn)超過(guò)1000t;但在其功能強(qiáng)大的同時(shí)，也就意味著運(yùn)堿系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)更加復(fù)雜，因此故障及定期檢修的工作量大。而與外部返堿不同的是自身返堿是將堿煅燒、返堿輸送、堿混合分布在煅燒爐的不同部位分別完成，其結(jié)構(gòu)比外部返堿簡(jiǎn)單，但是其產(chǎn)堿能力比外部返堿低，一般1臺(tái)機(jī)器一天產(chǎn)能低于800t。

2.4 涼堿爐

當(dāng)前大部分工廠使用的是流體粉涼堿爐，該設(shè)備最早是由加拿大Solex公司研發(fā)。其特點(diǎn)在于創(chuàng)新性地將板式傳熱板技術(shù)跟固體顆粒密相輸送原理完美地、有效地結(jié)合在一起，使物料在經(jīng)過(guò)粉體流換熱器時(shí)能夠有效地進(jìn)行冷卻，這是一種能耗較低、成本較低、操作環(huán)境簡(jiǎn)單的一種涼堿工藝。因此，其在制堿領(lǐng)域?qū)儆陬I(lǐng)先技術(shù)工藝。流體粉涼堿爐采用了傳統(tǒng)的板式換熱器與固體顆粒密相輸送原理相結(jié)合，因此該流體粉涼堿爐技術(shù)不僅占地空間小，粉塵的排放更低，同時(shí)動(dòng)力耗能也更低，更無(wú)須配置額外的風(fēng)機(jī)及除塵過(guò)濾設(shè)備，符合我國(guó)新時(shí)代節(jié)能減排的要求。

3? 未來(lái)純堿工業(yè)化制備設(shè)備研發(fā)發(fā)展方向展望

純堿生產(chǎn)的核心過(guò)程是濕重堿水分的分離和濕重堿煅燒，未來(lái)各種設(shè)備的研制和模式的探討必將都是圍繞兩者進(jìn)行，并在實(shí)踐中進(jìn)行改進(jìn)?？傮w來(lái)看，主要有以下三大方向。

3.1 研發(fā)處理液態(tài)物料的高速離心機(jī)

目前使用最多的離心機(jī)是兩級(jí)推料離心機(jī)，其直徑大多在1m左右，轉(zhuǎn)速為1000r/min，處理物料能力為每天35t，這種離心機(jī)基本都是應(yīng)用在轉(zhuǎn)鼓式濾堿機(jī)的后面，作用就是進(jìn)行濕重堿的二次脫水，主要用來(lái)處理固態(tài)物料。在純堿制造工序上目前幾乎沒(méi)有進(jìn)行液態(tài)物料的嘗試。離心機(jī)在運(yùn)行中進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)，所以必然會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)，由于離心機(jī)技術(shù)水平的限制，目前我國(guó)離心機(jī)發(fā)展局限性大的同時(shí)發(fā)展空間也很大。未來(lái)用于液態(tài)物料處理的高轉(zhuǎn)速離心機(jī)，為了提高效率，可以直接利用離心機(jī)對(duì)含有濕重堿的懸浮液進(jìn)行處理，進(jìn)而替代濾堿機(jī);為了有效地降低水分，研發(fā)制造多級(jí)離心機(jī)，離心機(jī)級(jí)數(shù)的增加，有利于濾餅的推動(dòng)和延長(zhǎng)濾餅的停留時(shí)間;提高轉(zhuǎn)速，改進(jìn)技術(shù)，并逐步降低離心機(jī)三維運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的不利振動(dòng)。

3.2 研發(fā)濕重堿煅燒爐的替代設(shè)備

目前蒸汽濕重堿煅燒爐在我國(guó)的純堿生產(chǎn)企業(yè)中有著不可替代的地位，在濕重堿生產(chǎn)純堿的過(guò)程中，該設(shè)備在幾十年的改造中并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的變化。隨著當(dāng)今社會(huì)自動(dòng)化程度和節(jié)能減排要求的不斷提高，這種濕重堿煅燒爐越來(lái)越多不適用現(xiàn)代化企業(yè)發(fā)展的要求，未來(lái)的煅燒爐一定會(huì)克服系統(tǒng)簡(jiǎn)單，熱利用效率高，能耗低，故障維修簡(jiǎn)單，產(chǎn)能高。目前，國(guó)內(nèi)煅燒爐生產(chǎn)的主要廠家正在探索采用微波或光波靜態(tài)輔助加熱的技術(shù)來(lái)增強(qiáng)對(duì)濕重堿除水過(guò)程的總體效果，目前這種這一技術(shù)的研發(fā)尚處于中試階段，市場(chǎng)當(dāng)中還沒(méi)有成熟的設(shè)備。

3.3 研發(fā)多元化組合設(shè)備

目前，國(guó)內(nèi)主要純堿生產(chǎn)企業(yè)的年產(chǎn)量都百萬(wàn)噸以上，這就意味著按照現(xiàn)有的技術(shù)組合將會(huì)產(chǎn)生大量的能耗，不利于企業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，如何通過(guò)多元化組合設(shè)備的整體性研發(fā)與使用，來(lái)降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中所不必要的能耗的產(chǎn)生，已成為純堿生產(chǎn)節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新的又一突破口。目前，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)采用的“水平帶式濾堿機(jī)+高速離心機(jī)+新式濕重堿煅燒爐+涼堿爐”模式，在一定程度上降低了總體能耗，更好的多元化組合設(shè)備方案值得進(jìn)行深入研發(fā)。

4? 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的純堿生產(chǎn)量大且效高，在世界范圍內(nèi)有著舉足輕重的地位。純堿制造工藝經(jīng)歷數(shù)代人的心血，已凝結(jié)了寶貴而又豐富的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)。展望未來(lái)，我國(guó)純堿制造趨勢(shì)必將是采用高效節(jié)能大型設(shè)備，降低能源消耗和成本，逐步走向可持續(xù)發(fā)展的道路。

參考文獻(xiàn)

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