試論提高濕法水玻璃產(chǎn)品濃度和模數(shù)的方法*

馮曉文 盧平元 蔣瑜琦 孫 熠劉 德 鐘春林 汪 陽 林慶娜

(1 江西省歐陶科技有限公司 江西 高安 330811)

(2 肇慶市歐陶新型材料有限公司 廣東 肇慶 526113)

(3 宜春市陶瓷添加劑工程技術(shù)研究中心 江西 高安 330811)

(4 廣東省新型陶瓷添加劑工程技術(shù)研究中心 廣東 肇慶 526113)

硅酸鈉,俗稱泡花堿,是一種無機(jī)物,化學(xué)式為Na2O·n Si O2,其水溶液就是水玻璃,它是一種可溶性的無機(jī)硅酸鹽,具有廣泛的用途。

目前水玻璃的生產(chǎn)工藝的主要有2種:①干法(也稱固相法),②濕法(也稱液相法)。

濕法水玻璃生產(chǎn)工藝簡單,能耗低,勞動強(qiáng)度小,產(chǎn)品質(zhì)量好,原材料來源廣,但普遍存在濃度低、模數(shù)低的現(xiàn)象,因此也制約了該產(chǎn)品的推廣使用領(lǐng)域。本文闡述了如何通過原材料的選擇、精確配比、設(shè)備優(yōu)選、過程管控,來生產(chǎn)一種婆美度≮50Be,模數(shù)≮2.5的濕法水玻璃,將其使用領(lǐng)域從傳統(tǒng)的陶瓷泥漿解膠劑生產(chǎn)拓寬到鑄造、洗化、造紙等行業(yè),提升濕法水玻璃的經(jīng)濟(jì)價值。

1 常用的濕法水玻璃生產(chǎn)工藝

1.1 濕法水玻璃生產(chǎn)的兩種主要原材料

1.2 濕法水玻璃主要生產(chǎn)的主要設(shè)備

1.3 生產(chǎn)工藝流程

1.3.1 配料

(1)啟動配料攪拌機(jī),利用泥漿泵將儲罐中32%氫氧化鈉抽取到配料攪拌機(jī)中,氫氧化鈉的加入量通過配料攪拌機(jī)下安裝的重量傳感器控制。

(2)用鏟車將石英砂鏟運(yùn)到喂料機(jī)中,石英砂的重量利用喂料機(jī)配備的重量傳感器確定,達(dá)到規(guī)定值后,啟動喂料機(jī)下的皮帶運(yùn)輸機(jī),將石英砂輸送到配料攪拌機(jī)中。

(3)配料攪拌機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10 min,當(dāng)物料完全混合均勻后,就可以往反應(yīng)釜中進(jìn)料。

1.3.2 進(jìn)料

(1)打開反應(yīng)釜的排氣閥、進(jìn)料閥、啟動反應(yīng)釜。

(2)啟動配料攪拌機(jī)上的泥漿泵,物料通過管道進(jìn)入反應(yīng)釜。

(3)進(jìn)料完畢后,關(guān)閉排氣閥、進(jìn)料閥。

1.3.3 充汽

(1)當(dāng)鍋爐壓力＞1.0 MPa時,打開反應(yīng)釜上進(jìn)汽閥,開始往反應(yīng)釜中充入蒸汽,本工藝采用內(nèi)熱式加熱方式,充汽過程要注意觀察,發(fā)現(xiàn)異常立即停止作業(yè)。

(2)確保反應(yīng)釜的閥門、管路、機(jī)油泵、密封、壓力表、電接點(diǎn)壓力表、報警器、安全閥完好。

(3)當(dāng)反應(yīng)釜中壓力達(dá)到0.8 MPa時,關(guān)閉進(jìn)汽閥,正式開始水玻璃的反應(yīng)生成,統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明反應(yīng)高峰期,釜內(nèi)壓力可以增加0.2 MPa。

1.3.4 反應(yīng)生成

(1)從完成進(jìn)汽開始,有效的水玻璃反應(yīng)生成時間應(yīng)不低于6h。

(2)安全閥、電接點(diǎn)壓力表要設(shè)置最高反應(yīng)壓力,超過規(guī)定值時安全閥開啟泄壓,同時報警器鳴叫。

(3)反應(yīng)過程操作工要注意觀察,及時處置異常。

1.3.5 放料

(1)打開排汽閥,將反應(yīng)釜中的蒸汽排往另一個已經(jīng)填裝好原料的待充汽反應(yīng)釜中。

(2)當(dāng)兩釜的壓力基本上平衡時,關(guān)閉受汽反應(yīng)釜的進(jìn)汽閥,關(guān)閉排汽反應(yīng)釜的排汽閥,將已完成水玻璃反應(yīng)的反應(yīng)釜中的蒸汽排入另外一個要充汽的反應(yīng)釜,可以節(jié)約蒸汽的使用量,減少能源消耗,同時也避免了堿性蒸汽對環(huán)境的影響。

(3)打開放料閥,釜中的物料通過管道進(jìn)入中轉(zhuǎn)罐或者直接進(jìn)入板框壓濾機(jī)壓濾。

圖1 濕法水玻璃生產(chǎn)工藝流程圖

1.3.6 過濾

(1)過濾通常有兩種方式,一是從反應(yīng)釜出來的物料直接進(jìn)入板框式壓濾機(jī)過濾,另外一種是物料先放到中轉(zhuǎn)攪拌機(jī),泄壓降溫后再利用壓濾機(jī)泵,送入壓濾機(jī)過濾,這兩種方式各有利弊,視情況而定。

(2)直通式過濾,工藝簡單,設(shè)備少,有利于濃度、模數(shù)較高的產(chǎn)品壓濾,缺點(diǎn)是料漿溫度高,容易將濾布、濾板燙損。

(3)經(jīng)過中轉(zhuǎn)罐過濾,這種方式可以對物料的濃度進(jìn)行調(diào)配,特別適合將濃度、模數(shù)做高后再加水降濃的水玻璃過濾,提升單釜的產(chǎn)量,降低蒸汽的耗量、同時物料降溫后,對濾布、濾板的損害輕,但需要添置中轉(zhuǎn)攪拌罐、壓濾機(jī)泵等設(shè)施設(shè)備,設(shè)備工作要消耗電力。

(4)生產(chǎn)過程注意觀察,一旦出現(xiàn)濾布破損,要立即關(guān)閉濾嘴上的閥門,防止未過濾的產(chǎn)品進(jìn)入成品中轉(zhuǎn)罐。

1.3.7 調(diào)濃、調(diào)模

調(diào)濃、調(diào)模必須是在水玻璃濃度、模數(shù)超過規(guī)定值的情況下,通過添加一定比例的水、氫氧化鈉或低模水玻璃來調(diào)整濃度和模數(shù),使其質(zhì)量最終達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)工藝要求。

2 提高濕法水玻璃濃度、模數(shù)的意義

2.1 濕法水玻璃的使用領(lǐng)域窄

普通的濕法水玻璃,其濃度一般為50Be,模數(shù)M=2.3左右,絕大部分用于五水偏硅酸鈉、陶瓷泥漿解膠劑、洗衣粉等產(chǎn)品的生產(chǎn),但也有一些行業(yè)需要50Be,模數(shù)M=2.5的濕法水玻璃產(chǎn)品,雖然干法工藝可以達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn),但由于干法工藝復(fù)雜,生產(chǎn)周期長,對環(huán)境有影響,從技術(shù)性方面講,濕法水玻璃比干法有優(yōu)勢,只是濃度、模數(shù)不達(dá)標(biāo),限制了這個產(chǎn)品的廣泛利用。

2.2 降低濕法水玻璃的生產(chǎn)成本

(1)50Be濕法水玻璃的原材料成本中氫氧化鈉的占比高達(dá)85%,單位合格產(chǎn)品的耗堿量越低,其制造成本就越低,在相同的Si O2含量時該產(chǎn)品的模數(shù)就高,產(chǎn)品的使用范圍就越廣。

(2)模數(shù)是水玻璃的一個非常重要的參數(shù),根據(jù)GB/T4209-2022工業(yè)硅酸鈉的規(guī)定,模數(shù)是指二氧化硅摩爾數(shù)與氧化鈉摩爾數(shù)的比值,按照下式計算:

式中:ω1——二氧化硅(Si O2)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);

ω2——氧化鈉(Na2O)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);

1.032——氧化鈉相對分子質(zhì)量與二氧化硅相對分子質(zhì)量的比值。

(3)水玻璃的濃度和模數(shù)主要取決于石英砂在氫氧化鈉中的溶出率,也就是在相同的Na2O 含量下,我們希望水玻璃中Si O2含量越高越好,通過下式就可以直觀的看出,降低氫氧化鈉的消耗量,對節(jié)約水玻璃的制造成本的影響。

若按照當(dāng)下50%氫氧化鈉的價格為1 600.00元/t,水玻璃中Na2O 的含量每降低1%,則可以降低水玻璃的制造成本20.65元/t,即:

1%÷0.775×1 600=20.65(元)不要小看這區(qū)區(qū)的20.00元,如果每個月生產(chǎn)10 000.00 t水玻璃,每年就可以減少成本支出240.00萬元,節(jié)約價值可觀,而且濕法水玻璃的使用領(lǐng)域也得以拓寬。

2.3 改進(jìn)后水玻璃參數(shù)目標(biāo)值

3 影響水玻璃濃度和模數(shù)的主要因素

3.1 原材料

濕法水玻璃的生產(chǎn)有原料是基礎(chǔ),壓力是關(guān)鍵,時間是保證的說法,意思是,濕法水玻璃質(zhì)量要好,一定要選用優(yōu)質(zhì)的原材料、足夠的反應(yīng)壓力和反應(yīng)時間,三者缺一不可。

3.1.1 石英砂

Si O2含量＞98%,細(xì)度＞120 目,色白,不含泥,Fe2O3、Fe O 及Al2O3的含量越低越好,否則會影響水玻璃的顏色,而且Al2O3與Si O2反應(yīng)生成硅酸鋁Al2O3·Si O2絮狀物,堵塞了濾布?xì)饪?導(dǎo)致產(chǎn)品壓濾困難。

通過筆者的生產(chǎn)實(shí)踐證明,石英砂是影響水玻璃參數(shù)的主要因素,高品位的石英砂雖然價格高,但石英砂的轉(zhuǎn)化率高,幾乎沒有濾渣外排,濾渣的成分是二氧化硅和氧化鈉,處理濾渣不但要費(fèi)用,更重要的是浪費(fèi)了燒堿,按照折算,每倒掉一噸濾渣,相當(dāng)于倒掉了100 kg50%燒堿,日積月累損失驚人。

從表4的濾渣化學(xué)成分可以得到,石英砂的純度、轉(zhuǎn)化程度、殘留的燒堿量等信息,也證明了石英砂對水玻璃質(zhì)量的影響有多大。

來自廣東某廠的濾渣,Al2O3和K2O 含量高,說明濾渣的重復(fù)利用次數(shù)高,也存在石英砂含泥量高的可能。

3.1.2 氫氧化鈉

產(chǎn)品質(zhì)量符合GB/T 209-2018工業(yè)用氫氧化鈉的相關(guān)規(guī)定,氫氧化鈉的含量≮30%,通常情況下高堿的反應(yīng)速度和質(zhì)量都比低堿的好,具體規(guī)格根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀和燒堿的行情確定。

3.2 配比

配比失準(zhǔn)、用錯原料等都會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不良。

3.3 操作

水玻璃的反應(yīng)過程一定要按照作業(yè)指導(dǎo)書的規(guī)定操作,反應(yīng)壓力、保壓時間必須達(dá)到規(guī)定值,發(fā)現(xiàn)異常要立即處置,否則會造成水玻璃反應(yīng)不徹底,產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到要求,對成本造成極大浪費(fèi)。

4 提高濕法水玻璃產(chǎn)品濃度和模數(shù)的方法

對于如何提高濕法水玻璃的濃度和模數(shù),我們用魚骨圖分析法,按照人、機(jī)、料、法、環(huán)、測六個大要因,通過頭腦風(fēng)暴,最后尋找到提高濕法水玻璃濃度和模數(shù)的方法動作。

4.1 員工培訓(xùn)

上下同欲、統(tǒng)一思想,弄懂原理、學(xué)會操作,強(qiáng)化責(zé)任心,加強(qiáng)績效管理。按照新的質(zhì)量目標(biāo),編制質(zhì)量手冊和作業(yè)指導(dǎo)書,全員學(xué)習(xí)、考核通關(guān)。確定各個崗位的績效增長模式,把質(zhì)量、產(chǎn)量和員工收入掛鉤,讓員工知道做什么、怎么做,做好做不好有什么說法,力出一孔,直搗靶心才能達(dá)成提高濕法水玻璃產(chǎn)品濃度和模數(shù)的目標(biāo)。

4.2 研發(fā)一套新型濕法水玻璃生產(chǎn)設(shè)備

4.2.1 配料設(shè)備

包括帶重量傳感器的喂料機(jī)、配料攪拌機(jī)及配套的自動化控制系統(tǒng),確保各種原材料的配比準(zhǔn)確,實(shí)現(xiàn)自動配料和記錄。

4.2.2 反應(yīng)釜

(1)采用12 m3304不銹鋼立式反應(yīng)釜,筒體厚度25 mm,將原來的進(jìn)汽管、放料管共用一個管改為分開設(shè)置,進(jìn)汽管選用20 mm 壁厚的不銹鋼管,重新設(shè)計了釜內(nèi)液面以下進(jìn)汽管的蒸汽孔,把石棉盤根密封改為四氟密封,反應(yīng)釜上增設(shè)超壓報警裝置。

(2)上述舉措,提高了反應(yīng)釜的承壓能力和耐磨性,把最高反應(yīng)壓力從1.0 MPa提高到了1.2 MPa,有利于石英砂和氫氧化鈉的反應(yīng),為提高水玻璃模數(shù)奠定了基礎(chǔ),進(jìn)汽管和放料管的分設(shè),避免了高溫高壓蒸汽對反應(yīng)釜底部封頭部位的沖刷,提高了釜的使用壽命,密封材質(zhì)的改進(jìn),保證了密封效果,防止失壓影響產(chǎn)品的反應(yīng)生成,超壓報警配合安全閥,提高作業(yè)過程的安全度。

4.2.3 選用優(yōu)質(zhì)原材料

(1)石英砂是一種礦產(chǎn)資源,有原礦和風(fēng)化砂等種類,水玻璃生產(chǎn)宜選用原礦加工的石英砂,并且要有長期穩(wěn)定的供應(yīng)量,才能確保水玻璃產(chǎn)品質(zhì)量一定不發(fā)生波動。

(2)如果石英砂的純度低,含泥量高,就會導(dǎo)致過濾困難,濾渣的重復(fù)利用次數(shù)少,產(chǎn)生的廢渣量高,單位水玻璃產(chǎn)品的耗堿量增加,濾渣中含有7%左右的Na2O 也一同隨廢渣被處理了,造成很多的浪費(fèi)。

如果石英砂的純度高,濾渣就可以重復(fù)利用,從而倒渣尾的間隔周期也長,可顯著的降低石英砂和氫氧化鈉的消耗量,而這些平時我們都認(rèn)為是正常的排渣,實(shí)質(zhì)上浪費(fèi)是驚人的,雖然石英砂的價格貴一點(diǎn),但只要質(zhì)量好,綜合成本相對還是低的,有時候賣的便宜用的貴,可見石英砂對濕法水玻璃生產(chǎn)的重要性有多大。

(3)從筆者長期的生產(chǎn)實(shí)踐證明,影響水玻璃質(zhì)量的主要因素就是石英砂,氫氧化鈉是一種標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品,只要選用大型氯堿企業(yè)的產(chǎn)品,把好原材料入口關(guān),質(zhì)量一般不會有問題。

(4)在成本沒有發(fā)生增加的情況下,供應(yīng)渠道一旦確定,不要輕易做變動,這也是確保高濃度高模數(shù)濕法水玻璃質(zhì)量穩(wěn)定的重要方面。

4.2.4 正確的作業(yè)方法是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證

合格的原材料是基礎(chǔ),正確規(guī)范的作業(yè)方法是關(guān)鍵,在生產(chǎn)過程中,要注意控制好下面幾點(diǎn):

(1)配料環(huán)節(jié),石英砂、氫氧化鈉、水的重量誤差要嚴(yán)格控制在±10 kg,從料倉鏟運(yùn)石英砂要選取砂堆上部的,防止水份過高,影響水玻璃成品的濃度。

(2)充汽時鍋爐壓力要超過1.0 MPa,由于大部分反應(yīng)釜采用內(nèi)熱式加熱,充汽時間不得超過規(guī)定值,防止超時造成進(jìn)入釜內(nèi)水蒸氣過多,最終影響水玻璃濃度。

(3)充汽壓力符合規(guī)定值,反應(yīng)過程注意觀察升壓情況,合適的壓力是確保水玻璃濃度和模數(shù)的關(guān)鍵,出現(xiàn)充汽壓力異常或反應(yīng)過程失壓的要及時處理,防止產(chǎn)品“夾生”。

4.2.5 規(guī)范的檢驗測試和過程控制

檢驗測試是產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要手段,計量器具要在檢定周期內(nèi),誤差符合要求,檢驗測試裝置完好,檢測人員能力要和崗位要求匹配。

對生產(chǎn)過程的配料數(shù)量、充汽壓力、充汽時間、最高反應(yīng)壓力、反應(yīng)時間做好記錄,出釜后立即進(jìn)行濃度、Si O2、Na2O 含量的測試和模數(shù)的計算,為糾錯和質(zhì)量控制提供依據(jù),數(shù)據(jù)要完整、正確的填寫到《水玻璃生產(chǎn)記錄表》中。

工控人員根據(jù)檢測數(shù)據(jù),對工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào),確定產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到預(yù)期。

從表5、表6的數(shù)據(jù)可以看出,只要配比準(zhǔn)確、操作規(guī)范,無論采用何地出產(chǎn)的原材料、在何地生產(chǎn),水玻璃的質(zhì)量均可以達(dá)到要求。

4.3 最佳工藝技術(shù)參數(shù)

通過對實(shí)驗數(shù)據(jù)分析和總經(jīng),獲得最優(yōu)的工藝技術(shù)參數(shù),但由于各地原材料、設(shè)備、生產(chǎn)工藝的差異,此方案不一定能夠完全匹配企業(yè)水玻璃的生產(chǎn),但只要用心總經(jīng),不斷優(yōu)化,一定能夠獲得符合自己實(shí)際生產(chǎn)情況的、提高濕法水玻璃濃度、模數(shù)的工藝方法。

對于參加實(shí)驗的廣東、江西兩企業(yè),由于采用了相同的設(shè)備和工藝,氫氧化鈉都購自國內(nèi)大型氯堿化工企業(yè),只是石英砂的產(chǎn)地不同,但質(zhì)量都符合表1的規(guī)定,生產(chǎn)過程采用了相同的配比和工藝技術(shù)參數(shù),生產(chǎn)出了符合要求的高濃度、高模數(shù)濕法水玻璃。

表1 原材料名稱及技術(shù)要求

表2 15萬噸/a水玻璃主要設(shè)備一覽表

5 結(jié)語

通過對濕法水玻璃原材料質(zhì)量的把控、設(shè)備的迭代升級、生產(chǎn)過程的管控,濕法水玻璃的濃度和模數(shù)都可以提高,達(dá)到表3規(guī)定的要求。推廣該工藝方法,不但可以拓寬濕法水玻璃的使用領(lǐng)域,而且能夠降低制造成本,更重要的是對解決濕法水玻璃濾渣長期困擾生產(chǎn)企業(yè)的難題很有幫助,是一項助推行業(yè)進(jìn)步、產(chǎn)品升級的科技成果,值得推廣應(yīng)用。

表3 改進(jìn)后50Be水玻璃參數(shù)目標(biāo)值

表4 水玻璃濾渣的主要化學(xué)成分(%)

表5 江西某公司水玻璃生產(chǎn)記錄表

表6 廣東某公司水玻璃生產(chǎn)記錄表