二氧化碳制纯碱工艺对比分析

二氧化碳制纯碱工艺对比分析

李长福,马琦璐,罗书磊

新疆中泰创新技术研究院有限责任公司；新疆乌鲁木齐市；830000

摘要：随着碳达峰、碳中和提出，很多企业面临着巨大的挑战，找到切实有效的技术成为企业实现碳减排的关键；二氧化碳是工业生产中常见的气体，用途也很广泛，在工业中作为保护气体使用，在饮料中做为添加剂，在消防中做为灭火剂，以及在石油开采中回注驱油等，但这些只是对二氧化碳的捕集及利用，二氧化碳本身并没有得到转化固定，对于碳中和并没有实质意义上的贡献；碳中和是一个人类的历史性大工程，本文就二氧化碳制纯碱工艺进行对比分析，利用二氧化碳制取碳酸钠，以实现二氧化碳固定利用。

关键词：纯碱、二氧化碳、废盐、碳捕集

1引言

2020年我国政府在第七十五届联合国大会上提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。针对二氧化碳我们进行一些技术分析，将二氧化碳转化为碳酸钠，以实现二氧化碳转化利用，达到实质意义碳减排目的。

2传统制纯碱工艺

经过广泛推广的传统制纯碱工艺主要有索尔维法制纯碱和联合法制纯碱。

1.索尔维法制纯碱

在联合法制纯碱出现之前，索尔维法制纯碱是流传最广的一种纯碱生产方法，化学反应式如下：

NaCl+NH₃+CO₂+H₂O→NaHCO₃+NH₄Cl；

CaCO₃→CaO+CO₂↑；

2NH₄Cl+CaO→2NH₃↑+CaCl₂+H₂O；

2NaHCO₃→Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O。

优点：原料以食盐和石灰石为主，价格便宜；纯碱成品的纯度高；副产品（氨和二氧化碳）可回收利用；制造步骤简单，适合大规模的生产。

缺点：两种原料的成分里都只有一半被利用，食盐里的钠离子和石灰石里的碳酸根离子结合成碳酸钠（也就是纯碱），可是食盐的另一成分氯离子和石灰石的另一成分钙离子却结合成了没有多大用途的氯化钙，因此如何处理氯化钙成为一个很大的负担，用氨碱法制纯碱的最大缺点还在于原料食盐的利用率只有72%~74%，其余的食盐都随着氯化钙溶液作为废液抛弃。另外，索尔维法制纯碱二氧化碳来源是煅烧石灰石产生，这与碳中和是相悖的。

2.联合法制纯碱

联合法制碱是以氯化钠、二氧化碳、氨和水为原料, 制取纯碱, 副产氯化铵的过程，化学反应式如下：

NaCl+NH₃+CO₂+H₂O→NaHCO₃+NH₄Cl；

2NaHCO₃→Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O。

优点：联合法制纯碱副产氯化铵作为肥料，消除了索尔维法制纯碱产生大量氯化钙废物的问题；同时联合法制纯碱二氧化碳取自合成氨厂副产二氧化碳【2】，可实现二氧化碳固定利用。

缺点：联合法制纯碱作为目前应用最广的纯碱生产工艺。首先，由于原料氯化钠使得纯碱产品中含有一定量氯离子，纯碱作为生产高端玻璃受限；其次，氯化铵作为肥料长期使用易造成土壤板结。

目前，环保方面对传统纯碱生产的要求越来越高，需根据碳酸钠产品的特点，选取具有影响大，社会关注度高，国家法律或政策明确要求的环境影响种类，选取资源属性、污染物排放等方面进行生命周期评价。【1】

3废碱液制纯碱工艺

本技术选用氢氧化钠溶液与烟气反应制得碳酸钠溶液，反应原理为：

2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

影响气液溶解及反应的主要因素有：气液接触压力、气液接触时间以及气液接触面积，针对影响因素我们采用鼓风机配合曝气罐来实现经济高效的利用烟气生产碳酸钠溶液，流程如下图一。

图一

如图一所示：

（1）烟气：烟气中二氧化碳含量一般为12%~20%；

（2）鼓风机：通过鼓风机将烟气压力升至0.05~0.1MPa(G)；

（3）曝气罐：①底部均布曝气器，使烟气与液体形成细小汽沫，增加气液接触面积，②曝气罐正常维持5米液位，液柱的存在使气液在一定压力下接触，越靠近罐底压力越大，同时液柱的高度增加了气液接触时间，③设置两个曝气罐，罐体设游离碱检测仪，当一罐游离碱达到设定值时，切换另一罐反应，④曝气罐内设循环水盘管，用于冷却反应放出的热量；

（4）碱液：①根据所需产品碳酸钠浓度调整进碱液浓度，比如，12%~15%的Na2CO3溶液对应碱液浓度约为15%~18%，②碱液间歇补入，一罐碱液反应完了产品输出后再进行下一罐反应，很好的保证产品质量。

工艺解决了气液接触压力、气液接触时间以及气液接触面积问题，同时有较强的操作弹性，参数可根据实际需求进行适当调整优化。

优点：废碱液制纯碱工艺简单，可实现废液利用，同时又能实现二氧化碳固定利用。

缺点：使用场合受限，需要工厂有废碱液或自产氢氧化钠，产品为碳酸钠溶液不利于运输，适用于厂区内自产自用。

4芒硝法制纯碱工艺

前苏联在芒硝制纯碱方面的研究卓有成效，其主要工艺流程如下【4】：

（1）首先将氨水碳化，然后融入芒硝反应生成碳酸氢钠浆料，反应温度35~40℃，反应时间1h【3】；

（2）碳酸氢钠浆料经过滤得到碳酸氢钠固体和母液；

（3）碳酸氢钠固体经煅烧得到纯碱，其中煅烧产生的二氧化碳气回用；

（4）母液首先冷冻析出芒硝和碳酸氢铵，然后母液经分解→蒸馏→中和→蒸发析出硫酸铵；

（5）其中母液分解出的二氧化碳气体回用，蒸馏出的氨气经氨吸收塔吸收后吸收二氧化碳，获得氨水碳化液。

优点：首先目前工业生产中产生大量硫酸钠废盐，可作为原料，既处理了工业废盐，有获得一定经济效益；其次生产原料中用到二氧化碳，可以实现碳捕集固定利用；最后硫酸铵做为肥料，容易储存使用。

缺点：由于目前纯碱工业基本被联合法制纯碱及天然纯碱垄断，芒硝法制纯碱目前还没有大工业生产的实际应用，技术有待转化成熟工业化。

5结束语

    二氧化碳制纯碱对实现二氧化碳捕集固定具有重要意义，联合法制纯碱、废碱液制纯碱、芒硝法制纯碱（硫酸钠废盐制纯碱）都能实现生产纯碱的同时固定二氧化碳。联合法制纯碱做为传统制纯碱工艺，在生产纯碱和固定二氧化碳方面具有工艺稳定可靠优势；废碱液制纯碱可因地制宜实现制纯碱和二氧化碳固定的双赢；芒硝法制纯碱（硫酸钠废盐制纯碱）在制纯碱的同时实现废盐处理及二氧化碳固定，极具潜力及环保意义。

参考标准

【1】HG/T 5978《绿色设计产品评价技术规范 碳酸钠（纯碱）》

参考文献

【2】王全，《纯碱制造技术》，化学工业出版社，7～8页，2010年1月

【3】张淑样，《芒硝和碳酸氢铵复分解法制取纯碱研究》，无机盐工业，43～48页，第40卷第10期，2008年10月

【4】中昊（大连）化工研究设计院有限公司（主编），《纯碱工学》，化学工业出版社，第49～50页，2003年8月