純堿制造設備現狀與研發方向探討

李山嶺　吳巴特爾　郭登攀

摘? 要：該文介紹了我國目前純堿生產中4種常見的設備及其特點，并以此為基礎，結合近幾年出現的新型設備，對未來純堿制造中新型設備研發的方向進行了探討，以供我國純堿制造工業企業所參考。

關鍵詞：純堿? 制造設備? 現狀? 研發方向

中圖分類號：TQ114.16 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（a）-0070-02

在純堿（Na2CO3，俗稱輕灰）的生產中，不管是采用天然堿的，還是采用聯堿法生產工序或者是氨堿法生產工序，采用的設備以及工藝基本相同，都是在除去濕重堿中的水分，再經過加熱，生產出所需要的規格的純堿，這一過程也稱為煅燒[1]。在這一過程中，所使用的設備基本上都是轉動型設備，尤其是作為核心的煅燒爐設備在目前生產環節當中，大部分工廠還采用傳統的工藝，這就在一定程度上成為了制約純堿產量提升的主要因素。同時，大多制堿廠的產量計劃的制定都是取決于煅燒工序的設備生產能力，如果煅燒設備故障，就會影響整個純堿生產系統。作為大眾化化工產品，近年來我國純堿產能增長迅速，據相關統計2018年，國內純堿總產達3000多萬t。這就意味著下一步如何嚴格控制純堿產量的進一步擴張，已成為純堿制造產業發展的重點。而如何制造出高效節能的大型設備，并廣泛應用，就成為純堿行業降本減排可持續發展的關鍵。

1? 純堿制備過程簡介

在此以氨堿法制造純堿的工藝進行討論，從重堿與母液分離開始，不管是采用轉鼓式真空過濾機還是采用水平帶式真空濾堿機，都是利用真空原理抽走母液中的水分，最后在濾布上留下濕重堿，此過程為物理過程。這樣所得到的濕重堿的主要成分為NaHCO3。經轉鼓式真空過濾機得到的濕重堿含水率在l7%～20%之間，相較于帶式濾堿機得到的濕重堿含水率要高4%左右。采用轉鼓式真空過濾機生產純堿的過程中，采用離心機二次脫水的過程也屬于物理過程，經過此過程，濕重堿的水分大約可以降低4%左右[2]。下一步濕重堿會進入煅燒爐后，在蒸汽的加熱過程中，濕重堿會發生化學反應，產生的固體物料即為所需要的純堿（Na2CO3），溫度大約為160℃～210℃，在進行一段時間冷卻后，就可進行包裝形成成品。

2? 當前純堿制備的主要設備

通過上文介紹的由濕重堿NaHCO3，轉變為純堿Na2CO3的過程可以看出，生產過程中必備的設備分別為：重堿母液過濾設備（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、涼堿機以及其他附屬設備。下面結合常用的幾種設備的特點進行分析探討。

2.1 水平帶式真空過濾機

從20世紀90年代之后，國內主要純堿生產廠家逐步摒棄了傳統的轉鼓式真空過濾機，而是用更為先進的水平帶式真空過濾機進行了替代[3]。這一新型設別的優勢在于可以在使用環節直接分離出更高純度的濕重堿，同時分離物運輸過程中，增加了水分抽出功能，最終分離獲取的濕重堿的水分含量可以降低至22%～28%。由于水平帶式真空過濾機的頂部加料設計以及過濾面水平布置設計，可以在母液料漿固體濃度高、顆粒粒徑分布不均勻的情況下，獲得質量更為可靠的濕重堿。

2.2 臥式螺旋刮刀卸料離心機

離心機的原理在于通過設備內部轉子的高速旋轉使不同沉降系數和浮力密度的粒子具有不同的離心速度，從而使這些物質相互分離開來。具體來講，粒子的離心速度主要與粒子半徑、構成形態、密度以及混合液的粘度等指標相關。在離心過程中，粒子質量越大，下沉的速度就越快;相反，粒子質量越小，下沉的速度就越慢。

目前，純堿制備所使用的臥式刮刀卸料離心機其原理與普通離心機相同，但又結合純堿生產的特點作了運行方式的改進。一方面，它可以在連續運轉的過程中自主設定間歇時間;另一方面，整個設備在操作過程中所需的每一項步驟，如加料、離心、脫水、分離等都可以在全速狀態下進行。這樣一來，就可以保證在獲得較大處理量的同時，實現更好的分離效果。

2.3 濕重堿蒸汽煅燒爐

蒸汽煅燒爐純堿生產中用蒸汽間接加熱使物料發生分解反應的一類滾筒式反應設備。由爐體、進堿、出堿、加熱及傳動裝置等部分組成二爐體為一由鋼板卷焊而成的圓筒、爐體前后有兩個滾圈，架在兩個托輪上，爐體向后傾斜1.5%～2%。爐尾滾圈附近裝有齒輪圈，由電動機通過減速器、浮動聯軸器、齒輪圈帶動爐體回轉。進堿、出堿部分均采用螺旋輸送機。爐內加熱管以同心圓排列、由管架支承莊爐體上。加熱管外壁燼有螺旋散熱片，近爐頭一端2～4m為光管。重堿（碳酸氫鈉）和返堿由加料器加人爐內，隨爐體的轉動被加熱管內中壓蒸汽間接加熱，重堿分解成純堿。

濕重堿煅燒過程中所使用的蒸汽煅燒爐是純堿制造過程中最為核心的裝置，該裝置已經在我國堿廠使用了幾十年，雖然煅燒爐也經過了各種改造，但是其工作原理和整體結構并沒有質變，目前我國采用最多的兩種模式是自身返堿和外部返堿。這兩種模式在操作中有著各自的長處，其中外部返堿煅燒爐輸送返堿采用的是獨立設備，它不僅不占用煅燒爐的任何驅動能力，而且還有強制混合堿的設備。因此，生產中可以更充分地將堿進行混合，換熱能力強，可以高效產能。目前1臺煅燒爐每天可以生產超過1000t;但在其功能強大的同時，也就意味著運堿系統以及混合系統更加復雜，因此故障及定期檢修的工作量大。而與外部返堿不同的是自身返堿是將堿煅燒、返堿輸送、堿混合分布在煅燒爐的不同部位分別完成，其結構比外部返堿簡單，但是其產堿能力比外部返堿低，一般1臺機器一天產能低于800t。

2.4 涼堿爐

當前大部分工廠使用的是流體粉涼堿爐，該設備最早是由加拿大Solex公司研發。其特點在于創新性地將板式傳熱板技術跟固體顆粒密相輸送原理完美地、有效地結合在一起，使物料在經過粉體流換熱器時能夠有效地進行冷卻，這是一種能耗較低、成本較低、操作環境簡單的一種涼堿工藝。因此，其在制堿領域屬于領先技術工藝。流體粉涼堿爐采用了傳統的板式換熱器與固體顆粒密相輸送原理相結合，因此該流體粉涼堿爐技術不僅占地空間小，粉塵的排放更低，同時動力耗能也更低，更無須配置額外的風機及除塵過濾設備，符合我國新時代節能減排的要求。

3? 未來純堿工業化制備設備研發發展方向展望

純堿生產的核心過程是濕重堿水分的分離和濕重堿煅燒，未來各種設備的研制和模式的探討必將都是圍繞兩者進行，并在實踐中進行改進。總體來看，主要有以下三大方向。

3.1 研發處理液態物料的高速離心機

目前使用最多的離心機是兩級推料離心機，其直徑大多在1m左右，轉速為1000r/min，處理物料能力為每天35t，這種離心機基本都是應用在轉鼓式濾堿機的后面，作用就是進行濕重堿的二次脫水，主要用來處理固態物料。在純堿制造工序上目前幾乎沒有進行液態物料的嘗試。離心機在運行中進行三維運動，所以必然會導致振動，由于離心機技術水平的限制，目前我國離心機發展局限性大的同時發展空間也很大。未來用于液態物料處理的高轉速離心機，為了提高效率，可以直接利用離心機對含有濕重堿的懸浮液進行處理，進而替代濾堿機;為了有效地降低水分，研發制造多級離心機，離心機級數的增加，有利于濾餅的推動和延長濾餅的停留時間;提高轉速，改進技術，并逐步降低離心機三維運動帶來的不利振動。

3.2 研發濕重堿煅燒爐的替代設備

目前蒸汽濕重堿煅燒爐在我國的純堿生產企業中有著不可替代的地位，在濕重堿生產純堿的過程中，該設備在幾十年的改造中并沒有實質性的變化。隨著當今社會自動化程度和節能減排要求的不斷提高，這種濕重堿煅燒爐越來越多不適用現代化企業發展的要求，未來的煅燒爐一定會克服系統簡單，熱利用效率高，能耗低，故障維修簡單，產能高。目前，國內煅燒爐生產的主要廠家正在探索采用微波或光波靜態輔助加熱的技術來增強對濕重堿除水過程的總體效果，目前這種這一技術的研發尚處于中試階段，市場當中還沒有成熟的設備。

3.3 研發多元化組合設備

目前，國內主要純堿生產企業的年產量都百萬噸以上，這就意味著按照現有的技術組合將會產生大量的能耗，不利于企業節能減排目標的實現。因此，如何通過多元化組合設備的整體性研發與使用，來降低生產環節當中所不必要的能耗的產生，已成為純堿生產節能減排技術創新的又一突破口。目前，國內部分企業采用的“水平帶式濾堿機+高速離心機+新式濕重堿煅燒爐+涼堿爐”模式，在一定程度上降低了總體能耗，更好的多元化組合設備方案值得進行深入研發。

4? 結語

我國的純堿生產量大且效高，在世界范圍內有著舉足輕重的地位。純堿制造工藝經歷數代人的心血，已凝結了寶貴而又豐富的經驗與技術。展望未來，我國純堿制造趨勢必將是采用高效節能大型設備，降低能源消耗和成本，逐步走向可持續發展的道路。

參考文獻

[1] 陳學勤.氨堿法純堿工藝[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2019.

[2] 王遠.多級推料離心機用于重堿脫水工藝路線探討[J].化工管理，2014（5）：25.

[3] 杜維剛.聯堿用水平帶式真空過濾機的研制[A].中國化工學會無機酸堿鹽專業委員會.第十五屆純堿學術年會論文集[C].2012.