轻质碳酸钙生产设备与工艺的选择
郭 华 林
(湖南大乘资氮集团有限公司·冷水江市·417506)
摘 要 概括介绍了我国轻质碳酸钙工业生产现状 ,阐述了该产品工
程设计时可供选择的成熟设备、工艺条件和经验数据。
关键词 轻质碳酸钙 工业 选择
收稿日期 :2000 - 04 - 05 修回日期 :2000 - 09 - 11
轻质碳酸钙又称沉淀碳酸钙 (以下简称
轻钙) ,是将石灰石等原料煅烧生成石灰 (主
要成分为氧化钙)和二氧化碳 ,再加水消化生
成石灰乳 (主要成分为氢氧化钙) ,然后再通
入 CO2 碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀 ,根据用
途可进行碳酸钙粒子
表
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面改性处理 ,最后经
脱水、干燥而制得。
主要化学反应如下 :
CaCO3 CaO + CO2 ↑
CaO + H2O Ca (OH) 2
Ca (OH) 2 + CO2 CaCO3 ↓+ H2O
轻质碳酸钙是重要的无机粉体填料之
一 ,广泛用于橡胶、塑料、造纸、涂料、建材、日
用化工、医药、食品、饲料、油墨等行业。据
1998 年不完全资料统计 ,全国轻钙生产厂近
300 家 ,产量达 210 ×106 t/ a。目前的产量与
用量均在以每年 10 %的速度在增长。但整
个行业存在的问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
较多 ,与国外同行业相比 ,
差距较大 ,如生产规模小 ,设备陈旧、水平低、
消耗高、成本高、产品品种单一、质量差等。
本文就新建轻钙厂时部分工序作了一些探
讨。
轻质钙生产过程的基本步骤如图 1 所
示 ,其中虚线部分为本文讨论的部分。
1 石灰烧制与贮存
111 原料准备
石灰石的主要成分是碳酸钙。轻钙产品
的质量很大程度上取决于原料石灰石的质
量 ,生产轻钙对石灰石的要求见表 1。
表 1 生产轻钙对石灰石的要求
项目 要求 项目 要求
w (CaCO3) / % ≥9615 w (Ag2O3 + Fe2O3) < 014
w (CaO) / % ≥54 w (Mn) / % < 010045
w (MgCO3) / % < 1146 w ( P + S) 微量
w (MgO) / % < 017 粒度/ mm 75~150
w (SiO2) / % < 115 抗压强度/ MPa ≥117168
112 石灰烧制
现在大部分轻钙厂所用的原料石灰都是
外购。其中相当大部分石灰生产厂 (场)的装
备相当落后 ,并不能保证石灰质量 ,石灰活性
差 ,运输途中有意无意掺加了许多杂质 ,严重
影响轻钙质量和生产成本。建议有条件的厂
家应自己建窑烧制石灰。
石灰窑的种类很多 ,如野窑、轮窑、立窑、
回转窑、沸腾窑等。
第 26 卷第 4 期
2000 年 12 月
化工设计通讯
Chemical Engineering Design Communications
Vol. 26 No. 4
Dec. 2000
立窑投资小 ,能耗低 ,结构简单 ,操作方
便 ,使用可靠 ,已在国内石灰工业得到广泛应
用。机械立窑好于普通立窑。回转窑和沸腾
窑由于投资、能耗等原因在国内尚无应用。
图 1 轻质钙生产基本步骤方框图
113 石灰的贮存
一般情况下 ,石灰的烧制场与轻钙生产
厂有一定距离 ,出窑整理后的石灰运到轻钙
厂后需要贮存。现在大部分的厂家都使用框
架式厂房作为灰库。笔者认为不妥。因为石
灰与空气接触面积太大 ,加快了石灰风化的
速度 ,其次因密封不好 ,空气中和场地周围大
量的杂质混入石灰中 ,将影响轻钙产品质量。
如果建设圆筒型水泥密封灰仓将会较好地解
决这些问题 ,而且石灰从灰仓到化灰机可实
现机械化。
2 石灰的消化
211 石灰的粒度
石灰与水的反应称为石灰的消化反应 ,
影响石灰消化反应的因素除石灰的煅烧度
外 ,还有石灰的粒度、消化温度、消化用水量、
杂质等。
石灰的粒度越小 ,其比表面积越大 ,消化
时就越快 ,越完全。一般应将石灰的粒度破
碎到 10~30 mm。破碎机械一般应选用颚式
破碎机。
212 消化温度
石灰的温度和消化
用水的温度都影响石灰
的消化速度。从反应动
力学分析 ,从常温到 300
℃的范围内 ,温度越高 ,
石灰的消化反应速度越
快。刚出窑的石灰 ,可
用 55~65 ℃的热水消
化 ;常温下的石灰 ,则可
用 80 ℃的热水消化。
213 消化水量
依据经验 ,消化水
量为石灰质量的 418 倍
为好。
214 杂质对消化的影响
石灰中的 SiO2 、Al2O3 、Fe2O3 越多 ,消化
速度越慢。但如果加入稀的盐酸、硝酸和氯
化钙溶液则可加速消化反应。但是否为了加
快消化反应而加入这些东西 ,应仔细考虑 ,避
免这些东西对最终产品质量的影响。
215 消化设备
一般应选用卧式回转化灰机 ,转筒倾斜
安装 ,外壁保温 ,调速电机控制回转速度。用
消化池进行消化反应的作法应被淘汰。
3 粗浆液的精制和调和
出化灰机的粗浆液其石灰乳浓度约为
15~20°Be ,其中含有大量的杂质。分离这些
杂质 ,一般应用旋液泵将粗浆液打入旋液分
离器进行三级分离即可。分离后的精浆液送
入精浆槽。旋液分离器底部出来的杂质送洗
渣机洗渣 ,洗渣液返回化灰机循环使用。
精浆槽的精浆液石灰乳浓度较高 ,需补
充干净的冷水将精浆液石灰乳浓度调至 10
~12°Be ,同时可加入一定量的分散剂和抑制
63 化工设计通讯 第 26 卷
剂至精浆槽 ,搅拌均匀。如果要生产中高档
次的产品 ,则应在精浆槽内设置冷却装置 ,将
精制和调和好的精浆液冷却至 20 ℃。
4 窑气的处理
有纯净 CO2 资源的厂家就不存在窑气
的处理了 ,但一般的轻钙厂家是需要窑气中
的 CO2 的。
从石灰窑出来的窑气温度一般为 120~
150 ℃,窑气首先要冷却。窑气的冷却可以
直接用水冷却。缺点是窑气的热能得不到利
用。较好的
办法
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是从窑顶到窑底的窑气管做
成夹套 ,用水冷却窑气 ,换热后的干净冷却水
送消化工段消化石灰。
窑气的主要成分是 N2 和 CO2 ,其次还有
一些 CO、O2 、水蒸汽、SO2 、焦油和烟尘 ,但生
产中需要的是 CO2 ,要想办法把 SO2 、焦油和
烟尘去除 ,其它成分可不考虑。
窑气的净化是个物理过程 ,采用干法与
湿法相结合的方法来净化窑气为佳。第一级
用惯性除尘器除去大部分较粗的烟尘 ,第二
级用旋风分离器除去其余较粗的烟尘 ,然后
用喷淋除尘器除去大部分较细的烟尘和小部
分 SO2 ;再用筛板除尘塔除去其余较细的烟
尘和大部分 SO2 ,最后用焦炭吸附器来除去
焦油。
5 碳 化
精浆液的碳化才是轻钙生产的关键工
段。影响碳化反应因素很多 ,设计时必须要
重视。
511 温度
碳化温度的控制对产品粒径和晶型的影
响尤其重要。碳化反应是放热反应 ,移走反
应热量 ,是本工序要解决的主要问题之一。
笔者曾设想在碳化塔内设置冷却盘管束同步
移走反应热 ,但碳酸钙易结垢 ,沉积在冷却盘
管表面上而起不到换热的效果。湘潭大学俞
秀民教授研究的自动旋转螺旋线传热技术如
果能应用于碳化反应 ,将会很好地解决反应
放热与换热的问题 (该螺旋线能实行在线、连
续、自动除垢防垢 ,并能同时提高管程传热系
数 30 %以上) 。
512 窑气 (CO2)压力
碳化反应是体积缩小的反应 ,所以提高
窑气压力 ,也就是提高了 CO2 分压 ,有利于
反应进行 ,但考虑到碳化塔、空压机、精浆泵
的投资 ,窑气压力不能无限制地提高 ,同时 ,
CO2 分压升高到一定程度后再升高 ,提高碳
化反应速度作用不大了。如果碳化塔内精浆
液柱高 10 m ,此时窑气的总压力达到 01108
MPa (表压)即可。
513 CO2 浓度
如果有纯净的 CO2 资源 ,则 CO2 的浓度
不存在问题。但如果用窑气中的 CO2 时 ,如
果 CO2 浓度低于 20 %时 ,碳化速度就会太
慢 ,碳酸钙晶体的粒度也会增大。所以设计
时要想法提高空气中的 CO2 浓度。
514 精浆液浓度
精浆液的浓度是指精浆液中所含氢氧化
钙总量 ,浓度过低或过高 ,都将影响反应速
度 ,产品晶型、粒径、设计时考虑 12°Be ,实际
操作中可控制在 9~15°Be。
6 表面处理
碳酸钙作为一种通用型无机填料 ,在与
各种高聚物并用时有两大缺点。其一 ,碳酸
钙表面亲水疏油 ,以至在高聚物中分散性差 ;
其二 ,碳酸钙对高聚物不能相互吸引 ,致使补
强性几乎没有 ,还会导致某些性能下降。因
此 ,如果提升碳酸钙质量档次 ,就必须要设法
改变碳酸钙颗粒表面性质 ,即表面疏水性处
理和活化处理。这是两个不同的概念 :前者
改善分散性 ,后者提高补强性。疏水化并不
等于活性化 ,而要活性化 ,则必须疏水化。最
终产品是疏水处理还是更进一步进行活化处
73第 4 期 郭华林 :轻质碳酸钙生产设备与工艺的选择
理 ,应当视其用途而定 ,碳酸钙的表面处理 ,
就是要把偶联剂 (活性剂) 、分散剂涂覆到碳
酸钙粒子的表面。
表面处理有两种方法 :干法处理和湿法
处理。干法处理就是干燥的轻钙加入到高速
搅拌机中 ,然后边搅拌边滴加表面处理剂并
加热 ,将表理处理剂包覆到碳酸钙粒子表面。
因干法工艺是简单机械涂覆 ,涂覆不均匀的
问题难以克服 ,因此中高档产品不用此法。
湿法处理 ,就是在碳化完成前或碳化完
成后将制备好的表面处理剂加入到氢氧化钙
或碳酸钙悬浮液中 ,在搅拌的作用下 ,表面处
理剂瞬间包覆到碳酸钙粒子表面 ,完成表面
处理过程。为了提高装置的生产能力 ,最好
在碳化工序后增设活化槽 ,将碳化完成后的
碳酸钙悬浮液送入活化槽 ,在此槽内进行表
面处理。此前应在活化剂制备槽内将活化剂
进行处理 ,制成乳液。
7 脱 水
对普通轻钙 ,采用离心机脱水即可 ,但对
于超细轻钙 ,则只能用压滤机脱水。
8 干 燥
干燥脱水后的碳酸钙滤饼的方法很多 ,
如气流干燥、喷雾干燥、滚筒干燥、烘箱干燥、
旋转化闪蒸干燥等 ,选用什么样的干燥方式 ,
应依投资、产品目标而定。对于大型、产品档
次较高 (需要活化的) ,笔者认为旋转闪蒸干
燥机应为首选。此法可在 1~2 s 内把物料
干燥成成品 ,物料干燥前无需加水打散 ,干燥
后也无需粉碎 ,同时 ,干燥时间短 ,对热解、热
敏性物料的物性不会产生触变性。
其实 ,在轻钙生产中 ,并不是只有采用高
精尖的设备才能生产出好的产品。只要我们
破除老的观念 ,把一些成熟的设备优化组合
起来 ,满足其生产条件 ,加上 DCS 控制 ,并把
研究重点放在碳化条件、活化配方上 ,就能生
产出从普通轻钙到纳米级超微细钙产品。
参 考 文 献
1 王国庆 ,崔英德 1 轻质碳酸钙生产工艺 1 北京 :化学工
业出版社 ,1999
2 吴金香 1Q4 G - 1 型超细 CaCO3 的研制 1 湖南化工 ,
1990 , (2) :42
3 余维波 1 混烧立窑的工艺探讨 1 无机盐工业 , 1999 ,
(11) :29
4 俞秀民 1 自动旋转螺旋线传热技术的试验研究 1 化工
装备技术 ,1997 , (5) :4
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