重堿過濾和煅燒設備及生產模式的探討

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(連云港堿業有限公司，江蘇 連云港 222042)

在純堿生產中，不論是聯堿法還是氨堿法，包括天然堿的生產工序中，濕重堿生產出輕質純堿(Na2CO3，俗稱輕灰)在脫水、煅燒工序時采用設備和工藝上幾乎相同，主要是通過不同的設備和方法將濕重堿中的水分去除，通過加熱生產出符合要求的輕灰，這個工序一般稱為煅燒工序，由于該工序采用的設備多為轉動設備，特別是核心設備煅燒爐在幾十年的發展過程中，幾乎沒有太多的改進，成為制約純堿產能提升的主要瓶頸，很多堿廠都是以煅燒工序的設備生產能力來排定產量計劃，一旦煅燒工序的設備出現狀況，往往影響的是整個生產系統。所以，深入研究煅燒工序的設備，特別是濕重堿脫水、煅燒的主要設備，對于純堿行業的未來發展有著非常重要的意義。

1 脫水過程中物料的主要特性

本文主要以氨堿法的工藝進行討論，從碳化工序產生的懸浮粗碳酸氫鈉(俗稱重堿)進行與母液分離開始，在目前國內各純堿生產企業，不論采用轉鼓式真空過濾機還是水平帶式真空濾堿機，均為物理過程，利用真空抽走母液中的水分，將濕重堿留在濾布上。此時濕重堿的主要成分為NaHCO3，轉鼓式真空過濾機過濾后的濕重堿含水率在17%～20%之間，帶式濾堿機過濾后的濕重堿含水率在12%～16%之間。采用轉鼓式真空過濾機的工序中，有的采用離心機進行二次脫水，此過程也是物理過程，經過離心機的二次脫水后，水分一般可以降低4%左右。

濕重堿進入煅燒爐后，經過蒸汽的間接加熱，濕重堿發生了化學反應，煅燒爐出來后的固體物料主要成分為Na2CO3，溫度為160～210 ℃，進行涼堿冷卻后，即可用于成品包裝。

2 各種設備的特點

通過以上濕重堿NaHCO3轉變為輕灰Na2CO3的過程可以看出，幾種最重要的設備分別為：母液過濾設備(轉鼓式真空濾堿機或者帶式濾堿機)、二次脫水離心機、蒸汽煅燒爐、涼堿機以及附屬設備。下面結合國內常用的幾種設備的特點進行分析。

2.1 轉鼓式真空過濾機

主要是通過真空的作用，在濾布上濾出懸浮液中的重堿，同時通過洗水功能洗掉濾餅中的母液，特點是運行平穩，可以實現連續作業，效率高，濾餅中的水分和機器的工況與碳化結晶的效果有直接的關系，一般控制在17%～20%之間。目前國內技術主要采用原化工部第八設計院設計的真空過濾機，主要由濾鼓、錯氣盤、堿液槽、壓輥、刮刀、洗水槽、傳動裝置、攪拌裝置等組成。

由于轉鼓式過濾機去除水分主要依靠真空和濾布，濕重堿在轉鼓的濾布上停留時間較短，對于濕重堿中水分的去除存在一定的局限性。特別在氣溫較高的夏季和碳化結晶變化時，有時產生的濕重堿水分較大，如果直接進行煅燒爐的操作，必將影響煅燒爐的穩定運行。

2.2 重堿離心機

該機器正是針對轉鼓式過濾機生產的濕重堿水分大的問題而投入使用的，特別近二十年內，國內幾家大型純堿企業紛紛引入了各類離心機，應用于轉鼓式真空過濾機和煅燒爐之間，進行濕重堿的二次脫水，一般可以有效的降低濕重堿中的水分4%～5%左右。核心部件為脫水部分和液壓部分，這兩個部分的備件經過了多次使用改造，目前已經基本滿足國內純堿生產的要求，單臺二級推料離心機產能在35 t/h以上。同時國內各離心機制造廠家在吸取進口機型技術的基礎上，針對純堿生產的特性，已經開始研發并生產出適合濕重堿二次脫水的機型。

2.3 帶式濾堿機

近十年國內新建純堿生產企業采用的新式脫水裝置，它替代了轉鼓式真空過濾機和重堿離心機，工作時直接將母液中的濕重堿濾出，并在運輸過程中，不斷的將濾餅中的水分抽出，最終可以達到12%～16%的水分。它是目前比較先進高效的過濾設備，國內前期建設的純堿生產企業也正在進行技術改造來實現帶濾機在生產中的使用。主要技術和裝備從國外引進，費用較高，目前已經實現了成套設備的國產化。

2.4 蒸汽煅燒爐

蒸汽煅燒爐是各純堿企業濕重堿煅燒過程中最為核心的裝置，已經在國內各堿廠使用了幾十年，雖然期間有各種改造，但是主要的結構和工作原理沒有多少變化，目前最常用的是自身返堿和外部返堿兩種模式，自身返堿的煅燒爐直徑一般在φ3200以內，外部返堿的煅燒爐直徑一般為φ3600左右。這兩種爐型在操作中各有其特長，外部返堿煅燒爐的返堿用獨立設備輸送，不占用煅燒爐的驅動能力，同時有強制混合設備，因此，生產中混合堿混合充分，有利于換熱，產能大，目前單臺爐已經突破1 000 t/d；但運堿系統和混合系統復雜，檢修工作量大。自身返堿蒸汽煅燒爐是將煅燒、返堿輸送、混合在煅燒爐自身的不同部位完成，結構簡單，但是返堿所需要能力來自于煅燒爐主電機的驅動輸出，所以，一般產能在800 t/d以下。

2.5 粉體流涼堿爐

這是一種新型涼堿設備，最早是加拿大Solex公司有效地將固體顆粒密相輸送原理與板式傳熱板技術創新的結合在一起，使粉體流換熱器能有效的冷卻物料，是低能耗，低成本，操作環境較好的一種工藝，在當今世界屬于領先技術工藝。這種創新性的技術結合了密相輸送原理及傳統的板式換熱器設計思想。固體流板式換熱器涼堿技術將節約占地空間、降低粉塵排放、降低動力消耗；無需配備風機及除塵過濾設備，符合清潔生產的要求，符合國家節能減排的要求。

3 目前國內常用的過濾和煅燒模式

3.1 轉鼓式過濾機+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機)

上世紀初中期國內建設純堿生產企業借鑒的是國外技術，采用轉鼓式真空過濾機進行母液分離，輸送至蒸汽煅燒爐進行加熱反應，最后用立式攪拌涼堿爐進行冷卻，輕灰的總體產能不高，一般在60萬t/a以內。

3.2 濾堿機+離心機+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機)

這是目前國內主要大型純堿廠采用的最為普遍的模式。上世紀80年代國內組建的三大堿廠建廠初期工藝中沒有離心機裝置，后來通過技術改造，均增加了離心機進行濕重堿的二次脫水，以提升產品的質量和產量，同時起到了降低汽耗的作用。這種模式與第一種模式相比較，在一段時間發展歷史中，將純堿生產企業的產量由原設計的60萬t/a提升至100萬t/a以上。國內純堿企業在二次脫水裝置上先后引進國外SIEBTECHNIK GmbH、Krauss-Maffei等公司的二級推料離心機，通過近二十年的使用和改造，越來越適應目前較高產能的要求。在涼堿工序上，除了傳統的立式攪拌涼堿爐以外，還大量使用槳片式水平涼堿機，同時粉體流輕灰涼堿爐在個別廠家也開始使用。

3.3 帶式濾堿機+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機)

這種模式最大的特點就是引入了帶式濾堿機。帶式濾堿機在國內純堿企業中應用開始于21世紀初。其中大化堿廠和天津堿廠在新建首次引進了意大利的真空帶式濾堿機,并于2009年10月和2010年試車成功,這是在進口帶式濾堿機在國內純堿行業使用的開始，后期建設的江蘇井神鹽化淮安堿廠也是引進了法國RPA公司生產的真空帶式濾堿機。它在脫水、降鹽分、消耗等方面與轉鼓式濾堿機和離心機相比，都有更加突出的優勢。

4 未來可能出現的模式和設備

縱觀輕灰生產，核心處理過程主要集中在濕重堿水分的分離(物理反應)和煅燒(主要是化學反應)，各種模式的探討和圍繞純堿生產研發的設備不斷涌現出來。目前國內在輕灰生產脫水過程中使用的各種設備，基本都是在引進國外先進裝備基礎上研發或者演變而來，隨著國內設備制造研發技術的飛速發展，未來的純堿生產中，一些純堿設備的制造廠商和純堿企業提出了部分有可能出現的模式和設備，僅供參考。

4.1 新模式的投用

新模式：帶式濾堿機+離心機+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機)

從工作原理分析，帶式濾堿機其實就是放大加長的轉鼓過濾機，只是過濾面積和洗鹽過程加大加長而已。帶式濾堿機和重堿離心機的脫水比較：如果純粹考慮降鹽分，效果比離心機要好很多；因為洗鹽過程時間長，次數多。但是，如果就剩余水分來說,則離心機比帶式濾堿機要好，離心機通過機械運動產生的離心力進行脫水，最好的狀態將水分降到11%～13%之間(還要根據碳化結晶顆粒的狀況判定)；而帶式濾機通過真空過濾，受各種因素的制約，最后的水分通常在12%～16%之間，如果顆粒好，也許可以達到13%以下；所以和離心機相比，還可以降低2%～5%的水分進煅燒爐，降低蒸汽的消耗。所以，用帶濾機取代轉鼓式濾堿機和離心機，有可能不是最理想的模式，最佳結合有可能是帶式濾堿機+離心機+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機)的組合，既可以降鹽分又可以降水分。

現在很多堿廠的產量動輒百萬噸以上，噸堿蒸汽的消耗成本非常高；以前大型二次脫水離心機國內生產不成熟，使用效果不好，導致堿廠對國產大型二次脫水離心機存在一定的看法或顧慮，所以在計算投資成本時，通常按進口德國離心機計算成本，導致投資成本較高。目前國內技術已經完全可以替代進口離心機，并在產量、水分的指標上超過進口離心機，運行平穩可靠，投資成本大大降低。所以說，帶式濾堿機+離心機+煅燒爐+涼堿爐(涼堿機)有可能是下一步國內堿廠純堿生產的最佳組合和選擇。

4.2 處理液態物料或高轉速離心機研發使用

離心機在國內的使用也是從國外引進的技術上發展起來的，目前使用最多的是兩級推料離心機，直徑多為1 m左右，轉速1 000 r/min，處理能力為35 t/h，基本應用在轉鼓式真空濾堿機的后面，起到二次脫水作用，用來處理固態物料。在小蘇打生產工序和重灰生產工序使用推料離心機進行液態物料處理，但是在輕灰工序上目前幾乎沒有嘗試。離心機在液態物料脫水中也有著很好的效果，因為離心機在運行中存在三維運動，導致振動不可避免，所以技術水平的限制，目前國內離心機發展還有很大的局限性和空間。

一些致力于離心機制造的企業越來越多的實現了自主研發、生產的能力，特別部分針對純堿生產的離心機廠家也在不斷涌現，通過多年積累，提出了用于處理液態物料的高轉速離心機生產的設想：①將含有濕重堿的懸浮液直接進入離心機處理，替代各類濾堿機，有利于效率的提高；②研發制造多級離心機，多年前國外已經研發出四級、六級離心機，通過級數的增加，有利于濾餅的推動和延長濾餅的停留時間，達到有效的降低水分的目的；③加大籃筐的直徑，提高工作能力；④提高轉速，離心效果與轉速有著直接的關系，只有提高轉速，才能生產符合要求的離心機；⑤改進技術，逐步降低離心機不可避免的三維運動所帶來的不利振動。

4.3 蒸汽煅燒爐的替代物

蒸汽煅燒爐是在淘汰沸騰煅燒爐的基礎上研發的，在目前國內的純堿生產企業中有著不可替代的地位，這種設備也是在上世紀70年代引進德國和日本等國家的技術，幾十年發展過程中，在濕重堿生產輕灰的過程中，該設備并沒有實質性的變化。隨著自動化程度不斷提高和節能環保的要求不斷提高，這種裝置存在越來越多不適用現代化企業發展的要求：①一般要求配套相應的蒸汽鍋爐系統，提供源源不斷的蒸汽；②熱利用率低，煅燒爐出來的蒸汽回水很多直接通過管網回到鍋爐系統；③返堿裝置附屬設備多，能耗高，故障率高；④現場跑冒滴漏嚴重，爐頭密封困難，現場管理困難；⑤煅燒爐能力有限，單臺爐產量一般都在1 000 t/d以內。

隨著科學技術的發展，新式的加熱裝置也在不斷更新，煅燒爐制造的龍頭企業提出了借鑒微波和光波加熱原理，類似于微波爐，通過靜態加熱方式，完成對濕重堿水分的降低。目前這種煅燒爐的替代物還存在于試驗室研究階段，工業化生產還要經過多次的使用論證，就如同目前粉體流涼堿爐和帶式濾堿機一樣，一旦技術成熟，將很快占領市場。

4.4 設計出可以將水分降低至8%的離心機或其它設備

在目前國內各純堿生產企業中，不論進入蒸汽煅燒爐之前的濕重堿怎么處理，水分都沒有低于10%以內的，蒸汽煅燒爐在處理物料過程中要求水分控制在8%以內，這就要求程序中增加返堿裝置。當濕重堿的水分在14%左右的時候，一般要加入濕重堿的2～2.5倍的成品堿進行混合，以達到降低水分的目的，否則容易導致傳統的“粘爐”故障。現在國內純堿設備制造廠家開始在如何盡可能的降低進入煅燒爐的水分方面下功夫，通過發明或者改進目前的設備，逐步向這個方面靠近。

4.5 輕灰涼堿設備的研發使用

粉體流涼堿機是近一段時間研發生產的比較高效、節能、環保的涼堿設備，特別在重灰涼堿系統中，目前已經使用非常成熟，但是在輕灰涼堿系統使用不是太理想。主要是因為輕灰的流動性差、物料堆積角小、容易結疤、堿塵大等問題在輕灰粉體流涼堿機上沒有得到很好的解決，隨著粉體流使用經驗的積累和新材料的出現，輕灰涼堿系統傳統的立式攪耙涼堿爐和槳片式涼堿機必將退出歷史的舞臺。

5 結 語

我國的純堿生產在世界范圍內都起到重要的作用，經過上百年的發展，不論在純堿生產的設備制造研發方面，還是在生產操作控制方面，都積累大量寶貴的經驗，并且已經實現了裝備和技術對國外輸送的趨勢。任何純堿生產過程中不論是生產模式的改變還是新式設備的投用，都需要一代又一代人的不懈努力和追求，這樣才能更加有力的將國內純堿企業推上更大的世界舞臺。

[1] 陳學勤.氨堿法純堿工藝[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1989

[2] 大連化工研究設計院.純堿工學[M].北京：化學工業出版社，1990