轻质碳酸钙生产工艺技术改造若干问题的探讨

赵朋伟，胡琳娜，费长荣，何豫基

（1.河北工业大学化工学院，天津300130；2.唐山化工机械有限公司）

综述与专论

轻质碳酸钙生产工艺技术改造若干问题的探讨

赵朋伟1，胡琳娜1，费长荣2，何豫基1

（1.河北工业大学化工学院，天津300130；2.唐山化工机械有限公司）

提出了窑气净化系统的改进技术，采用膜喷无返混无浓度梯度（MP）塔盘内件的脱硫塔、洗涤塔，提高了窑气的净化度；采用动态陈化技术使陈化后的精浆更加细腻均匀，从而降低了产品的游离碱，提高了产品的质量；提出了“三合一”反应釜新技术可以有效地提高生产能力，同时节能降耗。

轻质碳酸钙；MP塔盘；动态陈化；游离碱；反应釜

近年来，中国普通轻钙和纳米级碳酸钙的产量在不断提高，总产量可达1 000万t/a。但产品质量参差不齐，低档产品较多，高档次的专用碳酸钙大部分还需要进口。产品质量差，厂家利润低，是由于生产工艺落后，设备水平低下所致。因此，企业要想在激烈的竞争中脱颖而出，必须改进生产工艺、提高设备性能、节能降耗、降低生产成本、提高产品质量、提高产品附加值，生产适合市场需求的碳酸钙系列产品。

1 目前中国轻钙生产中存在的问题

对于窑气净化工序，碳酸钙行业大部分采用旋风分离器、喷淋除尘器、泡沫洗涤塔和吸附过滤塔等的组合。虽然该组合耗水少、阻力小，但是运行不平稳、塔板经常堵塞、维修费用高、窑气洗涤效率差。

石灰乳陈化工序存在灰乳不够细腻、活性差、质量不稳定等问题，以至于影响碳酸钙的质量，如产品碱度高、粒度分布宽、吸油值高等。

活性钙生产工序存在工艺流程长，设备投资大，操作费用高且产品品种单一等问题。

轻质碳酸钙产品的白度低、镁含量高，添加在塑钢中造成黏度增大，使拉伸过程电流升高，所得制品发黄，也限制了其应用范围。

2 窑气净化装置的改进

从立窑出来的窑气，夹带着煤灰、二氧化硫等杂质，所以净化装置不仅要除尘还要脱硫。以往的净化工艺是一座立窑需要几台空气压缩机，每台空压机前面有一个“3件套”。这种净化系统投资大，能耗高。从行业发展趋势来看，除尘装置应“大型化”。若采用大型的除尘脱硫装置，一座窑或多座窑采用一套净化系统即可：即脱硫塔与洗涤塔串联，再加上除雾、除水装置。

笔者采用了天津市创举科技有限公司制造的MP塔盘应用到石灰窑气脱硫塔、洗涤塔［1］，取得了很好的效果。MP塔盘是一种膜喷无返混无浓度梯度塔板，以气相为连续相、液相为分散相的高效喷射塔板，相对于以前的泡罩、筛板及浮阀塔盘，其分离效率、生产能力、操作弹性都大大提高。这是因为它以板上空间作为主要传质区域，依靠气体把板上液体提升、破碎、喷出，喷射型气液流动使液体破碎成微小液滴，形成了非常充分的气液接触面积，较径向侧导喷射（CJST）塔盘更为充分地利用了塔板空间，从而提高了气液接触几率，富液通过导液槽导流到降液系统，减少了液体返混。

2.1 技术特点

1）传质效率高。MP塔盘将普通板式塔在鼓泡状态下进行气液接触变为在喷射状态下进行气液接触，液相被分散成大量的小液滴，同时破坏了气泡，为气液接触提供了很大的表面积，从而具有很高的传质效率。

2）处理能力大。由于在每层塔盘传质区的上部设立了气液分离板，即使在很高的板孔气速下也不易出现雾沫夹带，其处理能力与浮阀塔盘相比可高出50%以上。

3）压力降低。浮阀的传质需要鼓泡，气体顶开浮阀，并且穿过液层，所以压力降较高；而MP塔盘的喷嘴则不同，它的压力降主要来自于提升气液穿过气液分离板的阻力。负荷低时MP比F1型浮阀压力降低20%以上；高负荷时比F1浮阀低30%～40%，且负荷愈大，压降低得愈多。

此外，由于塔板上无活动部件，结构简单、可靠，不会因磨损、震动等原因造成传质单元脱落，基本上无维修工作量，操作弹性较大，可达60%～130%以上。

2.2 技术改造背景

唐山三友化工股份有限公司10#洗涤塔改造前的除尘效率很低，电耗却较高，窑气净化达不到生产要求。采用河北工业大学研发的MP塔盘［1］对其进行技术改造，原洗涤塔塔体不变，只改变内件结构类型，取得了满意的效果。

河北乾昊钙业有限公司的窑气净化装置，改造前每个立窑配有4套净化装置，用水量大，电耗高，除尘效率低，产品白度为92%。改造后1个立窑只配1套净化装置，包括旋风分离器、脱硫塔、洗涤塔及气液分离器。此净化装置可满足5万t/a的生产能力。

2.3 MP塔盘内件洗涤塔的效果

唐山三友化工股份有限公司窑气除尘净化装置采用MP塔盘洗涤塔后，经过调整工艺参数，运行效果基本满足了工艺要求。原筛板塔除尘效率为20%左右，改造后该装置除尘效率平均为47.7%，较大幅度提高了除尘效率，保证了工艺气体净化度的要求，同时也降低了电除尘的负荷。

河北乾昊钙业有限公司使用的脱硫塔为φ1 600×6 000，洗涤塔为φ1 600×8 000。改造后产品的白度可达到94%以上，除尘效果明显。同时，由于只需1套净化装置，可以减少用水量，降低了能耗及操作费用。

3 石灰乳陈化工艺的改进

消化反应所得粗浆经除渣后，得到的精浆必须经过陈化才能用于碳化过程。这是因为经过陈化后，消化时尚未完全反应的CaO会继续消化生成Ca（OH）2，可以避免产品的返碱现象，从而提高轻钙产品的质量。

目前，中国碳酸钙行业采用的生浆陈化方式一般为静态陈化，陈化池容积小、个数多。此种工艺不仅陈化效果差，还易造成产品质量不稳定。

所谓动态陈化，即采用大型陈化池，利用搅拌机的高剪切力使精浆更加细腻，采用污水泵使精浆在3个大型陈化池间进行强制循环。该工艺减少了精浆的热损失，较高的陈化温度还可以缩短陈化时间，进而减小陈化池的容积，节省空间。重要的是可以有效地防止Ca（OH）2包裹CaO，使得进碳化塔的精浆浓度保持稳定，Ca（OH）2粒度分布窄，粒径小于3μm。

3.1 动态陈化工艺

精浆的动态陈化工艺流程示意图如图1所示。

图1 动态陈化工艺流程示意图

3.2 技术特点

1）使CaO进一步消化完全，由于循环时产生的高剪切力，可以有效消除包覆现象。2）使陈化后浆液的物化性质完全相同，避免了产品质量的不稳定。与静态陈化相比，动态陈化可以缩短陈化时间，从而节省生产空间。

3.3 动态陈化的效果

与静态陈化相比，动态陈化在陈化时间、精浆粒径、最终产品碱度方面都有比较明显的优势。动态陈化与静态陈化陈化时间与粒径（取D50为参考）的关系如图2所示。由图2可以看出，随着陈化时间的延长，石灰乳的粒径都有一个先减小后又增大的过程。动态陈化16 h，粒径即可达到最小；而静态陈化则需要24 h粒径才能达到最小。并且动态陈化比静态陈化的平均粒径小。这可能是由于生浆在陈化时，石灰乳逐渐分散成细小的Ca（OH）2颗粒，在强剪切力作用下，颗粒会被分散得更细小。之后，由于晶体颗粒过小，为了降低表面自由能，部分粒子会自发地团聚，粒径反而慢慢变大。

图2 陈化时间与粒径的关系

动态陈化与静态陈化最佳陈化时间时的精浆粒度分布如图3和图4所示［采用LS-POP（6）型激光粒度分析仪测定］。

图3 动态陈化精浆的粒度分布

图4 静态陈化精浆的粒度分布

两种陈化方式下精浆陈化时间对轻钙产品碱度的影响结果见图5。由图5可知，随着陈化时间的延长，两种陈化方法生产的产品碱度都在不断降低，最后趋于平稳。对于相同的陈化时间而言，动态陈化的产品都比静态陈化的碱度小。动态陈化18 h，碱度已经趋于最低点；而静态陈化24 h后碱度变化才趋于平稳，最终产品的碱度相差0.04%。

图5 两种陈化方式下精浆陈化时间对产品碱度的影响

4 碳化与活化工序的改进

活性碳酸钙［2］的传统生产工艺是：先碳化，然后进行湿法或干法活化。碳化采用不带搅拌的细高型塔或带搅拌器的矮胖塔；碳化完成后浆料放入改性釜内进行湿法活化改性，或将碳酸钙过滤、干燥后再进行干法改性。这种工艺不仅设备多、能耗高、劳动生产率低，而且产品品种单一、附加值低。

“三合一”反应釜即在同一个反应釜里通入窑气、蒸汽等，并将反应釜保温或者设置外夹套蒸汽加热。在碳化结束后马上进行增白，增白完成后接着进行湿法改性。即用1个反应釜完成了传统工艺中3个反应罐的工作，可以充分利用碳化反应热，高效且节能。

4.1 技术特点

1）1 个釜可以当3个釜用，减少了釜、容器、泵、管道等的投资，节约了操作费用，也减少人工费；2）通过改变工艺条件，可调控产品质量，生产多品种产品；3）缩短工艺流程，降低电耗，减少热损失。

4.2 “三合一”反应釜

“三合一”反应釜的结构如图6所示。其搅拌器的持气能力比传统搅拌器提高了一倍多，使得窑气的利用率提高，碳化时间缩短，窑气压缩机改为罗茨风机，单机打气量增加，电耗降低。这是由于反应釜采用了特殊的搅拌装置，搅拌器以空心轴作为窑气输送管，顶端带有气体分布器，并且搅拌器由3层桨叶组成，以达到持气、压气、分散的目的。同时高剪切力保证了搅拌均匀，使得产品的分散性好、粒度分布窄，增白、活化效率高，最终产品质量提高。搅拌电机采用变频控制，不同反应阶段控制不同的搅拌速度，使电能消耗降低。

图6 “三合一”反应釜结构示意图

5 产品增白、降镁技术的改进

目前，中国碳酸钙生产企业大多引进了产品增白技术［3］，但技术水平参差不齐。一些企业在消化阶段或陈化阶段进行增白，但生产耗能高、产品易返色；大部分企业在碳化结束后直接在普通碳化塔中增白，产品质量不稳定，增白效果差。对于产品的降镁，大部分企业主要采用延长碳化时间的方法，该工艺存在气体浪费严重、耗电量大且降镁效果差的弊端。

笔者采用“三合一”反应釜，适当调整工艺参数，可以明显改善产品的质量。碳化结束后，由于碳化时产生的热量使浆液温度上升，再微调到增白温度，加入复合增白剂，由于“三合一”反应釜特殊的搅拌装置，可以使整个反应釜的浆液搅拌更均匀，增白效果更好。利用河北乾昊钙业有限公司的石灰石进行增白对比实验。普通碳酸钙未增白时白度为92%；用普通碳化塔增白，产品白度为94%；而采用笔者提出的窑气净化技术及“三合一”反应釜时，产品白度可以达到95%以上。

利用“三合一”反应釜，在碳化前加入适量的表面活性剂A以提高CO2传质效率，并适当进行过碳化。熟浆脱水后，再用热水洗涤，进一步去除残留在滤饼上的Mg2+，以降低产品的镁含量。不同工艺生产的碳酸钙产品的镁含量如表1所示。由表1可知，利用普通反应釜过碳化所得产品镁含量偏高，这主要是因为浆液镁含量高，黏度大，使得CO2传质困难、利用效率低，残留在滤饼上的Mg2+难以去除。加入适量的表面活性剂A可以降低浆液的黏度，提高了CO2传质效率；同时，过碳化使难溶的MgCO3变为Mg（HCO3）2，通过热水洗涤可以使滤饼中的Mg2+含量大大降低。

表1 不同工艺所得产品钙镁含量对比

6 脱水工序的技术改进

传统轻钙企业脱水工序多采用上悬式离心机，虽然设备投资少，但需要操作工人数多，工人劳动强度大，生产环境恶劣；由于滤液中碳酸钙晶种含量高，使得产品沉降体积小，粒度分布宽，吸油值高；由于洗涤效果差而使得产品镁含量高。

建议改用带洗涤功能的板框压滤机，虽然一次性设备投资大，但操作费用低，工人劳动强度大大降低，生产环境好。压滤机的洗涤功能不仅可以解决洗涤滤饼降低镁含量的问题，更重要的是其滤液中的碳酸钙晶种含量低，便于调整产品的沉降体积，生产微细、超细碳酸钙产品。

7 结论

1）采用MP塔盘脱硫塔串联洗涤塔，可提高窑气的净化度，从而提高轻钙产品的白度。并且该净化系统设备简单、能耗低，适合在轻钙行业推广。2）采用动态陈化工艺，可以缩短陈化时间，使精浆粒径更小、粒度分布更窄，还可以使石灰乳更均匀、细腻，能有效降低产品的碱度，使轻钙产品质量更稳定。3）“三合一”反应釜集碳化、增白及活化改性于一体，可缩短工艺流程，充分利用碳化反应余热；操作简便，工艺参数容易控制；独特的变频控制搅拌技术，可降低电能消耗。4）“三合一”反应釜特殊的搅拌装置，使气液传质效果明显改善，提高了窑气的利用率。通过采取过碳化、加入合适的添加剂、压滤机过滤及热水洗涤等措施，可有效降低轻钙产品的镁含量，防止产品返色、返碱，提高产品质量。

［1］李志强，许庆茂，张东文，等．新型垂直筛板技术［J］．化工进展，2001（10）：58-60．

［2］董鹏飞，胡琳娜，陈树东，等．竞争原位制备活性碳酸钙［J］．河北工业大学学报，2008，37（6）：37-40．

［3］盛晨军，何豫基，胡琳娜，等．剖析碳酸钙生产“三合一”工艺及设备选型［J］．无机盐工业，2006，38（9）：43-45．

联系方式：hln1958@sina.com

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

Zhao Pengwei1，Hu Linna1，Fei 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

赵朋伟（1986—），男，硕士研究生，研究方向为无机功能材料。

胡琳娜