試論提高濕法水玻璃產品濃度和模數的方法*

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研究中心 江西 高安 330811)

(4 廣東省新型陶瓷添加劑工程技術研究中心 廣東 肇慶 526113)

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

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

濕法水玻璃生產工藝簡單,能耗低,勞動強度小,產品質量好,原材料來源廣,但普遍存在濃度低、模數低的現象,因此也制約了該產品的推廣使用領域。本文闡述了如何通過原材料的選擇、精確配比、設備優選、過程管控,來生產一種婆美度≮50Be,模數≮2.5的濕法水玻璃,將其使用領域從傳統的陶瓷泥漿解膠劑生產拓寬到鑄造、洗化、造紙等行業,提升濕法水玻璃的經濟價值。

1 常用的濕法水玻璃生產工藝

1.1 濕法水玻璃生產的兩種主要原材料

1.2 濕法水玻璃主要生產的主要設備

1.3 生產工藝流程

1.3.1 配料

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

(2)用鏟車將石英砂鏟運到喂料機中,石英砂的重量利用喂料機配備的重量傳感器確定,達到規定值后,啟動喂料機下的皮帶運輸機,將石英砂輸送到配料攪拌機中。

(3)配料攪拌機連續運轉10 min,當物料完全混合均勻后,就可以往反應釜中進料。

1.3.2 進料

(1)打開反應釜的排氣閥、進料閥、啟動反應釜。

(2)啟動配料攪拌機上的泥漿泵,物料通過管道進入反應釜。

(3)進料完畢后,關閉排氣閥、進料閥。

1.3.3 充汽

(1)當鍋爐壓力＞1.0 MPa時,打開反應釜上進汽閥,開始往反應釜中充入蒸汽,本工藝采用內熱式加熱方式,充汽過程要注意觀察,發現異常立即停止作業。

(2)確保反應釜的閥門、管路、機油泵、密封、壓力表、電接點壓力表、報警器、安全閥完好。

(3)當反應釜中壓力達到0.8 MPa時,關閉進汽閥,正式開始水玻璃的反應生成,統計數據表明反應高峰期,釜內壓力可以增加0.2 MPa。

1.3.4 反應生成

(1)從完成進汽開始,有效的水玻璃反應生成時間應不低于6h。

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

(3)反應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,將反應釜中的蒸汽排往另一個已經填裝好原料的待充汽反應釜中。

(2)當兩釜的壓力基本上平衡時,關閉受汽反應釜的進汽閥,關閉排汽反應釜的排汽閥,將已完成水玻璃反應的反應釜中的蒸汽排入另外一個要充汽的反應釜,可以節約蒸汽的使用量,減少能源消耗,同時也避免了堿性蒸汽對環境的影響。

(3)打開放料閥,釜中的物料通過管道進入中轉罐或者直接進入板框壓濾機壓濾。

圖1 濕法水玻璃生產工藝流程圖

1.3.6 過濾

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

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

(3)經過中轉罐過濾,這種方式可以對物料的濃度進行調配,特別適合將濃度、模數做高后再加水降濃的水玻璃過濾,提升單釜的產量,降低蒸汽的耗量、同時物料降溫后,對濾布、濾板的損害輕,但需要添置中轉攪拌罐、壓濾機泵等設施設備,設備工作要消耗電力。

(4)生產過程注意觀察,一旦出現濾布破損,要立即關閉濾嘴上的閥門,防止未過濾的產品進入成品中轉罐。

1.3.7 調濃、調模

調濃、調模必須是在水玻璃濃度、模數超過規定值的情況下,通過添加一定比例的水、氫氧化鈉或低模水玻璃來調整濃度和模數,使其質量最終達到標準或技術工藝要求。

2 提高濕法水玻璃濃度、模數的意義

2.1 濕法水玻璃的使用領域窄

普通的濕法水玻璃,其濃度一般為50Be,模數M=2.3左右,絕大部分用于五水偏硅酸鈉、陶瓷泥漿解膠劑、洗衣粉等產品的生產,但也有一些行業需要50Be,模數M=2.5的濕法水玻璃產品,雖然干法工藝可以達到該標準,但由于干法工藝復雜,生產周期長,對環境有影響,從技術性方面講,濕法水玻璃比干法有優勢,只是濃度、模數不達標,限制了這個產品的廣泛利用。

2.2 降低濕法水玻璃的生產成本

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

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

式中:ω1——二氧化硅(Si O2)的質量分數;

ω2——氧化鈉(Na2O)的質量分數;

1.032——氧化鈉相對分子質量與二氧化硅相對分子質量的比值。

(3)水玻璃的濃度和模數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,對節約水玻璃的制造成本的影響。

若按照當下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)不要小看這區區的20.00元,如果每個月生產10 000.00 t水玻璃,每年就可以減少成本支出240.00萬元,節約價值可觀,而且濕法水玻璃的使用領域也得以拓寬。

2.3 改進后水玻璃參數目標值

3 影響水玻璃濃度和模數的主要因素

3.1 原材料

濕法水玻璃的生產有原料是基礎,壓力是關鍵,時間是保證的說法,意思是,濕法水玻璃質量要好,一定要選用優質的原材料、足夠的反應壓力和反應時間,三者缺一不可。

3.1.1 石英砂

Si O2含量＞98%,細度＞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反應生成硅酸鋁Al2O3·Si O2絮狀物,堵塞了濾布氣孔,導致產品壓濾困難。

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

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

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

3.1.2 氫氧化鈉

產品質量符合GB/T 209-2018工業用氫氧化鈉的相關規定,氫氧化鈉的含量≮30%,通常情況下高堿的反應速度和質量都比低堿的好,具體規格根據實際生產現狀和燒堿的行情確定。

3.2 配比

配比失準、用錯原料等都會導致產品質量不良。

3.3 操作

水玻璃的反應過程一定要按照作業指導書的規定操作,反應壓力、保壓時間必須達到規定值,發現異常要立即處置,否則會造成水玻璃反應不徹底,產品質量達不到要求,對成本造成極大浪費。

4 提高濕法水玻璃產品濃度和模數的方法

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

4.1 員工培訓

上下同欲、統一思想,弄懂原理、學會操作,強化責任心,加強績效管理。按照新的質量目標,編制質量手冊和作業指導書,全員學習、考核通關。確定各個崗位的績效增長模式,把質量、產量和員工收入掛鉤,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,直搗靶心才能達成提高濕法水玻璃產品濃度和模數的目標。

4.2 研發一套新型濕法水玻璃生產設備

4.2.1 配料設備

包括帶重量傳感器的喂料機、配料攪拌機及配套的自動化控制系統,確保各種原材料的配比準確,實現自動配料和記錄。

4.2.2 反應釜

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

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

4.2.3 選用優質原材料

(1)石英砂是一種礦產資源,有原礦和風化砂等種類,水玻璃生產宜選用原礦加工的石英砂,并且要有長期穩定的供應量,才能確保水玻璃產品質量一定不發生波動。

(2)如果石英砂的純度低,含泥量高,就會導致過濾困難,濾渣的重復利用次數少,產生的廢渣量高,單位水玻璃產品的耗堿量增加,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。

如果石英砂的純度高,濾渣就可以重復利用,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為是正常的排渣,實質上浪費是驚人的,雖然石英砂的價格貴一點,但只要質量好,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的重要性有多大。

(3)從筆者長期的生產實踐證明,影響水玻璃質量的主要因素就是石英砂,氫氧化鈉是一種標準的基礎化工產品,只要選用大型氯堿企業的產品,把好原材料入口關,質量一般不會有問題。

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

4.2.4 正確的作業方法是產品質量的重要保證

合格的原材料是基礎,正確規范的作業方法是關鍵,在生產過程中,要注意控制好下面幾點:

(1)配料環節,石英砂、氫氧化鈉、水的重量誤差要嚴格控制在±10 kg,從料倉鏟運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,由于大部分反應釜采用內熱式加熱,充汽時間不得超過規定值,防止超時造成進入釜內水蒸氣過多,最終影響水玻璃濃度。

(3)充汽壓力符合規定值,反應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的關鍵,出現充汽壓力異常或反應過程失壓的要及時處理,防止產品“夾生”。

4.2.5 規范的檢驗測試和過程控制

檢驗測試是產品質量控制的重要手段,計量器具要在檢定周期內,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。

對生產過程的配料數量、充汽壓力、充汽時間、最高反應壓力、反應時間做好記錄,出釜后立即進行濃度、Si O2、Na2O 含量的測試和模數的計算,為糾錯和質量控制提供依據,數據要完整、正確的填寫到《水玻璃生產記錄表》中。

工控人員根據檢測數據,對工藝參數進行微調,確定產品質量達到預期。

從表5、表6的數據可以看出,只要配比準確、操作規范,無論采用何地出產的原材料、在何地生產,水玻璃的質量均可以達到要求。

4.3 最佳工藝技術參數

通過對實驗數據分析和總經,獲得最優的工藝技術參數,但由于各地原材料、設備、生產工藝的差異,此方案不一定能夠完全匹配企業水玻璃的生產,但只要用心總經,不斷優化,一定能夠獲得符合自己實際生產情況的、提高濕法水玻璃濃度、模數的工藝方法。

對于參加實驗的廣東、江西兩企業,由于采用了相同的設備和工藝,氫氧化鈉都購自國內大型氯堿化工企業,只是石英砂的產地不同,但質量都符合表1的規定,生產過程采用了相同的配比和工藝技術參數,生產出了符合要求的高濃度、高模數濕法水玻璃。

表1 原材料名稱及技術要求

表2 15萬噸/a水玻璃主要設備一覽表

5 結語

通過對濕法水玻璃原材料質量的把控、設備的迭代升級、生產過程的管控,濕法水玻璃的濃度和模數都可以提高,達到表3規定的要求。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企業的難題很有幫助,是一項助推行業進步、產品升級的科技成果,值得推廣應用。

表3 改進后50Be水玻璃參數目標值

表4 水玻璃濾渣的主要化學成分(%)

表5 江西某公司水玻璃生產記錄表

表6 廣東某公司水玻璃生產記錄表