01 轻碱到重碱的方法和原理

联碱法、氨碱法以及天然碱法生产的纯碱均为轻碱,通过对轻碱的再加工,可得到重碱。随着生产技术水平的不断提高,纯碱生产的重质化率也在不断提升,而重质化的生产方法也从最初单一的固相水合法,拓展为固相水合法、液相水合法及挤压法三种重碱生产方法。

固相水合法,就是将轻碱溶解再结晶,去除杂质,得到重碱的生产方法。

液相水合法,是将轻碱喷雾造粒,这属于物理过程,其中碱液的成分没有变化。

轻碱(碳酸钠)进行水合反应后晶格结构排列发生变化,而轻碱(碳酸钠)的水合物在经过煅烧分解后能够保持现有晶格结构排列,固相水合法与液相水合法正是利用碳酸钠的这一特性,先制得一水碳酸钠结晶,再经煅烧,脱去结晶水以及结晶表面吸附的游离水,制成颗粒大、堆积密度大的重碱。

液相水合法重碱生产工艺与固相水合法重碱生产工艺不同的是一水碱结晶形成过程中,参与反应的水与轻碱量的配比不同,前者参与反应的水与轻碱量的配比大约为4∶1甚至更高,而后者参与反应的水与轻碱量的配比大约为1∶2.5甚至更低,同时二者形成一水碱结晶的设备不同,前者在结晶器内进行,后者在水合机内完成。此外,前者水合反应温度靠控制结晶器外夹套冷却水的量和水碱比值,后者水合反应温度靠控制水合出气压力、水合机进水温度、水碱比值。

挤压法,是指在两辊之间通过高压将轻碱挤压成薄而硬的碱饼,再粉碎、过筛得到重碱的方法。这一方法的主要原理是利用机械作用改变物料物理性能,其核心是对轻碱进行挤压增密,其工作原理是将具有一定温度的轻碱通过预挤压,先将孔隙内的气体排除,然后在挤压机压辊强大的外力挤压下,使具有较高空隙率的轻碱颗粒发生位移及重新排列,使空隙减小,颗粒之间产生机械啮合,被挤压物料的松散堆积密度迅速增加,并形成具有一定抗碎耐磨特性的饼状(或条状)物料,但这一过程不改变轻碱本身的化学组成。

以上三种纯碱重质化生产工艺对比见表1。

表1 纯碱重质化生产工艺对比(以某生产企业为例)

资料来源:根据公开资料整理。

02 轻碱到重碱的工艺流程

（1）固相水合法简要工艺流程。料仓中的轻碱通过计量后由运输设备送入水合机内,在水合机内与水在适当温度下进行水合反应,生成的一水碱结晶进入重碱煅烧炉,一水碱在重碱煅烧炉内由蒸汽加热管间接加热干燥,脱去游离水和结晶水,制得的重碱由炉尾排出。

（2）液相水合法简要工艺流程。料仓中的轻碱通过计量后由运输设备送入结晶器,与来自母液槽经换热器适当降温后的母液,在适当温度下进行水合反应,形成的一水碱晶浆进入离心机进行固液分离,离心机分离出的母液流回母液槽循环使用,分离出的一水碱结晶进入重碱煅烧炉,一水碱在重碱煅烧炉内由蒸汽加热管间接加热干燥,脱去游离水和结晶水,制得的重碱由炉尾排出。消耗的母液由离心机洗车用水、结晶器生产补水及换热器清洗置换用水补充。

（3）挤压法简要工艺流程。

料仓内的轻碱由运输设备输送至挤压机喂料斗,经挤压机的双螺旋给料器预挤压并排出孔隙内空气后送入挤压机的压辊间,在一定压力下轻碱被增密压成碱饼,再初步破碎成粗细不均的半成品。半成品通过计量进入一级破碎机、振动筛。振动筛配有双层筛网,筛内合格物料送往成品;筛上粗料通过计量进入二级破碎机、振动筛,然后,筛内合格物料送往成品。一级筛分的细料及二级筛分的粗料、细料返回至挤压机前重新加工。

以上这三种生产方法都具有连续、稳定、适于大型化生产等优点。液相水合法工艺流程比较复杂,所需设备较多,固相水合法所需设备相对较少。但由于液相水合法可以生产出低盐重碱,并已得到下游客户的一致认可,故目前我国重碱生产工艺以液相水合法为主。挤压法生产重碱含盐量较高,行业使用该工艺生产重碱的相对较少。液相水合法生产出的重碱质量最好,但成本高于固相水合法。

国内个别生产企业同时具备液相水合法、固相水合法及挤压法三种工艺,并可根据客户的要求而采用不同的生产方式,不同生产方法之间也可相互切换、转产。

通常来说,我国纯碱企业重质化率在40%~60%,青海地区纯碱企业的重质化率可达到80%。在这一比率范围内,纯碱生产企业可以根据下游需求、轻碱重碱价差等因素来调节轻重碱比例。由于重碱下游需求量大、稳定,且工艺简单,而轻碱下游需求较冗杂且量小,我国重碱产量增长速度远高于轻碱,过去十年,重碱产量占比从41.3%增长至48.7%。

03 轻碱到重碱的转化成本

就生产成本而言,固相水合法生产重碱,因一水碱游离水含量较小,物料消耗及能量消耗较小,而液相水合法系统因一水碱中游离水含量较固相水合法偏高,用电设备也比固相水合法多,生产中汽耗、水耗及电耗较大,且用液相水合法生产重碱投资大,同时存在系统母液的平衡问题。以2020年各项费用标准测算,国内大型生产企业以固相水合法生产重碱的,生产成本通常在40元/吨左右(根据经济环境变化有所波动),以液相水合法从轻碱转化到重碱的,生产成本通常在70元/吨以上。除了生产过程中所耗费的水、电、蒸汽、人力及其他综合成本外,重质化工序设备费用也在轻碱到重碱的转化过程中占据较高比例。

以2020年华北某纯碱生产企业新增一套30万吨重碱技术改造项目的成本测算,这套年产30万吨的液相水合法重碱装置,总投资为1.93亿元,其中环保投资为1272万元,占比6.57%,预备费用占比5%左右。其中,工程建设费用中47.98%用于工艺设备采购,根据投资额计算,该套设备投资费用约为9260.14万元。因此,重碱综合成本通常较轻碱高50~100元/吨。设备费用明细见表2。

表2 纯碱重质化设备费用明细

资料来源:根据公开资料整理。