一、概述
天然碱，在矿物学中是指碳酸钠石一类矿物。在工业矿物岩石学中，它是指能从其中提出碳酸钠组分的钠的碳酸盐、重碳酸盐和含水碳酸盐类矿物。
组成碱矿床的矿物种类繁多，常见者有十余种，但具有工业价值的只有少数几种，如苏打、水碱、天然碱、重碳酸钠盐等。
苏打又称泡碱、碱、碳酸钠等。呈白、浅黄、浅灰色。透明，玻璃光泽。硬度为1～1.5。密度为1.46g/cm3。单斜晶系，晶体呈长菱形板状。通常为粒状、皮壳状。集合体为花状、禾束状和致密块状。易溶于水，在空气中亦易失去水分成白色粉末。
天然碱又称碳酸钠石。呈灰白或灰黄色。玻璃光泽。硬度为2.5～3.0。密度为2.11～2.14g/cm3。单斜晶系，晶体呈板状。有时呈结晶质皮壳状。易溶于水。
水碱无色、灰或黄色。玻璃光泽。硬度为1～1.5。密度为2.25～2.26g/cm3。易溶于水，常与苏打和天然碱共生。
重碳酸钠盐呈无色、白色，有时为灰或水牛皮色。透明。玻璃光泽。硬度为2.5，密度为2.21g/cm3。单晶呈柱状，集合体呈松散状或多孔块状。
天然碱是制碱工业的重要原料，用以制取纯碱、小苏打等。它也是玻璃工业原料和冶金工业助熔剂的辅助原料。此外，它还可用于合成纤维、皮革、造纸、染料、塑肥皂、洗涤剂、无机化学制品、纺织、石化、医药、农药以及橡胶翻新等方面。
二、矿床类型及工业要求
（一）矿床类型
依据天然碱矿床赋存状态，可分为卤水与固体矿床；按矿床内矿物组合后者又可分为三个类型，列于表3-23-1。
表3-23-1 天然碱矿床类型
（二）工业要求
天然碱矿床一般工业要求列于表3-23-2。
表3-23-2 天然碱矿床一般工业要求
注：品位指Na2CO3+NaHCO3的百分含量。
三、矿产资源概况
（一）地质时空分布
前第三纪发育的与火山岩相伴形成的陆相断陷型盆地和第二沉降带断陷盆地，分布有第三纪古碱矿床；半干旱的草原气候带地区和裂谷区，分布有第四纪现代盐湖碱矿床。
（二）地理分布
我国古碱矿床主要分布于河南桐柏地区，有吴城和安棚两大矿床；其次为江苏洪泽。辽宁铁岭地区亦见有低碳酸钠卤水。第四纪碱湖主要分布于内蒙古、新疆、吉林，而以内蒙古境内的最为著名，内蒙古察干诺尔碱矿储量达1100万t，是我国现代碱矿的代表。
（三）开发利用概况
我国纯碱开发具有悠久的历史，但每年还供不应求。我国天然碱产量占纯碱总产量比重甚微。天然碱的开发利用，目前主要是在内蒙古、新疆等少数有内陆盐湖的几个省区。我国纯碱产量的35%用于玻璃、搪瓷制品、洗衣粉等工业；70%的烧碱用于造纸、人造纤维、印染、肥皂等生产。可以预见，随着一些天然碱矿床的投入开发，我国天然碱产量将会有较大幅度的增长。
（四）河南省天然碱资源概况
河南省南阳市桐柏县有我国最大的古碱矿床——吴城矿床，安棚矿床，同时还有濮阳、叶县—舞阳盐田。
吴城天然碱矿区位于桐柏县吴城乡南部。碱矿赋存于吴城盆地中心偏北，呈北西—南东不规则椭圆形展布，面积4.66km2。吴城天然碱矿是在1969年寻找盐矿过程中发现的。1972年，对吴城天然碱矿进行详查，于1973年转入勘探，并于1975年提交了“吴城天然碱矿地质勘探报告”初稿。碱矿分下部碱矿和上部盐碱矿两个矿段：下部碱矿段，包括15层矿，单层厚0.19～2.38m,Na2CO3平均含量54.90%,NaCl含量低于0.3%，上部盐碱矿段包括21层矿，单层厚1～3m，碳酸钠平均含量33.96%,NaCl平均含量45.55%。矿床矿物组合比较简单，主要为天然碱、岩盐，其次为重碳酸盐，有害元素含量均低于允许含量。共生矿产有油页岩。分别计算了水采和旱采两种储量，即Na2CO3水采储量3648万t，旱采储量2076万t。另外，分别求得NaCl水采储量1769万t，旱采储量1474万t，属大型矿床。
安棚天然碱矿区位于桐柏县西北的安棚乡，地处桐柏、泌阳、唐河三县交界地带。该区还发现了石油、天然气，均已开发。碱矿有多层，具有品位高、储量大、单层薄、埋藏深的特点。安棚碱矿是我国继吴城碱矿之后发现的第二个古天然碱矿床，且储量超过吴城而居首位。碱矿分布面积10.74km2，矿层埋深1310～2520m。厚度大于0.6m的固体碱矿有17层，单层最厚3.6m，矿层叠加面积8.085km2。矿石品位（NaHCO3+Na2CO3）为82.85%～99.47%，平均为93.38%，探明储量为4849万t（纯碱）。液体碱主要分布在矿区西部，埋深1298～2119m，赋存在泥质白云岩、白云岩或白云质泥岩、油页岩内，含矿面积2.8km2。碱卤水含碱（NaHCO3+Na2CO3）为10%～14%，储量136万t，折合纯碱16万t。安棚碱矿是迄今我国发现的最大天然碱矿床。
四、河南省天然碱矿开发利用工艺及现状
1.吴城盐碱矿开发处用工艺及现状
以天然卤水为原料，采用直接蒸发年产5000吨纯碱的加工厂于1984年4月正式投入试生产，取得了良好的效果（图3-23-1）。生产实践表明，这是一条技术简单，经济合理的加工路线或产品质量达标率90%以上，堆比重为0.9～1.0。
图3-23-1 用溶采碱液制纯碱的流程
1—注入井；2—取出井；3—中和槽；4—加热器；5—蒸发器；6—稠厚器；7—离心井；8—煅烧炉；9—苛化桶；10—澄清桶；11—洗泥桶；12—过滤机；13—石灰室；14—化灰机
天然卤水是采用注水法或单井对流或双井压裂进行溶采，开采实践证明，这几种开采方法均收到了较好的效果，开采出来的天然碱浓度大致组成为：
Na2CO3 110～130g/L NaHCO3 30～60g/L NaC 2～10g/L
为了加快溶解速度，提高卤水总碱度，采用了向地下注入低浓度氢氧化钠的方法，在相同条件下注入低浓度氢氧化钠比注清水总碱度要高出20～30g/L。取出的卤水采用一水碱流程加工成优质重质纯碱。
首先，将4%NaOH溶液由1号井注入矿层溶解碱矿，通过地下矿层溶解碱矿，由2号井取出到地面上，取出的碱液在中和槽3用苛化车间送来的清碱液中和其中的碳酸氢钠，NaHCO3转化成Na2CO3，反应如下：
NaHCO3+NaOH＝Na2CO3+H2O
中和的碱液经预热器加热后送入双效顺流作业的蒸发器5，蒸发析出Na2CO3·H2O结晶。
由蒸发器5取出的晶浆送入稠厚器6，稠厚器溢流回到预热器4，低流经离心泵拖除母液，送入回转式蒸汽煅烧炉8，煅烧成松密度为900Lg/m3的重质纯碱。滤过母液和洗水一起与稠厚器6的溢流混合。
2号井取出的一部分碱液送入苛化桶9与石灰乳混合进行苛化反应，生成CaCO3沉淀和NaOH水溶液。其反应为：
NaCO3+Ca（OH）2→NaOH+CaCO3＋苛化液经澄清桶澄清，溢流的清碱液，部分送井下溶解碱矿，部分送中和桶中和NaHCO3，澄清桶的低流流入洗泥桶11洗涤，洗液送去化灰，严格讲洗涤后的苛化泥应经过滤机12过滤，滤饼送入滚筒式石灰窑13，补加部分石灰石弥补苛化过程的损失。烧成的氧化钙送入化灰机14化灰，灰乳送苛化桶。
2.桐柏安棚碱矿开发利用工艺及现状
安棚碱矿既有油又有碱，属油碱共生矿，天然碱以固体、液体（固体为主）两种形态赋存。碱厂建成重质纯碱和烧碱生产线各一条，设计生产能力分别为10Kt重质纯碱和4Kt烧碱，1992年6月1日投料试车成功，生产出合格的重质纯碱。生产工艺与吴城碱矿相似。表3-23-3列出了纯碱质量检验结果。
表3-23-3 纯碱质量检验结果
五、纯碱烧碱行业生产经营情况
进入90年代以来，在潍坊、唐山、连云港三大碱厂建成投产后，我国纯碱市场一直是供过于求，加上相继建成投产的吉兰泰等三个中型碱厂，纯碱生产能力过剩，产大于需的格局已经形成，近期不会改变。我国现有730万吨纯碱生产能力，而国内纯碱只有600万吨左右的市场需求，纯碱产量的增长速度大大高于下游产品的增长速度，造成大量产品积压，价格下跌，货款拖欠严重，“三角债”居高不下，企业生产出现困难。
表3-23-4列出了纯碱行业最近几年的生产情况及市场情况。
表3-23-4 最近几年纯碱的生产情况及市场需求
六、与国内外利用程度的差距及主要对策
世界上开发利用天然碱矿最好的国家是美国，尤以美国绿河盆地碱矿最为著名，该碱矿是迄今世界上发现的最大的碱矿床，分布于美国三个州，总面积50000km2，矿床由11个碱矿层组成，每层平均厚度10米，矿层含天然碱较高，一般都在90%以上，矿床储量巨大，美国因该矿的发现，一跃成为世界上第一产碱大国，美国碱原料的90%是绿河碱矿的天然碱矿石，其主要原因就是天然碱加工比较简单，建厂费用及操作费用都比较低，天然碱加工厂包括开采和加工系统的总投资仅为氨减法的一半左右，生产成本较低。另一个重要原因是美国有极丰富而廉价的天然碱资源。因此，美国纯碱在世界纯碱市场上具有极强的竞争能力。
内蒙古的伊克昭盟是我国主要盐湖分布地区之一，大小盐湖100多个，面积4～10km2，液相天然碱放在冬春两季湖面结晶出片碱，入湖就可采收；固体天然碱矿埋在湖面淤泥底下，埋深1～2m，矿体厚0.5～3m，便于开采。成分见表3-23-5。
表3-23-5 伊克昭盟各企业原料组成百分含量
自改革开放以来，天然碱开采和加工技术取得了很大成就，初步形成了不同形态、不同品位天然碱矿天然配套技术体系。值得推广应用的技术有碱田日晒工艺等。
碱田日晒工艺为将卤水打入碱田的蒸发池中，依靠风能和太阳能蒸发浓缩，到一定浓度后打入结晶池，继续蒸发浓缩，当卤水密度达到1.231～1.2989时，Na2CO3和NaHCO3析出，析出率分别为30.8%和88.6%，能得到Na2CO3+NaHCO3≥50%的湿基夏季日晒盐。该工艺适应性强、操作容易、产品质量稳定、经济效益好，对液相天然碱的合理开发具有重要意义。另外，高效节能新设备也不断开发设计出来，应用于天然碱加工厂，如：高能蒸发罐逐步取代了传统的平锅蒸发；升膜蒸发器取代了固碱锅的预热浓缩等等，新设备的应用大大降低了能耗，降低了生产成本，提高了企业的市场竞争力。
我省安棚碱矿自投产以来，基本实现了连续生产，日产重质纯碱20多吨，说明工艺技术可行，但因卤水浓度低，且NaHCO3含量高，中和量大、能耗高，生产规模太小，又未达到设计能力；加之管理不善等原因，致使吨碱成本居高不下，企业亏损严重。
目前，安棚碱矿主要存在的技术及经济问题是：
1.由于安棚碱矿埋藏深，固体碱矿一般都埋藏在1300米以下，主碱层在2000米以下，因此，钻井费用高，压裂成功率低，严重制约天然碱开发的经济效益。
2.采注比低。采注比低，一是增加动力消耗，二是增加溶剂消耗。实际消耗情况见表3-23-6。
表3-23-6 采注比实际耗量
注：NaOH损耗量按注入浓度3%计算。
由此可见，在注3%烧碱采卤的情况下，每采100m3卤水，要多耗水16.7m3，烧碱0.5t。按日采卤100m3计算，年损耗上千万元。对这一严重影响天然碱开发经济效益的问题，应认真研究其产生的原因，采取相应的措施，将采注比提高到0.9以上。
3.卤水浓度低
开采出的卤水浓度平均为9.5%。这一浓度远远低于美国绿河碱矿的卤水浓度，而且比吴城碱矿的卤水浓度还低3.5～6.5个百分点。加工如此低的卤水是毫无经济效益的。卤水浓度低的原因是NaHCO3溶解度低，目前解决这一问题的有效办法是注稀烧碱。但烧碱也是一种重要的基本化工原料，苛化法生产烧碱产生大量的苛化泥也难以处理，造成环境污染，因此，必须研究开发助溶效果好，质优价廉，不污染环境，便于回收的新型助溶剂，为大规模开发安棚天然碱带来显著的经济效益。
4.苛化泥的处理问题
目前苛化泥污染环境，处理难度大，处理费用过高，影响企业的经济效益，必须进一步研究其他的处理途径，彻底解决苛化泥问题。
5.现在工艺技术，蒸发量大，能耗较高，必须开发研究新的工艺技术，节能降耗，增加企业效益。
为了充分开发利用我省的天然碱矿资源，提高市场的竞争能力，促进我省经济和社会的发展，必须从研究开发新的工艺技术和改进现有的工艺出发，政府给予必要的扶持和保护政策，促进企业的发展。
（1）依靠科技是步，解决当前的技术难题
充分利用现有装置及其配套设施，采用内外协作以内为主的办法，开展科研及技术攻关工作，使压裂成功率提高到80%以上，提高采注比到0.9以上，卤水浓度提高到12%以上，苛化泥处理新技术能应用于工业生产。为大型天然碱加工厂提供决策依据和设计依据。
（2）实事求是地编制一个科学的碱田开发方案
安棚天然碱矿与美国绿河碱矿相比，具有三个不利于开发的因素：埋藏深、碱层薄、溶解度低；欲合理开发该矿并非易事；必须进行碱田开发的一系列综合研究工作，不断总结经验，力争编制一个切合安棚碱矿实际情况的科学开发方案。
（3）政府加大投资，扩大天然碱加工厂生产规模，靠规模争效益；调整产品结构，实际产品的升级换代，以适应国内市场的需求和出口国际市场的需求；加强企业管理，降低生产成本，不断提高市场竞争能力。