根据生产工艺、原料的来源不同,纯碱的生产工艺主要有天然碱法、氨碱法、联碱法和ADC发泡剂联产法。天然碱法生产纯碱的主要原料为天然碱矿、燃料煤(用于锅炉发电和生产蒸汽)。氨碱法生产纯碱的主要原料有食盐、石灰石、焦炭或白煤、中间媒介氨、燃料煤(用于锅炉发电和生产蒸汽)。联碱法的主要原料有食盐、氨和二氧化碳、燃料煤(用于锅炉发电和生产蒸汽)。

2021年,以上四种生产工艺产能占比分别为4.7%、43.69%、50.36%和1.25%(见图1),不同工艺的主要产成品是轻质纯碱,轻质纯碱通过水合法或挤压法后得到重质纯碱。

图1 2021年不同工艺产能占比

资料来源:国家统计局、卓创资讯。

天然碱法

天然碱的开发和利用有着悠久的历史,早在合成纯碱出现之前,就有天然碱的开采和加工。随着天然碱不断被探明,品质优储量大的天然碱矿床被不断发现,尤其是天然碱加工生产纯碱成本低,经济效益好,天然碱的开发和利用得到许多国家的重视。近年来,天然碱的开采量逐步增加,到目前为止,全世界天然碱的年开采量已超过1600万吨。

世界上天然碱的主要开采方法和其他可溶性盐类矿床一样。根据矿床赋存的形态不同,固体矿床开采不外乎两种开采方法,一种是旱采,另一种是溶采。天然碱加工技术包括碱液制备及各种提纯工艺。

目前,天然碱加工主要有三种方法,即蒸发法、碳酸化法和苛化法(制备烧碱)。天然碱法的生产流程见图2。

图2 天然碱法生产流程

资料来源:光大期货研究所。

01 蒸发法

根据原料的组成不同,有倍半碱工艺和一水碱工艺两种。以晶碱石(Na2CO3·NaHCO3·2H2O)为主的天然碱可采用倍半碱工艺生产纯碱。在蒸发前若使NaHCO3分解,如干法分解(煅烧)、湿法分解或溶采时被NaOH中和。湿法中析出Na2CO3·H2O,可采用一水碱工艺生产重质纯碱,或者边蒸发边湿分解的一步法一水碱流程生产重质纯碱。

02 碳化法

对于碱、硝、盐共生的泡碱型天然碱湖水或固体矿,可采用碳酸化工艺生产轻质纯碱,再经重质化生产重质纯碱。如碳酸化的出塔晶浆离心分离后不煅烧,经干燥即可制得小苏打。

03 苛化法(制备烧碱工艺)

采用苛化工艺将天然碱液中的碳酸钠(Na2CO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)转变为氢氧化钠(NaOH),形成的淡碱液经多效蒸发,除去可溶性杂质碳酸钠和硫酸钠(Na2SO4)等,再经冷析除去NaCl杂质,最后经浓缩熔融制得固体烧碱。苛化烧碱与碳酸化小苏打往往联合生产,使石灰石煅烧生成的窑气和石灰平衡,以降低产品的制造成本。

天然碱法的主要原料为天然碱矿、燃料煤(用于锅炉发电和生产蒸汽),其生产工艺简单,成本较低。我国已发现天然碱矿产地152处,储量近4亿吨,主要分布在河南和内蒙古两地,也是我国天然碱法生产的主要集中地,青藏高原是现代盐碱湖的集中地。而国际上,已探明的天然碱矿多在美国、土耳其、墨西哥、肯尼亚以及中国等少数国家和地区,其中,美国、土耳其和中国是最主要的天然碱法生产国。

天然碱法依靠其自然资源的优势,胜在天然原料成本较低、环保压力较小等方面。据测算,天然碱法比合成法成本低30%~40%,成本控制良好的部分企业,天然碱法的生成成本仅为合成法的一半。但是,同样受制于有限的自然资源储备及开采,天然碱法生产的纯碱难以满足国内的大量需求。