利用二級(jí)鹵水凈化鈣渣生產(chǎn)納米碳酸鈣的工藝技術(shù)研究

劉磊 趙昌武

摘 要：納米碳酸鈣作為一種穩(wěn)定的無(wú)機(jī)材料，具有比表面積大、無(wú)毒、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在多種領(lǐng)域而被廣泛應(yīng)用。本文利用二級(jí)鹵水凈化脫鈣后的鈣渣生產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣乃至納米碳酸鈣的工藝技術(shù)。通過(guò)凈化脫鎂工段、碳化脫鈣工段、洗漿脫鹽工段、活化改性工段、脫水干燥工段、解聚包裝工段的工藝流程，采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：二級(jí)鹵水 鈣渣 納米碳酸鈣

中圖分類(lèi)號(hào)：X705 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（b）-00-02

湖南省湘衡鹽化有限責(zé)任公司制鹽原料來(lái)自地下400～1000m的中生代沉積巖鹽，生產(chǎn)工藝為取水溶解巖鹽生成原鹵→鹵水凈化除去原鹵中的鈣鎂離子形成精鹵→蒸發(fā)結(jié)晶生產(chǎn)精鹽。由于鹵水中鈣含量高，鹵水凈化脫鈣后沉淀鈣渣數(shù)萬(wàn)噸，其中主要成分為碳酸鈣（含量為90%以上），目前處理的方法是采用鈣渣與精鹵混合成泥漿，用泥漿泵將其注入地下采鹵采空后形成的溶腔內(nèi)，不僅造成了大量的精鹵被浪費(fèi)，而且環(huán)保存在巨大隱患。

1 工藝技術(shù)方案的選擇

原料來(lái)自于湘衡鹽化有限責(zé)任公司生產(chǎn)過(guò)程中二級(jí)鹵水凈化產(chǎn)生的廢棄物、熱電聯(lián)產(chǎn)裝置排放的廢氣，因此原料成本是最經(jīng)濟(jì)的。而且生產(chǎn)裝置也建立在湘衡鹽化廠區(qū)內(nèi)部，運(yùn)輸成本也是最低的。

2 工藝流程和消耗定額

2.1 工藝流程概述

通過(guò)鹵水制取納米沉淀碳酸鈣的工藝流程分為凈化脫鎂工段、碳化脫鈣工段、洗漿脫鹽工段、活化改性工段、脫水干燥工段、解聚包裝工段。

2.1.1 凈化脫鎂工段

此工段由制鹽系統(tǒng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)，目的為去除鹵水中所含鎂離子，其作為鹵水制取納米沉淀碳酸鈣的前期處理工序，十分重要，其生產(chǎn)流程如下：自井下抽上來(lái)的未凈化鹵水為NaCl、NaSO4、MgSO4的混合溶液，將鹵水加入凈化槽并加入石灰乳液Ca（OH）2混合攪拌進(jìn)行脫鎂處理，生成Mg（OH）2沉淀，鹵水澄清后送后續(xù)工段脫鈣。

化學(xué)反應(yīng)式如下：

Ca（OH）2 + MgSO4 → Mg（OH）2↓+ CaS04↓

2.1.2 碳化脫鈣工段

將經(jīng)過(guò)脫鎂處理凈化后澄清的鹵水為NaCl、Na2SO4、NaOH的堿性混合溶液，將其送入調(diào)制預(yù)冷槽內(nèi)加入工藝水調(diào)制濃度，并換熱降溫至20℃，調(diào)制預(yù)冷槽內(nèi)部有安裝有換熱盤(pán)管，外部安裝換熱夾套，夾套內(nèi)為5℃～10℃的冷水，預(yù)冷槽安裝有攪拌器，可以邊換熱邊攪拌，以提高換熱效率，縮短降溫時(shí)間。

20℃的鹵水由漿泵送入碳化槽，Ca（OH）2與鹵水中的硫酸鈉Na2SO4繼續(xù)反應(yīng)生成硫酸鈣CaSO4沉淀，同時(shí)生成氫氧化鈉NaOH。在碳化槽加入1%的晶形控制劑進(jìn)行攪拌，攪拌5min當(dāng)晶形控制劑與鹵水混合均勻后，向碳化槽內(nèi)通入二氧化碳?xì)怏w（二氧化碳濃度約為80%），進(jìn)行碳化反應(yīng)，碳化槽內(nèi)部安裝有氣體分布裝置，可將二氧化碳?xì)怏w均勻分布于碳化槽內(nèi)，碳化槽外部安裝換熱夾套，夾套內(nèi)為5%～10℃的冷水，將反應(yīng)溫度控制在25℃～30℃范圍內(nèi)，碳化槽安裝有攪拌器，一邊反應(yīng)一邊攪拌，加快氣液傳質(zhì)，反應(yīng)至槽內(nèi)鹵水的pH值為6.5～7時(shí)，停止送入二氧化碳?xì)怏w，碳化結(jié)束后，得到合格的納米碳酸鈣沉淀（固含量15%～20%，并含0.1%～0.3%雜鹽），經(jīng)沉淀后送至后續(xù)工段進(jìn)行洗漿處理。與脫除碳酸鈣的鹵水中主要成分為氯化鈉NaCl和硫酸鈉Na2CO3送至制鹽系統(tǒng)處理。

碳化反應(yīng)所用的二氧化碳?xì)怏w來(lái)自熱電聯(lián)產(chǎn)排放的經(jīng)處理后潔凈的的煙道氣，含二氧化碳約為15%。其基本化學(xué)反應(yīng)式如下：

Ca（OH）2+Na2SO4→2NaOH+CaSO4↓

2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O

CaSO4+Na2CO3→CaCO3↓+Na2SO4

2.1.3 洗漿脫鹽工段

由碳化工段來(lái)的含鹽的納米碳酸鈣漿液進(jìn)入儲(chǔ)漿槽儲(chǔ)存，再?gòu)膬?chǔ)漿槽配水后由漿泵打入旋液脫渣器進(jìn)行脫雜，脫雜后的碳酸鈣漿液進(jìn)入一級(jí)漿液槽。

一級(jí)漿液槽的碳酸鈣漿液由漿泵送入一級(jí)板框壓濾機(jī)脫鹽，濾餅（固含量70%）由皮帶輸送機(jī)進(jìn)入二級(jí)漿液槽，并加入工藝水?dāng)嚢柘♂屩凉毯?5%～20%的漿液濃度，由漿泵送入二級(jí)板框壓濾機(jī)脫鹽，濾餅（固含量70%）由皮帶輸送機(jī)進(jìn)入三級(jí)漿液槽，并加入工藝水?dāng)嚢柘♂屩凉毯?5%～20%的漿液濃度，由漿泵送入三級(jí)板框壓濾機(jī)脫鹽，經(jīng)以上3次脫鹽后，鹽分去除率可達(dá)到99%。含鹽濾液進(jìn)入濾液槽1儲(chǔ)存，最后返回溶鹽系統(tǒng)回收再利用。

活化改性工段：脫鹽處理后的納米碳酸鈣進(jìn)行活化槽加入1%～2%的表面改性劑進(jìn)行活化處理。活化時(shí)邊攪拌邊加熱，活化溫度為85℃，加熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，活化時(shí)間為1h，活化率>98%。活化表面改性劑可根據(jù)客戶(hù)的要求選擇硬脂酸鈉、水溶性鈦酸脂或水溶性鋁酸脂也可幾種表面改性劑進(jìn)行混合復(fù)配，表面改性劑在改性劑配料槽中提前配制好，并攪拌均勻，改性劑配料槽安裝有加熱夾套和攪拌器，加熱熱源為導(dǎo)熱油。

2.1.4 脫水干燥工段

改性后的納米碳酸鈣漿液經(jīng)送至由斜板增濃槽增濃，增濃至40%，由高壓泵打入壓濾機(jī)脫水，脫水后的濾餅含水率約為40%；斜板增濃槽和離心脫水機(jī)的濾液流入濾液槽2，由污水泵打入斜板增濃槽，并加入絮凝劑，以回收部分碳酸鈣，清液流入污水處理系統(tǒng)，增濃后漿液由高壓泵打入壓濾機(jī)脫水。脫水后的濾餅由皮帶輸送機(jī)送至定量給料粉碎機(jī)，由定量給料粉碎機(jī)粉碎后送入串聯(lián)的兩級(jí)干燥機(jī)進(jìn)行干燥（其中一級(jí)干燥機(jī)為槳葉式干燥，二級(jí)干燥機(jī)為多層盤(pán)式干燥）；產(chǎn)品的含水率<0.3%。干燥熱源為導(dǎo)熱油，加熱導(dǎo)熱油溫為120℃～250℃（根據(jù)工藝要求可調(diào)），由循環(huán)油泵對(duì)干燥機(jī)循環(huán)加熱。干燥排出的濕氣經(jīng)由布袋除塵器過(guò)濾粉塵后排空，干燥機(jī)內(nèi)部為微負(fù)壓，可防止干燥時(shí)粉塵飛揚(yáng)。

2.1.5 篩分包裝工段

經(jīng)過(guò)干燥后的碳酸鈣經(jīng)螺旋輸送機(jī)、管鏈輸送機(jī)送至水夾套緩沖倉(cāng)，配有倉(cāng)頂除塵器；冷卻的碳酸鈣由螺旋輸送機(jī)送至解聚機(jī)，解聚的碳酸鈣由旋風(fēng)收料器、布袋收料器收集后，經(jīng)螺旋輸送機(jī)送至包裝機(jī)，成品包裝出廠。

2.2 消耗定額

消耗定額見(jiàn)表1。

3 自動(dòng)控制

3.1 自控技術(shù)方案

在納米級(jí)碳酸鈣生產(chǎn)過(guò)程中，為了安全穩(wěn)定的進(jìn)行操作和提高產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)產(chǎn)品工藝流程的特點(diǎn)和操作要求，按照經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，自動(dòng)化控制系統(tǒng)將綜合考慮國(guó)內(nèi)設(shè)備及投資總量控制需要，選擇如下方案。

（1）對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響重大的碳化、漿料處理及、表面處理系統(tǒng)、烘干解聚系統(tǒng)實(shí)行PLC可編程序自動(dòng)化控制，開(kāi)停機(jī)及工藝參數(shù)的調(diào)整由中控室操作臺(tái)上完成。

（2）壓濾脫水系統(tǒng)由單元自動(dòng)控制，人工現(xiàn)場(chǎng)輔助監(jiān)控以確保設(shè)備安全高效運(yùn)行。

（3）包裝采用自動(dòng)稱(chēng)重包裝機(jī)、自動(dòng)堆垛機(jī)。

（4）所有重要工藝參數(shù)由計(jì)算機(jī)記錄，形成記錄曲線并可存檔處理。

3.2 控制室的布置

在生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)設(shè)控制室，室內(nèi)安裝PLC系統(tǒng)機(jī)柜、操作站及其輔助設(shè)備等。為保障控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)。控制室布置設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足HG 20508-92《控制室設(shè)計(jì)規(guī)定》。

3.3 儀表選型

現(xiàn)場(chǎng)儀表選型在滿(mǎn)足工藝過(guò)程檢測(cè)和控制的前提下，選用技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、便于維護(hù)檢修且具有合理性?xún)r(jià)比的儀表。儀表通常為電子式儀表，二線制，4～20mA DC+HART協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。壓力和差壓變送器為智能型。儀表的種類(lèi)和型號(hào)盡可能減少以利于備品備件的采購(gòu)及維護(hù)。

現(xiàn)場(chǎng)安裝電子/電動(dòng)儀表應(yīng)為全天候性，應(yīng)符合IP65等級(jí)，以及滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)氣候條件要求。氣動(dòng)儀表也應(yīng)為全天候性，符合IP65等級(jí)。顯示、控制儀表采用美觀、大方、性能可靠的數(shù)顯表顯示、調(diào)節(jié)。本流程儀表無(wú)防爆要求。

3.4 儀表的供電和供氣

3.4.1 儀表供電

PLC電源應(yīng)由不間斷電源裝置（UPS）供給（220V AC，50Hz），UPS電池工作時(shí)間設(shè)計(jì)至少為30min。現(xiàn)場(chǎng)變送器采用兩線制，24V DC電源由PLC提供。

3.4.2 接地要求

儀表系統(tǒng)接地應(yīng)遵照HG/T 20513-2000《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)定》中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行[1]。儀表保護(hù)接地﹑工作接地分別接至匯流排，由匯流排再接至等電位聯(lián)結(jié)接地母排至電氣接地網(wǎng)。匯流排為等電位連接銅牌由PLC廠商成套提供，等電位接地母排由電氣專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，安裝在機(jī)柜間?，F(xiàn)場(chǎng)儀表和電纜橋架都應(yīng)接至電氣接地系統(tǒng)。

3.4.3 儀表氣源

操作壓力：0.4～0.7Mpa·g；

最低操作壓力：0.4Mpa·g；

操作壓力下露點(diǎn)：-30℃；

含塵量：<1mg/m3；

含油量：<2ppm。

參考文獻(xiàn)

[1] HG/T 20513-2000，儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

[2] HG 20508-92，控制室設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

[3] 杜年軍，孫勇峰.高比表納米碳酸鈣的制備及其在中性透明硅酮膠中的應(yīng)用[J].中國(guó)建筑防水，2018（18）：15-18.

[4] 王嘉興.用電石渣制造納米活性碳酸鈣聯(lián)產(chǎn)碳粉的方法：中國(guó)，CN1796284[P].2006.