浅谈固相水合法生产重灰的粒度影响因素

林爽

(天津渤化工程有限公司，天津300193)

纯碱，学名碳酸钠（Na2CO3），是一种重要的基础性原料，被广泛应用于化工、纺织、冶金、玻璃、陶瓷、合成洗涤剂、造纸、制革、印染等工业。根据颗粒粒度不同，纯碱可以分为轻质纯碱（轻灰，白色结晶粉末，堆积密度为0.49～0.58g/cm3）和重质纯碱（重灰，白色细小颗粒，堆积密度为0.95～1.07g/cm3）[1]。对比可知，重灰的颗粒粒度和堆积密度都比轻灰大，更便于包装和储运。

目前重质纯碱的生产方法主要有固相水合法、液相水合法以及挤压法[2]。与另外两种方法相比，固相水合法具有以下显著特点：1）化合反应过程中水与轻灰反应时间短，水合率相对较低，故粒度均匀程度较差，但产品堆积密度较高；2）过程产物一水碱（一水合碳酸钠）中游离水含量较小，能量消耗较小；3）固相水合法设备相对简单，设备布置紧凑。

本文主要介绍固相水合法生产重灰的工艺流程和工作原理，简要分析对重灰粒度产生影响的几个因素，并阐述在工艺设计中应注意的问题。

1 固相水合工艺流程

料仓中的高温轻灰与化碱所用的化合水一起进入水合机内，一定温度条件下，在水合机的旋转搅拌作用下，相互接触发生反应生成一水碱；一水碱经破碎进入流化床干燥区，在高温空气的作用下，以流化状态与蒸汽间接换热进行煅烧分解，干燥完成后进入流化床的冷却区，冷却后的成品重灰进入后续筛分包装工序。

2 固相水合工作原理

碳酸钠易溶于水，随着温度的变化，碳酸钠可以生成不同的水合产物，不同水合产物结晶水含量不同，分别为一水合碳酸钠（Na2CO3·H2O）、七水合碳酸钠（Na2CO3·7H2O） 和十水合碳酸钠（Na2CO3·10H2O）[3]。

其中Na2CO3·H2O 含有14.52%的结合水，反应方程式为：

Na2CO3（s）+H2O（l）＝Na2CO3·H2O（s）-14.1kJ/mol（放热反应）。

随温度升高，Na2CO3·H2O 溶解度降低。当温度高于35.4℃时，从饱和液中析出；当加热至100℃左右时，失去结晶水转变为碳酸钠[4]。

在Na2CO3与水发生化合反应生成一水碱过程中，其晶格结构会发生改变，排列变得更加密实，结晶颗粒更加光滑均匀。当一水碱受热分解时，结合水被赶出，但不会破坏其密集的晶格结构，脱水分解后的产品将具有颗粒大堆积密度大的优点[2]。固相水合法就是利用纯碱这一特点，先制得一水碱结晶，再经过流化干燥，脱去一水碱中的结合水及其表面吸附的游离水，由小粒径轻灰制备堆积密度大、颗粒大的重灰。

3 影响重灰粒度的因素

水合反应是固相水合法的核心，而水合反应产物，一水碱结晶情况，是控制重灰堆积密度、成品粒度的关键环节。影响水合反应的因素较多，主要有：反应水碱比，化碱用化合水温度和浓度[2]，水合机出汽温度（即反应温度），轻灰温度等。

3.1 水碱比

水合反应水量调节过多，造成水碱比过大，一水碱结晶易成糊状，会出现稀碱现象，虽然重灰粒度不低，但重灰成品中大颗粒含量会增大，同时存在着死床的危险；而水量调节过少，轻灰和化合水接触不够充分，部分轻灰无法与水发生反应，水合反应不完全，会出现碱球现象（一水碱内会含有部分轻灰），造成重灰成品粒度低，制得的重质纯碱的密度达不到要求[3]。所以在实际生产中，考虑水分的蒸发及移出等损失，取碱水比为1∶0.37～0.42，一水碱的水分控制范围在12%～18%较适宜。另一方面，化合水用量同样决定了水量消耗指标和后续蒸汽消耗指标，是固相水合法水合反应关键影响因素之一。

3.2 化合水温度和浓度

水合机的进水温度对重灰粒度分布影响较大。化合水温度过低，不利于晶核的形成及晶粒的成长，导致一水碱结晶过细；温度过高，晶粒间相互黏连，一水碱粘性增大，形成超大颗粒。在实际生产中，化合水温度常常取25～45℃，以20～38℃为宜。在其他条件不变的情况下，化合水在这个温度范围内，一水碱结晶颗粒均匀密实而大颗粒少，所得重灰成品粒度分布较为均匀。

在重灰生产中，流化床和水合机随负压抽出的细小碱尘通过湿式除尘法溶于脱盐水中形成一定浓度的重灰洗涤液，这部分重灰洗涤液若直接排放，系统中部分碱也将随之排出，造成物料的浪费，同时还污染环境。所以采用重灰洗涤液作为化合水，可以既能减少排放，又能减少产品损失。但化合水浓度过高，会影响水合反应一水碱结晶的形成和成长，重灰的粒度也会随着降低，化合水浓度在低于20mol/L 时对重灰粒度影响不大。

3.3 水合机出汽温度（即反应温度）

由前文介绍的反应方程式可知，水合反应为放热反应，反应温度对水合反应晶粒的成长有着直接的影响[2]。水合机内反应温度高，结晶过程变慢，粒度分布不均匀，水份蒸发量大，化合水用量增大，也造成后续除尘系统能耗增大；水合机内反应温度低，结晶速度快，但结晶较细，晶粒间相互黏连，一水碱粘性增大，多余水分难以蒸发，造成稀碱现象。所以在实际生产中，保证一水碱结晶正常的前提下[3]，通过水合机上负压抽气口，将一水碱化合时的热量带出，控制出汽温度在80～90 ℃之间。在固相水合法水合反应中反应温度主要靠水合机出汽温度和压力来调节，所以水合机出汽温度和压力是水合反应重要可控制指标之一。

3.4 轻灰温度

当轻灰温度过低时（一般表现为小于150℃），一方面水合反应温度达不到要求，调节频繁，另一方面可能还有部分未煅烧完全的物料[3]（重碱NaHCO3，俗称含重碱） 进入水合机中，与水和Na2CO3混合后发生反应生成倍半碳酸钠（Na2CO3·NaHCO3·H2O），倍半碳酸钠黏度较高且极易结球、粘壁[2]，造成一水碱出现超大颗粒，且晶粒分布不均，出现碱球现象，水合机粘壁，严重影响重灰产品的粒度与白度。当轻灰温度过高时，为了保证化合反应温度适当（80～90℃），必须提高负压抽气量，降低水合机反应系统稳定性，降低粒径均匀度，增大重灰洗涤塔的负荷，同时造成能耗加大。在实际生产中，一般控制轻灰温度在160～180℃之间为宜。

4 固相水合法工艺设计中应注意的问题

4.1 利用重灰洗涤液作为化合水进行水合反应，重灰洗涤液主要成分是碱液，对普通碳钢管道有腐蚀性，对铬18 镍9 奥氏体不锈钢腐蚀性良好，腐蚀率0.05～0.5mm/a，建议铬18 镍9 奥氏体不锈钢材质管道进行敷设，防止因管道腐蚀而引起的重灰中铁含量的增加。

4.2 水合机因水合反应温度控制不当、水碱比控制不当、轻灰结晶不好、化合水腐蚀管道、化合水温度及浓度控制不当等问题，易引起内部结疤问题，影响重灰产量和质量，同时结疤后清理困难，增加现场操作人员的劳动强度。所以在生产过程中，建议在固相水合法生产重灰的工艺过程中使用先进的DCS 控制系统，减少水合操作不当产生的结疤问题，并定期进行清理。

4.3 在固相水合机进碱螺旋输送机处增加变频器，减少电消耗的同时，便于水碱比的频繁调节。

4.4 轻灰中钙镁杂质含量会影响到水合反应结晶情况，钙杂质的含量过高会引起结晶形状不规则，结晶体混浊、黯淡、无光泽等，甚至会导致一水碱不结晶，使水合机结疤堵塞；镁杂质的含量过高会引起结晶松散无力，煅烧后粉化等问题。所以在实际生产中，建议定期检测进水合机的轻灰中钙镁杂质的含量。

5 结论

通过对固相水合法生产重灰的工艺流程、工作原理和重灰产物粒度影响因素的系统梳理，能够为重灰生产的工艺设计优化提供更为全面深入的理论支撑。