纳米碳酸钙生产工艺及工厂设计 |
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纳米碳酸钙生产工艺及工厂设计
1 引言
碳酸钙是用量最大的无机粉体材料之一，被广泛应用于涂料、油墨、塑料、造纸、橡胶、化妆品等行业，具有价格低廉、原料来源广泛、环境友好、经济效益良好等优点。
按照制备的方法，碳酸钙可分为重型碳酸钙和轻型碳酸钙。重型碳酸钙制备比较简单，一般是用物理办法直接粉碎石灰石得到，而轻型碳酸钙制备更复杂，需通过化学反应沉淀得到。碳酸钙按粒径大小，可以分为微米级( 粒径>1μm)、亚微米级（粒径为0.1 ～ 1μm）以及纳米碳酸（粒径0.1 ～ 100 nm）。
纳米碳酸钙具有密度小、纯度高、分散性良好和流变性高等优点，可部分替代半补强炭黑和白炭黑产品，具有填料和补强双重功能。随着橡胶、塑料、造纸、和涂料等行业的发展，市场对纳米碳酸钙的需求越来越大。同时生产纳米碳酸钙的工艺合理的回收利用二氧化碳，符合国家倡导的节能减排政策，因此纳米碳酸钙工业的发展异常迅猛。
2 纳米碳酸钙的生产工艺
目前制备纳米碳酸钙的生产方法可分为：碳化法、复分解法。碳化法是指利用Ca(OH)2 与CO2 碳化反应得到CaCO3。一般讲石灰石煅烧，得到生石灰和窑气。生石灰经过消化之后得到Ca(OH)2 溶液，再通入窑气，即可得到碳酸钙浆液，经过脱水、干燥得到碳酸钙成品。碳化法原料来源广泛、成本低廉，目前国内大部分厂家采用此种方法。
华东理工大学超细粉末工程中心在碳化法制备纳米碳酸钙研究方面的拥有自主专利，其研制的年产100 吨纳米碳酸钙中试技术在1993 年12 月通过了上海市科委组织的技术成果鉴定，之后多家企业采用该技术。1999 年上海卓越年产7000t 纳米碳酸钙项目建成投产，产品指标达到国际先进水平；2001 年山西兰花与超细粉末中心合资组建山西兰花华明纳米材料有限公司，年产1.5 万t 纳米碳酸钙，由于市场需求较大，目前山西兰花二期工程年产50 万t 纳米碳酸钙项目已经启动。
复分解法是采用钙盐水溶液（氯化钙等）与碳酸盐水溶液，在一定条件下混合，通过控制反应物浓度、温度、生成物碳酸钙的过饱和度和加入适当的添加剂制取无定型碳酸钙，该法可得到电子级碳酸钙产品。复分解法中制得碳酸钙产品中吸附的大量氯离子很难去除，结晶过程需大量时间和消耗大量的水，成本较高，因此仅用于实验室小试研究，工业上较少采用。
3 碳化法制备纳米碳酸钙的工厂设计特点
由于纳米碳酸钙运用的场合不同，对纳米碳酸钙的生产及深加工有一定的差异，但其核心都是纳米碳酸钙的碳化合成。本文以典型纳米碳酸钙的工厂设计为例说明纳米碳酸钙工厂设计的特点。
3.1 主要原料
主要原料为石灰石、燃料煤、小块炭、新鲜水、少量的添加剂和包覆剂。生产车间的主要介质为碳酸钙溶液，为不燃物质，生产的火灾危险性级别为戊类。使用的原料相对于大化工来说更加安全。石灰石和煤的成分规格见表1 和表2。
3.2 工厂的单体组成
主要生产车间内容包括窑炉车间、动力车间、消化车间、合成车间、后处理车间、回水池、陈化池。
辅助设施包括石灰石堆场、煤堆场、成品仓库、机修车间。公用工程包括变配电室、消防水池等。
行政管理和生活设施包括办公楼、实验楼、食堂、宿舍、浴室等。
3.3 工艺流程简述
纳米碳酸钙生产流程示意如图1。
根据车间简述如下：
3.3.1 窑炉车间
石灰石由铲车送入皮带机料斗，经皮带输送至石头洗涤转鼓，喷淋用水来自回水池，分离出泥浆和碎石随洗涤水一起落入碎石坑，洗涤水流入，煤渣定期清理。出转鼓的石料送入石头料斗，料斗中的石料由底部震动给料和其下面的皮带秤计量，再经皮带自动分批送到窑炉的提升斗。
煤棚中小块炭由铲车送入皮带机，输送至煤炭料斗，经震动给料机至称重皮带，再经皮带自动分批送至窑炉的提升斗。
窑炉的石料和煤炭间分批定时进行，进料情况可在生产自动化控制系统中自动设定，并记录各台窑炉的原料用量。助燃空气由风机从炉体下部吹入炉内，再引风机的吸引下，窑气尾气通过管道输送至除尘器除尘。
在窑炉中石灰石煅烧分解为合格的生石灰和二氧化碳气体，石灰石窑炉涉及的主要化学反应如下：
窑炉现场照片见图2。
3.3.2 动力车间
窑炉产生的窑气，经过除尘净化后，用压缩机压缩成高浓度CO2 气体，送至碳化合成车间。
3.3.3 消化车间
生石灰底部设有卸灰机，石灰经过螺旋进料器进入化灰机。来自热水槽的热水进化灰机。在化灰机中，生石灰与水发生消化反应，生成氢氧化钙，石灰乳从化灰机的末端流出，流经螺旋除渣器，然后重力流入粗浆槽。未消化的粗渣由化灰机中心转鼓分离，从化灰机末端落入粗渣皮带，送入厂房外的灰渣收集池。消化中的化学反应如下：
粗浆自粗浆槽泵经过旋液分离器组合，旋液的液流石灰乳接入精乳槽入口，旋液器分离出的底流细渣自然落入渣浆池。精乳流入陈化池。
3.3.4 合成碳化车间
碳化反应是纳米碳酸钙生产工艺中的核心反应。碳化过程中悬浮液的浓度及粘度、CO2 的浓度及单位面积通气量、CO2 气体的分散状态、添加剂的种类和添加量、反应器的不同以及碳化前是否引入晶种和碳化后熟化处理等都会对粒径和晶形产生一定的影响。
陈化池的精制石灰乳入碳化合成釜，同时加入添加液。碳化合成釜底部通入含二氧化碳的气体进行碳化反应，即氢氧化钙与二氧化碳合成为纳米碳酸钙。碳化反应过程中需要间壁换热，用循环水移走部分反应热，以控制碳化过程中的温升序列，碳化尾气直接排空。合成过程的主要化学反应如下：
碳化反应结束后，碳化合成釜直接通入蒸汽升温至包覆温度，加入来自包覆剂釜的包覆液，碳化釜出料自流进入缓冲池进行熟化处理。
3.3.5 后处理车间
后处理车间的任务是将合成车间的活性碳酸钙浆料变成相应的产品。下面介绍几种常见的纳米碳酸钙产品的后处理工艺。
（1）纳米碳酸钙改性聚乙烯材料
来自缓冲池的碳酸钙浆料输送到压滤机，过滤脱水形成滤饼，滤饼经压榨后自压滤机卸下，经滤饼皮带机转送到网带干燥机的料仓。滤液集流入压滤水收集槽，再被滤液泵入滤饼回收压滤机，二次滤液流入回水池。滤饼回收压滤机收到的滤饼通过提升机提升后，人工送入滤饼皮带机。
滤饼进入网带干燥机后得到干粉，干燥机的热风分别由热风炉供应，出干燥机的潮湿热气体通过湿式除尘后经抽风机排空。
进入粉碎机料斗的干粉经过粉碎机后进入螺杆挤出机，同时注入塑料粒子。在螺杆挤出机中，塑料被加热熔融并与碳酸钙等成为混合熔体，在挤出机出口挤出，挤出的条经干法切粒、震动筛整形，送至包装料仓，计量包装，由皮带机送至成品库。
（2）油墨用纳米碳酸钙
碳酸钙浆液经压滤泵将碳酸钙钙浆料输送到压滤机，过滤脱水形成滤饼，滤饼经压榨后自压滤机卸下，经滤饼皮带机转送到挤条机，挤出成型后得到油墨用纳米碳酸钙产品，然后计量、包装。
（3）水性分散体纳米碳酸钙
碳酸钙浆液经压滤泵将碳酸钙浆料输送到压滤机，过滤脱水形成滤饼，滤饼经压榨后自压滤机卸下，经滤饼皮带机转送到打散机，同时加入改性剂，经分散、改性，形成与水性涂料体系相溶的分散良好的水性分散体纳米碳酸钙。然后计量、包装。
3.4 公用工程及辅助设施
3.4.1 供电及电讯
厂区内应新建变电站，以满足生产用电需要。防雷设计遵照《建筑物防雷设计规范》GB50050-94(2000) 进行。爆炸危险场所按第二类防雷建构筑物设计，非防爆场所按第三类防雷建构筑物设计对输送、储存、生产爆炸危险介质的设备，管道按《化工企业静电接地设计规程》HG/T20675-1990 进行防静电接地设计。
主要生产装置内应设置电讯端子箱，用以满足各装置的通讯需求。通信设计范围考虑装置界区内部的行政电话和调度电话分机、火灾报警部分、可燃气体及毒性气体探测系统及相关弱电线路的敷设。
3.4.2 给排水
给水要满足生产、消防、生活的需要，厂区内应新建消防水池和循环水池。
排水系统可分为生产排水系统、生活污水排水系统、雨水系统、事故排水系统。
为了充分利用水资源，可采用生产排水回用，不外排。生活污水则经化粪池后排入工业污水处理。
3.5 自控技术
采用集散型控制系统（DCS）对生产过程进行监控，该系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作管理和分散控制的先进控制系统。正常情况下操作人员在控制室就可以使装置连续安全生产。
为了保护装置和设备的安全，根据工艺专业所提条件设计了报警联锁系统，这些功能由DCS 实现，通过DCS操作站可清楚的观察联锁系统的运行情况，或者由继电器实现DCS 报警。
DCS 自控水平依下列原则确定：（1）对工艺过程影响较大，需随时监控的参数设自动调节；（2）对需要经常了解其变化趋势的参数设记录；（3）对工艺过程影响不大，但需经常监视的参数设指示；（4）对可能影响生产及安全的参数设报警或联锁, 并进行报警打印；（5）对要求计量或经济核算的参数积算；（6）对生产过程设班报、日报及月报等报表打印；（7）对生产过程中机泵等运转设备设状态显示。
3.6 职业卫生
为减少作业过程中的粉尘危害，筛粉设备可以选用产生粉尘少的气流筛；在窑炉车间、消化车间等产生粉尘的场所，应采用局部通风措施；对于车间物料输送过程中产生的粉尘废气，在各产尘点设集尘罩，通过吸尘管道，将含尘废气分别引至布袋除尘器除尘；对于堆场扬尘，本项目在堆场四周设挡风抑尘网，并配套洒水设施。
为减少作业过程中的噪音危害，应增设消声器，单独布置动力房、风机房等产生噪音的场所。
4 结论
纳米碳酸钙由于它的优异性能，广泛应用于诸多行业。其工业生产主要采用碳化法，主要经过煅烧、消化、碳化、过滤、干燥等工段，其核心流程是碳化工段。目前我国的纳米碳酸钙产业发展异常迅速，但很多产品粒径分布不均匀、产品质量不高，主要是因为没有掌握最佳的核心工艺参数，如晶型控制剂、碳化温度、CO 的通气速率、搅拌形式与转速等。相信解决这些关键问题，我国纳米碳酸钙工业的发展一定会迎来春天。
（本文作者：诸发超 华东理工大学工程设计研究院有限公司）
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