纯碱生产过程中碳化的相关研究

吴巴特尔 任钱云

摘 要：纯碱工业是国内非常关键的一项基础工业。在加工生产纯碱过程中，要采取一定的碳化工序与流程。本文基于碳化工序及工艺流程，归纳了碳化工序影响纯碱质量的具体表现，并根据碳化工序中原盐消耗的状况提出相应的应对措施，旨在为国内纯碱工业发展提供参考依据。

关键词：碳化工序;碳化塔;纯碱生产

中图分类号：TQ114.1文献标识码：A文章编号：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

纯碱又叫碳酸钠，其化学分子式为Na2CO3，是工业生产加工中的一种主要原料，被称为“化工之母”。纯碱的消耗量与产量，是判断一个国家工业发展水平的主要依据之一。目前，很多大型纯碱加工厂都采用了非常先进的加工生产工艺，在关键生产环节采用了国内外先进的技术，提升了纯碱技术水平。可以说，只有纯碱生产过程中的碳化工艺达到较高水平，才能更好地提升纯碱的质量。

1 碳化工序工艺流程

在生产加工纯碱产品过程中，碳化是非常关键的一道工序，受其影响的工艺流程最多。在碳化塔中，涵盖了固相、液相、气相等各种生成物与反应物，而且还伴随着传热、传质过程。碳化塔在生产过程中会形成碱疤，所以需要对碳化塔进行编组，每组包括4～6座碳化塔，各组碳化塔中包括一座清洗塔，其作用是清洗制碱环节形成的各种碱疤，并且对相关物质进行预碳化。在碳化塔使用过程中，真正用来制碱时间持续3～4d，清洗时间持续16～24h。

“三气”（中段气、清洗气以及下段气）是碳化塔中二氧化碳的主要来源。下段气来自于煅烧重碱产生的炉气，二氧化碳浓度较高，通常情况下回收炉气中会存在部分窑气，以增加下段气量。下段气中二氧化碳所占比例要大于80%，从制碱塔第1圈就注入部分下段气。中段气以及清洗气均是窑气，其二氧化碳含量通常维持在40%左右，在第7圈时加入中段气，在第1圈加入清洗气。从吸收工序来看，当氨盐水被输送到清洗塔的第28圈时，加入部分清洗气以及中段气，其在塔内中可以逆流接触，从而进行清洗以及预碳化作业，塔下出料是已经碳化的中和水，可以通过联络管直接传输到中和水泵对应进口，输送到制碱塔上边的第27圈。在制碱塔内，中段气、下段气与中和水进行逆流接触，发生化学反应，形成了相应数量的NaHCO3悬浮液，通过碳化塔下边的冷却水箱进行冷却，然后从塔下的出碱管传输到出碱槽，最后进行固液分离操作[1]。

尾气从清洗塔塔顶逸出进入制碱塔，经由碳化塔内尾气总管进入碳化塔的下部，与盐水车间输送的精盐水展开了逆流接触，吸收其中的二氧化碳，吸收后的溶液称之为淡氨盐水，然后再由“U”型管自压到淡氨盐水桶内。

针对碳化尾气中携带的部分液体，在通过尾气总管时，借助“U”型管进行气液分离作业，分离后得到的液体为碳化回卤，而且可经由“U”型管进入中和水泵入口。假如未对碳化回卤进行分离作业，必须在尾气进入净氨塔之前进行分离作业，液体流入淡氨盐水桶。

碳化冷却水分涵盖了两个组成部分：首先，碳化冷卻水经给排水冷冻水岗输送过来，从第1节水箱流入，从第3节水箱流出，并返回冷冻水岗位;其次，从给排水车间循环水岗位传输过来，从第4节水箱中流入，从第6、8节水箱中流出，最后再次流入到循环水岗位。碳化工序工艺流程如图1所示。

2 碳化工序影响纯碱质量的具体表现

2.1 关键操作条件的有效控制

在进行碳化操作过程中，析出的NaHCO3结晶数量越多越好，以此提升氯化钠的实际转化率。原因在于，在生产加工纯碱的过程中，可以循环使用氨，但却无法循环使用氯化钠。所以，为了尽可能地降低盐耗，应该保证碳化环节相关操作落实到位[2]。

2.1.1 碳化出碱温度。首先，碳化过程中出碱温度一般要控制在27～30℃，适度降低温度，可以在析出较多的NaHCO3固体的条件下，生成更多的NaHCO3结晶，提升氯化钠转化率。

2.1.2 氨盐水中的氨钠比。当碳化环节的出碱温度降到30℃以下，从相图分析可以看出，氨钠比达到了0.995。但是，在真正生产过程中，碳化尾气携带着一些NH3，所以氨盐水的实际氨钠比会大于理论值，范围为1.14～1.18。

2.2 碳化工序影响纯碱铁分的状况与控制碳化工序

纯碱中铁成分含量会对最终得纯碱质量产生重大影响。由于碳化塔的绝大部分部件都由铸铁制造，使得碳化塔中的各种反应物料（氨盐水）对碳化塔部件腐蚀程度严重，那么纯碱中势必会存在一些铁成分。假如纯碱产品的铁成分比例较大，那么就无法满足客户需求，并且表明碳化塔腐蚀程度非常严重，影响了其使用寿命。所以，在碳化生产工序中应该有效地控制纯碱中铁成分含量。笔者针对这一问题，提出了相应的解决策略。

2.2.1 “三气”成分（下段气、清洗气与中段气）。下段气、清洗气与中段气中不但涵盖了二氧化碳，而且还涵盖了一定含量的氧气。由于碳化塔大部分组件为铸铁件，可与“三气”中的氧气发生反应，形成氧化铁等物质，造成了纯碱中的铁分含量比较高。

压缩机在抽吸炉气以及窑气的过程中，炉气管以及窑气管间出现了显著的负压，可能导致设备损坏。在检修过程中，空气可能被抽进系统内，若不能对石灰窑进行有效控制，“三气”中的含氧量还会提高。为了对含氧量進行控制，应该定期分析炉气、窑气的实际成分，并切实采取措施。由于“三气”形成的压力较大，空气不能进入其中，一般只能在炉气、压缩窑气前被吸入系统。

应该查明含氧量偏高的具体原因，从而采取针对性措施。造成氧含量偏高的原因主要有以下几点。第一，炉气成分较差，这可能是两方面因素造成的，一方面为煅烧炉头存在着较大负压，进入了空气成分;另一方面为设备检修或者炉气系统出现了漏点。第二，窑气成分不够好，首先，石灰窑顶的负压较大，石灰窑却只有较低的负荷，压缩机抽进的气量过多，窑气中被抽入过量空气;其次，进入石灰窑发生反应的空气量过多，或不能均匀地与石灰窑相关物料发生反应，空气出现了偏流现象;最后，设备损坏或检修，系统存在着漏点。

2.2.2 新投用的碳化塔。新碳化塔设备在投入生产时，其表面铁锈较多，未能形成针对性的设备保护层，这使得在使用新的碳化塔进行碳化作业时，产品中的铁分含量会很高，严重时可能会形成红碱;或是碳化塔停车操作时间过长，碳化塔中的物料浸泡过久，硫膜、碱疤发生了溶解，出现了脱落现象，最终生成红碱。所以，应该加入更多的氯化镁与硫化钠，增加碳化塔内镁与硫这些物料的含量，使碳化塔中尽快进行保护层[3]。

除此之外，针对新投用碳化塔与相关设备，在安装设备前，应该尽量地除去这些设施内部表面的铁锈，或者在相关设备工作前进行挂硫操作，增加系统中的硫化钠浓度。投入使用后，首先要进行低负荷生产，降低单塔铁分含量高，避免出现产品质量问题。

3 纯碱生产碳化工序问题应对措施

3.1 碳化反应平衡控制

为了保证碳化反应的正常进行，需要进行平衡控制，保证碳化工序能够实现预定碳化转化效率目标，减少反应物料实际当量，减少原盐消耗。通常情况下，应该增加下段气中二氧化碳压力与浓度，并且降低下段气温度，确保氨盐水中的盐分适当。通过平衡控制，原盐利用率提升，物料当量减少，母液处理量也有所降低，实现了氨、低压蒸汽、灰乳以及原盐的低消耗目标。

碳化塔中有着许多复杂的反应情况，塔内液位多通过塔压以及尾气压力进行控制。碳化塔中塔压较高，而只有尾气压力较低时，碳化塔才能保持较高液位。碳化塔液位直接影响塔中相关化学反应平衡状况，因此在塔压比较高的情况下，应该持续地提升下段气进塔压力，促使其中的化学反应正常进行，保证碳化塔中的液位持续升高。二氧化碳进入碳化塔后，和塔内液体接触面积较大，经过了较长反应时间，能够使二氧化碳全部被吸收，促进纯碱产品的结晶。

3.2 制碱塔操作控制

制碱塔操作会在较大程度上影响资源消耗。为了进一步提升碳化碱液结晶质量，应该有效地控制碳化塔中的负荷，确保制碱时间持续60～80min，使结晶具有足够的成长时间。并根据实际情况，提升塔中的二氧化碳浓度，使其既可以增加反应推动力与吸收速度，又能够削减因气体剧烈搅动而导致的碳化结晶效率降低的现象。此外，还要减少碱液与冷却水之间的温差，避免出现急剧降温现象，致使结晶过细。

另外，要控制下段气温度，使之接近出碱液的实际温度，具体应该从碳化塔第一圈加入下段气。假如下段气温度偏高，会对碳化塔冷却效果产生影响，具体原因是碱液自身温度提升，溶解了部分出碱液结晶，导致结晶以及母液不能有效地进行分离，增加了原料损失。然而，夏季的水温普遍较高，通常情况下要使碱液温度维持在10℃左右，否则下段气难以有效冷却，造成原料过量消耗。

3.3 开、停塔对消耗的影响

由于系统自身问题，或者是碳化塔发生了临时停塔问题，碳化塔下部的相关碱液中都会出现结晶固体。随着时间增加，固体碱出现了沉降，堵塞相关管道。所以，在停塔的情况下，通常要将中和水注入碳化塔的塔底，进行回顶作业。在开塔条件下，由于塔底中和水碳化度不高，取出液中母液达到碱结晶目的，防止原盐被浪费。在停塔的条件下，不再利用中和水，而采取热母液进行回顶，因为已经利用了母液中的原盐，一定程度上降低了开塔过程中的原盐损失[4]。

3.4 碳酸氢钠结晶与过饱和度

在结晶过程中，过饱和度起着关键性作用，其是晶核长大、发育与生长的主要推动力。在制碱塔中部以前，碳化液容易形成碳酸氢钠的过饱和溶液，碳酸氢钠的过饱和溶液缺乏稳定性，在温度下降时，碳酸氢钠结晶易于析出，特别是在过饱和溶液受到了快速冷却的影响时，非常容易生成细晶体，因此在碳化环节，应该尽可能地避免这种问题。在纯碱实际生产过程中，要适当地控制制碱塔中开始形成纯碱结晶时的温度，使其维持在65℃左右。在碳化塔的中部以下部分，要对冷却水量进行控制，而且还要对中段气温度进行控制，缓慢地对碳化液进行冷却，如此形成的结晶才会更加粗大、更加均匀。这也表明碳化塔过滤性能是非常优良的，可以降低洗水用量，减少溶解数量以及穿透损失。如结晶效果较差，通常情况下会影响过滤效果，造成较大的物料损失，会消耗较多的能源，设备利用效率也比较差，严重影响生产质量。

3.5 碳化塔的热交换效果

碳化反应属于典型的放热反应，其热交换效果对晶体质量有着决定性作用。当生产条件发生波动，如不得不降低或减少碳化塔的进气量、进液量与二氧化碳的浓度时，应该第一时间降低出碱速度，或削减冷却水量，避免出现中温过低破坏碳酸氢钠结晶等问题。在中部温度满足相应指标前，应该对冷却水流量进行控制，从下往上循序渐进地改用水层，削减碳化液与冷却水的温差，防止出现过饱和度过大而导致碱疤积累或堵塔的问题。

4 结语

在纯碱加工生产碳化环节，内部的固相、气相、液相都会发生非常复杂的反应，难以确定相关模型结构，所以说碳化工艺是非常关键的流程，其决定了纯碱的生产水平与制造商的经济效益。因此，应结合生产加工实际情况对纯碱碳化流程进行优化。

参考文献：

[1]叶剑敏.氨盐水碳酸化在纯碱生产中的重要作用[J].纯碱工业，2012（2）：34-38.

[2]艾丽.不冷碳化工艺技术——纯碱节能“未来之星”[J].化工管理，2014（3）：28-29.

[3]朱爱民.纯碱生产分离技术的探讨[J].盐业与化工，2014（5）：11-14.

[4]彭志成.卤水为原料直接生产纯碱工艺[J].盐业与化工，2013（10）：7-15.