博茨瓦纳纯碱生产工艺和非洲纯碱生产需求概况

张晨鼎

（内蒙古工业大学化工学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

博茨瓦纳是非洲经济状况较好的国家，面积581 730km2，人口157万。主要产业是钻石开采和养牛，而纯碱和盐的生产是引领经济增长的动力。马卡迪卡迪盐沼（Makgadikgadi Pan）在博茨瓦纳中部区，东西约200km，南北约120km，为一广阔的汇水盆地，已被辟为国家公园。苏阿干盐湖（Sua Pan）在其东部，面积约4 900km2，海拔890m。干盐湖表层土下赋存含NaCl和Na2CO3的卤水。Goald（1986）对卤水化学组成进行过分析研究，发现取自不同部位的卤水化学组成并不完全相同，其平均组成为：Na＋67.4g／L，K＋2.25g／L，Cl－79.74 g／L，13.05g／L，7.0g／L，9.3 g／L。总Na2CO3储量为233×106t，NaCl为1 026×106t，Na2SO4为110×106t，KCl为34×106t。1988年博政府与AECI、Anglo American Corp.和De Beers等三家公司签署协议，组建博茨瓦纳纯碱公司，钻井抽取干盐湖下卤水，先晒盐，再以碳化法生产纯碱。设计能力纯碱为300kt／a，盐为650kt／a。采区和工厂共投资＄87×106，由博政府持股50%，另三家公司各持14%，余8%属银行集团。1991年投产时公司名称为Soda Ash Botswana（SAB），1995年改称Botswana Ash（Pty）Ltd.，简称Botash。2010年发生股权转变，由博政府和南非Chlor Alkali Holdings Group各持50%。

2012年Botash的纯碱产量为257kt，低于计划目标280kt。主要因为Botash的纯碱产品有80%销往南非，而南非也进口价格较低的美国纯碱，同时南非的玻璃工业产品出口也下降，所以对纯碱的需求量减少。

1 采卤和晒盐

采卤井区在干盐湖北部，面积有400km2。共有130口生产井，分别从地表下含水层用深井泵（bore hole pump）抽取卤水，泵的流量为6～20L／s，根据各井内卤水状况进行调节。抽出的卤水通过总长20km的输卤管线送往日晒蒸发池，卤水总生产能力为2 400m3／h。图1示采卤区的平面布置和卤水蒸发结晶池的位置。蒸发结晶池面积共12 km2。卤水先进入初级蒸发池，再依次通过6组蒸发池进行日晒蒸发，使卤水中NaCl浓度达到饱和，被称为N卤水。然后经过储卤池进入4组结晶池，析出的NaCl结晶沉积在结晶池底部，此时卤水总Na2CO3浓度已提高至7%左右，而NaCl浓度在18%左右，称为T卤水，用泵抽出送往纯碱厂。结晶池排干卤水后用采盐机采收盐。干盐湖地区为热带干旱气候，年平均气温21℃。卤水从进入初级蒸发池到得到T卤水约需50天。蒸发池内卤水深度一般为20cm。蒸发池和结晶池的面积，可根据气候状况来调节。

图1 Botash采卤区和卤水蒸发结晶池平面布置示意图（Masemola P M，1999）

采收盐送盐厂洗涤、加工后，以散装（48t铁运罐车）或袋装（50kg）运销。2012年盐产量为362 kt，其中工业用粗粒盐（NaCl≥98.5%）占82%，细粒盐（NaCl≥99%）占18%。

2 纯碱生产

纯碱厂设在干盐湖以东的索瓦（Suwa）。如图2所示，晒盐后的T卤水先经砂滤器和澄清槽除去悬浮物和不溶物，在多组板式换热器中被碳化器排出的热晶浆加热。然后进入初级碳化器，以乙醇胺装置来的浓度为96%的CO2气和浓度为83%的煅烧炉气进行预碳化。再进入次级碳化器以乙醇胺装置来的96%CO2气进行碳化，得到含固体NaHCO35.24% 的晶浆。两级碳化器均装有搅拌器和玻璃质耐腐蚀衬里。碳化温度为55±2℃。碳化器尾气送乙醇胺装置再提浓。

Na2CO3（aq）＋CO2（g）＋H2O（l）＝2NaHCO3（s）＋59.77kJ／mol

热晶浆通过板式换热器降温，进入带有搅拌器的多级结晶器，冷却至32±3℃以析出更多的NaHCO3晶粒，使晶浆固液比提高到6.33%。冷却后的晶浆在稠厚器中增稠，得到含固25%的稠厚晶浆，顶流清液含NaHCO31.37%，Na2CO30.24%，排往废液池。稠厚晶浆经高位槽流入带式水平真空过滤机，进行吸滤和水洗。得到的湿滤饼与返碱混合，在蒸汽煅烧炉中于220℃煅烧成轻质纯碱，入轻灰仓。轻灰通过挤压、破碎和筛分，得到重质纯碱去重灰成品仓。重灰散装为48t铁运罐车，主要销往南非；袋装有1t或50kg，主要在本国及周边刚果（金）、赞比亚、津巴布韦和马拉维等国销售。

2NaHCO3（s）＝Na2CO3（s）＋CO2（g）＋H2O（g）－128.5kJ／mol

该厂有两台85t／h燃煤流化床锅炉，产生6.5 MPa的高压蒸汽，驱动20MW的汽轮发电机组并提供工艺用汽。锅炉烟气含CO2约10%，经除尘后用含Na2CO3的卤水脱除SO2，大约有2／3排放，有1／3与碳化器尾气一同进乙醇胺装置提浓。在一组吸收塔用含一乙醇胺（MEA）8～10%，而含CO2很少的贫液（CO2／MEA＝0.2）进行吸收，塔下得到富含CO2的富液（CO2／MEA＝0.45）。富液在换热器中被解吸塔下来的热贫液加热至90℃，然后打入内装20层塔板的解吸塔，在提馏段被加热至112℃，于是富液中的CO2被解吸。解吸塔顶气含高浓度CO2，经冷却并分离冷凝水后，由压缩机送往碳化器。部分CO2气还可液化，以备工厂开车时使用。解吸塔下流出的热贫液，经换热器降温后送吸收塔再用。

图2 Botash纯碱厂生产流程图（Masemola P M，1999）

3 存在的问题

由于原卤水中总Na2CO3浓度较低（29g／L），吨碱的原卤水消耗量大。以2012年为例，原卤水产量为21.3Mm3，纯碱产量为257kt，折吨碱的原卤水消耗量为82.8m3。碳化后的晶浆固液比较低（6.33%），使能耗增大。采用一乙醇胺提浓烟道气，减少CO2向大气排放，具有环保意义，但也有相当大的能耗。再者由于Botash的纯碱只能以铁路运输销往南非，吨碱运费比南非从美国进口纯碱的海运费用要高20%。所以Botash面临生产成本高和运费高的竞争压力。

碳化后排放的母液量相当大，目前尚未利用。2013年底加拿大Great Quest Metals Ltd.公司与Botash签订协议，准备对碳化母液提取KCl进行可行性研究。

由于采卤井在抽取卤水时进入空气，造成砂层中腐殖质沉淀和微生物增殖，使井身周围砂层发生堵塞，导致采卤能力下降。

原卤水含有黄腐殖酸（富里酸，fluvic acids），故呈黄色，总有机碳含量（TOC）在150ppm左右。卤水在蒸发池浓缩后TOC增高。这是由于卤水中含有丰富的N、P等营养成分，在长时间日照下，微生物和藻类增殖。由杜氏藻（Dunaliella spp.）产生的胞外多聚糖（EPS）和α－胡萝卜素等，成为TOC积累的主要途径。卤水中的有机物最终能进入产品，影响白度。美国罗得岛大学Masemola等（1999年）曾试验研究以表层土过滤和控制微生物及藻类增殖等方法，降低卤水中TOC含量。

4 非洲纯碱的生产和需求概况

从2009年到2013年，非洲纯碱的总生产能力保持在1.14Mt／a，实际年产量在700kt至800kt间徘徊，但市场需求量却由1Mt／a增至1.4Mt／a。生产能力最大的是肯尼亚马加迪苏打公司（现称Tata Chemicals Magadi Ltd.），新旧两套装置的能力共715kt／a；其次是博茨瓦纳纯碱公司（Botash），能力为300kt／a。二者都为天然碱加工。另外在埃及亚历山大港有 Misr Chemical Industries Co.（属索尔维集团），其合成纯碱能力仅为130kt／a。由于各种原因各厂的实际产量都未达到设计能力，如马加迪苏打公司2009年至2011年期间的年产量，依年度顺序分别为404kt、473kt和499kt；Botash 2009年至2012年期间的年产量，则分别为215kt、240kt、230kt和257kt。埃及 Misr Chemical Industries Co.的年产量在50kt左右。

根据2012年的统计显示，在非洲对纯碱的需求量1.3Mt中，洗涤剂占25%，容器玻璃21%，平板玻璃17%，其他玻璃制品6%，化学品制造12%，采矿和冶金11%，其他8%。在需求量中各国所占的比例为：南非37%，埃及21%，突尼斯9%，尼日利亚8%，阿尔及利亚7%，其他国家18%。

马加迪苏打公司计划将纯碱生产能力扩到1Mt／a。预测到2017年，非洲纯碱的总生产能力将达到1.4Mt／a，年产量将超过1Mt，市场需求量将增至1.9Mt／a。

［1］ Botswana Ash（Pty）Ltd.Africa’s supplier of choice for natural sodium chemicals［R］.2012.

［2］ Botswana Ash（Pty）Ltd.Soda ash and salt for southern Africa［R］.2013.

［3］ Creamer Media（Pty）Ltd.R 150msoda ash project［J］.Engineering News，November，1999.

［4］ Great Quest Metals Ltd.Great Quest to development Botswana’s Sua Pan brownfield potash project［R］.Great Quest，January，2014.

［5］ Masemola P M.The nature and control of organic compounds in soda ash evaporite production ［D］.Rhodes University，November，1999.

［6］ Mc Cammon R，Pickering D，Bausinger M.Batswana resource sector overview［R］.Capital Resource，2013／14.

［7］ Newman H R.The Mineral Industry of Botswana［C］.USGS 2012Minerals Yearbook，December，2013.

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