水玻璃生產(chǎn)裝置的優(yōu)化及改造

菅玉航 ， 陳衛(wèi)敏

(多氟多化工股份有限公司 ， 河南 焦作 454191)

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?生產(chǎn)與實(shí)踐?

水玻璃生產(chǎn)裝置的優(yōu)化及改造

菅玉航 ， 陳衛(wèi)敏

(多氟多化工股份有限公司 ， 河南 焦作 454191)

沉淀法生產(chǎn)的9 000 t/a白炭黑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，抵御市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力較差，為解決市場(chǎng)形勢(shì)變幻造成的白炭黑成品銷售疲軟問(wèn)題，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的市場(chǎng)分析及產(chǎn)品調(diào)研，將白炭黑硅渣開(kāi)發(fā)為一種新型的硅系列產(chǎn)品——九水偏硅酸鈉及水玻璃。但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)公司的水玻璃生產(chǎn)線存在生產(chǎn)裝置落后、勞動(dòng)強(qiáng)度較大、生產(chǎn)成本偏高、尾氣處理不理想等一系列問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，依據(jù)水玻璃物料性質(zhì)并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況對(duì)相關(guān)生產(chǎn)裝置進(jìn)行了優(yōu)化改造，改造后的水玻璃生產(chǎn)線不僅實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、均衡、穩(wěn)定，生產(chǎn)產(chǎn)能從原來(lái)的每月800 t提高到1 500 t，其生產(chǎn)成本更是得到大幅降低，從改造前的650元/t降低到500元/t，通過(guò)優(yōu)化其尾氣凈化工藝，更是改善了現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了尾氣的達(dá)標(biāo)排放。

水玻璃 ； 產(chǎn)能提高 ； 尾氣凈化達(dá)標(biāo)

0 前言

水玻璃又稱液體硅酸鈉，由于硅酸鈉的性能特殊，至今無(wú)可替代的產(chǎn)品出現(xiàn)，近年來(lái)硅酸鈉品種及數(shù)量均有大幅提升，已成為無(wú)機(jī)鹽行業(yè)中重要的產(chǎn)品。我國(guó)目前有硅酸鹽生產(chǎn)企業(yè)近200家，年總產(chǎn)量已達(dá)到300多萬(wàn)t。

傳統(tǒng)的水玻璃生產(chǎn)工藝主要分為干法生產(chǎn)和濕法生產(chǎn)兩種。干法的生產(chǎn)工藝主要包括：配料與熔融、浸溶、濃縮。以干法中的碳酸鈉法為例，其反應(yīng)式為：

濕法生產(chǎn)工藝主要包括：配料，反應(yīng)，將配好的料漿泵入反應(yīng)釜中，在(588～784)kPa的壓力下，于160～170 ℃攪拌反應(yīng)約7 h，然后過(guò)濾濃縮。反應(yīng)式如下：

傳統(tǒng)的干法、濕法生產(chǎn)工藝都已較為成熟，并已大范圍地推廣和應(yīng)用。但對(duì)公司的水玻璃生產(chǎn)借鑒意義不強(qiáng)，因?yàn)樗Ａa(chǎn)是在結(jié)合公司沉淀法生產(chǎn)9 000 t/a白炭黑產(chǎn)品的基礎(chǔ)上利用其硅渣軟膏同片堿反應(yīng)開(kāi)發(fā)出的一種新工藝，具有常壓反應(yīng)、攪拌時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但也正是由于該工藝屬于新開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)工藝，其在實(shí)際投產(chǎn)應(yīng)用方面仍存在一些問(wèn)題和缺陷。結(jié)合公司新開(kāi)發(fā)的水玻璃生產(chǎn)工藝的自身特點(diǎn)，我們對(duì)其開(kāi)展了一系列切實(shí)可行的技術(shù)改造，使其生產(chǎn)能夠更加的連續(xù)、穩(wěn)定，生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)大幅降低，并能改善現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)尾氣達(dá)標(biāo)排放的目的[1-2]。

1 物料性質(zhì)

水玻璃(Na2O·nSiO2)俗稱泡化堿，液態(tài)的硅酸鹽，一般把硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，它是一種礦黏合劑。化學(xué)式為Na2O·nSiO2，其中n為二氧化硅與堿金屬氧化物物質(zhì)的量的比值，稱為水玻璃的模數(shù)。

水玻璃在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用非常廣泛，其用途幾乎遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。在化工系統(tǒng)被用來(lái)制造硅膠、白炭黑、沸石分子篩、五水偏硅酸鈉、硅溶膠、層硅及速溶粉狀硅酸鈉、硅酸鉀鈉等各種硅酸鹽類產(chǎn)品，是硅化合物的基本原料。在輕工業(yè)中是洗衣粉、肥皂等洗滌劑中不可缺少的原料，也是水質(zhì)軟化劑、助沉劑；在紡織工業(yè)中用于助染、漂白和漿紗；在機(jī)械行業(yè)中廣泛用于鑄造、砂輪制造和金屬防腐劑等；在建筑行業(yè)中用于制造快干水泥、耐酸水泥防水油、土壤固化劑、耐火材料等；在農(nóng)業(yè)方面可制造硅素肥料；另外用作石油催化裂化的硅鋁催化劑、肥皂的填料、瓦楞紙的膠黏劑、金屬防腐劑、水軟化劑、洗滌劑助劑、耐火材料和陶瓷原料、紡織品的漂、染和漿料、礦山選礦、防水、堵漏、木材防火、食品防腐以及制膠黏劑等。

由于生產(chǎn)工藝的不同，各種工藝生產(chǎn)出的水玻璃產(chǎn)品指標(biāo)及應(yīng)用范圍也都各不相同，公司新開(kāi)發(fā)的水玻璃生產(chǎn)工藝雖具有其獨(dú)特性，但其反應(yīng)方式同濕法工藝較為相似，因此其產(chǎn)品指標(biāo)基本具備濕法水玻璃的特點(diǎn)(傳統(tǒng)濕法工藝由于其技術(shù)局限，只能生產(chǎn)低模數(shù)2.2～2.5的水玻璃)，模數(shù)2.4左右，偏低，密度1.5 kg/L左右。

2 工藝簡(jiǎn)介

在未改造前，公司的水玻璃生產(chǎn)工藝流程較為簡(jiǎn)單，主要包括：硅渣運(yùn)輸、投料合成、調(diào)膜。其具體流程為在合成槽內(nèi)按照比例投入一定的片堿，再投入由硅渣輸送車輛送來(lái)的一定量的白炭黑硅渣，將合成反應(yīng)溫度控制在t>75 ℃，反應(yīng)結(jié)束，指標(biāo)合格后，開(kāi)啟料漿泵，將水玻璃泵入儲(chǔ)槽即可。由于原料白炭黑硅渣中含有一定量的氨，反應(yīng)過(guò)程中會(huì)隨合成尾氣釋放出來(lái)，經(jīng)過(guò)工藝水循環(huán)吸收后，進(jìn)行排放。

按照模數(shù)的配比計(jì)算加料量(模數(shù)M=2.3～2.6)，將白炭黑硅渣加入到溶化后的固堿溶液體系中，加蒸汽進(jìn)行反應(yīng)合成，再經(jīng)調(diào)膜即可得到合格產(chǎn)品。

3 合成系統(tǒng)優(yōu)化改造

3.1 存在問(wèn)題及原因

在未改造之前，由于加料系統(tǒng)有缺陷，合成反應(yīng)一直存在硅渣、片堿不能同時(shí)下料，反應(yīng)放熱不能持續(xù)穩(wěn)定的供給合成所需熱量，需通過(guò)蒸汽加熱保障合成反應(yīng)持續(xù)等一系列問(wèn)題，這也是整個(gè)水玻璃生產(chǎn)不能連續(xù)及成本偏高的根本原因。

3.2 改造措施及效果

3.2.1 增加一臺(tái)廂式隔膜壓濾機(jī)

增加一臺(tái)過(guò)濾面積為200 m2的廂式隔膜壓濾機(jī)XAGZ200/1250-UK，使得水玻璃工段具備了自主過(guò)濾白炭黑料漿生產(chǎn)的硅渣能力，每小時(shí)可過(guò)濾硅渣2 t。同時(shí)壓榨機(jī)配備的一臺(tái)多級(jí)離心壓榨泵，泵壓0.6～0.8 MPa則可保證過(guò)濾得到的硅渣水分≤68%。

3.2.2 增加兩臺(tái)帶式輸送機(jī)

增加了兩臺(tái)輸送能力為10 t/h，帶變頻可調(diào)節(jié)輸送量的帶式輸送機(jī)，并且其中一臺(tái)帶有電動(dòng)犁式卸料器，可控制卸料。

3.2.3 增加一套洗滌裝置

對(duì)反應(yīng)所需的硅渣增加了一套洗滌裝置，通過(guò)新增的幾臺(tái)洗滌水泵，利用廂式隔膜壓濾機(jī)明流、暗流兩條洗滌通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅渣的充分洗滌，提高了參與合成反應(yīng)的硅渣的純度。

通過(guò)增加的廂式隔膜壓濾機(jī)、帶式輸送機(jī)等設(shè)備，使得合成反應(yīng)所需的硅渣及片堿能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)、連續(xù)、穩(wěn)定的下料供給，可直接提升水玻璃的生產(chǎn)產(chǎn)能。另外通過(guò)新增的一臺(tái)高壓壓榨泵，使得硅渣水分從改造前的75%降低到68%左右，通過(guò)新增的硅渣洗滌系統(tǒng)，使得硅渣中SiO2從改造前的80%提升到89%左右，這不僅大大縮短了整個(gè)合成系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，更是節(jié)約了蒸汽消耗。

4 尾氣凈化系統(tǒng)改造

4.1 存在問(wèn)題及原因

原有的合成尾氣凈化系統(tǒng)采用工藝循環(huán)水對(duì)含氨尾氣進(jìn)行吸收，吸收效果持續(xù)性差，且塔內(nèi)所裝的塑料鮑爾環(huán)填料規(guī)格為38 mm×38 mm×1.4 mm，其干填料因子為220 m-1，經(jīng)過(guò)Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式對(duì)吸收塔進(jìn)行計(jì)算，得知其泛點(diǎn)速度和其吸收塔塔徑的匹配性存在問(wèn)題，造成吸收效果不理想。

4.2 改造措施及效果

①將原有吸收塔的循環(huán)吸收液由工藝水改為低濃度氟硅酸，濃度穩(wěn)定在10%～15%，并增加一臺(tái)50 m2的石墨換熱器，利用一次水對(duì)循環(huán)吸收液進(jìn)行冷卻。②將原有的塑料鮑爾環(huán)填料由38 mm×38 mm×1.4 mm更換為76 mm×76 mm×2.6 mm。

通過(guò)上述兩步改造，不僅利用氟硅酸和含氨尾氣的中和反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)尾氣的完全凈化，而且還增加了一套吸收循環(huán)液冷卻裝置，保障系統(tǒng)能夠及時(shí)消化酸堿中和吸收所放出的熱量，實(shí)現(xiàn)較低的吸收液溫度，維持吸收效果的持續(xù)性。吸收過(guò)程中生成的氟化銨和硅膠晶種，可在其pH值達(dá)到6.5～7時(shí)將吸收液泵入硅法工段作為氨解晶種使用，并重新往吸收塔內(nèi)加入酸進(jìn)行吸收，實(shí)現(xiàn)整套尾氣吸收系統(tǒng)的循環(huán)和平衡。將塑料鮑爾環(huán)填料更換為76 mm×76 mm×2.6 mm的型號(hào)后，其干填料因子降為94 m-1，這樣可提高吸收塔的泛點(diǎn)速度，實(shí)現(xiàn)了和吸收塔塔徑的合理匹配，保障了吸收效果。

5 改造后的流程

改造后流程如圖1所示。

圖1 改造后流程圖

6 改造前后結(jié)果對(duì)比

改造前后結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 改造前后參數(shù)對(duì)比

7 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)水玻璃生產(chǎn)裝置的優(yōu)化及改造，不僅使新開(kāi)發(fā)的硅系列產(chǎn)品生產(chǎn)工藝更加的科學(xué)、完善、節(jié)能、環(huán)保，而且新工藝的實(shí)施，將在水玻璃生產(chǎn)行業(yè)中引起一場(chǎng)較大的技術(shù)變革，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因而具有較廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1] 馮詩(shī)慶.水玻璃生產(chǎn)新工藝研究[J].非金屬礦,1994(3):40-42.

[2] 吳德榮.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].4版,北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

“十三五”資源領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃印發(fā)

從科技部獲悉，為更好地引領(lǐng)資源領(lǐng)域“十三五”科技發(fā)展方向，培育和增強(qiáng)原始創(chuàng)新能力，強(qiáng)化科技進(jìn)步對(duì)行業(yè)發(fā)展的支撐引領(lǐng)作用，科技部、國(guó)土資源部、水利部近日印發(fā)《“十三五”資源領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》)，要求以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、綠色發(fā)展、集約利用、安全保障為總體思路，在資源領(lǐng)域集中突破一批基礎(chǔ)性理論與核心關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)研發(fā)一批重大關(guān)鍵裝備，構(gòu)建資源勘探、開(kāi)發(fā)與綜合利用理論與技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)節(jié)約高效利用資源、保障資源供給安全，為新常態(tài)下國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施、資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)建立以及美麗中國(guó)建設(shè)提供強(qiáng)有力的科技支撐。

《規(guī)劃》指出，根據(jù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需求，以實(shí)地勘探、綠色開(kāi)發(fā)、智能裝備、綜合協(xié)調(diào)等為重點(diǎn)，在水土資源綜合利用、資源勘查、油氣與非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)、煤炭資源綠色開(kāi)發(fā)、礦產(chǎn)資源清潔開(kāi)發(fā)、資源循環(huán)利用、綜合資源區(qū)劃等方面，集中突破一批基礎(chǔ)性理論與核心關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)研發(fā)一批重大關(guān)鍵裝備，構(gòu)建資源勘探、開(kāi)發(fā)與綜合利用理論與技術(shù)體系;建立若干具有國(guó)際先進(jìn)水平的基礎(chǔ)理論研究與技術(shù)研發(fā)平臺(tái)、工程轉(zhuǎn)化與技術(shù)轉(zhuǎn)移平臺(tái)、工程示范與產(chǎn)業(yè)化基地;培養(yǎng)一批高水平的科技人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，逐步形成與我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng)的資源科技創(chuàng)新體系。

《規(guī)劃》還明確了各個(gè)領(lǐng)域的重點(diǎn)任務(wù)。以水資源為例，圍繞中央確定的“節(jié)水優(yōu)先，空間均衡，系統(tǒng)治理，兩手發(fā)力”治水方針，統(tǒng)籌節(jié)水與供水、地表水和地下水、常規(guī)和非常規(guī)水、實(shí)體水和虛擬水，實(shí)施全鏈條創(chuàng)新，構(gòu)建重點(diǎn)區(qū)域水安全保障技術(shù)解決方案，為保障國(guó)家水安全提供科技支撐。

2017-03-10

菅玉航(1987-)，男，助理工程師，從事無(wú)機(jī)化工生產(chǎn)工藝控制及改進(jìn)工作，電話：18317296853。

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