純堿生產(chǎn)過(guò)程中碳化的相關(guān)研究

吳巴特爾 任錢(qián)云

摘 要：純堿工業(yè)是國(guó)內(nèi)非常關(guān)鍵的一項(xiàng)基礎(chǔ)工業(yè)。在加工生產(chǎn)純堿過(guò)程中，要采取一定的碳化工序與流程。本文基于碳化工序及工藝流程，歸納了碳化工序影響純堿質(zhì)量的具體表現(xiàn)，并根據(jù)碳化工序中原鹽消耗的狀況提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，旨在為國(guó)內(nèi)純堿工業(yè)發(fā)展提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：碳化工序;碳化塔;純堿生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：TQ114.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）29-0067-03

Abstract： The soda ash industry is a key industry in China. In the process of processing soda ash， certain carbonization processes and processes must be adopted. Based on the carbonization process and process flow， this paper summarized the specific performance of the soda ash quality in the carbonization process， and proposed corresponding countermeasures according to the situation of raw salt consumption in the carbonization process， aiming to provide reference for the development of domestic soda ash industry.

Keywords： carbonization process;carbonization tower;soda ash production

純堿又叫碳酸鈉，其化學(xué)分子式為Na2CO3，是工業(yè)生產(chǎn)加工中的一種主要原料，被稱為“化工之母”。純堿的消耗量與產(chǎn)量，是判斷一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的主要依據(jù)之一。目前，很多大型純堿加工廠都采用了非常先進(jìn)的加工生產(chǎn)工藝，在關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)采用了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)，提升了純堿技術(shù)水平?？梢哉f(shuō)，只有純堿生產(chǎn)過(guò)程中的碳化工藝達(dá)到較高水平，才能更好地提升純堿的質(zhì)量。

1 碳化工序工藝流程

在生產(chǎn)加工純堿產(chǎn)品過(guò)程中，碳化是非常關(guān)鍵的一道工序，受其影響的工藝流程最多。在碳化塔中，涵蓋了固相、液相、氣相等各種生成物與反應(yīng)物，而且還伴隨著傳熱、傳質(zhì)過(guò)程。碳化塔在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)形成堿疤，所以需要對(duì)碳化塔進(jìn)行編組，每組包括4～6座碳化塔，各組碳化塔中包括一座清洗塔，其作用是清洗制堿環(huán)節(jié)形成的各種堿疤，并且對(duì)相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行預(yù)碳化。在碳化塔使用過(guò)程中，真正用來(lái)制堿時(shí)間持續(xù)3～4d，清洗時(shí)間持續(xù)16～24h。

“三氣”（中段氣、清洗氣以及下段氣）是碳化塔中二氧化碳的主要來(lái)源。下段氣來(lái)自于煅燒重堿產(chǎn)生的爐氣，二氧化碳濃度較高，通常情況下回收爐氣中會(huì)存在部分窯氣，以增加下段氣量。下段氣中二氧化碳所占比例要大于80%，從制堿塔第1圈就注入部分下段氣。中段氣以及清洗氣均是窯氣，其二氧化碳含量通常維持在40%左右，在第7圈時(shí)加入中段氣，在第1圈加入清洗氣。從吸收工序來(lái)看，當(dāng)氨鹽水被輸送到清洗塔的第28圈時(shí)，加入部分清洗氣以及中段氣，其在塔內(nèi)中可以逆流接觸，從而進(jìn)行清洗以及預(yù)碳化作業(yè)，塔下出料是已經(jīng)碳化的中和水，可以通過(guò)聯(lián)絡(luò)管直接傳輸?shù)街泻退脤?duì)應(yīng)進(jìn)口，輸送到制堿塔上邊的第27圈。在制堿塔內(nèi)，中段氣、下段氣與中和水進(jìn)行逆流接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成了相應(yīng)數(shù)量的NaHCO3懸浮液，通過(guò)碳化塔下邊的冷卻水箱進(jìn)行冷卻，然后從塔下的出堿管傳輸?shù)匠鰤A槽，最后進(jìn)行固液分離操作[1]。

尾氣從清洗塔塔頂逸出進(jìn)入制堿塔，經(jīng)由碳化塔內(nèi)尾氣總管進(jìn)入碳化塔的下部，與鹽水車間輸送的精鹽水展開(kāi)了逆流接觸，吸收其中的二氧化碳，吸收后的溶液稱之為淡氨鹽水，然后再由“U”型管自壓到淡氨鹽水桶內(nèi)。

針對(duì)碳化尾氣中攜帶的部分液體，在通過(guò)尾氣總管時(shí)，借助“U”型管進(jìn)行氣液分離作業(yè)，分離后得到的液體為碳化回鹵，而且可經(jīng)由“U”型管進(jìn)入中和水泵入口。假如未對(duì)碳化回鹵進(jìn)行分離作業(yè)，必須在尾氣進(jìn)入凈氨塔之前進(jìn)行分離作業(yè)，液體流入淡氨鹽水桶。

碳化冷卻水分涵蓋了兩個(gè)組成部分：首先，碳化冷卻水經(jīng)給排水冷凍水崗輸送過(guò)來(lái)，從第1節(jié)水箱流入，從第3節(jié)水箱流出，并返回冷凍水崗位;其次，從給排水車間循環(huán)水崗位傳輸過(guò)來(lái)，從第4節(jié)水箱中流入，從第6、8節(jié)水箱中流出，最后再次流入到循環(huán)水崗位。碳化工序工藝流程如圖1所示。

2 碳化工序影響純堿質(zhì)量的具體表現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵操作條件的有效控制

在進(jìn)行碳化操作過(guò)程中，析出的NaHCO3結(jié)晶數(shù)量越多越好，以此提升氯化鈉的實(shí)際轉(zhuǎn)化率。原因在于，在生產(chǎn)加工純堿的過(guò)程中，可以循環(huán)使用氨，但卻無(wú)法循環(huán)使用氯化鈉。所以，為了盡可能地降低鹽耗，應(yīng)該保證碳化環(huán)節(jié)相關(guān)操作落實(shí)到位[2]。

2.1.1 碳化出堿溫度。首先，碳化過(guò)程中出堿溫度一般要控制在27～30℃，適度降低溫度，可以在析出較多的NaHCO3固體的條件下，生成更多的NaHCO3結(jié)晶，提升氯化鈉轉(zhuǎn)化率。

2.1.2 氨鹽水中的氨鈉比。當(dāng)碳化環(huán)節(jié)的出堿溫度降到30℃以下，從相圖分析可以看出，氨鈉比達(dá)到了0.995。但是，在真正生產(chǎn)過(guò)程中，碳化尾氣攜帶著一些NH3，所以氨鹽水的實(shí)際氨鈉比會(huì)大于理論值，范圍為1.14～1.18。

2.2 碳化工序影響純堿鐵分的狀況與控制碳化工序

純堿中鐵成分含量會(huì)對(duì)最終得純堿質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。由于碳化塔的絕大部分部件都由鑄鐵制造，使得碳化塔中的各種反應(yīng)物料（氨鹽水）對(duì)碳化塔部件腐蝕程度嚴(yán)重，那么純堿中勢(shì)必會(huì)存在一些鐵成分。假如純堿產(chǎn)品的鐵成分比例較大，那么就無(wú)法滿足客戶需求，并且表明碳化塔腐蝕程度非常嚴(yán)重，影響了其使用壽命。所以，在碳化生產(chǎn)工序中應(yīng)該有效地控制純堿中鐵成分含量。筆者針對(duì)這一問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決策略。

2.2.1 “三氣”成分（下段氣、清洗氣與中段氣）。下段氣、清洗氣與中段氣中不但涵蓋了二氧化碳，而且還涵蓋了一定含量的氧氣。由于碳化塔大部分組件為鑄鐵件，可與“三氣”中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成氧化鐵等物質(zhì)，造成了純堿中的鐵分含量比較高。

壓縮機(jī)在抽吸爐氣以及窯氣的過(guò)程中，爐氣管以及窯氣管間出現(xiàn)了顯著的負(fù)壓，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。在檢修過(guò)程中，空氣可能被抽進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)，若不能對(duì)石灰窯進(jìn)行有效控制，“三氣”中的含氧量還會(huì)提高。為了對(duì)含氧量進(jìn)行控制，應(yīng)該定期分析爐氣、窯氣的實(shí)際成分，并切實(shí)采取措施。由于“三氣”形成的壓力較大，空氣不能進(jìn)入其中，一般只能在爐氣、壓縮窯氣前被吸入系統(tǒng)。

應(yīng)該查明含氧量偏高的具體原因，從而采取針對(duì)性措施。造成氧含量偏高的原因主要有以下幾點(diǎn)。第一，爐氣成分較差，這可能是兩方面因素造成的，一方面為煅燒爐頭存在著較大負(fù)壓，進(jìn)入了空氣成分;另一方面為設(shè)備檢修或者爐氣系統(tǒng)出現(xiàn)了漏點(diǎn)。第二，窯氣成分不夠好，首先，石灰窯頂?shù)呢?fù)壓較大，石灰窯卻只有較低的負(fù)荷，壓縮機(jī)抽進(jìn)的氣量過(guò)多，窯氣中被抽入過(guò)量空氣;其次，進(jìn)入石灰窯發(fā)生反應(yīng)的空氣量過(guò)多，或不能均勻地與石灰窯相關(guān)物料發(fā)生反應(yīng)，空氣出現(xiàn)了偏流現(xiàn)象;最后，設(shè)備損壞或檢修，系統(tǒng)存在著漏點(diǎn)。

2.2.2 新投用的碳化塔。新碳化塔設(shè)備在投入生產(chǎn)時(shí)，其表面鐵銹較多，未能形成針對(duì)性的設(shè)備保護(hù)層，這使得在使用新的碳化塔進(jìn)行碳化作業(yè)時(shí)，產(chǎn)品中的鐵分含量會(huì)很高，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)形成紅堿;或是碳化塔停車操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，碳化塔中的物料浸泡過(guò)久，硫膜、堿疤發(fā)生了溶解，出現(xiàn)了脫落現(xiàn)象，最終生成紅堿。所以，應(yīng)該加入更多的氯化鎂與硫化鈉，增加碳化塔內(nèi)鎂與硫這些物料的含量，使碳化塔中盡快進(jìn)行保護(hù)層[3]。

除此之外，針對(duì)新投用碳化塔與相關(guān)設(shè)備，在安裝設(shè)備前，應(yīng)該盡量地除去這些設(shè)施內(nèi)部表面的鐵銹，或者在相關(guān)設(shè)備工作前進(jìn)行掛硫操作，增加系統(tǒng)中的硫化鈉濃度。投入使用后，首先要進(jìn)行低負(fù)荷生產(chǎn)，降低單塔鐵分含量高，避免出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。

3 純堿生產(chǎn)碳化工序問(wèn)題應(yīng)對(duì)措施

3.1 碳化反應(yīng)平衡控制

為了保證碳化反應(yīng)的正常進(jìn)行，需要進(jìn)行平衡控制，保證碳化工序能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定碳化轉(zhuǎn)化效率目標(biāo)，減少反應(yīng)物料實(shí)際當(dāng)量，減少原鹽消耗。通常情況下，應(yīng)該增加下段氣中二氧化碳?jí)毫εc濃度，并且降低下段氣溫度，確保氨鹽水中的鹽分適當(dāng)。通過(guò)平衡控制，原鹽利用率提升，物料當(dāng)量減少，母液處理量也有所降低，實(shí)現(xiàn)了氨、低壓蒸汽、灰乳以及原鹽的低消耗目標(biāo)。

碳化塔中有著許多復(fù)雜的反應(yīng)情況，塔內(nèi)液位多通過(guò)塔壓以及尾氣壓力進(jìn)行控制。碳化塔中塔壓較高，而只有尾氣壓力較低時(shí)，碳化塔才能保持較高液位。碳化塔液位直接影響塔中相關(guān)化學(xué)反應(yīng)平衡狀況，因此在塔壓比較高的情況下，應(yīng)該持續(xù)地提升下段氣進(jìn)塔壓力，促使其中的化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行，保證碳化塔中的液位持續(xù)升高。二氧化碳進(jìn)入碳化塔后，和塔內(nèi)液體接觸面積較大，經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，能夠使二氧化碳全部被吸收，促進(jìn)純堿產(chǎn)品的結(jié)晶。

3.2 制堿塔操作控制

制堿塔操作會(huì)在較大程度上影響資源消耗。為了進(jìn)一步提升碳化堿液結(jié)晶質(zhì)量，應(yīng)該有效地控制碳化塔中的負(fù)荷，確保制堿時(shí)間持續(xù)60～80min，使結(jié)晶具有足夠的成長(zhǎng)時(shí)間。并根據(jù)實(shí)際情況，提升塔中的二氧化碳濃度，使其既可以增加反應(yīng)推動(dòng)力與吸收速度，又能夠削減因氣體劇烈攪動(dòng)而導(dǎo)致的碳化結(jié)晶效率降低的現(xiàn)象。此外，還要減少堿液與冷卻水之間的溫差，避免出現(xiàn)急劇降溫現(xiàn)象，致使結(jié)晶過(guò)細(xì)。

另外，要控制下段氣溫度，使之接近出堿液的實(shí)際溫度，具體應(yīng)該從碳化塔第一圈加入下段氣。假如下段氣溫度偏高，會(huì)對(duì)碳化塔冷卻效果產(chǎn)生影響，具體原因是堿液自身溫度提升，溶解了部分出堿液結(jié)晶，導(dǎo)致結(jié)晶以及母液不能有效地進(jìn)行分離，增加了原料損失。然而，夏季的水溫普遍較高，通常情況下要使堿液溫度維持在10℃左右，否則下段氣難以有效冷卻，造成原料過(guò)量消耗。

3.3 開(kāi)、停塔對(duì)消耗的影響

由于系統(tǒng)自身問(wèn)題，或者是碳化塔發(fā)生了臨時(shí)停塔問(wèn)題，碳化塔下部的相關(guān)堿液中都會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶固體。隨著時(shí)間增加，固體堿出現(xiàn)了沉降，堵塞相關(guān)管道。所以，在停塔的情況下，通常要將中和水注入碳化塔的塔底，進(jìn)行回頂作業(yè)。在開(kāi)塔條件下，由于塔底中和水碳化度不高，取出液中母液達(dá)到堿結(jié)晶目的，防止原鹽被浪費(fèi)。在停塔的條件下，不再利用中和水，而采取熱母液進(jìn)行回頂，因?yàn)橐呀?jīng)利用了母液中的原鹽，一定程度上降低了開(kāi)塔過(guò)程中的原鹽損失[4]。

3.4 碳酸氫鈉結(jié)晶與過(guò)飽和度

在結(jié)晶過(guò)程中，過(guò)飽和度起著關(guān)鍵性作用，其是晶核長(zhǎng)大、發(fā)育與生長(zhǎng)的主要推動(dòng)力。在制堿塔中部以前，碳化液容易形成碳酸氫鈉的過(guò)飽和溶液，碳酸氫鈉的過(guò)飽和溶液缺乏穩(wěn)定性，在溫度下降時(shí)，碳酸氫鈉結(jié)晶易于析出，特別是在過(guò)飽和溶液受到了快速冷卻的影響時(shí)，非常容易生成細(xì)晶體，因此在碳化環(huán)節(jié)，應(yīng)該盡可能地避免這種問(wèn)題。在純堿實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，要適當(dāng)?shù)乜刂浦茐A塔中開(kāi)始形成純堿結(jié)晶時(shí)的溫度，使其維持在65℃左右。在碳化塔的中部以下部分，要對(duì)冷卻水量進(jìn)行控制，而且還要對(duì)中段氣溫度進(jìn)行控制，緩慢地對(duì)碳化液進(jìn)行冷卻，如此形成的結(jié)晶才會(huì)更加粗大、更加均勻。這也表明碳化塔過(guò)濾性能是非常優(yōu)良的，可以降低洗水用量，減少溶解數(shù)量以及穿透損失。如結(jié)晶效果較差，通常情況下會(huì)影響過(guò)濾效果，造成較大的物料損失，會(huì)消耗較多的能源，設(shè)備利用效率也比較差，嚴(yán)重影響生產(chǎn)質(zhì)量。

3.5 碳化塔的熱交換效果

碳化反應(yīng)屬于典型的放熱反應(yīng)，其熱交換效果對(duì)晶體質(zhì)量有著決定性作用。當(dāng)生產(chǎn)條件發(fā)生波動(dòng)，如不得不降低或減少碳化塔的進(jìn)氣量、進(jìn)液量與二氧化碳的濃度時(shí)，應(yīng)該第一時(shí)間降低出堿速度，或削減冷卻水量，避免出現(xiàn)中溫過(guò)低破壞碳酸氫鈉結(jié)晶等問(wèn)題。在中部溫度滿足相應(yīng)指標(biāo)前，應(yīng)該對(duì)冷卻水流量進(jìn)行控制，從下往上循序漸進(jìn)地改用水層，削減碳化液與冷卻水的溫差，防止出現(xiàn)過(guò)飽和度過(guò)大而導(dǎo)致堿疤積累或堵塔的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

在純堿加工生產(chǎn)碳化環(huán)節(jié)，內(nèi)部的固相、氣相、液相都會(huì)發(fā)生非常復(fù)雜的反應(yīng)，難以確定相關(guān)模型結(jié)構(gòu)，所以說(shuō)碳化工藝是非常關(guān)鍵的流程，其決定了純堿的生產(chǎn)水平與制造商的經(jīng)濟(jì)效益。因此，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)加工實(shí)際情況對(duì)純堿碳化流程進(jìn)行優(yōu)化。

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