輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)工藝技術改造若干問題的探討

趙朋偉，胡琳娜，費長榮，何豫基

（1.河北工業(yè)大學化工學院，天津300130；2.唐山化工機械有限公司）

綜述與專論

輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)工藝技術改造若干問題的探討

趙朋偉1，胡琳娜1，費長榮2，何豫基1

（1.河北工業(yè)大學化工學院，天津300130；2.唐山化工機械有限公司）

提出了窯氣凈化系統(tǒng)的改進技術，采用膜噴無返混無濃度梯度（MP）塔盤內(nèi)件的脫硫塔、洗滌塔，提高了窯氣的凈化度；采用動態(tài)陳化技術使陳化后的精漿更加細膩均勻，從而降低了產(chǎn)品的游離堿，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量；提出了“三合一”反應釜新技術可以有效地提高生產(chǎn)能力，同時節(jié)能降耗。

輕質(zhì)碳酸鈣；MP塔盤；動態(tài)陳化；游離堿；反應釜

近年來，中國普通輕鈣和納米級碳酸鈣的產(chǎn)量在不斷提高，總產(chǎn)量可達1 000萬t/a。但產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，低檔產(chǎn)品較多，高檔次的專用碳酸鈣大部分還需要進口。產(chǎn)品質(zhì)量差，廠家利潤低，是由于生產(chǎn)工藝落后，設備水平低下所致。因此，企業(yè)要想在激烈的競爭中脫穎而出，必須改進生產(chǎn)工藝、提高設備性能、節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品附加值，生產(chǎn)適合市場需求的碳酸鈣系列產(chǎn)品。

1 目前中國輕鈣生產(chǎn)中存在的問題

對于窯氣凈化工序，碳酸鈣行業(yè)大部分采用旋風分離器、噴淋除塵器、泡沫洗滌塔和吸附過濾塔等的組合。雖然該組合耗水少、阻力小，但是運行不平穩(wěn)、塔板經(jīng)常堵塞、維修費用高、窯氣洗滌效率差。

石灰乳陳化工序存在灰乳不夠細膩、活性差、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，以至于影響碳酸鈣的質(zhì)量，如產(chǎn)品堿度高、粒度分布寬、吸油值高等。

活性鈣生產(chǎn)工序存在工藝流程長，設備投資大，操作費用高且產(chǎn)品品種單一等問題。

輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品的白度低、鎂含量高，添加在塑鋼中造成黏度增大，使拉伸過程電流升高，所得制品發(fā)黃，也限制了其應用范圍。

2 窯氣凈化裝置的改進

從立窯出來的窯氣，夾帶著煤灰、二氧化硫等雜質(zhì)，所以凈化裝置不僅要除塵還要脫硫。以往的凈化工藝是一座立窯需要幾臺空氣壓縮機，每臺空壓機前面有一個“3件套”。這種凈化系統(tǒng)投資大，能耗高。從行業(yè)發(fā)展趨勢來看，除塵裝置應“大型化”。若采用大型的除塵脫硫裝置，一座窯或多座窯采用一套凈化系統(tǒng)即可：即脫硫塔與洗滌塔串聯(lián)，再加上除霧、除水裝置。

筆者采用了天津市創(chuàng)舉科技有限公司制造的MP塔盤應用到石灰窯氣脫硫塔、洗滌塔［1］，取得了很好的效果。MP塔盤是一種膜噴無返混無濃度梯度塔板，以氣相為連續(xù)相、液相為分散相的高效噴射塔板，相對于以前的泡罩、篩板及浮閥塔盤，其分離效率、生產(chǎn)能力、操作彈性都大大提高。這是因為它以板上空間作為主要傳質(zhì)區(qū)域，依靠氣體把板上液體提升、破碎、噴出，噴射型氣液流動使液體破碎成微小液滴，形成了非常充分的氣液接觸面積，較徑向側(cè)導噴射（CJST）塔盤更為充分地利用了塔板空間，從而提高了氣液接觸幾率，富液通過導液槽導流到降液系統(tǒng)，減少了液體返混。

2.1 技術特點

1）傳質(zhì)效率高。MP塔盤將普通板式塔在鼓泡狀態(tài)下進行氣液接觸變?yōu)樵趪娚錉顟B(tài)下進行氣液接觸，液相被分散成大量的小液滴，同時破壞了氣泡，為氣液接觸提供了很大的表面積，從而具有很高的傳質(zhì)效率。

2）處理能力大。由于在每層塔盤傳質(zhì)區(qū)的上部設立了氣液分離板，即使在很高的板孔氣速下也不易出現(xiàn)霧沫夾帶，其處理能力與浮閥塔盤相比可高出50%以上。

3）壓力降低。浮閥的傳質(zhì)需要鼓泡，氣體頂開浮閥，并且穿過液層，所以壓力降較高；而MP塔盤的噴嘴則不同，它的壓力降主要來自于提升氣液穿過氣液分離板的阻力。負荷低時MP比F1型浮閥壓力降低20%以上；高負荷時比F1浮閥低30%～40%，且負荷愈大，壓降低得愈多。

此外，由于塔板上無活動部件，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，不會因磨損、震動等原因造成傳質(zhì)單元脫落，基本上無維修工作量，操作彈性較大，可達60%～130%以上。

2.2 技術改造背景

唐山三友化工股份有限公司10#洗滌塔改造前的除塵效率很低，電耗卻較高，窯氣凈化達不到生產(chǎn)要求。采用河北工業(yè)大學研發(fā)的MP塔盤［1］對其進行技術改造，原洗滌塔塔體不變，只改變內(nèi)件結(jié)構(gòu)類型，取得了滿意的效果。

河北乾昊鈣業(yè)有限公司的窯氣凈化裝置，改造前每個立窯配有4套凈化裝置，用水量大，電耗高，除塵效率低，產(chǎn)品白度為92%。改造后1個立窯只配1套凈化裝置，包括旋風分離器、脫硫塔、洗滌塔及氣液分離器。此凈化裝置可滿足5萬t/a的生產(chǎn)能力。

2.3 MP塔盤內(nèi)件洗滌塔的效果

唐山三友化工股份有限公司窯氣除塵凈化裝置采用MP塔盤洗滌塔后，經(jīng)過調(diào)整工藝參數(shù)，運行效果基本滿足了工藝要求。原篩板塔除塵效率為20%左右，改造后該裝置除塵效率平均為47.7%，較大幅度提高了除塵效率，保證了工藝氣體凈化度的要求，同時也降低了電除塵的負荷。

河北乾昊鈣業(yè)有限公司使用的脫硫塔為φ1 600×6 000，洗滌塔為φ1 600×8 000。改造后產(chǎn)品的白度可達到94%以上，除塵效果明顯。同時，由于只需1套凈化裝置，可以減少用水量，降低了能耗及操作費用。

3 石灰乳陳化工藝的改進

消化反應所得粗漿經(jīng)除渣后，得到的精漿必須經(jīng)過陳化才能用于碳化過程。這是因為經(jīng)過陳化后，消化時尚未完全反應的CaO會繼續(xù)消化生成Ca（OH）2，可以避免產(chǎn)品的返堿現(xiàn)象，從而提高輕鈣產(chǎn)品的質(zhì)量。

目前，中國碳酸鈣行業(yè)采用的生漿陳化方式一般為靜態(tài)陳化，陳化池容積小、個數(shù)多。此種工藝不僅陳化效果差，還易造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

所謂動態(tài)陳化，即采用大型陳化池，利用攪拌機的高剪切力使精漿更加細膩，采用污水泵使精漿在3個大型陳化池間進行強制循環(huán)。該工藝減少了精漿的熱損失，較高的陳化溫度還可以縮短陳化時間，進而減小陳化池的容積，節(jié)省空間。重要的是可以有效地防止Ca（OH）2包裹CaO，使得進碳化塔的精漿濃度保持穩(wěn)定，Ca（OH）2粒度分布窄，粒徑小于3μm。

3.1 動態(tài)陳化工藝

精漿的動態(tài)陳化工藝流程示意圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)陳化工藝流程示意圖

3.2 技術特點

1）使CaO進一步消化完全，由于循環(huán)時產(chǎn)生的高剪切力，可以有效消除包覆現(xiàn)象。2）使陳化后漿液的物化性質(zhì)完全相同，避免了產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定。與靜態(tài)陳化相比，動態(tài)陳化可以縮短陳化時間，從而節(jié)省生產(chǎn)空間。

3.3 動態(tài)陳化的效果

與靜態(tài)陳化相比，動態(tài)陳化在陳化時間、精漿粒徑、最終產(chǎn)品堿度方面都有比較明顯的優(yōu)勢。動態(tài)陳化與靜態(tài)陳化陳化時間與粒徑（取D50為參考）的關系如圖2所示。由圖2可以看出，隨著陳化時間的延長，石灰乳的粒徑都有一個先減小后又增大的過程。動態(tài)陳化16 h，粒徑即可達到最?。欢o態(tài)陳化則需要24 h粒徑才能達到最小。并且動態(tài)陳化比靜態(tài)陳化的平均粒徑小。這可能是由于生漿在陳化時，石灰乳逐漸分散成細小的Ca（OH）2顆粒，在強剪切力作用下，顆粒會被分散得更細小。之后，由于晶體顆粒過小，為了降低表面自由能，部分粒子會自發(fā)地團聚，粒徑反而慢慢變大。

圖2 陳化時間與粒徑的關系

動態(tài)陳化與靜態(tài)陳化最佳陳化時間時的精漿粒度分布如圖3和圖4所示［采用LS-POP（6）型激光粒度分析儀測定］。

圖3 動態(tài)陳化精漿的粒度分布

圖4 靜態(tài)陳化精漿的粒度分布

兩種陳化方式下精漿陳化時間對輕鈣產(chǎn)品堿度的影響結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著陳化時間的延長，兩種陳化方法生產(chǎn)的產(chǎn)品堿度都在不斷降低，最后趨于平穩(wěn)。對于相同的陳化時間而言，動態(tài)陳化的產(chǎn)品都比靜態(tài)陳化的堿度小。動態(tài)陳化18 h，堿度已經(jīng)趨于最低點；而靜態(tài)陳化24 h后堿度變化才趨于平穩(wěn)，最終產(chǎn)品的堿度相差0.04%。

圖5 兩種陳化方式下精漿陳化時間對產(chǎn)品堿度的影響

4 碳化與活化工序的改進

活性碳酸鈣［2］的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是：先碳化，然后進行濕法或干法活化。碳化采用不帶攪拌的細高型塔或帶攪拌器的矮胖塔；碳化完成后漿料放入改性釜內(nèi)進行濕法活化改性，或?qū)⑻妓徕}過濾、干燥后再進行干法改性。這種工藝不僅設備多、能耗高、勞動生產(chǎn)率低，而且產(chǎn)品品種單一、附加值低。

“三合一”反應釜即在同一個反應釜里通入窯氣、蒸汽等，并將反應釜保溫或者設置外夾套蒸汽加熱。在碳化結(jié)束后馬上進行增白，增白完成后接著進行濕法改性。即用1個反應釜完成了傳統(tǒng)工藝中3個反應罐的工作，可以充分利用碳化反應熱，高效且節(jié)能。

4.1 技術特點

1）1 個釜可以當3個釜用，減少了釜、容器、泵、管道等的投資，節(jié)約了操作費用，也減少人工費；2）通過改變工藝條件，可調(diào)控產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)多品種產(chǎn)品；3）縮短工藝流程，降低電耗，減少熱損失。

4.2 “三合一”反應釜

“三合一”反應釜的結(jié)構(gòu)如圖6所示。其攪拌器的持氣能力比傳統(tǒng)攪拌器提高了一倍多，使得窯氣的利用率提高，碳化時間縮短，窯氣壓縮機改為羅茨風機，單機打氣量增加，電耗降低。這是由于反應釜采用了特殊的攪拌裝置，攪拌器以空心軸作為窯氣輸送管，頂端帶有氣體分布器，并且攪拌器由3層槳葉組成，以達到持氣、壓氣、分散的目的。同時高剪切力保證了攪拌均勻，使得產(chǎn)品的分散性好、粒度分布窄，增白、活化效率高，最終產(chǎn)品質(zhì)量提高。攪拌電機采用變頻控制，不同反應階段控制不同的攪拌速度，使電能消耗降低。

圖6 “三合一”反應釜結(jié)構(gòu)示意圖

5 產(chǎn)品增白、降鎂技術的改進

目前，中國碳酸鈣生產(chǎn)企業(yè)大多引進了產(chǎn)品增白技術［3］，但技術水平參差不齊。一些企業(yè)在消化階段或陳化階段進行增白，但生產(chǎn)耗能高、產(chǎn)品易返色；大部分企業(yè)在碳化結(jié)束后直接在普通碳化塔中增白，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，增白效果差。對于產(chǎn)品的降鎂，大部分企業(yè)主要采用延長碳化時間的方法，該工藝存在氣體浪費嚴重、耗電量大且降鎂效果差的弊端。

筆者采用“三合一”反應釜，適當調(diào)整工藝參數(shù)，可以明顯改善產(chǎn)品的質(zhì)量。碳化結(jié)束后，由于碳化時產(chǎn)生的熱量使?jié){液溫度上升，再微調(diào)到增白溫度，加入復合增白劑，由于“三合一”反應釜特殊的攪拌裝置，可以使整個反應釜的漿液攪拌更均勻，增白效果更好。利用河北乾昊鈣業(yè)有限公司的石灰石進行增白對比實驗。普通碳酸鈣未增白時白度為92%；用普通碳化塔增白，產(chǎn)品白度為94%；而采用筆者提出的窯氣凈化技術及“三合一”反應釜時，產(chǎn)品白度可以達到95%以上。

利用“三合一”反應釜，在碳化前加入適量的表面活性劑A以提高CO2傳質(zhì)效率，并適當進行過碳化。熟漿脫水后，再用熱水洗滌，進一步去除殘留在濾餅上的Mg2+，以降低產(chǎn)品的鎂含量。不同工藝生產(chǎn)的碳酸鈣產(chǎn)品的鎂含量如表1所示。由表1可知，利用普通反應釜過碳化所得產(chǎn)品鎂含量偏高，這主要是因為漿液鎂含量高，黏度大，使得CO2傳質(zhì)困難、利用效率低，殘留在濾餅上的Mg2+難以去除。加入適量的表面活性劑A可以降低漿液的黏度，提高了CO2傳質(zhì)效率；同時，過碳化使難溶的MgCO3變?yōu)镸g（HCO3）2，通過熱水洗滌可以使濾餅中的Mg2+含量大大降低。

表1 不同工藝所得產(chǎn)品鈣鎂含量對比

6 脫水工序的技術改進

傳統(tǒng)輕鈣企業(yè)脫水工序多采用上懸式離心機，雖然設備投資少，但需要操作工人數(shù)多，工人勞動強度大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣；由于濾液中碳酸鈣晶種含量高，使得產(chǎn)品沉降體積小，粒度分布寬，吸油值高；由于洗滌效果差而使得產(chǎn)品鎂含量高。

建議改用帶洗滌功能的板框壓濾機，雖然一次性設備投資大，但操作費用低，工人勞動強度大大降低，生產(chǎn)環(huán)境好。壓濾機的洗滌功能不僅可以解決洗滌濾餅降低鎂含量的問題，更重要的是其濾液中的碳酸鈣晶種含量低，便于調(diào)整產(chǎn)品的沉降體積，生產(chǎn)微細、超細碳酸鈣產(chǎn)品。

7 結(jié)論

1）采用MP塔盤脫硫塔串聯(lián)洗滌塔，可提高窯氣的凈化度，從而提高輕鈣產(chǎn)品的白度。并且該凈化系統(tǒng)設備簡單、能耗低，適合在輕鈣行業(yè)推廣。2）采用動態(tài)陳化工藝，可以縮短陳化時間，使精漿粒徑更小、粒度分布更窄，還可以使石灰乳更均勻、細膩，能有效降低產(chǎn)品的堿度，使輕鈣產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定。3）“三合一”反應釜集碳化、增白及活化改性于一體，可縮短工藝流程，充分利用碳化反應余熱；操作簡便，工藝參數(shù)容易控制；獨特的變頻控制攪拌技術，可降低電能消耗。4）“三合一”反應釜特殊的攪拌裝置，使氣液傳質(zhì)效果明顯改善，提高了窯氣的利用率。通過采取過碳化、加入合適的添加劑、壓濾機過濾及熱水洗滌等措施，可有效降低輕鈣產(chǎn)品的鎂含量，防止產(chǎn)品返色、返堿，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］李志強，許慶茂，張東文，等．新型垂直篩板技術［J］．化工進展，2001（10）：58-60．

［2］董鵬飛，胡琳娜，陳樹東，等．競爭原位制備活性碳酸鈣［J］．河北工業(yè)大學學報，2008，37（6）：37-40．

［3］盛晨軍，何豫基，胡琳娜，等．剖析碳酸鈣生產(chǎn)“三合一”工藝及設備選型［J］．無機鹽工業(yè)，2006，38（9）：43-45．

聯(lián)系方式：hln1958@sina.com

Discussion on several issues of technical reforms in light calcium carbonate production process

Zhao Pengwei1，Hu Linna1，F(xiàn)ei Changrong2，He Yuji1
（1.School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；
2.Tangshan Chemical Machinery Co.，Ltd.）

The improving technology for kiln gas purification system by using MP trays in the desulfurization tower and scrubber to increase the purification degree of kiln gas was put forward.By taking dynamic aging technology，lime milk became more delicate and uniform，so that the free alkali of the product was reduced and the product quality was improved.At the same time，a new technology of‘three-in-one’reactor was proposed，which can not only effectively improve the production capacity，but also saves the energy.

light calcium carbonate；MP tray；dynamic aging；free alkali；reactor

TQ132.32

：A

：1006-4990（2013）10-0001-04

2013-06-12

趙朋偉（1986—），男，碩士研究生，研究方向為無機功能材料。

胡琳娜