淺談固相水合法生產重灰的粒度影響因素

林爽

(天津渤化工程有限公司，天津300193)

純堿，學名碳酸鈉（Na2CO3），是一種重要的基礎性原料，被廣泛應用于化工、紡織、冶金、玻璃、陶瓷、合成洗滌劑、造紙、制革、印染等工業。根據顆粒粒度不同，純堿可以分為輕質純堿（輕灰，白色結晶粉末，堆積密度為0.49～0.58g/cm3）和重質純堿（重灰，白色細小顆粒，堆積密度為0.95～1.07g/cm3）[1]。對比可知，重灰的顆粒粒度和堆積密度都比輕灰大，更便于包裝和儲運。

目前重質純堿的生產方法主要有固相水合法、液相水合法以及擠壓法[2]。與另外兩種方法相比，固相水合法具有以下顯著特點：1）化合反應過程中水與輕灰反應時間短，水合率相對較低，故粒度均勻程度較差，但產品堆積密度較高；2）過程產物一水堿（一水合碳酸鈉）中游離水含量較小，能量消耗較小；3）固相水合法設備相對簡單，設備布置緊湊。

本文主要介紹固相水合法生產重灰的工藝流程和工作原理，簡要分析對重灰粒度產生影響的幾個因素，并闡述在工藝設計中應注意的問題。

1 固相水合工藝流程

料倉中的高溫輕灰與化堿所用的化合水一起進入水合機內，一定溫度條件下，在水合機的旋轉攪拌作用下，相互接觸發生反應生成一水堿；一水堿經破碎進入流化床干燥區，在高溫空氣的作用下，以流化狀態與蒸汽間接換熱進行煅燒分解，干燥完成后進入流化床的冷卻區，冷卻后的成品重灰進入后續篩分包裝工序。

2 固相水合工作原理

碳酸鈉易溶于水，隨著溫度的變化，碳酸鈉可以生成不同的水合產物，不同水合產物結晶水含量不同，分別為一水合碳酸鈉（Na2CO3·H2O）、七水合碳酸鈉（Na2CO3·7H2O） 和十水合碳酸鈉（Na2CO3·10H2O）[3]。

其中Na2CO3·H2O 含有14.52%的結合水，反應方程式為：

Na2CO3（s）+H2O（l）＝Na2CO3·H2O（s）-14.1kJ/mol（放熱反應）。

隨溫度升高，Na2CO3·H2O 溶解度降低。當溫度高于35.4℃時，從飽和液中析出；當加熱至100℃左右時，失去結晶水轉變為碳酸鈉[4]。

在Na2CO3與水發生化合反應生成一水堿過程中，其晶格結構會發生改變，排列變得更加密實，結晶顆粒更加光滑均勻。當一水堿受熱分解時，結合水被趕出，但不會破壞其密集的晶格結構，脫水分解后的產品將具有顆粒大堆積密度大的優點[2]。固相水合法就是利用純堿這一特點，先制得一水堿結晶，再經過流化干燥，脫去一水堿中的結合水及其表面吸附的游離水，由小粒徑輕灰制備堆積密度大、顆粒大的重灰。

3 影響重灰粒度的因素

水合反應是固相水合法的核心，而水合反應產物，一水堿結晶情況，是控制重灰堆積密度、成品粒度的關鍵環節。影響水合反應的因素較多，主要有：反應水堿比，化堿用化合水溫度和濃度[2]，水合機出汽溫度（即反應溫度），輕灰溫度等。

3.1 水堿比

水合反應水量調節過多，造成水堿比過大，一水堿結晶易成糊狀，會出現稀堿現象，雖然重灰粒度不低，但重灰成品中大顆粒含量會增大，同時存在著死床的危險；而水量調節過少，輕灰和化合水接觸不夠充分，部分輕灰無法與水發生反應，水合反應不完全，會出現堿球現象（一水堿內會含有部分輕灰），造成重灰成品粒度低，制得的重質純堿的密度達不到要求[3]。所以在實際生產中，考慮水分的蒸發及移出等損失，取堿水比為1∶0.37～0.42，一水堿的水分控制范圍在12%～18%較適宜。另一方面，化合水用量同樣決定了水量消耗指標和后續蒸汽消耗指標，是固相水合法水合反應關鍵影響因素之一。

3.2 化合水溫度和濃度

水合機的進水溫度對重灰粒度分布影響較大。化合水溫度過低，不利于晶核的形成及晶粒的成長，導致一水堿結晶過細；溫度過高，晶粒間相互黏連，一水堿粘性增大，形成超大顆粒。在實際生產中，化合水溫度常常取25～45℃，以20～38℃為宜。在其他條件不變的情況下，化合水在這個溫度范圍內，一水堿結晶顆粒均勻密實而大顆粒少，所得重灰成品粒度分布較為均勻。

在重灰生產中，流化床和水合機隨負壓抽出的細小堿塵通過濕式除塵法溶于脫鹽水中形成一定濃度的重灰洗滌液，這部分重灰洗滌液若直接排放，系統中部分堿也將隨之排出，造成物料的浪費，同時還污染環境。所以采用重灰洗滌液作為化合水，可以既能減少排放，又能減少產品損失。但化合水濃度過高，會影響水合反應一水堿結晶的形成和成長，重灰的粒度也會隨著降低，化合水濃度在低于20mol/L 時對重灰粒度影響不大。

3.3 水合機出汽溫度（即反應溫度）

由前文介紹的反應方程式可知，水合反應為放熱反應，反應溫度對水合反應晶粒的成長有著直接的影響[2]。水合機內反應溫度高，結晶過程變慢，粒度分布不均勻，水份蒸發量大，化合水用量增大，也造成后續除塵系統能耗增大；水合機內反應溫度低，結晶速度快，但結晶較細，晶粒間相互黏連，一水堿粘性增大，多余水分難以蒸發，造成稀堿現象。所以在實際生產中，保證一水堿結晶正常的前提下[3]，通過水合機上負壓抽氣口，將一水堿化合時的熱量帶出，控制出汽溫度在80～90 ℃之間。在固相水合法水合反應中反應溫度主要靠水合機出汽溫度和壓力來調節，所以水合機出汽溫度和壓力是水合反應重要可控制指標之一。

3.4 輕灰溫度

當輕灰溫度過低時（一般表現為小于150℃），一方面水合反應溫度達不到要求，調節頻繁，另一方面可能還有部分未煅燒完全的物料[3]（重堿NaHCO3，俗稱含重堿） 進入水合機中，與水和Na2CO3混合后發生反應生成倍半碳酸鈉（Na2CO3·NaHCO3·H2O），倍半碳酸鈉黏度較高且極易結球、粘壁[2]，造成一水堿出現超大顆粒，且晶粒分布不均，出現堿球現象，水合機粘壁，嚴重影響重灰產品的粒度與白度。當輕灰溫度過高時，為了保證化合反應溫度適當（80～90℃），必須提高負壓抽氣量，降低水合機反應系統穩定性，降低粒徑均勻度，增大重灰洗滌塔的負荷，同時造成能耗加大。在實際生產中，一般控制輕灰溫度在160～180℃之間為宜。

4 固相水合法工藝設計中應注意的問題

4.1 利用重灰洗滌液作為化合水進行水合反應，重灰洗滌液主要成分是堿液，對普通碳鋼管道有腐蝕性，對鉻18 鎳9 奧氏體不銹鋼腐蝕性良好，腐蝕率0.05～0.5mm/a，建議鉻18 鎳9 奧氏體不銹鋼材質管道進行敷設，防止因管道腐蝕而引起的重灰中鐵含量的增加。

4.2 水合機因水合反應溫度控制不當、水堿比控制不當、輕灰結晶不好、化合水腐蝕管道、化合水溫度及濃度控制不當等問題，易引起內部結疤問題，影響重灰產量和質量，同時結疤后清理困難，增加現場操作人員的勞動強度。所以在生產過程中，建議在固相水合法生產重灰的工藝過程中使用先進的DCS 控制系統，減少水合操作不當產生的結疤問題，并定期進行清理。

4.3 在固相水合機進堿螺旋輸送機處增加變頻器，減少電消耗的同時，便于水堿比的頻繁調節。

4.4 輕灰中鈣鎂雜質含量會影響到水合反應結晶情況，鈣雜質的含量過高會引起結晶形狀不規則，結晶體混濁、黯淡、無光澤等，甚至會導致一水堿不結晶，使水合機結疤堵塞；鎂雜質的含量過高會引起結晶松散無力，煅燒后粉化等問題。所以在實際生產中，建議定期檢測進水合機的輕灰中鈣鎂雜質的含量。

5 結論

通過對固相水合法生產重灰的工藝流程、工作原理和重灰產物粒度影響因素的系統梳理，能夠為重灰生產的工藝設計優化提供更為全面深入的理論支撐。