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(chǎn)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(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高,純堿生產(chǎn)的重質(zhì)化率也在不斷提升,而重質(zhì)化的生產(chǎn)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(chǎn)方法。

固相水合法,就是將輕堿溶解再結(jié)晶,去除雜質(zhì),得到重堿的生產(chǎn)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(yīng)后晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)晶,再經(jīng)煅燒,脫去結(jié)晶水以及結(jié)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(chǎn)工藝與固相水合法重堿生產(chǎn)工藝不同的是一水堿結(jié)晶形成過程中,參與反應(yīng)的水與輕堿量的配比不同,前者參與反應(yīng)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(yīng)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(jié)晶的設(shè)備不同,前者在結(jié)晶器內(nèi)進行,后者在水合機內(nèi)完成。此外,前者水合反應(yīng)溫度靠控制結(jié)晶器外夾套冷卻水的量和水堿比值,后者水合反應(yīng)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(yù)擠壓,先將孔隙內(nèi)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(chǎn)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(xué)組成。

以上三種純堿重質(zhì)化生產(chǎn)工藝對比見表1。

表1 純堿重質(zhì)化生產(chǎn)工藝對比(以某生產(chǎn)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(shè)備送入水合機內(nèi),在水合機內(nèi)與水在適當(dāng)溫度下進行水合反應(yīng),生成的一水堿結(jié)晶進入重堿煅燒爐,一水堿在重堿煅燒爐內(nèi)由蒸汽加熱管間接加熱干燥,脫去游離水和結(jié)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(shè)備送入結(jié)晶器,與來自母液槽經(jīng)換熱器適當(dāng)降溫后的母液,在適當(dāng)溫度下進行水合反應(yīng),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(jié)晶進入重堿煅燒爐,一水堿在重堿煅燒爐內(nèi)由蒸汽加熱管間接加熱干燥,脫去游離水和結(jié)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(jié)晶器生產(chǎn)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(nèi)的輕堿由運輸設(shè)備輸送至擠壓機喂料斗,經(jīng)擠壓機的雙螺旋給料器預(yù)擠壓并排出孔隙內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)方法都具有連續(xù)、穩(wěn)定、適于大型化生產(chǎn)等優(yōu)點。液相水合法工藝流程比較復(fù)雜,所需設(shè)備較多,固相水合法所需設(shè)備相對較少。但由于液相水合法可以生產(chǎn)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(chǎn)工藝以液相水合法為主。擠壓法生產(chǎn)重堿含鹽量較高,行業(yè)使用該工藝生產(chǎn)重堿的相對較少。液相水合法生產(chǎn)出的重堿質(zhì)量最好,但成本高于固相水合法。

國內(nèi)個別生產(chǎn)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(chǎn)方式,不同生產(chǎn)方法之間也可相互切換、轉(zhuǎn)產(chǎn)。

通常來說,我國純堿企業(yè)重質(zhì)化率在40%~60%,青海地區(qū)純堿企業(yè)的重質(zhì)化率可達到80%。在這一比率范圍內(nèi),純堿生產(chǎn)企業(yè)可以根據(jù)下游需求、輕堿重堿價差等因素來調(diào)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(chǎn)量增長速度遠高于輕堿,過去十年,重堿產(chǎn)量占比從41.3%增長至48.7%。

03 輕堿到重堿的轉(zhuǎn)化成本

就生產(chǎn)成本而言,固相水合法生產(chǎn)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(shè)備也比固相水合法多,生產(chǎn)中汽耗、水耗及電耗較大,且用液相水合法生產(chǎn)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(biāo)準測算,國內(nèi)大型生產(chǎn)企業(yè)以固相水合法生產(chǎn)重堿的,生產(chǎn)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(zhuǎn)化到重堿的,生產(chǎn)成本通常在70元/噸以上。除了生產(chǎn)過程中所耗費的水、電、蒸汽、人力及其他綜合成本外,重質(zhì)化工序設(shè)備費用也在輕堿到重堿的轉(zhuǎn)化過程中占據(jù)較高比例。

以2020年華北某純堿生產(chǎn)企業(yè)新增一套30萬噸重堿技術(shù)改造項目的成本測算,這套年產(chǎn)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(yù)備費用占比5%左右。其中,工程建設(shè)費用中47.98%用于工藝設(shè)備采購,根據(jù)投資額計算,該套設(shè)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(shè)備費用明細見表2。

表2 純堿重質(zhì)化設(shè)備費用明細

資料來源:根據(jù)公開資料整理。