純堿生產過程中碳化的相關研究

吳巴特爾 任錢云

摘 要：純堿工業是國內非常關鍵的一項基礎工業。在加工生產純堿過程中，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量的具體表現，并根據碳化工序中原鹽消耗的狀況提出相應的應對措施，旨在為國內純堿工業發展提供參考依據。

關鍵詞：碳化工序;碳化塔;純堿生產

中圖分類號：TQ114.1文獻標識碼：A文章編號：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，其化學分子式為Na2CO3，是工業生產加工中的一種主要原料，被稱為“化工之母”。純堿的消耗量與產量，是判斷一個國家工業發展水平的主要依據之一。目前，很多大型純堿加工廠都采用了非常先進的加工生產工藝，在關鍵生產環節采用了國內外先進的技術，提升了純堿技術水平。可以說，只有純堿生產過程中的碳化工藝達到較高水平，才能更好地提升純堿的質量。

1 碳化工序工藝流程

在生產加工純堿產品過程中，碳化是非常關鍵的一道工序，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物，而且還伴隨著傳熱、傳質過程。碳化塔在生產過程中會形成堿疤，所以需要對碳化塔進行編組，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節形成的各種堿疤，并且對相關物質進行預碳化。在碳化塔使用過程中，真正用來制堿時間持續3～4d，清洗時間持續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源。下段氣來自于煅燒重堿產生的爐氣，二氧化碳濃度較高，通常情況下回收爐氣中會存在部分窯氣，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圈時加入中段氣，在第1圈加入清洗氣。從吸收工序來看，當氨鹽水被輸送到清洗塔的第28圈時，加入部分清洗氣以及中段氣，其在塔內中可以逆流接觸，從而進行清洗以及預碳化作業，塔下出料是已經碳化的中和水，可以通過聯絡管直接傳輸到中和水泵對應進口，輸送到制堿塔上邊的第27圈。在制堿塔內，中段氣、下段氣與中和水進行逆流接觸，發生化學反應，形成了相應數量的NaHCO3懸浮液，通過碳化塔下邊的冷卻水箱進行冷卻，然后從塔下的出堿管傳輸到出堿槽，最后進行固液分離操作[1]。

尾氣從清洗塔塔頂逸出進入制堿塔，經由碳化塔內尾氣總管進入碳化塔的下部，與鹽水車間輸送的精鹽水展開了逆流接觸，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。

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

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

2 碳化工序影響純堿質量的具體表現

2.1 關鍵操作條件的有效控制

在進行碳化操作過程中，析出的NaHCO3結晶數量越多越好，以此提升氯化鈉的實際轉化率。原因在于，在生產加工純堿的過程中，可以循環使用氨，但卻無法循環使用氯化鈉。所以，為了盡可能地降低鹽耗，應該保證碳化環節相關操作落實到位[2]。

2.1.1 碳化出堿溫度。首先，碳化過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結晶，提升氯化鈉轉化率。

2.1.2 氨鹽水中的氨鈉比。當碳化環節的出堿溫度降到30℃以下，從相圖分析可以看出，氨鈉比達到了0.995。但是，在真正生產過程中，碳化尾氣攜帶著一些NH3，所以氨鹽水的實際氨鈉比會大于理論值，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對最終得純堿質量產生重大影響。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物料（氨鹽水）對碳化塔部件腐蝕程度嚴重，那么純堿中勢必會存在一些鐵成分。假如純堿產品的鐵成分比例較大，那么就無法滿足客戶需求，并且表明碳化塔腐蝕程度非常嚴重，影響了其使用壽命。所以，在碳化生產工序中應該有效地控制純堿中鐵成分含量。筆者針對這一問題，提出了相應的解決策略。

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”中的氧氣發生反應，形成氧化鐵等物質，造成了純堿中的鐵分含量比較高。

壓縮機在抽吸爐氣以及窯氣的過程中，爐氣管以及窯氣管間出現了顯著的負壓，可能導致設備損壞。在檢修過程中，空氣可能被抽進系統內，若不能對石灰窯進行有效控制，“三氣”中的含氧量還會提高。為了對含氧量進行控制，應該定期分析爐氣、窯氣的實際成分，并切實采取措施。由于“三氣”形成的壓力較大，空氣不能進入其中，一般只能在爐氣、壓縮窯氣前被吸入系統。

應該查明含氧量偏高的具體原因，從而采取針對性措施。造成氧含量偏高的原因主要有以下幾點。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壓，進入了空氣成分;另一方面為設備檢修或者爐氣系統出現了漏點。第二，窯氣成分不夠好，首先，石灰窯頂的負壓較大，石灰窯卻只有較低的負荷，壓縮機抽進的氣量過多，窯氣中被抽入過量空氣;其次，進入石灰窯發生反應的空氣量過多，或不能均勻地與石灰窯相關物料發生反應，空氣出現了偏流現象;最后，設備損壞或檢修，系統存在著漏點。

2.2.2 新投用的碳化塔。新碳化塔設備在投入生產時，其表面鐵銹較多，未能形成針對性的設備保護層，這使得在使用新的碳化塔進行碳化作業時，產品中的鐵分含量會很高，嚴重時可能會形成紅堿;或是碳化塔停車操作時間過長，碳化塔中的物料浸泡過久，硫膜、堿疤發生了溶解，出現了脫落現象，最終生成紅堿。所以，應該加入更多的氯化鎂與硫化鈉，增加碳化塔內鎂與硫這些物料的含量，使碳化塔中盡快進行保護層[3]。

除此之外，針對新投用碳化塔與相關設備，在安裝設備前，應該盡量地除去這些設施內部表面的鐵銹，或者在相關設備工作前進行掛硫操作，增加系統中的硫化鈉濃度。投入使用后，首先要進行低負荷生產，降低單塔鐵分含量高，避免出現產品質量問題。

3 純堿生產碳化工序問題應對措施

3.1 碳化反應平衡控制

為了保證碳化反應的正常進行，需要進行平衡控制，保證碳化工序能夠實現預定碳化轉化效率目標，減少反應物料實際當量，減少原鹽消耗。通常情況下，應該增加下段氣中二氧化碳壓力與濃度，并且降低下段氣溫度，確保氨鹽水中的鹽分適當。通過平衡控制，原鹽利用率提升，物料當量減少，母液處理量也有所降低，實現了氨、低壓蒸汽、灰乳以及原鹽的低消耗目標。

碳化塔中有著許多復雜的反應情況，塔內液位多通過塔壓以及尾氣壓力進行控制。碳化塔中塔壓較高，而只有尾氣壓力較低時，碳化塔才能保持較高液位。碳化塔液位直接影響塔中相關化學反應平衡狀況，因此在塔壓比較高的情況下，應該持續地提升下段氣進塔壓力，促使其中的化學反應正常進行，保證碳化塔中的液位持續升高。二氧化碳進入碳化塔后，和塔內液體接觸面積較大，經過了較長反應時間，能夠使二氧化碳全部被吸收，促進純堿產品的結晶。

3.2 制堿塔操作控制

制堿塔操作會在較大程度上影響資源消耗。為了進一步提升碳化堿液結晶質量，應該有效地控制碳化塔中的負荷，確保制堿時間持續60～80min，使結晶具有足夠的成長時間。并根據實際情況，提升塔中的二氧化碳濃度，使其既可以增加反應推動力與吸收速度，又能夠削減因氣體劇烈攪動而導致的碳化結晶效率降低的現象。此外，還要減少堿液與冷卻水之間的溫差，避免出現急劇降溫現象，致使結晶過細。

另外，要控制下段氣溫度，使之接近出堿液的實際溫度，具體應該從碳化塔第一圈加入下段氣。假如下段氣溫度偏高，會對碳化塔冷卻效果產生影響，具體原因是堿液自身溫度提升，溶解了部分出堿液結晶，導致結晶以及母液不能有效地進行分離，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，造成原料過量消耗。

3.3 開、停塔對消耗的影響

由于系統自身問題，或者是碳化塔發生了臨時停塔問題，碳化塔下部的相關堿液中都會出現結晶固體。隨著時間增加，固體堿出現了沉降，堵塞相關管道。所以，在停塔的情況下，通常要將中和水注入碳化塔的塔底，進行回頂作業。在開塔條件下，由于塔底中和水碳化度不高，取出液中母液達到堿結晶目的，防止原鹽被浪費。在停塔的條件下，不再利用中和水，而采取熱母液進行回頂，因為已經利用了母液中的原鹽，一定程度上降低了開塔過程中的原鹽損失[4]。

3.4 碳酸氫鈉結晶與過飽和度

在結晶過程中，過飽和度起著關鍵性作用，其是晶核長大、發育與生長的主要推動力。在制堿塔中部以前，碳化液容易形成碳酸氫鈉的過飽和溶液，碳酸氫鈉的過飽和溶液缺乏穩定性，在溫度下降時，碳酸氫鈉結晶易于析出，特別是在過飽和溶液受到了快速冷卻的影響時，非常容易生成細晶體，因此在碳化環節，應該盡可能地避免這種問題。在純堿實際生產過程中，要適當地控制制堿塔中開始形成純堿結晶時的溫度，使其維持在65℃左右。在碳化塔的中部以下部分，要對冷卻水量進行控制，而且還要對中段氣溫度進行控制，緩慢地對碳化液進行冷卻，如此形成的結晶才會更加粗大、更加均勻。這也表明碳化塔過濾性能是非常優良的，可以降低洗水用量，減少溶解數量以及穿透損失。如結晶效果較差，通常情況下會影響過濾效果，造成較大的物料損失，會消耗較多的能源，設備利用效率也比較差，嚴重影響生產質量。

3.5 碳化塔的熱交換效果

碳化反應屬于典型的放熱反應，其熱交換效果對晶體質量有著決定性作用。當生產條件發生波動，如不得不降低或減少碳化塔的進氣量、進液量與二氧化碳的濃度時，應該第一時間降低出堿速度，或削減冷卻水量，避免出現中溫過低破壞碳酸氫鈉結晶等問題。在中部溫度滿足相應指標前，應該對冷卻水流量進行控制，從下往上循序漸進地改用水層，削減碳化液與冷卻水的溫差，防止出現過飽和度過大而導致堿疤積累或堵塔的問題。

4 結語

在純堿加工生產碳化環節，內部的固相、氣相、液相都會發生非常復雜的反應，難以確定相關模型結構，所以說碳化工藝是非常關鍵的流程，其決定了純堿的生產水平與制造商的經濟效益。因此，應結合生產加工實際情況對純堿碳化流程進行優化。

參考文獻：

[1]葉劍敏.氨鹽水碳酸化在純堿生產中的重要作用[J].純堿工業，2012（2）：34-38.

[2]艾麗.不冷碳化工藝技術——純堿節能“未來之星”[J].化工管理，2014（3）：28-29.

[3]朱愛民.純堿生產分離技術的探討[J].鹽業與化工，2014（5）：11-14.

[4]彭志成.鹵水為原料直接生產純堿工藝[J].鹽業與化工，2013（10）：7-15.