碳化法制備輕質碳酸鈣物料平衡和熱能平衡計算分析

蔡曉東,趙剛

(阜新市工業和信息化服務中心,遼寧 阜新 123000)

輕質碳酸鈣是目前使用量較大且使用面較廣的無機鹽產品之一,在橡膠、涂料、建筑、塑料和造紙等行業其使用量均較大, 其中造紙和塑料工業是輕鈣最具潛力的兩大應用領域。 由于不同行業對碳酸鈣的要求不同,因此碳酸鈣產品必將朝著系列化、精細化的方向發展。所以輕鈣產品對品位的要求越來越高,尤其在粒度與白度方面的要求尤為苛刻[1]。高品位的輕質碳酸鈣要求雜質含量低,對輕質碳酸鈣的生產工藝及石灰石原料要求高。結合阜新興泰新型建材有限公司采用碳化法新建年產20萬t輕質碳酸鈣項目工藝,礦石自于內蒙古燒鍋的優質礦石,CaO含量為55%以上,做了物料平衡和能量平衡推算,并提出了余熱利用、廢水循環利用和減少廢棄排放的措施,為采用該工藝生產輕質碳酸鈣提供重要的參考依據。

1 輕質碳酸鈣生產工藝

碳酸鈣的生產方法分為兩類[2-3],物理方法和化學方法。物理方法是將石灰石通過石灰磨粉機直接研磨,達到所需粒度,得到重鈣粉,比表面積一般為1 m2/g左右;化學法是通過石灰石煅燒、石灰消化、熟石灰碳化等一系列化學反應生產碳酸鈣的過程,比表面一般為5 m2/g左右,比重鈣粉大,稱為輕質碳酸巧。

根據碳化工藝和設備不同,碳化過程可分為間歇鼓泡碳化法、超重力反應結晶法、超聲空化法、噴射吸收法、噴霧碳化法[4-5]。其中間歇鼓泡碳化法是最常用的碳酸巧的生產方法。歇鼓泡碳化法也是本文生產輕質碳酸鈣應用的方法。歇鼓泡碳化法制備輕質碳酸鈣,主要采用石灰石煅燒、石灰消化、熟石灰碳化、脫水、干燥、分級包裝等工序制備輕質碳酸鈣。工藝流程如圖1。

圖1 輕質碳酸鈣生產工藝流程圖

1.1 石灰石煅燒

阜新興泰新型建材有限公司新建兩條石灰豎窯,采用石灰石和無煙煤按照一定比例混合,物料粒徑通常石灰石粒度 5～10 mm,通過布料機向豎窯內均勻布料,控制反應溫度900～1 100 ℃,煅燒生成活性較好氧化鈣和二氧化碳。反應化學方程式:

CaCO3→CaO+CO2↑

1.2 石灰窯氣凈化和壓縮工序

由石灰窯除塵、脫硫后送來的石灰窯氣含CO2約30%～38%,溫度約60 ℃,經洗滌塔繼續降溫、凈化、氣水分離器分離水霧、吸附干燥器干化后,經風機送至碳化工序。

1.3 石灰乳精制工序

從石灰窯送來破碎后的生石灰,由提升機進入生石灰料倉,經料倉下部的計量裝置進入生石灰消化機,并加入熱水,在消化機械攪拌下,發生化學反應生成Ca(OH)2乳液。Ca(OH)2乳液經振動篩等設備進一步除掉雜質。然后通過旋液分離器,凈化成精制 Ca(OH)2乳液,用泵送入陳化池。石灰消化反應化學方程式為:

CaO+H2O→Ca(OH)2

1.4 碳化、脫水、干燥、包裝工序

陳化后的Ca(OH)2乳液經泵送進入碳化塔,與CO2氣體進行碳化反應生成CaCO3,碳化工序整個生產工序中的關鍵工序,一般要控制好碳化溫度,Ca(OH)2乳液的濃度,碳化塔的攪拌速度,CO2氣體的流量等關鍵技術。碳化反應式如下:

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

當反應物pH值下降至7～8時,標志著反應即將完成,碳化后的反應液送入有壓濾機脫水,除去的水回收至水池,用于石灰消化。含水25%～30%的濾餅經粉碎機粉碎后送入干燥機干燥。干燥后蒸發的水汽經噴淋除塵后由引風機排出。干燥后的成品經選粉機篩選包裝后入庫。

2 計算基礎數據

本文年產20萬t輕質碳酸鈣,按照333 t/a計算,石灰石來自內蒙古燒鍋的優質礦石,CaO含量為55%以上。其他技術指標如表1。

表1 計算基礎數據指標

物料平衡計算公式:

m為所求物質的質量,kg;M為所求物質的物質的量質量,g;m1已知物質的質量,kg;M1為已知物質的物質的量質量,g;n為所求物質化學方程式的配平系數;n1為已知物質化學方程式配平系數。

熱能平衡計算公式:

m為吸收或放出的熱量,kJ;m為物質的質量,g;M為物質的物質的量質量,g;△H為單位物質反應熱。

3 物料平衡計算

設生產過程中氧化鈣的利用率為85%,根據化學方程式:

年產20萬t輕質碳酸鈣,需要氧化鈣為:

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

mCaO=13.18×107kg

石灰石需求量為:

生成13.18萬t CaO 需要的CaCO3的量為:

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

產生的固態渣量為:

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

消化工序產生Ca(OH)2的量為:

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

mCa(OH)2=17.4×107kg

窯爐利用率按70%計算,煙煤熱值為29 300.96 kJ/kg,煙煤的用量為:

m煙煤=2.04×107kg

石灰窯二氧化碳排量的計算:

二氧化碳主要由煙煤燃燒和石灰石高溫分解產生,參考1 000 kg標煤產生2 620 kg的二氧化碳,計算公式為:

m煙煤=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

碳化反應每年實際消耗CO2氣體量為:

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

一氧化碳氣體排放量計算:

本工藝中一氧化碳氣體主要是由于石灰窯煙煤燃燒不充分產生,窯氣中CO含量按2%計算,CO2含量按照25%計算,為了計算方便以標準狀況下為基準。

mCO2=15.7×1010gMCO2=44

VCO氣體=6.4×109L

標準狀況下換算成質量為:

m排CO=8.57×106kg

水平衡計算:

消化用水按照質量比1∶5計算,年消化需水量為:

m水=5mCao=13.18×107×5=65.9×107kg

精制生產氫氧化鈣反應用水為:

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

要求精制后將熟石灰調成16%的漿液,此時需補水為:

20萬t輕質碳酸鈣濾餅含水為25%,則碳化增濃壓濾后物料重為:

蒸發水量為:

mz=my-mCaCO3=6.7×107kg

碳化增濃脫水量為:

物料平衡表如表2。

表2 物料平衡表 單位:萬t

4 熱能平衡計算

4.1 煅燒工序熱平衡

煅燒工序是將石灰石和煙煤混合,依靠煙煤的熱量將石灰石煅燒成氧化鈣得過程。由物料平衡計算可知,年產20萬t輕質碳酸鈣需要石灰石23.96萬t,煙煤為2.04萬t。

煙煤燃燒釋放的熱量為:

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

石灰石分解吸收熱量為:

42.5 kcal

Q石灰石=1×1011kcal

按照窯尾氣溫度為150 ℃,室溫照10 ℃計算,每年窯爐尾氣帶走的熱量為:

mCO2=15.7×1010gMCO2=44C煙氣=1.445 kJ/m3

△t=150-10=140 ℃

Q煙氣=6.47×107kJ(相當于2 210 t標煤熱量)

1 kcal=4.186 kJ

窯爐總共熱損失量:

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

煙氣帶走的熱量占總損失量的百分比:

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

4.2 消化工序熱平衡

由物料平衡計算得年消化用水量為65.9萬t,消化用水溫度為60 ℃,需要吸熱為:

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 碳化工序熱平衡

碳化工序放熱為:

mCa(OH)2=17.4×107kgMCa(OH)2=74 g

通過計算得煙煤燃燒放熱量,石灰石煅燒吸熱量,窯爐總損失熱量,窯氣帶走熱量及碳化工序放熱量如表3所示。

表3熱能平衡表為

單位:kcal

5 結論

(1)由物料平衡計算可知,石灰石的氧化鈣含量越高,產生的固態渣越少。

(2)年產20萬t輕質碳酸鈣需要吸收8.8萬t二氧化碳,本項目中產生二氧化碳的總量為15.7萬t,要求碳化塔的二氧化碳利用率大于56%,否則二氧化碳產生量不能滿足生產要求。提高窯爐熱效率,可以減少煙煤用量,減少二氧化碳排放,但同時要求提高碳化塔的二氧化碳利用率。

(3)脫水工序中選擇優質的壓濾機,減少濾餅的含水量,可以減少水分的蒸發,增加水的循環利用率。

(4)通過熱平衡換算可知,煙氣帶走的熱量占窯爐總損失熱量的36%,碳化塔工序中放出熱量2.7×1011kJ,可以在煙氣出口處和碳化塔中增加換裝器,交換熱能用于消化用水的升溫,來提高能源的利用率。