1344-09-8 / 淺談硅酸鈉生產(chǎn)工藝及行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

硅酸鈉用途非常廣泛，幾乎遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門。其分子式為：Na2O·nSiO2。n稱為模數(shù)，指SiO2和Na2O的摩爾比，一般為1.5～3.5。工業(yè)硅酸鈉分為二類：液體硅酸鈉和固體硅酸鈉。
液體硅酸鈉呈無(wú)色透明、黃綠色、青灰色、或微紅色，無(wú)色透明的液體硅酸鈉質(zhì)量最好，工業(yè)液體硅酸鈉透明度常因雜質(zhì)的影響而變渾濁。

固體硅酸鈉是無(wú)色、略帶顏色的半透明或透明塊狀玻璃體。液體硅酸鈉主要用于制造黏結(jié)劑、填充料、化工原料、防腐劑和助劑等。

固體硅酸鈉的主要用途是制造液體硅酸鈉。業(yè)內(nèi)將液體硅酸鈉稱為水玻璃，將固體硅酸鈉稱為泡花堿。硅酸鈉是鈉水玻璃，此外還有鉀水玻璃、鈉鉀水玻璃以及硅酸鋰和硅酸季胺等新型水玻璃。土木工程中一般使用鈉水玻璃，鉀水玻璃（K2O·nSiO2）在工程技術(shù)要求較高時(shí)使用。模數(shù)越大，水玻璃的粘度越高，越難溶于水。不同模數(shù)的硅酸鈉有著不同的用處。在土木工程中使用的硅酸鈉模數(shù)一般為2.6～2.8，易溶于水而且強(qiáng)度又較高。

1 硅酸鈉的生產(chǎn)方法
硅酸鈉有干法、濕法兩種生產(chǎn)工藝。干法又包括碳酸鈉法、元明粉（硫酸鈉）法、氯化鈉法；濕法以液體燒堿和石英砂為原料，加溫、加壓反應(yīng)后得到液體產(chǎn)品。
1.1　干法
1.1.1　碳酸鈉法
根據(jù)所需產(chǎn)品的模數(shù)要求，將純堿（Na2CO3）和粒徑0.180～0.250 mm（60~80目）的石英砂（SiO2）按比例混合均勻送入馬蹄焰窯爐，在1 450~1 500 ℃下熔融，高溫熔融產(chǎn)物從窯爐出料口流出，通過(guò)模子上面的輥?zhàn)訅褐瞥蓧K或者水淬成顆粒。若需要生產(chǎn)液體產(chǎn)品則需再進(jìn)行高溫溶解或高溫高壓溶解，并經(jīng)沉淀、濃縮制得液體水玻璃。其化學(xué)反應(yīng)方程式：
Na2CO3＋nSiO2→Na2O·nSiO2＋CO2↑
即：純堿、石英砂→混合→熔融→成型成固體泡花堿→經(jīng)溶化→液體泡花堿，其中成型成固體泡花堿有2種方法：
（1） 干法成型工藝流程簡(jiǎn)介
熔窯采用燃天然氣蓄熱式馬蹄焰熔窯，備用燃料為燃油。投料采用單側(cè)密封式投料口，以減少該處侵蝕延長(zhǎng)熔窯壽命，杜絕粉塵飛揚(yáng)并減少該處熱量散失以節(jié)能。原料車間制備好的配合料經(jīng)配合料帶式輸送機(jī)卸入硅酸鈉聯(lián)合車間熔窯的窯頭料倉(cāng)。熔窯采用單側(cè)加料，窯頭料倉(cāng)下的密封式投料機(jī)將配合料按液面信號(hào)均勻加入熔窯內(nèi)，在高溫下進(jìn)行一系列物理、化學(xué)變化完成原料的熔制和均化。
熔制好的熔融料液通過(guò)一定的高差，流落至鏈板式輸送機(jī)上，調(diào)頻控制的鏈板式輸送機(jī)上的壓輥將料液平攤并壓入鏈板形狀規(guī)則的陰模中，將其成型為塊狀固體，繼續(xù)冷卻至機(jī)頭處將其卸下，落到下方地面的料罐中，吊車將其轉(zhuǎn)卸到成品格間中繼續(xù)冷卻、儲(chǔ)存，冷卻至常溫的塊狀固體經(jīng)稱量、裝噸袋或散裝出廠。
該法采用鏈板輸送機(jī)作為成型設(shè)備，高溫熔融料液從窯爐出料口流出后落至鏈板輸送機(jī)料槽上，鏈板輸送機(jī)壓輥采用水冷方式，料槽采用噴淋式水冷方式，鏈板輸送機(jī)采用傾斜式輸送方式。由于料液不與水直接接觸，不會(huì)發(fā)生水解，保證產(chǎn)品的純度，提高了產(chǎn)品的品質(zhì)。而且鏈板輸送機(jī)冷卻水沒(méi)有受到污染，可以循環(huán)使用。鏈板形狀不同可以生產(chǎn)不同形狀的塊料，不產(chǎn)生環(huán)境污染，節(jié)水節(jié)電，產(chǎn)品透明度高、外觀美觀、純度高，產(chǎn)品質(zhì)量好，適合作為原材料生產(chǎn)高檔硅產(chǎn)品如硅膠、白炭黑等，并且能達(dá)到出口的要求。鏈板機(jī)干法成型工藝是一種清潔優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)工藝，也是應(yīng)用最廣泛的硅酸鈉生產(chǎn)工藝，適于生產(chǎn)各種模數(shù)的硅酸鈉。
（2）水淬法成型
水淬法成型與干法成型工藝不同的是高溫熔融料液從窯內(nèi)流出后直接進(jìn)入冷卻水，高溫熔融料液急冷炸裂，在水中淬冷成1~5 mm的顆粒，顏色為綠色或灰色。經(jīng)過(guò)出料機(jī)運(yùn)至皮帶機(jī)，再輸送至料倉(cāng)，包裝入庫(kù)。此法生產(chǎn)的硅酸鈉含水，結(jié)塊嚴(yán)重，難以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，給后續(xù)化料也會(huì)帶來(lái)困難。此法由于熔融料液在水淬時(shí)部分顆粒狀固體硅酸鈉在冷卻水中會(huì)發(fā)生水解，使冷卻水顯堿性，而且冷卻水循環(huán)使用時(shí)溫度越高，水解程度越大，會(huì)產(chǎn)生堿泥，循環(huán)水冷卻效果降低，就需要排出較多的廢水，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。此種工藝已經(jīng)被國(guó)家明令淘汰了。
以上2種成型工藝得到的都是固體產(chǎn)品，而固體Na2O·nSiO2是中間產(chǎn)品，在工業(yè)上沒(méi)有具體使用價(jià)值，轉(zhuǎn)化為液體Na2O·nSiO2則具有廣泛的用途。轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)品則須將塊狀硅酸鈉進(jìn)行化料。常用的化料方法主要有：常壓蒸煮法和高壓溶解法。
常壓蒸煮法是指將塊狀硅酸鈉產(chǎn)品放入容器中，加入熱水進(jìn)行蒸煮。此種方法由于在常壓下進(jìn)行，壓力較低，硅酸鈉溶解量較少，濃度偏低，不能達(dá)到液體產(chǎn)品的要求，因此還需蒸發(fā)其中一部分水分進(jìn)行濃縮。
高壓溶解法是指將塊狀硅酸鈉加入滾筒中，根據(jù)塊子重量及產(chǎn)品規(guī)格加入適量水，再通入較高壓力的蒸汽進(jìn)行溶解。模數(shù)在3.3以下的硅酸鈉在蒸汽壓力0.4~0.5 MPa、滾筒轉(zhuǎn)速2~4 r/min的條件下2 h即可全部溶解；模數(shù)大于4的硅酸鈉溶解較困難，須在滾筒內(nèi)加入一定量的液體燒堿以加速溶解。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，溶解到一定濃度后，再轉(zhuǎn)移到沉清槽進(jìn)行自然沉淀、除雜質(zhì)。除去雜質(zhì)的溶液送入濃縮槽進(jìn)行濃縮，槽內(nèi)用蒸汽盤管加熱，槽底采用煙道廢氣余熱加熱，直至溶液濃縮至產(chǎn)品要求濃度即成成品。
1.1.2　元明粉（又稱硫酸鈉、無(wú)水芒硝）法
硫酸鈉法的原料包括硫酸鈉（無(wú)水芒硝）、碳粉、石英砂，生產(chǎn)過(guò)程和碳酸鈉法相同，不同的是爐內(nèi)采用負(fù)壓操作，在窯后抽風(fēng)。該法在窯溫1 200 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分“硝水”，即液體芒硝，浮在石英砂上面，與石英砂分成兩相，難以與石英砂進(jìn)一步反應(yīng)。在出料時(shí)高溫硝水遇水會(huì)發(fā)生爆炸現(xiàn)象，對(duì)窯爐出料口和操作人員造成傷害。而且熔融的硝水會(huì)對(duì)窯爐耐火材料產(chǎn)生嚴(yán)重的侵蝕，減短窯爐的使用壽命。此法生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量SO2，生產(chǎn)每噸產(chǎn)品排放200多千克 SO2，是純堿法排放量的130倍，而且大部分企業(yè)沒(méi)有脫硫除塵措施，廢氣排放就更加嚴(yán)重。此外，熔融料液出料后采用水淬法制塊還會(huì)產(chǎn)生大量含堿廢水。由于此法原料價(jià)格較純堿低廉，因此還有部分企業(yè)采用此法生產(chǎn)硅酸鈉。不過(guò)此法由于排出廢氣廢水，嚴(yán)重污染環(huán)境，已被國(guó)家禁止使用。反應(yīng)方程式如下：2Na2SO4+C+2nSiO2→2Na2O·nSiO2+2SO2↑+CO2↑
1.1.3　氯化鈉法
以食鹽（NaCl）和石英砂為原料，將石英砂和食鹽混合均勻并熔融，通入蒸汽，反應(yīng)得到硅酸鈉和鹽酸。此法反應(yīng)速度較慢，一般工廠均不采用。
1.2　濕法
將液體苛性鈉和石英砂按適當(dāng)比例混合加入壓熱釜內(nèi)，用蒸汽加熱并進(jìn)行攪拌，使之直接反應(yīng)而成液體水玻璃，經(jīng)過(guò)濾、濃縮制得成品水玻璃。濕法生產(chǎn)水玻璃只能生產(chǎn)模數(shù)小于2.5的產(chǎn)品，難以生產(chǎn)高模數(shù)的產(chǎn)品，而且反應(yīng)速度慢，從而限制了此法的應(yīng)用。我國(guó)采用濕法生產(chǎn)水玻璃僅占全國(guó)總產(chǎn)量的5%?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下：2NaOH+nSiO2→Na2O·nSiO2·H2O

2　硅酸鈉的應(yīng)用及行業(yè)現(xiàn)狀
硅酸鈉用途十分廣泛，至今無(wú)可替代的產(chǎn)品出現(xiàn)。硅酸鈉是產(chǎn)業(yè)鏈最上游的產(chǎn)品，常作為一種基礎(chǔ)的化工原料來(lái)生產(chǎn)其他下游產(chǎn)品。硅酸鈉是制皂工業(yè)中最有價(jià)值的填料，將硅酸鈉摻入到洗衣皂中可緩沖洗衣皂的堿性，減少洗衣皂在水中的損耗，并可增加硬度和洗滌能力、防止肥皂酸??；硅酸鈉在合成洗滌劑中起助洗、防止腐蝕洗衣機(jī)的金屬、穩(wěn)定泡沫的作用；可用作造紙的填料，使紙張?jiān)谠旒垯C(jī)上操作更順利；用于制造硅凝膠、硅膠等吸附劑；用作鑄造工業(yè)中的粘結(jié)劑，粘接砂和黏土，制作成各種各樣的鑄型和型芯，水玻璃模數(shù)越高、濃度越高，膠粘能力越強(qiáng)；水玻璃涂在金屬表面會(huì)形成堿金屬硅酸鹽及SiO2凝膠薄膜，使金屬免受外界酸、堿及其他活潑化學(xué)介質(zhì)的侵蝕；用作粘結(jié)劑來(lái)粘結(jié)紙張、玻璃、陶瓷、石棉、木材、膠合板等；用于制造耐火材料、白炭黑、耐酸水泥；在紡織工業(yè)用作漿料、浸漬劑，在紡織物染色和壓花紋時(shí)用作固著劑和媒染劑，以及用于絲綢織物加重；在皮革生產(chǎn)中加入水玻璃，其分散的膠體SiO2用于生產(chǎn)白色軟皮革；在食品工業(yè)可用于保存蛋類，防止微生物進(jìn)入蛋殼孔隙造成變質(zhì)；在制糖工業(yè)，水玻璃可以脫除糖液中的色素和樹(shù)脂質(zhì)；此外硅酸鈉在醫(yī)學(xué)繃帶、蓄電池制造、電焊條制造、煉鋼等行業(yè)都有十分重要的用途。
1818年，德國(guó)學(xué)者約翰·富克斯制得水玻璃，并發(fā)表了很多有價(jià)值的研究成果。1826年德國(guó)奧格斯堡首次建立了一座小型水玻璃工廠。發(fā)展至今，國(guó)外企業(yè)設(shè)備先進(jìn)、自動(dòng)化控制水平很高。美國(guó)約有17個(gè)生產(chǎn)廠，年總產(chǎn)量約150萬(wàn)t，美國(guó)PQ公司是目前世界最大的硅酸鈉生產(chǎn)企業(yè)。歐洲約有16~18個(gè)生產(chǎn)廠，德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、意大利等國(guó)的生產(chǎn)水平都較高，歐洲年總產(chǎn)量約120萬(wàn)t。在亞太地區(qū)，中國(guó)、日本和韓國(guó)是主要的生產(chǎn)商。日本、韓國(guó)國(guó)內(nèi)資源匱乏，而生產(chǎn)硅酸鈉對(duì)資源和能源的依賴性比較大，韓國(guó)和日本很多企業(yè)已經(jīng)停產(chǎn)，主要從中國(guó)進(jìn)口。
我國(guó)于1938年開(kāi)始在北京、天津、青島、廣州等地建設(shè)硅酸鈉生產(chǎn)工廠。發(fā)展至今，我國(guó)硅酸鈉生產(chǎn)能力已居世界第一位。隨著下游產(chǎn)品白炭黑、硅膠、分子篩等市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，其原材料硅酸鈉近年來(lái)產(chǎn)量發(fā)展迅猛。2004年我國(guó)年產(chǎn)量為110萬(wàn)t，2009年年產(chǎn)量達(dá)到200萬(wàn)t，現(xiàn)在年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到300多萬(wàn)噸（以固體計(jì)），大約占到了世界總產(chǎn)量的50%。我國(guó)硅酸鈉生產(chǎn)企業(yè)星羅棋布、遍布全國(guó)，現(xiàn)在已有約200多家，多集中在山東、江蘇等地。山東全省硅酸鈉產(chǎn)量占到了全國(guó)總產(chǎn)量的60%左右。

3　硅酸鈉行業(yè)目前面臨的主要問(wèn)題及應(yīng)采取的對(duì)策
近年來(lái)部分硅酸鈉企業(yè)為追逐利益，低水平重復(fù)建設(shè)，產(chǎn)能過(guò)剩，產(chǎn)品檔次低。造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi)、市場(chǎng)惡性競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，行業(yè)整體贏利空間狹小。為此，2009年，國(guó)家相關(guān)部門制定了《硅酸鈉行業(yè)準(zhǔn)入條件》，其中規(guī)定，硅酸鈉生產(chǎn)工藝及設(shè)備應(yīng)達(dá)到以下要求：原料配料與稱量要求更加精確；推廣使用蓄熱室馬蹄焰窯爐，采用優(yōu)質(zhì)耐火材料，設(shè)計(jì)窯齡＞3年；優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)，推廣使用富氧燃燒、空氣鼓泡等節(jié)能減排技術(shù)；鼓勵(lì)實(shí)施熔窯熔化部池壁、池底、胸墻、大碹全保溫，減少散熱損失；新建及改擴(kuò)建硅酸鈉窯爐熔化面積需＞20 m2，發(fā)展＞50 m2的大中型窯爐，淘汰現(xiàn)有的＜20 m2的窯爐；硅酸鈉出料采用干法出料技術(shù)，淘汰現(xiàn)有的水淬法出料技術(shù)；新建及改擴(kuò)建硅酸鈉生產(chǎn)線禁止采用以元明粉為原材料的干法生產(chǎn)工藝，淘汰現(xiàn)有的以元明粉為原材料的干法生產(chǎn)工藝。這些需要整個(gè)硅酸鈉行業(yè)甚至整個(gè)社會(huì)的共同努力，實(shí)現(xiàn)按照上述要求建設(shè)和生產(chǎn)，從而促進(jìn)整個(gè)硅酸鈉行業(yè)的健康發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。