林爽

(天津渤化工程有限公司，天津300193)

純堿，學(xué)名碳酸鈉（Na2CO3），是一種重要的基礎(chǔ)性原料，被廣泛應(yīng)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(yè)。根據(jù)顆粒粒度不同，純堿可以分為輕質(zhì)純堿（輕灰，白色結(jié)晶粉末，堆積密度為0.49～0.58g/cm3）和重質(zhì)純堿（重灰，白色細(xì)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(yùn)。

目前重質(zhì)純堿的生產(chǎn)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(diǎn)：1）化合反應(yīng)過程中水與輕灰反應(yīng)時(shí)間短，水合率相對較低，故粒度均勻程度較差，但產(chǎn)品堆積密度較高；2）過程產(chǎn)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(shè)備相對簡單，設(shè)備布置緊湊。

本文主要介紹固相水合法生產(chǎn)重灰的工藝流程和工作原理，簡要分析對重灰粒度產(chǎn)生影響的幾個(gè)因素，并闡述在工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)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(jìn)入水合機(jī)內(nèi)，一定溫度條件下，在水合機(jī)的旋轉(zhuǎn)攪拌作用下，相互接觸發(fā)生反應(yīng)生成一水堿；一水堿經(jīng)破碎進(jìn)入流化床干燥區(qū)，在高溫空氣的作用下，以流化狀態(tài)與蒸汽間接換熱進(jìn)行煅燒分解，干燥完成后進(jìn)入流化床的冷卻區(qū)，冷卻后的成品重灰進(jìn)入后續(xù)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(chǎn)物，不同水合產(chǎn)物結(jié)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(jié)合水，反應(yīng)方程式為：

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

隨溫度升高，Na2CO3·H2O 溶解度降低。當(dāng)溫度高于35.4℃時(shí)，從飽和液中析出；當(dāng)加熱至100℃左右時(shí)，失去結(jié)晶水轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕c[4]。

在Na2CO3與水發(fā)生化合反應(yīng)生成一水堿過程中，其晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，排列變得更加密實(shí)，結(jié)晶顆粒更加光滑均勻。當(dāng)一水堿受熱分解時(shí)，結(jié)合水被趕出，但不會破壞其密集的晶格結(jié)構(gòu)，脫水分解后的產(chǎn)品將具有顆粒大堆積密度大的優(yōu)點(diǎn)[2]。固相水合法就是利用純堿這一特點(diǎn)，先制得一水堿結(jié)晶，再經(jīng)過流化干燥，脫去一水堿中的結(jié)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(yīng)是固相水合法的核心，而水合反應(yīng)產(chǎn)物，一水堿結(jié)晶情況，是控制重灰堆積密度、成品粒度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。影響水合反應(yīng)的因素較多，主要有：反應(yīng)水堿比，化堿用化合水溫度和濃度[2]，水合機(jī)出汽溫度（即反應(yīng)溫度），輕灰溫度等。

3.1 水堿比

水合反應(yīng)水量調(diào)節(jié)過多，造成水堿比過大，一水堿結(jié)晶易成糊狀，會出現(xiàn)稀堿現(xiàn)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(shí)存在著死床的危險(xiǎn)；而水量調(diào)節(jié)過少，輕灰和化合水接觸不夠充分，部分輕灰無法與水發(fā)生反應(yīng)，水合反應(yīng)不完全，會出現(xiàn)堿球現(xiàn)象（一水堿內(nèi)會含有部分輕灰），造成重灰成品粒度低，制得的重質(zhì)純堿的密度達(dá)不到要求[3]。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮水分的蒸發(fā)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(biāo)和后續(xù)蒸汽消耗指標(biāo)，是固相水合法水合反應(yīng)關(guān)鍵影響因素之一。

3.2 化合水溫度和濃度

水合機(jī)的進(jìn)水溫度對重灰粒度分布影響較大?；纤疁囟冗^低，不利于晶核的形成及晶粒的成長，導(dǎo)致一水堿結(jié)晶過細(xì)；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(shí)際生產(chǎn)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(gè)溫度范圍內(nèi)，一水堿結(jié)晶顆粒均勻密實(shí)而大顆粒少，所得重灰成品粒度分布較為均勻。

在重灰生產(chǎn)中，流化床和水合機(jī)隨負(fù)壓抽出的細(xì)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(tǒng)中部分堿也將隨之排出，造成物料的浪費(fèi)，同時(shí)還污染環(huán)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(chǎn)品損失。但化合水濃度過高，會影響水合反應(yīng)一水堿結(jié)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(shí)對重灰粒度影響不大。

3.3 水合機(jī)出汽溫度（即反應(yīng)溫度）

由前文介紹的反應(yīng)方程式可知，水合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度對水合反應(yīng)晶粒的成長有著直接的影響[2]。水合機(jī)內(nèi)反應(yīng)溫度高，結(jié)晶過程變慢，粒度分布不均勻，水份蒸發(fā)量大，化合水用量增大，也造成后續(xù)除塵系統(tǒng)能耗增大；水合機(jī)內(nèi)反應(yīng)溫度低，結(jié)晶速度快，但結(jié)晶較細(xì)，晶粒間相互黏連，一水堿粘性增大，多余水分難以蒸發(fā)，造成稀堿現(xiàn)象。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，保證一水堿結(jié)晶正常的前提下[3]，通過水合機(jī)上負(fù)壓抽氣口，將一水堿化合時(shí)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(yīng)中反應(yīng)溫度主要靠水合機(jī)出汽溫度和壓力來調(diào)節(jié)，所以水合機(jī)出汽溫度和壓力是水合反應(yīng)重要可控制指標(biāo)之一。

3.4 輕灰溫度

當(dāng)輕灰溫度過低時(shí)（一般表現(xiàn)為小于150℃），一方面水合反應(yīng)溫度達(dá)不到要求，調(diào)節(jié)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(jìn)入水合機(jī)中，與水和Na2CO3混合后發(fā)生反應(yīng)生成倍半碳酸鈉（Na2CO3·NaHCO3·H2O），倍半碳酸鈉黏度較高且極易結(jié)球、粘壁[2]，造成一水堿出現(xiàn)超大顆粒，且晶粒分布不均，出現(xiàn)堿球現(xiàn)象，水合機(jī)粘壁，嚴(yán)重影響重灰產(chǎn)品的粒度與白度。當(dāng)輕灰溫度過高時(shí)，為了保證化合反應(yīng)溫度適當(dāng)（80～90℃），必須提高負(fù)壓抽氣量，降低水合機(jī)反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低粒徑均勻度，增大重灰洗滌塔的負(fù)荷，同時(shí)造成能耗加大。在實(shí)際生產(chǎn)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(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

4.1 利用重灰洗滌液作為化合水進(jìn)行水合反應(yīng)，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(zhì)管道進(jìn)行敷設(shè)，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(jī)因水合反應(yīng)溫度控制不當(dāng)、水堿比控制不當(dāng)、輕灰結(jié)晶不好、化合水腐蝕管道、化合水溫度及濃度控制不當(dāng)?shù)葐栴}，易引起內(nèi)部結(jié)疤問題，影響重灰產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)結(jié)疤后清理困難，增加現(xiàn)場操作人員的勞動強(qiáng)度。所以在生產(chǎn)過程中，建議在固相水合法生產(chǎn)重灰的工藝過程中使用先進(jìn)的DCS 控制系統(tǒng)，減少水合操作不當(dāng)產(chǎn)生的結(jié)疤問題，并定期進(jìn)行清理。

4.3 在固相水合機(jī)進(jìn)堿螺旋輸送機(jī)處增加變頻器，減少電消耗的同時(shí)，便于水堿比的頻繁調(diào)節(jié)。

4.4 輕灰中鈣鎂雜質(zhì)含量會影響到水合反應(yīng)結(jié)晶情況，鈣雜質(zhì)的含量過高會引起結(jié)晶形狀不規(guī)則，結(jié)晶體混濁、黯淡、無光澤等，甚至?xí)?dǎo)致一水堿不結(jié)晶，使水合機(jī)結(jié)疤堵塞；鎂雜質(zhì)的含量過高會引起結(jié)晶松散無力，煅燒后粉化等問題。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，建議定期檢測進(jìn)水合機(jī)的輕灰中鈣鎂雜質(zhì)的含量。

5 結(jié)論

通過對固相水合法生產(chǎn)重灰的工藝流程、工作原理和重灰產(chǎn)物粒度影響因素的系統(tǒng)梳理，能夠?yàn)橹鼗疑a(chǎn)的工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更為全面深入的理論支撐。