一种脱硫灰电渗析转化制备碳酸氢钠的装置及方法

本发明涉及碳酸氢钠制备，尤其涉及一种脱硫灰电渗析转化制备碳酸氢钠的装置及方法。

背景技术：

1、碳酸氢钠是一种重要的化工原料，在制备纯碱的中间体、表面清洁剂、工业废气的酸中和剂、食品添加剂、灭火器粉末和烟气脱硫剂等领域具有着广泛的应用。目前，碳酸氢钠主要的生产方法是纯碱或者天然碱碳化，我国的几大碱厂均采用这种方法。此外，索尔维公司也以氯化钠为原料，通过特殊工艺生产出了具有高活性的大颗粒活性碳酸氢钠产品。随着工业生产上对于碳酸氢钠的需求量大幅增长，需要新的方法生产。

2、在钢铁行业中，许多钢铁厂采用碳酸氢钠作为烟气脱硫剂，该脱硫过程会产生大量的脱硫灰，其最主要的成分是硫酸钠和不溶性杂质，还含有少量碳酸钠、碳酸氢钠和氯化钠。脱硫灰的成分复杂，经济价值低，数量极大，多被当作固体危险废物处理。由于其主要成分均是可溶性盐，经雨水冲刷后会污染土壤和水源。如能以硫酸钠为原料制备碳酸氢钠，不仅可以减少危废处理和脱硫剂购置的费用，还会带来显著的环境效益。

3、目前硫酸钠制备碳酸氢钠是通过硫酸钠溶液与碳酸氢铵或氨气和二氧化碳发生复分解反应实现的，科学家曾经仿造索尔维工艺开发出了循环制碱法。该法的工艺过程为将芒硝溶液和氨水在碳化塔中进行碳化，生成碳酸氢钠，过滤洗涤分离出碳酸氢钠。这种方法存在明显的缺点：复分解的转化率较低，钠离子的利用率不高，只有64％左右。同时，副产品硫酸铵的分离存在困难，直接蒸发硫酸钠-硫酸铵母液会产生难以分离的复盐，难以直接得到相对纯净的硫酸铵。硫酸制备碳酸氢钠技术的关键是提高钠离子利用率和硫酸钠-硫酸铵母液的分离。cn102198953a中公开一种通过复分解制备碳酸氢钠的方法，其以硫酸钠和碳酸氢铵为原料,通过复分解反应获得碳酸氢钠,分离得到的母液经高温脱氨，130℃蒸发浓缩得到硫酸钠晶体，分离后母液再通过冷却结晶得到硫酸钠和硫酸铵的复盐，母液再通过蒸发结晶得到硫酸铵产品。该方法流程较长，经过多次高温、冷却等工序,蒸发深度大，物料循环量大，且钠离子和硫酸根的利用率有待提高。

4、cn111039304a中则公开了一种复分解法制备碳酸氢钠联产硫酸的方法,其将磷酸氢二铵、甲酸铵或硝酸铵中的任意一种或至少两种的混合物,与硫酸钠进行反应生成第一目标产物硫酸铵和钠盐,然后通过蒸发结晶到得到硫酸铵晶体和钠盐溶液,钠盐溶液进一步投加碳酸氢铵(或二氧化碳+氨气)反应生成二目标产物碳酸氢钠。该方法可以有效地促进复分解反应的进行，而且避免了母液分离反复升温降温的操作，能大大降低过程能耗，但是该过程药剂消耗量较大，设备占地面积较大。

5、此外，也有研究人员针对硫酸钠-硫酸铵母液的分离难题开发出了乙醇胺反溶剂结晶绿色新工艺，该工艺通过先将过滤母液蒸发浓缩，得到部分硫酸钠固体，过滤后的滤液加入到乙醇胺反溶剂结晶器中，在80℃下，乙醇胺的作用是固体硫酸钠结晶析出，再过滤后的滤液冷却结晶后即可获得固体硫酸铵。该方法可以有效地分离硫酸钠-硫酸铵母液，但是硫酸钠和硫酸铵会夹带乙醇胺，产品纯度会受到影响，此外先加热再降温的能耗也会造成能耗偏高。

6、对于如何提高钠离子利用率的问题，cn101544385中公布了一种以芒硝和有机胺为原料联产制备纯碱和硫酸钙的方法。该方法的突出优点是转化率可以达到90％以上，但是有机胺沸点高，粘度大，蒸发回收能耗偏高，而且碳酸氢钠和硫酸钙由于有机胺夹带，产品纯度会受到影响。

7、综上所述，目前亟待解决硫酸钠制备碳酸氢钠技术中流程复杂、原料利用率低和生产成本高等问题。

技术实现思路

1、1.要解决的技术问题

2、本发明的目的是为了解决现有技术中酸钠制备碳酸氢钠技术中流程复杂、原料利用率低和生产成本高的问题，而提出的一种脱硫灰电渗析转化制备碳酸氢钠的装置及方法。

3、2.技术方案

4、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

5、一种脱硫灰电渗析转化制备碳酸氢钠的装置，包括稳压直流电源、电渗析膜堆、极室水箱、碳酸氢钠水箱、碳酸氢铵水箱、硫酸铵水箱和硫酸钠水箱，所述稳压直流电源的输出端与电渗析膜堆的输入端连接，所述电渗析膜堆的输出端分别与极室水箱、碳酸氢钠水箱、碳酸氢铵水箱、硫酸铵水箱和硫酸钠水箱的输入端连接，所述极室水箱、碳酸氢钠水箱、碳酸氢铵水箱、硫酸铵水箱和硫酸钠水箱的输出端和电渗析膜堆的输入端之间设有泵、阀门和流量计。

6、本发明中还提出了一种脱硫灰资源化转化制备碳酸氢钠的方法，包括以下步骤：

7、步骤1：将脱硫灰加水溶解，过滤得到处理液；

8、步骤2：向电渗析复分解设备的极室水箱中加入的硫酸钠溶液，碳酸氢钠水箱中加入碳酸氢钠溶液，碳酸氢铵水箱中加入碳酸氢铵溶液，硫酸铵水箱中加入硫酸铵溶液，硫酸钠水箱中加入步骤中的得到的处理液；

9、步骤3：开启循环泵，将各水箱中的溶液输送到相应的隔室内，循环一段时间以消除膜堆内的气泡；然后打开直流电源，膜堆各个隔室内的溶液在电场力的作用下，阴阳离子进行迁移，其中硫酸钠水箱中的阴离子迁移到硫酸铵水箱中和碳酸氢铵水箱中迁移过来的阳离子结合生成硫酸铵溶液，硫酸钠水箱中的阳离子迁移到碳酸氢钠水箱中和碳酸氢铵水箱中迁移过来的阴离子结合生成碳酸氢钠溶液，然后从膜堆内各自对应隔室内流出，回流至各自对应的水箱；

10、步骤4：步骤3中硫酸铵水箱中硫酸铵溶液去蒸发得到硫酸铵产品，碳酸氢钠水箱中的碳酸氢钠中的溶液蒸发浓缩得到浓缩液。

11、步骤5：步骤4中的浓缩液经吸收二氧化碳碳化、过滤和干燥后得到碳酸氢钠产品。

12、优选地，所述步骤1中处理液ph为8-11.5，不含有固体颗粒。

13、优选地，所述步骤1中脱硫灰是以碳酸氢钠为脱硫剂的脱硫过程产生，最主要成分为硫酸钠，处理液的盐浓度为10-200g/l。

14、优选地，所述步骤2中极室水箱中的硫酸钠溶液浓度为0.5wt％-5wt％，碳酸氢钠水箱中的碳酸氢钠溶液浓度为0.01-0.2mol/l，碳酸氢铵水箱中的碳酸氢铵溶液浓度为10-200g/l，硫酸铵水箱中的硫酸铵溶液浓度为0.01-0.2mol/l，硫酸钠水箱中的溶液为步骤1中的处理液。

15、优选地，所述步骤3中水箱内的溶液在水箱和膜堆之间循环往复流动，进行电渗析，直至硫酸钠水箱中的电导率降低至7ms/cm以下，关闭电源。

16、优选地，所述步骤3中在恒流条件下进行，电流密度在30-70ma/cm2的范围内，温度为15-35℃。

17、优选地，所述步骤4中硫酸铵水箱系中的蒸发母液为饱和硫酸铵溶液，可以循环至硫酸铵水箱，碳酸氢钠水箱中溶液在75℃下蒸发浓缩，浓缩液为碳酸钠溶液。

18、优选地，所述步骤5中碳酸钠液碳化过程采用降膜吸收塔实现，滤液为饱和碳酸氢钠溶液，可以循环至碳酸氢钠水箱。

19、3.有益效果

20、相比于现有技术，本发明的优点在于：

21、(1)本发明中，通过设置的电渗析设备，将脱硫灰处理液转化为碳酸氢钠溶液和硫酸铵溶液，再将碳酸氢钠溶液先蒸发浓缩再碳化得到碳酸氢钠，不仅大大减少了处理危废脱硫灰的费用，还节约了脱硫剂的购置费用，还有可以副产硫酸铵。

22、(2)本发明中，该方法原料的利用率可以达到85％以上，阴阳离子交换膜的选择性使得获得产物纯度非常高；该方法复分解反应通过电渗析实现，大大减少了能耗；整体工艺过程未添加额外药剂，大幅度节约药剂成本；整体工艺流程短，所需设备占地面积小。