纯碱制造设备现状与研发方向探讨

李山岭　吴巴特尔　郭登攀

摘  要：该文介绍了我国目前纯碱生产中4种常见的设备及其特点，并以此为基础，结合近几年出现的新型设备，对未来纯碱制造中新型设备研发的方向进行了探讨，以供我国纯碱制造工业企业所参考。

关键词：纯碱  制造设备  现状  研发方向

中图分类号：TQ114.16    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（a）-0070-02

在纯碱（Na2CO3，俗称轻灰）的生产中，不管是采用天然碱的，还是采用联碱法生产工序或者是氨碱法生产工序，采用的设备以及工艺基本相同，都是在除去湿重碱中的水分，再经过加热，生产出所需要的规格的纯碱，这一过程也称为煅烧[1]。在这一过程中，所使用的设备基本上都是转动型设备，尤其是作为核心的煅烧炉设备在目前生产环节当中，大部分工厂还采用传统的工艺，这就在一定程度上成为了制约纯碱产量提升的主要因素。同時，大多制碱厂的产量计划的制定都是取决于煅烧工序的设备生产能力，如果煅烧设备故障，就会影响整个纯碱生产系统。作为大众化化工产品，近年来我国纯碱产能增长迅速，据相关统计2018年，国内纯碱总产达3000多万t。这就意味着下一步如何严格控制纯碱产量的进一步扩张，已成为纯碱制造产业发展的重点。而如何制造出高效节能的大型设备，并广泛应用，就成为纯碱行业降本减排可持续发展的关键。

1  纯碱制备过程简介

在此以氨碱法制造纯碱的工艺进行讨论，从重碱与母液分离开始，不管是采用转鼓式真空过滤机还是采用水平带式真空滤碱机，都是利用真空原理抽走母液中的水分，最后在滤布上留下湿重碱，此过程为物理过程。这样所得到的湿重碱的主要成分为NaHCO3。经转鼓式真空过滤机得到的湿重碱含水率在l7%～20%之间，相较于带式滤碱机得到的湿重碱含水率要高4%左右。采用转鼓式真空过滤机生产纯碱的过程中，采用离心机二次脱水的过程也属于物理过程，经过此过程，湿重碱的水分大约可以降低4%左右[2]。下一步湿重碱会进入煅烧炉后，在蒸汽的加热过程中，湿重碱会发生化学反应，产生的固体物料即为所需要的纯碱（Na2CO3），温度大约为160℃～210℃，在进行一段时间冷却后，就可进行包装形成成品。

2  当前纯碱制备的主要设备

通过上文介绍的由湿重碱NaHCO3，转变为纯碱Na2CO3的过程可以看出，生产过程中必备的设备分别为：重碱母液过滤设备（转鼓式真空滤碱机或者带式滤碱机）、二次脱水离心机、蒸汽煅烧炉、凉碱机以及其他附属设备。下面结合常用的几种设备的特点进行分析探讨。

2.1 水平带式真空过滤机

从20世纪90年代之后，国内主要纯碱生产厂家逐步摒弃了传统的转鼓式真空过滤机，而是用更为先进的水平带式真空过滤机进行了替代[3]。这一新型设别的优势在于可以在使用环节直接分离出更高纯度的湿重碱，同时分离物运输过程中，增加了水分抽出功能，最终分离获取的湿重碱的水分含量可以降低至22%～28%。由于水平带式真空过滤机的顶部加料设计以及过滤面水平布置设计，可以在母液料浆固体浓度高、颗粒粒径分布不均匀的情况下，获得质量更为可靠的湿重碱。

2.2 卧式螺旋刮刀卸料离心机

离心机的原理在于通过设备内部转子的高速旋转使不同沉降系数和浮力密度的粒子具有不同的离心速度，从而使这些物质相互分离开来。具体来讲，粒子的离心速度主要与粒子半径、构成形态、密度以及混合液的粘度等指标相关。在离心过程中，粒子质量越大，下沉的速度就越快;相反，粒子质量越小，下沉的速度就越慢。

目前，纯碱制备所使用的卧式刮刀卸料离心机其原理与普通离心机相同，但又结合纯碱生产的特点作了运行方式的改进。一方面，它可以在连续运转的过程中自主设定间歇时间;另一方面，整个设备在操作过程中所需的每一项步骤，如加料、离心、脱水、分离等都可以在全速状态下进行。这样一来，就可以保证在获得较大处理量的同时，实现更好的分离效果。

2.3 湿重碱蒸汽煅烧炉

蒸汽煅烧炉纯碱生产中用蒸汽间接加热使物料发生分解反应的一类滚筒式反应设备。由炉体、进碱、出碱、加热及传动装置等部分组成二炉体为一由钢板卷焊而成的圆筒、炉体前后有两个滚圈，架在两个托轮上，炉体向后倾斜1.5%～2%。炉尾滚圈附近装有齿轮圈，由电动机通过减速器、浮动联轴器、齿轮圈带动炉体回转。进碱、出碱部分均采用螺旋输送机。炉内加热管以同心圆排列、由管架支承庄炉体上。加热管外壁烬有螺旋散热片，近炉头一端2～4m为光管。重碱（碳酸氢钠）和返碱由加料器加人炉内，随炉体的转动被加热管内中压蒸汽间接加热，重碱分解成纯碱。

湿重碱煅烧过程中所使用的蒸汽煅烧炉是纯碱制造过程中最为核心的装置，该装置已经在我国碱厂使用了几十年，虽然煅烧炉也经过了各种改造，但是其工作原理和整体结构并没有质变，目前我国采用最多的两种模式是自身返碱和外部返碱。这两种模式在操作中有着各自的长处，其中外部返碱煅烧炉输送返碱采用的是独立设备，它不仅不占用煅烧炉的任何驱动能力，而且还有强制混合碱的设备。因此，生产中可以更充分地将碱进行混合，换热能力强，可以高效产能。目前1台煅烧炉每天可以生产超过1000t;但在其功能强大的同时，也就意味着运碱系统以及混合系统更加复杂，因此故障及定期检修的工作量大。而与外部返碱不同的是自身返碱是将碱煅烧、返碱输送、碱混合分布在煅烧炉的不同部位分别完成，其结构比外部返碱简单，但是其产碱能力比外部返碱低，一般1台机器一天产能低于800t。

2.4 凉碱炉

当前大部分工厂使用的是流体粉凉碱炉，该设备最早是由加拿大Solex公司研发。其特点在于创新性地将板式传热板技术跟固体颗粒密相输送原理完美地、有效地结合在一起，使物料在经过粉体流换热器时能够有效地进行冷却，这是一种能耗较低、成本较低、操作环境简单的一种凉碱工艺。因此，其在制碱领域属于领先技术工艺。流体粉凉碱炉采用了传统的板式换热器与固体颗粒密相输送原理相结合，因此该流体粉凉碱炉技术不仅占地空间小，粉尘的排放更低，同时动力耗能也更低，更无须配置额外的风机及除尘过滤设备，符合我国新时代节能减排的要求。

3  未来纯碱工业化制备设备研发发展方向展望

纯碱生产的核心过程是湿重碱水分的分离和湿重碱煅烧，未来各种设备的研制和模式的探讨必将都是围绕两者进行，并在实践中进行改进。总体来看，主要有以下三大方向。

3.1 研发处理液态物料的高速离心机

目前使用最多的离心机是两级推料离心机，其直径大多在1m左右，转速为1000r/min，处理物料能力为每天35t，这种离心机基本都是应用在转鼓式滤碱机的后面，作用就是进行湿重碱的二次脱水，主要用来处理固态物料。在纯碱制造工序上目前几乎没有进行液态物料的尝试。离心机在运行中进行三维运动，所以必然会导致振动，由于离心机技术水平的限制，目前我国离心机发展局限性大的同时发展空间也很大。未来用于液态物料处理的高转速离心机，为了提高效率，可以直接利用离心机对含有湿重碱的悬浮液进行处理，进而替代滤碱机;为了有效地降低水分，研发制造多级离心机，离心机级数的增加，有利于滤饼的推动和延长滤饼的停留时间;提高转速，改进技术，并逐步降低离心机三维运动带来的不利振动。

3.2 研发湿重碱煅烧炉的替代设备

目前蒸汽湿重碱煅烧炉在我国的纯碱生产企业中有着不可替代的地位，在湿重碱生产纯碱的过程中，该设备在几十年的改造中并没有实质性的变化。随着当今社会自动化程度和节能减排要求的不断提高，这种湿重碱煅烧炉越来越多不适用现代化企业发展的要求，未来的煅烧炉一定会克服系统简单，热利用效率高，能耗低，故障维修简单，产能高。目前，国内煅烧炉生产的主要厂家正在探索采用微波或光波静态辅助加热的技术来增强对湿重碱除水过程的总体效果，目前这种这一技术的研发尚处于中试阶段，市场当中还没有成熟的设备。

3.3 研发多元化组合设备

目前，国内主要纯碱生产企业的年产量都百万吨以上，这就意味着按照现有的技术组合将会产生大量的能耗，不利于企业节能减排目标的实现。因此，如何通过多元化组合设备的整体性研发与使用，来降低生产环节当中所不必要的能耗的产生，已成为纯碱生产节能减排技术创新的又一突破口。目前，国内部分企业采用的“水平带式滤碱机+高速离心机+新式湿重碱煅烧炉+凉碱炉”模式，在一定程度上降低了总体能耗，更好的多元化组合设备方案值得进行深入研发。

4  结语

我国的纯碱生产量大且效高，在世界范围内有着举足轻重的地位。纯碱制造工艺经历数代人的心血，已凝結了宝贵而又丰富的经验与技术。展望未来，我国纯碱制造趋势必将是采用高效节能大型设备，降低能源消耗和成本，逐步走向可持续发展的道路。

参考文献

[1] 陈学勤.氨碱法纯碱工艺[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2019.

[2] 王远.多级推料离心机用于重碱脱水工艺路线探讨[J].化工管理，2014（5）：25.

[3] 杜维刚.联碱用水平带式真空过滤机的研制[A].中国化工学会无机酸碱盐专业委员会.第十五届纯碱学术年会论文集[C].2012.