01 輕堿到重堿的方法和原理

聯(lián)堿法、氨堿法以及天然堿法生產的純堿均為輕堿,通過對輕堿的再加工,可得到重堿。隨著生產技術水平的不斷提高,純堿生產的重質化率也在不斷提升,而重質化的生產方法也從最初單一的固相水合法,拓展為固相水合法、液相水合法及擠壓法三種重堿生產方法。

固相水合法,就是將輕堿溶解再結晶,去除雜質,得到重堿的生產方法。

液相水合法,是將輕堿噴霧造粒,這屬于物理過程,其中堿液的成分沒有變化。

輕堿(碳酸鈉)進行水合反應后晶格結構排列發(fā)生變化,而輕堿(碳酸鈉)的水合物在經(jīng)過煅燒分解后能夠保持現(xiàn)有晶格結構排列,固相水合法與液相水合法正是利用碳酸鈉的這一特性,先制得一水碳酸鈉結晶,再經(jīng)煅燒,脫去結晶水以及結晶表面吸附的游離水,制成顆粒大、堆積密度大的重堿。

液相水合法重堿生產工藝與固相水合法重堿生產工藝不同的是一水堿結晶形成過程中,參與反應的水與輕堿量的配比不同,前者參與反應的水與輕堿量的配比大約為4∶1甚至更高,而后者參與反應的水與輕堿量的配比大約為1∶2.5甚至更低,同時二者形成一水堿結晶的設備不同,前者在結晶器內進行,后者在水合機內完成。此外,前者水合反應溫度靠控制結晶器外夾套冷卻水的量和水堿比值,后者水合反應溫度靠控制水合出氣壓力、水合機進水溫度、水堿比值。

擠壓法,是指在兩輥之間通過高壓將輕堿擠壓成薄而硬的堿餅,再粉碎、過篩得到重堿的方法。這一方法的主要原理是利用機械作用改變物料物理性能,其核心是對輕堿進行擠壓增密,其工作原理是將具有一定溫度的輕堿通過預擠壓,先將孔隙內的氣體排除,然后在擠壓機壓輥強大的外力擠壓下,使具有較高空隙率的輕堿顆粒發(fā)生位移及重新排列,使空隙減小,顆粒之間產生機械嚙合,被擠壓物料的松散堆積密度迅速增加,并形成具有一定抗碎耐磨特性的餅狀(或條狀)物料,但這一過程不改變輕堿本身的化學組成。

以上三種純堿重質化生產工藝對比見表1。

表1 純堿重質化生產工藝對比(以某生產企業(yè)為例)

資料來源:根據(jù)公開資料整理。

02 輕堿到重堿的工藝流程

（1）固相水合法簡要工藝流程。料倉中的輕堿通過計量后由運輸設備送入水合機內,在水合機內與水在適當溫度下進行水合反應,生成的一水堿結晶進入重堿煅燒爐,一水堿在重堿煅燒爐內由蒸汽加熱管間接加熱干燥,脫去游離水和結晶水,制得的重堿由爐尾排出。

（2）液相水合法簡要工藝流程。料倉中的輕堿通過計量后由運輸設備送入結晶器,與來自母液槽經(jīng)換熱器適當降溫后的母液,在適當溫度下進行水合反應,形成的一水堿晶漿進入離心機進行固液分離,離心機分離出的母液流回母液槽循環(huán)使用,分離出的一水堿結晶進入重堿煅燒爐,一水堿在重堿煅燒爐內由蒸汽加熱管間接加熱干燥,脫去游離水和結晶水,制得的重堿由爐尾排出。消耗的母液由離心機洗車用水、結晶器生產補水及換熱器清洗置換用水補充。

（3）擠壓法簡要工藝流程。

料倉內的輕堿由運輸設備輸送至擠壓機喂料斗,經(jīng)擠壓機的雙螺旋給料器預擠壓并排出孔隙內空氣后送入擠壓機的壓輥間,在一定壓力下輕堿被增密壓成堿餅,再初步破碎成粗細不均的半成品。半成品通過計量進入一級破碎機、振動篩。振動篩配有雙層篩網(wǎng),篩內合格物料送往成品;篩上粗料通過計量進入二級破碎機、振動篩,然后,篩內合格物料送往成品。一級篩分的細料及二級篩分的粗料、細料返回至擠壓機前重新加工。

以上這三種生產方法都具有連續(xù)、穩(wěn)定、適于大型化生產等優(yōu)點。液相水合法工藝流程比較復雜,所需設備較多,固相水合法所需設備相對較少。但由于液相水合法可以生產出低鹽重堿,并已得到下游客戶的一致認可,故目前我國重堿生產工藝以液相水合法為主。擠壓法生產重堿含鹽量較高,行業(yè)使用該工藝生產重堿的相對較少。液相水合法生產出的重堿質量最好,但成本高于固相水合法。

國內個別生產企業(yè)同時具備液相水合法、固相水合法及擠壓法三種工藝,并可根據(jù)客戶的要求而采用不同的生產方式,不同生產方法之間也可相互切換、轉產。

通常來說,我國純堿企業(yè)重質化率在40%~60%,青海地區(qū)純堿企業(yè)的重質化率可達到80%。在這一比率范圍內,純堿生產企業(yè)可以根據(jù)下游需求、輕堿重堿價差等因素來調節(jié)輕重堿比例。由于重堿下游需求量大、穩(wěn)定,且工藝簡單,而輕堿下游需求較冗雜且量小,我國重堿產量增長速度遠高于輕堿,過去十年,重堿產量占比從41.3%增長至48.7%。

03 輕堿到重堿的轉化成本

就生產成本而言,固相水合法生產重堿,因一水堿游離水含量較小,物料消耗及能量消耗較小,而液相水合法系統(tǒng)因一水堿中游離水含量較固相水合法偏高,用電設備也比固相水合法多,生產中汽耗、水耗及電耗較大,且用液相水合法生產重堿投資大,同時存在系統(tǒng)母液的平衡問題。以2020年各項費用標準測算,國內大型生產企業(yè)以固相水合法生產重堿的,生產成本通常在40元/噸左右(根據(jù)經(jīng)濟環(huán)境變化有所波動),以液相水合法從輕堿轉化到重堿的,生產成本通常在70元/噸以上。除了生產過程中所耗費的水、電、蒸汽、人力及其他綜合成本外,重質化工序設備費用也在輕堿到重堿的轉化過程中占據(jù)較高比例。

以2020年華北某純堿生產企業(yè)新增一套30萬噸重堿技術改造項目的成本測算,這套年產30萬噸的液相水合法重堿裝置,總投資為1.93億元,其中環(huán)保投資為1272萬元,占比6.57%,預備費用占比5%左右。其中,工程建設費用中47.98%用于工藝設備采購,根據(jù)投資額計算,該套設備投資費用約為9260.14萬元。因此,重堿綜合成本通常較輕堿高50~100元/噸。設備費用明細見表2。

表2 純堿重質化設備費用明細

資料來源:根據(jù)公開資料整理。