碳酸鈣作為一種非常重要的無機化工填料,廣泛地應用于橡膠、塑料、紙張中作為填料和補強劑。其中造紙工業在我國國民經濟中占有重要地位,有白色鋼鐵之稱。我國的造紙產量每年在2 000萬t 以上。從目前紙張的產量和結構來看,碳酸鈣的需求將會有很大增長。特別是隨著經濟發展,白板紙、銅版紙、低定量涂布紙必將大量發展。特別是隨著紙漿價格的上升,造紙行業必然轉向加添碳酸鈣降低成本、增加利潤的方向。隨著科技的發展,造紙逐漸成了碳酸鈣的最大用戶。
碳酸鈣在紙張中的作用不是一般的填料,而是被稱為功能性的填料,在產品配方中不是可有可無的。其在紙張中的主要作用是保證紙張的一定的強度和白度,同時降低生產成本。造紙專用鈣的特點是結晶形狀佳、顆粒大小適中、粒徑均勻、白度高、有光澤、折射率大、覆蓋力好、疏松效果好,磨耗系數低、留著率高。
1 工藝技術
1.1 工藝原理
本生產工藝主要包括石灰石煅燒、窯氣凈化壓縮、消化、碳化、離心過濾、產品的干燥與包裝等工序。
用石灰石生產碳酸鈣系列產品的主要化學反應式如下:
石灰石煅燒工序:CaCO3→CaO + CO2
石灰消化工序:CaO + H2O→Ca(OH)2
碳化工序:Ca(OH)2 + CO2→ CaCO3↓+ H2O
將石灰石與白煤按一定的配比送入機械立窯中煅燒,經高溫煅燒的石灰進入化灰機與離心后的母液進行化灰,再經降溫調漿到一定的濃度后用泵送入碳化塔進行碳化,碳化塔通入經洗滌凈化壓縮后的二氧化碳與石灰乳反應,反應后的產物為碳酸鈣懸浮液,最后經增濃、離心脫水、干燥、風選、包裝,得到微細碳酸鈣產品。
1.2 工藝流程
1.2.1 石灰石煅燒
將經過粉碎到一定塊度的白煤和石灰石按一定配比由卷揚機提升到煅燒立窯頂部,經由頂部的窯氣密封裝置進入機械立窯;鼓風機從機械立窯底部鼓入空氣,石灰石經煅燒后得到石灰,石灰經篩分機篩分,篩下物送至灰倉,作為副產品外售。篩上物塊狀石灰進入顎式破碎機破碎至15 ~ 20 mm 粒徑,用斗式提升機送至石灰料倉,經振動給料器送入化灰機中進行消化。窯氣經立窯頂部排出至窯氣凈化壓縮系統。
1.2.2 窯氣凈化壓縮
窯氣凈化采用慣性除塵、淋水除塵、洗滌塔、干吸塔四級凈化流程。煅燒立窯出口窯氣溫度較高(<200 ℃),經過夾套冷卻管冷卻和慣性除塵后,除去窯氣中夾帶的固體顆粒并降低了窯氣的溫度。窯氣經慣性除塵后從塔底部進入淋水除塵器,洗滌水從上部噴淋,洗去窯氣中大部分灰塵,同時給窯氣降溫,洗滌后的水經過廢水池沉降,用淋水泵打回淋水除塵器頂部循環使用。窯氣經淋水除塵器后進入洗滌塔繼續噴淋降溫洗滌,二級洗滌塔通過塔出水泵變頻來控制一定液位,出塔水送入涼水塔冷卻后,用泵打入洗滌塔循環使用。窯氣經過除塵、降溫后經干吸塔除濕后進行壓縮,氣體壓縮至0.20MPa(G)后進入碳化工序。
1.2.3 消化工序
石灰從石灰料倉經振動給料器加入到化灰機中,根據石灰料倉振動給料器的下料情況,調節高位熱水槽的熱水加入量(消化用水主要來自干燥尾氣洗滌塔和碳化斜板稠厚槽中的上清液)。石灰在后排化灰機中與水反應生成石灰乳。反應好的石灰乳排出化灰機后經化灰振動篩篩分后進入粗灰乳中間槽內,上部雜質與化灰機中的較大塊灰渣一并運出。粗灰乳經調濃槽調濃后經一級、二級、三級旋液分離器進行旋液分離,除渣后進入精漿槽,渣液進入渣漿槽后,經渣漿泵送至渣液分離器進行分離,液體返回粗灰乳中間槽,渣液進入渣漿槽后,加水稀釋攪拌后由渣液泵送至粗灰乳中間槽。精漿槽中的灰乳經精漿泵送至調濃槽進行調濃,灰乳調到一定的濃度后由一級碳化泵送至碳化塔進行碳化。本工序中的廢渣作為副產品銷售,可用作建材及脫硫劑。
1.2.4 碳化工序
碳化工序采用連續兩級碳化新技術。來自消化工序調濃后的灰乳與二氧化碳壓縮氣體在一級碳化塔、二級碳化塔逆流接觸,進行反應。碳化時,碳化塔控制一定液位,使氣液均勻分布,控制合理的反應條件,保證物料的反應時間,反應后的尾氣由一級碳化塔頂部排出,反應后的碳酸鈣懸浮液由二級碳化塔底部排至斜板稠厚槽中進行沉降。斜板稠厚槽中的上清液由上清液泵送至高位熱水槽供消化使用。稠厚后的碳酸鈣懸浮液由離心上料泵送至離心過濾工序的高位槽。
1.2.5 離心過濾
高位槽中的碳酸鈣懸浮液,靠位差進入離心機進行過濾,通過離心機脫去漿液中的水分,母液進入輕鈣濾液槽后經輕鈣濾液泵送至干燥尾氣洗滌塔洗滌干燥尾氣。離心后的固料經皮帶送至列管式干燥機進行干燥。
1.2.6 干燥與包裝
干燥工序采用蒸汽作為熱源進行干燥,物料進入旋轉列管式干燥機,干燥后的物料經螺旋給料器輸送至旋風磨,經風選研磨打碎團粒后,經管道送至旋風分離器,成品碳酸鈣進入成品料倉,然后計量包裝,即得微細碳酸鈣產品。尾氣經袋式除塵后,進入干燥尾氣洗滌塔洗滌,回收尾氣中的熱量和所夾帶的物料后放空。
1.3 工藝特點
(1) 本工藝采用連續碳化的新工藝,以新型組合式碳化工藝取代間歇式鼓泡碳化法。提高了生產效率及碳酸鈣的回收率,充分利用石灰石資源,變廢為寶,降低了生產成本,既提高了經濟效益,又保護了環境。
(2) 采用石家莊市月凱粉體技術研究所胡慶福教授等發明的新型碳化塔碳化技術,加入一定量助劑(晶型控制劑等),生產造紙用微細碳酸鈣。
(3) 本工藝采用能量綜合回收利用新措施,用母液洗滌碳酸鈣干燥尾氣,一方面提高供消化用循環母液的溫度,提高化灰質量和化灰效率,同時又回收了干燥尾氣中夾帶的碳酸鈣產品。
(4) 本工藝采用多級分離除渣技術,干渣排放,減少了灰乳污染,改善了操作環境,同時降低能耗及物耗。
(5) 本裝置采用兩水閉路循環新工藝。一是窯氣洗滌,采用雙級洗水凈化循環工藝,洗滌、沉降、中和洗水閉路循環,減少了一次水耗量,杜絕了污水的排放。二是設置碳化后連續斜板稠厚器,把漿液澄清后的上清液及離心(壓濾)母液用于干燥尾氣的洗滌用水,提溫后返回石灰消化工序,實現母液的循環利用,實現廢水的“零排放”。
(6) 碳酸鈣懸浮液采用斜板稠厚槽進行稠厚,可有效提高稠厚效率,為離心分離打下一個良好的 基礎。
1.4 主要設備選擇
1.4.1 機械化立窯
改進原有石灰煅燒的生產模式,采用新型的先進機械化立窯。先進的機械化立窯與傳統立窯相比具有以下優點: (1) 采用計算機控制系統(有的為PLC 單板機控制系統); (2) 進料采用多點布料裝置;(3) 鼓風采用變頻風機,機械化立窯進風采用底進風接合腰進風的進風方式,使煅燒窯燃燒更加平穩; (4) 出料采用圓盤出料系統。這種先進的機械化立窯使石灰石的生燒過燒率比傳統立窯降低2~3 個百分點,而且立窯的操作比傳統的更加方便快捷;煅燒的窯氣中二氧化碳的濃度提高了3%~4%,對于碳化工序縮短碳化的時間,提高產品的質量有著積極的意義;根據立窯內的燃燒情況自動變頻調節進風量,使風機總能耗降低10%左右,同時使煅燒窯的工況更加平穩。
選型依據:在生產過程中,為保證石灰窯煅燒產品氧化鈣和二氧化碳的質量,應選擇高效節能的鋼殼機械化立窯。
計算依據:每t 碳酸鈣耗用石灰量0.7 t,10 萬t 微細碳酸鈣產品所需石灰量7 萬t,依此類推。
1.4.2 化灰機
消化工序是碳酸鈣生產的另一個關鍵的工序,化灰機是消化工序的關鍵設備,石灰是否消化得好,石灰乳是否細膩,將直接關系到產品質量的好壞。目前我國碳酸鈣生產裝置對于消化設備主要有4 種:槽式消化、回轉消化、箱式連續攪拌消化、雙漿葉消化等設備,4 種消化設備各有所長。根據操作勞動強度、占地大小、使用壽命等綜合考慮,本項目選用回轉連續消化機(后排漿)。
后排式化灰機主要由筒體、尾部內篩筒、排氣收漿罩、支撐裝置及傳動裝置組成。該化灰機主要特點是由回轉運動代替攪拌的化灰方法。消化機本體在低速下回轉,物料由于筒體的回轉及抄板作用,在筒體內自行攪拌,化灰機后端也裝有隨筒體一同旋轉的用于篩分石灰乳的轉篩,石灰乳先被篩分出來,從化灰機后部的出口流出;灰渣從化灰機后端出口排出。該化灰機物料填充容積大,石灰乳濃度高,生產能力大;又因石灰乳經過篩分,石灰乳含沙量較小
1.4.3 碳化塔
在碳酸鈣生產工藝中,石灰乳的碳化是生產成碳酸鈣晶形和粒徑大小的關鍵工序,碳化塔是碳化工序中的關鍵設備。
采用新型碳化塔,該塔上部為噴霧段,下部裝有新型高效自潔氣體分布器的鼓泡段。
1.4.4 稠厚設備
本工藝稠厚設備采用斜板稠厚槽,根據工藝要求,每條生產線選用1 臺斜板稠厚槽。
1.4.5 脫水設備
對于碳酸鈣生產裝置,目前國內大部分廠家均采用效率高,濾餅含水量低的變頻調速上懸式離心機。其優點為低速啟動,減少了啟動電流和沖擊力;高速脫水,濾餅含水量低,節能降耗明顯;操作平穩、噪聲低、性能穩定。
1.4.6 干燥設備
由于采用離心脫水降低了濾餅的含水量,本工序采用旋轉列管干燥機。旋轉列管干燥機機身殼體采用隔熱材料保溫,熱損失少,熱效率高。針對不同比重、粒度的顆粒狀、纖維狀、粉狀物料的不同含水量,可通過調節熱介質溫度、流量和調整不同角度抄板的配合比例,達到良好的干燥效果。
物料在呈負壓狀態的封閉腔內被干燥,作業環境清潔。旋轉列管干燥機無需打地基,可放置于水平混凝土地面上,施工方便。
1.5 自控水平和主要控制方案
本工藝采用集中和就地相結合的控制系統,設2 個DCS 控制系統,石灰窯煅燒工序設1 個DCS控制系統,保證石灰窯煅燒的正常運行,在主生產裝置設1 個主控DCS 控制系統,來調控消化、碳化、干燥等工序,并且將石灰窯煅燒工序DCS 控制系統的信號輸入主控DCS 控制系統。
采用DCS 控制系統,不僅可以有效減輕工人的操作強度,而且可以更有效地保證整個工藝系統的穩定和正常運行,進而有效地保證了產品的質量。
2 結語
為了使碳酸鈣這一支柱和特色產業更好、更快、更健康的發展,應該著重以下幾個環節:
(1) 進行提檔升級,大力提倡規?;a,推廣機械化立窯、連續碳化、母液閉路循環等新工藝,實現碳酸鈣產業的提升。
(2) 大力推進先進技術,著力抓好新上高新技術項目建設,開發科技含量高、附加值高的微細產品,以高新技術產品振興企業,以高新技術產品開拓市場,以高新技術產品提升鈣鎂產業的整體水平。
(3) 優化發展環境,出臺更加優惠的政策措施,大力營造良好的投資環境。
(4) 充分利用石灰石資源,投產后還可根據市場需要開發相應的鈣系列產品,進一步提高企業效益,充分利用當地資源,滿足市場需求,符合行業和國家發展政策。
(5) 在工藝方案及工藝系統中考慮產品的多樣性和互換性,增加產品的抗風險能力和競爭力。
作者:師俊霞1,盧崢2 ,胡慶福3,劉小芳1,曹慧1(1. 河北生特瑞工程設計有限公司, 河北石家莊050018;2. 石家莊瑞澳科技有限公司,河北石家莊050000;3. 石家莊市月凱粉體技術研究所,河北石家莊050000)
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