碳化法制备轻质碳酸钙物料平衡和热能平衡计算分析

蔡晓东,赵刚

(阜新市工业和信息化服务中心,辽宁 阜新 123000)

轻质碳酸钙是目前使用量较大且使用面较广的无机盐产品之一,在橡胶、涂料、建筑、塑料和造纸等行业其使用量均较大, 其中造纸和塑料工业是轻钙最具潜力的两大应用领域。 由于不同行业对碳酸钙的要求不同,因此碳酸钙产品必将朝着系列化、精细化的方向发展。所以轻钙产品对品位的要求越来越高,尤其在粒度与白度方面的要求尤为苛刻[1]。高品位的轻质碳酸钙要求杂质含量低,对轻质碳酸钙的生产工艺及石灰石原料要求高。结合阜新兴泰新型建材有限公司采用碳化法新建年产20万t轻质碳酸钙项目工艺,矿石自于内蒙古烧锅的优质矿石,CaO含量为55%以上,做了物料平衡和能量平衡推算,并提出了余热利用、废水循环利用和减少废弃排放的措施,为采用该工艺生产轻质碳酸钙提供重要的参考依据。

1 轻质碳酸钙生产工艺

碳酸钙的生产方法分为两类[2-3],物理方法和化学方法。物理方法是将石灰石通过石灰磨粉机直接研磨,达到所需粒度,得到重钙粉,比表面积一般为1 m2/g左右;化学法是通过石灰石煅烧、石灰消化、熟石灰碳化等一系列化学反应生产碳酸钙的过程,比表面一般为5 m2/g左右,比重钙粉大,称为轻质碳酸巧。

根据碳化工艺和设备不同,碳化过程可分为间歇鼓泡碳化法、超重力反应结晶法、超声空化法、喷射吸收法、喷雾碳化法[4-5]。其中间歇鼓泡碳化法是最常用的碳酸巧的生产方法。歇鼓泡碳化法也是本文生产轻质碳酸钙应用的方法。歇鼓泡碳化法制备轻质碳酸钙,主要采用石灰石煅烧、石灰消化、熟石灰碳化、脱水、干燥、分级包装等工序制备轻质碳酸钙。工艺流程如图1。

图1 轻质碳酸钙生产工艺流程图

1.1 石灰石煅烧

阜新兴泰新型建材有限公司新建两条石灰竖窑,采用石灰石和无烟煤按照一定比例混合,物料粒径通常石灰石粒度 5～10 mm,通过布料机向竖窑内均匀布料,控制反应温度900～1 100 ℃,煅烧生成活性较好氧化钙和二氧化碳。反应化学方程式:

CaCO3→CaO+CO2↑

1.2 石灰窑气净化和压缩工序

由石灰窑除尘、脱硫后送来的石灰窑气含CO2约30%～38%,温度约60 ℃,经洗涤塔继续降温、净化、气水分离器分离水雾、吸附干燥器干化后,经风机送至碳化工序。

1.3 石灰乳精制工序

从石灰窑送来破碎后的生石灰,由提升机进入生石灰料仓,经料仓下部的计量装置进入生石灰消化机,并加入热水,在消化机械搅拌下,发生化学反应生成Ca(OH)2乳液。Ca(OH)2乳液经振动筛等设备进一步除掉杂质。然后通过旋液分离器,净化成精制 Ca(OH)2乳液,用泵送入陈化池。石灰消化反应化学方程式为:

CaO+H2O→Ca(OH)2

1.4 碳化、脱水、干燥、包装工序

陈化后的Ca(OH)2乳液经泵送进入碳化塔,与CO2气体进行碳化反应生成CaCO3,碳化工序整个生产工序中的关键工序,一般要控制好碳化温度,Ca(OH)2乳液的浓度,碳化塔的搅拌速度,CO2气体的流量等关键技术。碳化反应式如下:

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

当反应物pH值下降至7～8时,标志着反应即将完成,碳化后的反应液送入有压滤机脱水,除去的水回收至水池,用于石灰消化。含水25%～30%的滤饼经粉碎机粉碎后送入干燥机干燥。干燥后蒸发的水汽经喷淋除尘后由引风机排出。干燥后的成品经选粉机筛选包装后入库。

2 计算基础数据

本文年产20万t轻质碳酸钙,按照333 t/a计算,石灰石来自内蒙古烧锅的优质矿石,CaO含量为55%以上。其他技术指标如表1。

表1 计算基础数据指标

物料平衡计算公式:

m为所求物质的质量,kg;M为所求物质的物质的量质量,g;m1已知物质的质量,kg;M1为已知物质的物质的量质量,g;n为所求物质化学方程式的配平系数;n1为已知物质化学方程式配平系数。

热能平衡计算公式:

m为吸收或放出的热量,kJ;m为物质的质量,g;M为物质的物质的量质量,g;△H为单位物质反应热。

3 物料平衡计算

设生产过程中氧化钙的利用率为85%,根据化学方程式:

年产20万t轻质碳酸钙,需要氧化钙为:

mCaCO3=20×107kg,MCaCO3=100 g,MCaO=56 g,nCACO3=nCaO=1

mCaO=13.18×107kg

石灰石需求量为:

生成13.18万t CaO 需要的CaCO3的量为:

mCaO=13.18×107kgMCaCO3=100 gnCaCO3=nCaO=1MCaO=56 g

产生的固态渣量为:

mgz=m石-mCaCO3=23.96×107kg-23.45×107kg=0.51×107kg

消化工序产生Ca(OH)2的量为:

mCaO=13.18×107kg,nCa(OH)2=nCaO=1,MCaO=56 g,MCa(OH)2=74 g

mCa(OH)2=17.4×107kg

窑炉利用率按70%计算,烟煤热值为29 300.96 kJ/kg,烟煤的用量为:

m烟煤=2.04×107kg

石灰窑二氧化碳排量的计算:

二氧化碳主要由烟煤燃烧和石灰石高温分解产生,参考1 000 kg标煤产生2 620 kg的二氧化碳,计算公式为:

m烟煤=2.04×107kg,mCaO=13.18×107kg,MCaO=56 g,MCO2=44,nCaO=nCao=1

mCO2=5.34×107+10.36×107=15.7×107kg

碳化反应每年实际消耗CO2气体量为:

MCaCO3=100,mCaCO3=2×107kgmCO2=44nCO2=44nCO2=nCaCO3=1,m′CO2=8.8×107kg

一氧化碳气体排放量计算:

本工艺中一氧化碳气体主要是由于石灰窑烟煤燃烧不充分产生,窑气中CO含量按2%计算,CO2含量按照25%计算,为了计算方便以标准状况下为基准。

mCO2=15.7×1010gMCO2=44

VCO气体=6.4×109L

标准状况下换算成质量为:

m排CO=8.57×106kg

水平衡计算:

消化用水按照质量比1∶5计算,年消化需水量为:

m水=5mCao=13.18×107×5=65.9×107kg

精制生产氢氧化钙反应用水为:

mCaO=13.18×107kg,MCaO=56 g,MH2O=18,nH2O=nCaO=1

要求精制后将熟石灰调成16%的浆液,此时需补水为:

20万t轻质碳酸钙滤饼含水为25%,则碳化增浓压滤后物料重为:

蒸发水量为:

mz=my-mCaCO3=6.7×107kg

碳化增浓脱水量为:

物料平衡表如表2。

表2 物料平衡表 单位:万t

4 热能平衡计算

4.1 煅烧工序热平衡

煅烧工序是将石灰石和烟煤混合,依靠烟煤的热量将石灰石煅烧成氧化钙得过程。由物料平衡计算可知,年产20万t轻质碳酸钙需要石灰石23.96万t,烟煤为2.04万t。

烟煤燃烧释放的热量为:

Q烟煤=7 000m烟煤=2.04×107×7 000=1.43×1011kcal

石灰石分解吸收热量为:

42.5 kcal

Q石灰石=1×1011kcal

按照窑尾气温度为150 ℃,室温照10 ℃计算,每年窑炉尾气带走的热量为:

mCO2=15.7×1010gMCO2=44C烟气=1.445 kJ/m3

△t=150-10=140 ℃

Q烟气=6.47×107kJ(相当于2 210 t标煤热量)

1 kcal=4.186 kJ

窑炉总共热损失量:

Qs=Q烟煤-Q石灰石=1.43×1011-1×1011kcal=0.43×1011kcal=1.8×1011kJ

烟气带走的热量占总损失量的百分比:

α=Q烟气/Qs=(6.47×1010)/(1.8×1011)×100%=36%

4.2 消化工序热平衡

由物料平衡计算得年消化用水量为65.9万t,消化用水温度为60 ℃,需要吸热为:

Qx=C水mx△t

C水=4.42 kJ/kg,mx=65.9×107kg,△t=60-10=50 ℃

Qx=1.39×1011kJ

4.3 碳化工序热平衡

碳化工序放热为:

mCa(OH)2=17.4×107kgMCa(OH)2=74 g

通过计算得烟煤燃烧放热量,石灰石煅烧吸热量,窑炉总损失热量,窑气带走热量及碳化工序放热量如表3所示。

表3热能平衡表为

单位:kcal

5 结论

(1)由物料平衡计算可知,石灰石的氧化钙含量越高,产生的固态渣越少。

(2)年产20万t轻质碳酸钙需要吸收8.8万t二氧化碳,本项目中产生二氧化碳的总量为15.7万t,要求碳化塔的二氧化碳利用率大于56%,否则二氧化碳产生量不能满足生产要求。提高窑炉热效率,可以减少烟煤用量,减少二氧化碳排放,但同时要求提高碳化塔的二氧化碳利用率。

(3)脱水工序中选择优质的压滤机,减少滤饼的含水量,可以减少水分的蒸发,增加水的循环利用率。

(4)通过热平衡换算可知,烟气带走的热量占窑炉总损失热量的36%,碳化塔工序中放出热量2.7×1011kJ,可以在烟气出口处和碳化塔中增加换装器,交换热能用于消化用水的升温,来提高能源的利用率。