博茨瓦納純堿生產(chǎn)工藝和非洲純堿生產(chǎn)需求概況

張晨鼎

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

博茨瓦納是非洲經(jīng)濟(jì)狀況較好的國家，面積581 730km2，人口157萬。主要產(chǎn)業(yè)是鉆石開采和養(yǎng)牛，而純堿和鹽的生產(chǎn)是引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)增長的動力。馬卡迪卡迪鹽沼（Makgadikgadi Pan）在博茨瓦納中部區(qū)，東西約200km，南北約120km，為一廣闊的匯水盆地，已被辟為國家公園。蘇阿干鹽湖（Sua Pan）在其東部，面積約4 900km2，海拔890m。干鹽湖表層土下賦存含NaCl和Na2CO3的鹵水。Goald（1986）對鹵水化學(xué)組成進(jìn)行過分析研究，發(fā)現(xiàn)取自不同部位的鹵水化學(xué)組成并不完全相同，其平均組成為：Na＋67.4g／L，K＋2.25g／L，Cl－79.74 g／L，13.05g／L，7.0g／L，9.3 g／L。總Na2CO3儲量為233×106t，NaCl為1 026×106t，Na2SO4為110×106t，KCl為34×106t。1988年博政府與AECI、Anglo American Corp.和De Beers等三家公司簽署協(xié)議，組建博茨瓦納純堿公司，鉆井抽取干鹽湖下鹵水，先曬鹽，再以碳化法生產(chǎn)純堿。設(shè)計(jì)能力純堿為300kt／a，鹽為650kt／a。采區(qū)和工廠共投資＄87×106，由博政府持股50%，另三家公司各持14%，余8%屬銀行集團(tuán)。1991年投產(chǎn)時(shí)公司名稱為Soda Ash Botswana（SAB），1995年改稱Botswana Ash（Pty）Ltd.，簡稱Botash。2010年發(fā)生股權(quán)轉(zhuǎn)變，由博政府和南非Chlor Alkali Holdings Group各持50%。

2012年Botash的純堿產(chǎn)量為257kt，低于計(jì)劃目標(biāo)280kt。主要因?yàn)锽otash的純堿產(chǎn)品有80%銷往南非，而南非也進(jìn)口價(jià)格較低的美國純堿，同時(shí)南非的玻璃工業(yè)產(chǎn)品出口也下降，所以對純堿的需求量減少。

1 采鹵和曬鹽

采鹵井區(qū)在干鹽湖北部，面積有400km2。共有130口生產(chǎn)井，分別從地表下含水層用深井泵（bore hole pump）抽取鹵水，泵的流量為6～20L／s，根據(jù)各井內(nèi)鹵水狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。抽出的鹵水通過總長20km的輸鹵管線送往日曬蒸發(fā)池，鹵水總生產(chǎn)能力為2 400m3／h。圖1示采鹵區(qū)的平面布置和鹵水蒸發(fā)結(jié)晶池的位置。蒸發(fā)結(jié)晶池面積共12 km2。鹵水先進(jìn)入初級蒸發(fā)池，再依次通過6組蒸發(fā)池進(jìn)行日曬蒸發(fā)，使鹵水中NaCl濃度達(dá)到飽和，被稱為N鹵水。然后經(jīng)過儲鹵池進(jìn)入4組結(jié)晶池，析出的NaCl結(jié)晶沉積在結(jié)晶池底部，此時(shí)鹵水總Na2CO3濃度已提高至7%左右，而NaCl濃度在18%左右，稱為T鹵水，用泵抽出送往純堿廠。結(jié)晶池排干鹵水后用采鹽機(jī)采收鹽。干鹽湖地區(qū)為熱帶干旱氣候，年平均氣溫21℃。鹵水從進(jìn)入初級蒸發(fā)池到得到T鹵水約需50天。蒸發(fā)池內(nèi)鹵水深度一般為20cm。蒸發(fā)池和結(jié)晶池的面積，可根據(jù)氣候狀況來調(diào)節(jié)。

圖1 Botash采鹵區(qū)和鹵水蒸發(fā)結(jié)晶池平面布置示意圖（Masemola P M，1999）

采收鹽送鹽廠洗滌、加工后，以散裝（48t鐵運(yùn)罐車）或袋裝（50kg）運(yùn)銷。2012年鹽產(chǎn)量為362 kt，其中工業(yè)用粗粒鹽（NaCl≥98.5%）占82%，細(xì)粒鹽（NaCl≥99%）占18%。

2 純堿生產(chǎn)

純堿廠設(shè)在干鹽湖以東的索瓦（Suwa）。如圖2所示，曬鹽后的T鹵水先經(jīng)砂濾器和澄清槽除去懸浮物和不溶物，在多組板式換熱器中被碳化器排出的熱晶漿加熱。然后進(jìn)入初級碳化器，以乙醇胺裝置來的濃度為96%的CO2氣和濃度為83%的煅燒爐氣進(jìn)行預(yù)碳化。再進(jìn)入次級碳化器以乙醇胺裝置來的96%CO2氣進(jìn)行碳化，得到含固體NaHCO35.24% 的晶漿。兩級碳化器均裝有攪拌器和玻璃質(zhì)耐腐蝕襯里。碳化溫度為55±2℃。碳化器尾氣送乙醇胺裝置再提濃。

Na2CO3（aq）＋CO2（g）＋H2O（l）＝2NaHCO3（s）＋59.77kJ／mol

熱晶漿通過板式換熱器降溫，進(jìn)入帶有攪拌器的多級結(jié)晶器，冷卻至32±3℃以析出更多的NaHCO3晶粒，使晶漿固液比提高到6.33%。冷卻后的晶漿在稠厚器中增稠，得到含固25%的稠厚晶漿，頂流清液含NaHCO31.37%，Na2CO30.24%，排往廢液池。稠厚晶漿經(jīng)高位槽流入帶式水平真空過濾機(jī)，進(jìn)行吸濾和水洗。得到的濕濾餅與返堿混合，在蒸汽煅燒爐中于220℃煅燒成輕質(zhì)純堿，入輕灰倉。輕灰通過擠壓、破碎和篩分，得到重質(zhì)純堿去重灰成品倉。重灰散裝為48t鐵運(yùn)罐車，主要銷往南非；袋裝有1t或50kg，主要在本國及周邊剛果（金）、贊比亞、津巴布韋和馬拉維等國銷售。

2NaHCO3（s）＝Na2CO3（s）＋CO2（g）＋H2O（g）－128.5kJ／mol

該廠有兩臺85t／h燃煤流化床鍋爐，產(chǎn)生6.5 MPa的高壓蒸汽，驅(qū)動20MW的汽輪發(fā)電機(jī)組并提供工藝用汽。鍋爐煙氣含CO2約10%，經(jīng)除塵后用含Na2CO3的鹵水脫除SO2，大約有2／3排放，有1／3與碳化器尾氣一同進(jìn)乙醇胺裝置提濃。在一組吸收塔用含一乙醇胺（MEA）8～10%，而含CO2很少的貧液（CO2／MEA＝0.2）進(jìn)行吸收，塔下得到富含CO2的富液（CO2／MEA＝0.45）。富液在換熱器中被解吸塔下來的熱貧液加熱至90℃，然后打入內(nèi)裝20層塔板的解吸塔，在提餾段被加熱至112℃，于是富液中的CO2被解吸。解吸塔頂氣含高濃度CO2，經(jīng)冷卻并分離冷凝水后，由壓縮機(jī)送往碳化器。部分CO2氣還可液化，以備工廠開車時(shí)使用。解吸塔下流出的熱貧液，經(jīng)換熱器降溫后送吸收塔再用。

圖2 Botash純堿廠生產(chǎn)流程圖（Masemola P M，1999）

3 存在的問題

由于原鹵水中總Na2CO3濃度較低（29g／L），噸堿的原鹵水消耗量大。以2012年為例，原鹵水產(chǎn)量為21.3Mm3，純堿產(chǎn)量為257kt，折噸堿的原鹵水消耗量為82.8m3。碳化后的晶漿固液比較低（6.33%），使能耗增大。采用一乙醇胺提濃煙道氣，減少CO2向大氣排放，具有環(huán)保意義，但也有相當(dāng)大的能耗。再者由于Botash的純堿只能以鐵路運(yùn)輸銷往南非，噸堿運(yùn)費(fèi)比南非從美國進(jìn)口純堿的海運(yùn)費(fèi)用要高20%。所以Botash面臨生產(chǎn)成本高和運(yùn)費(fèi)高的競爭壓力。

碳化后排放的母液量相當(dāng)大，目前尚未利用。2013年底加拿大Great Quest Metals Ltd.公司與Botash簽訂協(xié)議，準(zhǔn)備對碳化母液提取KCl進(jìn)行可行性研究。

由于采鹵井在抽取鹵水時(shí)進(jìn)入空氣，造成砂層中腐殖質(zhì)沉淀和微生物增殖，使井身周圍砂層發(fā)生堵塞，導(dǎo)致采鹵能力下降。

原鹵水含有黃腐殖酸（富里酸，fluvic acids），故呈黃色，總有機(jī)碳含量（TOC）在150ppm左右。鹵水在蒸發(fā)池濃縮后TOC增高。這是由于鹵水中含有豐富的N、P等營養(yǎng)成分，在長時(shí)間日照下，微生物和藻類增殖。由杜氏藻（Dunaliella spp.）產(chǎn)生的胞外多聚糖（EPS）和α－胡蘿卜素等，成為TOC積累的主要途徑。鹵水中的有機(jī)物最終能進(jìn)入產(chǎn)品，影響白度。美國羅得島大學(xué)Masemola等（1999年）曾試驗(yàn)研究以表層土過濾和控制微生物及藻類增殖等方法，降低鹵水中TOC含量。

4 非洲純堿的生產(chǎn)和需求概況

從2009年到2013年，非洲純堿的總生產(chǎn)能力保持在1.14Mt／a，實(shí)際年產(chǎn)量在700kt至800kt間徘徊，但市場需求量卻由1Mt／a增至1.4Mt／a。生產(chǎn)能力最大的是肯尼亞馬加迪蘇打公司（現(xiàn)稱Tata Chemicals Magadi Ltd.），新舊兩套裝置的能力共715kt／a；其次是博茨瓦納純堿公司（Botash），能力為300kt／a。二者都為天然堿加工。另外在埃及亞歷山大港有 Misr Chemical Industries Co.（屬索爾維集團(tuán)），其合成純堿能力僅為130kt／a。由于各種原因各廠的實(shí)際產(chǎn)量都未達(dá)到設(shè)計(jì)能力，如馬加迪蘇打公司2009年至2011年期間的年產(chǎn)量，依年度順序分別為404kt、473kt和499kt；Botash 2009年至2012年期間的年產(chǎn)量，則分別為215kt、240kt、230kt和257kt。埃及 Misr Chemical Industries Co.的年產(chǎn)量在50kt左右。

根據(jù)2012年的統(tǒng)計(jì)顯示，在非洲對純堿的需求量1.3Mt中，洗滌劑占25%，容器玻璃21%，平板玻璃17%，其他玻璃制品6%，化學(xué)品制造12%，采礦和冶金11%，其他8%。在需求量中各國所占的比例為：南非37%，埃及21%，突尼斯9%，尼日利亞8%，阿爾及利亞7%，其他國家18%。

馬加迪蘇打公司計(jì)劃將純堿生產(chǎn)能力擴(kuò)到1Mt／a。預(yù)測到2017年，非洲純堿的總生產(chǎn)能力將達(dá)到1.4Mt／a，年產(chǎn)量將超過1Mt，市場需求量將增至1.9Mt／a。

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