淺談硅酸鈉生產工藝及行業發展趨勢

引言

       硅酸鈉用途非常廣泛，幾乎遍及國民經濟各個部門。其分子式為：Na2O·nSiO2。n稱為模數，指SiO2和Na2O的摩爾比，一般為1.5～3.5 。工業硅酸鈉分為二類：液體硅酸鈉和固體硅酸鈉。液體硅酸鈉呈無色透明、黃綠色、青灰色、或微紅色，無色透明的液體硅酸鈉質量最好，工業液體硅酸鈉透明度常因雜質的影響而變渾濁。固體硅酸鈉是無色、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。業內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）在工程技術要求較高時使用。模數越大，水玻璃的粘度越高，越難溶于水。不同模數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一般為2.6～2.8，易溶于水而且強度又較高。

1　硅酸鈉的生產方法

       硅酸鈉有干法、濕法兩種生產工藝。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、加壓反應后得到液體產品。

1.1　干法

1.1.1　碳酸鈉法

      根據所需產品的模數要求，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，高溫熔融產物從窯爐出料口流出，通過模子上面的輥子壓制成塊或者水淬成顆粒。若需要生產液體產品則需再進行高溫溶解或高溫高壓溶解，并經沉淀、濃縮制得液體水玻璃。其化學反應方程式：

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。投料采用單側密封式投料口，以減少該處侵蝕延長熔窯壽命，杜絕粉塵飛揚并減少該處熱量散失以節能。原料車間制備好的配合料經配合料帶式輸送機卸入硅酸鈉聯合車間熔窯的窯頭料倉。熔窯采用單側加料，窯頭料倉下的密封式投料機將配合料按液面信號均勻加入熔窯內，在高溫下進行一系列物理、化學變化完成原料的熔制和均化。

       熔制好的熔融料液通過一定的高差，流落至鏈板式輸送機上，調頻控制的鏈板式輸送機上的壓輥將料液平攤并壓入鏈板形狀規則的陰模中，將其成型為塊狀固體，繼續冷卻至機頭處將其卸下，落到下方地面的料罐中，吊車將其轉卸到成品格間中繼續冷卻、儲存，冷卻至常溫的塊狀固體經稱量、裝噸袋或散裝出廠。

       該法采用鏈板輸送機作為成型設備，高溫熔融料液從窯爐出料口流出后落至鏈板輸送機料槽上，鏈板輸送機壓輥采用水冷方式，料槽采用噴淋式水冷方式，鏈板輸送機采用傾斜式輸送方式。由于料液不與水直接接觸，不會發生水解，保證產品的純度，提高了產品的品質。而且鏈板輸送機冷卻水沒有受到污染，可以循環使用。鏈板形狀不同可以生產不同形狀的塊料，不產生環境污染，節水節電，產品透明度高、外觀美觀、純度高，產品質量好，適合作為原材料生產高檔硅產品如硅膠、白炭黑等，并且能達到出口的要求。鏈板機干法成型工藝是一種清潔優質生產工藝，也是應用最廣泛的硅酸鈉生產工藝，適于生產各種模數的硅酸鈉。

      （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流出后直接進入冷卻水，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。經過出料機運至皮帶機，再輸送至料倉，包裝入庫。此法生產的硅酸鈉含水，結塊嚴重，難以長時間儲存，給后續化料也會帶來困難。此法由于熔融料液在水淬時部分顆粒狀固體硅酸鈉在冷卻水中會發生水解，使冷卻水顯堿性，而且冷卻水循環使用時溫度越高，水解程度越大，會產生堿泥，循環水冷卻效果降低，就需要排出較多的廢水，造成嚴重的環境污染。此種工藝已經被國家明令淘汰了。 

        以上2種成型工藝得到的都是固體產品，而固體Na2O·nSiO2是中間產品，在工業上沒有具體使用價值，轉化為液體Na2O·nSiO2則具有廣泛的用途。轉化為液體產品則須將塊狀硅酸鈉進行化料。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品放入容器中，加入熱水進行蒸煮。此種方法由于在常壓下進行，壓力較低，硅酸鈉溶解量較少，濃度偏低，不能達到液體產品的要求，因此還需蒸發其中一部分水分進行濃縮。

       高壓溶解法是指將塊狀硅酸鈉加入滾筒中，根據塊子重量及產品規格加入適量水，再通入較高壓力的蒸汽進行溶解。模數在3.3以下的硅酸鈉在蒸汽壓力0.4~0.5 MPa、滾筒轉速2~4 r/min的條件下2 h即可全部溶解；模數大于4的硅酸鈉溶解較困難，須在滾筒內加入一定量的液體燒堿以加速溶解。經過一段時間，溶解到一定濃度后，再轉移到沉清槽進行自然沉淀、除雜質。除去雜質的溶液送入濃縮槽進行濃縮，槽內用蒸汽盤管加熱，槽底采用煙道廢氣余熱加熱，直至溶液濃縮至產品要求濃度即成成品。

1.1.2　元明粉（又稱硫酸鈉、無水芒硝）法

       硫酸鈉法的原料包括硫酸鈉（無水芒硝）、碳粉、石英砂，生產過程和碳酸鈉法相同，不同的是爐內采用負壓操作，在窯后抽風。該法在窯溫1 200 ℃時會產生部分“硝水”，即液體芒硝，浮在石英砂上面，與石英砂分成兩相，難以與石英砂進一步反應。在出料時高溫硝水遇水會發生爆炸現象，對窯爐出料口和操作人員造成傷害。而且熔融的硝水會對窯爐耐火材料產生嚴重的侵蝕，減短窯爐的使用壽命。此法生產過程中會產生大量SO2，生產每噸產品排放200多千克 SO2，是純堿法排放量的130倍，而且大部分企業沒有脫硫除塵措施，廢氣排放就更加嚴重。此外，熔融料液出料后采用水淬法制塊還會產生大量含堿廢水。由于此法原料價格較純堿低廉，因此還有部分企業采用此法生產硅酸鈉。不過此法由于排出廢氣廢水，嚴重污染環境，已被國家禁止使用。反應方程式如下：

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，反應得到硅酸鈉和鹽酸。此法反應速度較慢，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比例混合加入壓熱釜內，用蒸汽加熱并進行攪拌，使之直接反應而成液體水玻璃，經過濾、濃縮制得成品水玻璃。濕法生產水玻璃只能生產模數小于2.5的產品，難以生產高模數的產品，而且反應速度慢，從而限制了此法的應用。我國采用濕法生產水玻璃僅占全國總產量的5%�；瘜W反應方程式如下：

2NaOH+nSiO2→Na2O·nSiO2·H2O

2　硅酸鈉的應用及行業現狀

       硅酸鈉用途十分廣泛，至今無可替代的產品出現。硅酸鈉是產業鏈最上游的產品，常作為一種基礎的化工原料來生產其他下游產品。硅酸鈉是制皂工業中最有價值的填料，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、防止腐蝕洗衣機的金屬、穩定泡沫的作用；可用作造紙的填料，使紙張在造紙機上操作更順利；用于制造硅凝膠、硅膠等吸附劑；用作鑄造工業中的粘結劑，粘接砂和黏土，制作成各種各樣的鑄型和型芯，水玻璃模數越高、濃度越高，膠粘能力越強；水玻璃涂在金屬表面會形成堿金屬硅酸鹽及SiO2凝膠薄膜，使金屬免受外界酸、堿及其他活潑化學介質的侵蝕；用作粘結劑來粘結紙張、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；在紡織工業用作漿料、浸漬劑，在紡織物染色和壓花紋時用作固著劑和媒染劑，以及用于絲綢織物加重；在皮革生產中加入水玻璃，其分散的膠體SiO2用于生產白色軟皮革；在食品工業可用于保存蛋類，防止微生物進入蛋殼孔隙造成變質；在制糖工業，水玻璃可以脫除糖液中的色素和樹脂質；此外硅酸鈉在醫學繃帶、蓄電池制造、電焊條制造、煉鋼等行業都有十分重要的用途。

        1818年，德國學者約翰·富克斯制得水玻璃，并發表了很多有價值的研究成果。1826年德國奧格斯堡首次建立了一座小型水玻璃工廠。發展至今，國外企業設備先進、自動化控制水平很高。美國約有17個生產廠，年總產量約150萬t，美國PQ公司是目前世界最大的硅酸鈉生產企業。歐洲約有16~18個生產廠，德國、英國、法國、意大利等國的生產水平都較高，歐洲年總產量約120萬t。在亞太地區，中國、日本和韓國是主要的生產商。日本、韓國國內資源匱乏，而生產硅酸鈉對資源和能源的依賴性比較大，韓國和日本很多企業已經停產，主要從中國進口。

      我國于1938年開始在北京、天津、青島、廣州等地建設硅酸鈉生產工廠。發展至今，我國硅酸鈉生產能力已居世界第一位。隨著下游產品白炭黑、硅膠、分子篩等市場需求的不斷增長，其原材料硅酸鈉近年來產量發展迅猛。2004年我國年產量為110萬t，2009年年產量達到200萬t，現在年產量已經達到300多萬噸（以固體計），大約占到了世界總產量的50%。我國硅酸鈉生產企業星羅棋布、遍布全國，現在已有約200多家，多集中在山東、江蘇等地。山東全省硅酸鈉產量占到了全國總產量的60%左右。

3　硅酸鈉行業目前面臨的主要問題及應采取的對策

       近年來部分硅酸鈉企業為追逐利益，低水平重復建設，產能過剩，產品檔次低。造成環境污染、資源浪費、市場惡性競爭更加激烈，行業整體贏利空間狹小。為此，2009年，國家相關部門制定了《硅酸鈉行業準入條件》，其中規定，硅酸鈉生產工藝及設備應達到以下要求：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，采用優質耐火材料，設計窯齡＞3年；優化燃燒控制系統，推廣使用富氧燃燒、空氣鼓泡等節能減排技術；鼓勵實施熔窯熔化部池壁、池底、胸墻、大碹全保溫，減少散熱損失；新建及改擴建硅酸鈉窯爐熔化面積需＞20 m2，發展＞50 m2的大中型窯爐，淘汰現有的＜20 m2的窯爐；硅酸鈉出料采用干法出料技術，淘汰現有的水淬法出料技術；新建及改擴建硅酸鈉生產線禁止采用以元明粉為原材料的干法生產工藝，淘汰現有的以元明粉為原材料的干法生產工藝。這些需要整個硅酸鈉行業甚至整個社會的共同努力，實現按照上述要求建設和生產，從而促進整個硅酸鈉行業的健康發展，實現更大的社會效益和經濟效益。

西安華昌水玻璃有限公司是水玻璃又名硅酸鈉、泡花堿的研發與生產廠家，是西北地區專業的水玻璃（粉狀速溶硅酸鈉、泡花堿）生產及銷售企業。公司面向西安/水玻璃、延安/泡花堿、榆林/硅酸鈉、定西/水玻璃、平涼/泡花堿、西峰木齊/硅酸鈉、賀蘭/水玻璃、中衛/硅酸鈉、樂都/水玻璃及周邊地區大量供應液體水玻璃及粉狀速溶硅酸鈉，公司生產的液體水玻璃廣泛應用于地鐵、隧道、煤礦的防水堵漏以及土壤加固、防腐工程、石油勘探、鑄造、選礦、建筑施工等領域。

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