CN114620753B - 综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，包括如下步骤：A、煅烧石灰石，将煅烧产物固、气分离，得到氧化钙和含有热量Q1的窑气；B、以步骤A中得到的氧化钙为原料进行干法消化，得到消化反应热Q2和氢氧化钙粉料；C、将步骤B中得到的氢氧化钙粉料添加常温水制备成氢氧化钙浆液，并经调质除杂得到浓度和温度符合碳化要求的氢氧化钙生浆；D、将步骤C得到的氢氧化钙生浆与步骤A中得到的窑气反应，得到碳化反应热Q3、轻质碳酸钙熟浆以及碳化尾气；E、将步骤D生成的轻质碳酸钙浆液脱水后形成轻质碳酸钙湿粉，用Q1、Q2、Q3对轻质碳酸钙湿粉进行干燥，经粉碎分级，最终得到轻质碳酸钙产品。本发明可节能降耗减少尾气。

Description

综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法
技术领域
本发明涉及无机化学领域，具体是一种综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法。
背景技术
轻质碳酸钙简称轻钙(含纳米级碳酸钙，简称纳米钙)，作为当今用途最为广泛的无机非金属产品之一，由于无毒无害、环境友好和性价比高等优势，广泛用于橡胶、造纸、塑料、涂料、油墨、印刷、电缆、食品、医药、日用品、饲料、润滑油等行业。轻钙主流生产工艺为碳化法，主要基于Ca(OH)2与CO2之间的酸碱中和反应在液相中生成CaCO3沉淀(业内简称碳化)，一般包括煅烧、消化、浆液除杂，碳化、表面处理、固液分离、干燥、粉碎分级等工序，是典型的高能耗、高排放工艺。
在现有工艺中，将石灰石煅烧制成氧化钙需要耗费大量的热能；氧化钙与水消化反应生成氢氧化钙时会产生大量的热能；氢氧化钙与二氧化碳气体反应生成碳酸钙的过程中也会释放热能。这些热能的利用率极低，往往是自然排放到大气中，偶有利用，也仅仅是加热生产生活辅助用水。另一方面，如果氧化钙的消化反应采用湿法消化，需要将常温的消化液升温至约45℃，还需要一个耗能加热的过程；氢氧化钙浆液在与二氧化碳气体反应之前，需要先行强制冷却才能生产，又需要一个耗能降温的过程；轻钙浆料在固液分离后的干燥脱水，也需要耗能加热。如上所述，传统轻钙生产的工艺流程长，中间液相输送量大，存在反复加热和降温现象，同时大量化学反应热得不到有效提取和利用而白白浪费，造成能耗虚高，二氧化碳尾气排放严重。
中国专利文献CN102958843A于2013年3月6日中公开了“熟石灰颗粒、轻质碳酸钙、使用其的纸及涂布纸以及轻质碳酸钙的制造方法”，其中介绍：一种熟石灰颗粒，其体积粒度分布中粒径为1.0μm以下的颗粒的累积体积为20％以下、且粒径为100μm以下的颗粒的累积体积为95％以上。在得到该熟石灰颗粒的工序中，优选以和生石灰的摩尔比为2.5以下的范围在生石灰中添加消化水并进行混合。将该熟石灰颗粒浆料化，20～70℃的该熟石灰浆料通过吹入含二氧化碳的气体被碳酸化而成为轻质碳酸钙。得到的轻质碳酸钙可以用作纸的填料或涂布纸的颜料。该方法在一定程度上解决基于湿法消化的传统工艺存在液相输送量大的问题，精简了轻钙生产工艺流程，但是并未涉及化学反应热及工艺余热的回收与利用，以及降低碳排放等问题。
中国专利文献CN109666187A于2019年1月17日中公开了“一种基于消石灰制备轻质碳酸钙的方法”，包括：首先选用消石灰粉末制备氢氧化钙浆液；然后将所述氢氧化钙浆液通过第一进水口导入第一反应腔内，关断第二出料口，通过所述第一进气口导入高压二氧化碳气体；所述第一反应腔内设置有第一搅拌器；然后检测所述氢氧化钙浆液的pH值，若所述pH值满足预设pH值，获得碳酸钙悬浮液；然后将所述碳酸钙悬浮液加热至45～95℃后加入包覆剂；最后将所述碳酸钙悬浮液进行过滤、洗涤、干燥、粉碎，即可获得轻质碳酸钙。本发明通过导入高压二氧化碳和在第一反应腔内设置第一搅拌器，加快氢氧化钙浆液转换成碳酸钙悬浮液，提高了碳酸钙生产效率；通过加入包覆剂，提高碳酸钙的品质。该方法可看做是专利CN102958843A的延伸，改变了碳化条件，并增加了表面处理工序，同样也未关注降低能耗和碳排放的问题。
中国专利文献CN109879304A于2019年6月14日中公开了“一种纳米/亚微米碳酸钙高效碳化工艺”，包括步骤：将石灰石原料锻烧生成生石灰，加水消化石灰生成石灰乳后将石灰乳配制成20-50％固含量的氢氧化钙生浆；利用机械方式将悬浊液中氢氧化钙的粒度降低到2微米以下，而后将得到的超细生浆投入碳化塔中，通入窑气进行碳化反应直至反应浆液pH为6.5-7时，停止碳化，得到纳米/亚微米碳酸钙浆料；利用表面改性剂对浆料进行湿法表面处理，经压滤脱水，干燥，粉碎，获得纳米/亚微米碳酸钙；本发明通过将生浆中的固体颗粒从原来5-10微米，减小到2微米以下，大大缩短了生浆碳化时间，减少了产品团聚，提高了生产效率。该方法只是着眼于轻质碳酸钙生产中碳化环节，旨在通过细化氢氧化钙颗粒提高碳化反应速度和效率，但从轻质碳酸钙生产全流程看，缩短碳化时间在节能降耗减排上的作用十分有限。
综上所述，现有轻钙的生产工艺无法适应现代工业生产节能降耗减排的目标，尤其是不符合“碳达峰、碳中和”的国家发展战略，因此加快对轻钙生产工艺的节能改造，开发更加环保节能低碳的新工艺迫在眉睫。
发明内容
基于以上问题，本发明提供了一种综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，采取干法与湿法相结合的工艺生产轻质碳酸钙，大大减少碳化前工序的液相体积和输送能耗，同时有效提取利用各生产环节中产生的热能，节能降耗效果显著，充分利用吸收煅烧石灰石产生的窑气，极大的解决了二氧化碳尾气排放的问题。
为了实现发明目的，本发明采用如下技术方案：一种综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，包括如下步骤：
A、煅烧石灰石，将煅烧产物固、气分离，得到氧化钙和含有热量Q1的窑气；
B、以步骤A中得到的氧化钙为原料进行干法消化，得到消化反应热Q2和氢氧化钙粉料；
C、将步骤B中得到的氢氧化钙粉料添加常温水制备成氢氧化钙浆液，并经调质除杂得到浓度和温度符合碳化要求的氢氧化钙生浆；
D、将步骤C得到的氢氧化钙生浆与步骤A中得到的窑气反应，得到碳化反应热Q3、轻质碳酸钙熟浆以及碳化尾气；
E、将步骤D生成的轻质碳酸钙浆液脱水后形成轻质碳酸钙湿粉，用Q1、Q2、Q3对轻质碳酸钙湿粉进行干燥，经粉碎分级，最终得到轻质碳酸钙产品。
作为优选，步骤A得到的窑气为高温窑气，先作为热源对步骤E所得轻质碳酸钙湿粉进行一级干燥换热后得到中温窑气，中温窑气先后经一、二级换热，依次对消化蒸汽和工艺回水进行加热，换热降温得到低温窑气，低温窑气再用于步骤D中氢氧化钙生浆的碳化反应。
作为优选，步骤B中，氧化钙的干法消化生成的消化反应热Q2以蒸汽作为载体，经中温窑气加热为过热蒸汽后，作为热源对步骤E所得轻质碳酸钙湿粉进行二级干燥。
作为优选，步骤D中，氢氧化钙生浆与低温窑气进行碳化反应生成的碳化反应热Q3，作为热源对步骤E所得轻质碳酸钙湿粉进行三级干燥。
作为优选，步骤E中，对轻质碳酸钙湿粉采用多热源协同的分布式多级干燥方式：利用高温窑气作为热源Q1和工质，在气流干燥机中进行一级干燥，将轻质碳酸钙湿粉的含水率降低至35％；利用消化反应热Q2和一级干燥余热，产生高温蒸汽，作为热源和工质在蒸汽转筒干燥机中进行二级干燥，将轻质碳酸钙湿粉的含水率进一步降低至25％；利用碳化反应热Q3和二级干燥余热，经高效热转化器对循环风进行加热，产生高温空气，作为热源和工质在带式穿流干燥器中进行三级干燥，最终将轻质碳酸钙湿粉的含水率降至0.5％以下，经粉碎分级，最终得到轻质碳酸钙产品。
作为优选，步骤A中，窑气温度为240℃～300℃；步骤D中，采用气流干燥机对轻质碳酸钙湿粉进行干燥，气流干燥机进气端平均温度260±5℃，出气端平均温度160±5℃。
作为优选，步骤B中，干法消化在密闭隔热反应器中进行，氧化钙与水的固液质量比为1:1.0～1.2，氧化钙出窑后温度不低于80℃时立即消化，消化用水经中温窑气预热，温度不低于60℃，消化过程先采取动态消化，在液相消失后转为静态消化。
作为优选，步骤C中所得氢氧化钙生浆的温度不高于35℃，浓度不高于15％。
作为优选，步骤D中，碳化反应采用两级串联式鼓泡碳化工艺，碳化反应器带水循环夹套提取碳化反应热Q3，碳化初始温度不高于35℃，终点温度不高于75℃。
作为优选，步骤A中产生的窑气中CO2浓度为32％～37％，CO2作为碳源在步骤D中进行两级串联式鼓泡碳化反应，被氢氧化钙吸收后，碳化尾气中剩余的CO2浓度为5％～7％；窑气中携带的热能被回收后，低流速导入轻质碳酸钙熟浆中进一步吸收CO2，最终的排空尾气中CO2浓度低于3％。
本技术方案设计的综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，主要步骤详细介绍如下：
(1)将粒度均匀的石灰石送入石灰窑烧制石灰，煅烧过程中产生的高温窑气经两级除尘后导入气流干燥器，得到清洁的含有热量Q1的高温窑气，用于轻质碳酸钙的一级干燥，得到中温窑气；中温窑气先后经一、二级换热得到低温窑气，作为CO2源用于后面氧化钙的碳酸化反应(简称碳化)；
(2)采用干法消化工艺以步骤(1)烧制的石灰为原料制备氢氧化钙粉料，以水蒸气形式提取此过程中氧化钙与水化合反应的反应热Q2，并通过一级换热对水蒸气进行加热，得到约130℃过热蒸汽，作为热源通过蒸汽转筒干燥器对轻质碳酸钙进行二级干燥；过热蒸汽带出物料水分降温为约120℃饱和蒸汽；
(3)将步骤(2)中经过熟化和换热后，温度低于80℃氢氧化钙粉分流，50％直接加工为氢氧化钙产品，另外50％通过添加常温水制备成氢氧化钙浆液，并经调质除杂得到浓度和温度符合碳化要求的氢氧化钙生浆；需要提醒，此步骤如果不做分流，既有热量和后续化学反应生成的热量是小于所有氢氧化钙粉通过湿法消化及后道工艺的热量需要量的。从综合利用热能、减少尾气排放的角度，推荐此步骤中进行氢氧化钙粉分流；但是这种分流手段绝不影响节能减排的实施效果；分流的比例，根据发明人长期实测，分流50％及以上的氢氧化钙，工艺余热和化学反应热就可满足剩余氢氧化钙转化生成的轻质碳酸钙产品的干燥要求，无需外部供热。本领域技术人员可以根据本厂自身工艺特点和产品需求，做出合适的比例调整；
(4)将上述氢氧化钙生浆泵入碳化塔，加入所需的晶形控制剂与分散剂等，与温度低于60℃低温窑气在液相中进行两级碳化反应，生成一定晶形和粒度的轻质碳酸钙(浆料)；同时，通过碳化塔水循环夹套，以约60℃热水和70℃碳化尾气形式提取碳化反应热Q3，热水经吸收热泵升温至约80℃，与步骤(2)中得到120℃饱和蒸汽一起，经高效热转化器对循环空气进行加热，得到高温空气，作为热源和工质在带式穿流干燥器中对轻质碳酸钙进行三级干燥；
(5)上述轻钙浆料进行沉降增浓，固含量达到25％以上后进行表面处理，通过添加乳化剂在较低温度下实现油酸在水相中的良好分散，并以15％的油酸水乳液在高剪切作用下完成对碳酸钙颗粒的表面处理，得到轻钙成品浆料。(注：如系普通轻钙则无需表面处理)；
(6)上述轻钙成品浆料，经板框式压滤机固液分离后得到固含量63％以上的滤饼，滤液经水处理***处理后，送回消化***回用；
(7)采用多热源协同的分布式多级干燥方式，以上述Q1、Q2、Q3为主热源，对步骤(6)中的滤饼进行干燥，后经粉碎、分级和包装，得到轻质碳酸钙产品。
与传统工艺相比，本方法主要进行了如下改进：
一是对煅烧石灰石时产生的高温窑气进行了充分的热能回收与利用，针对窑气温度特点分别通过气流干燥机、一级换热和二级换热提取热量，用于轻质碳酸钙的一级干燥，以及消化蒸汽和工艺回水的加热，窑气温度从约260℃降温至60℃，得到低温窑气。同时，利用富含CO2的高温窑气直接对轻质碳酸钙进行干燥，还可有效中和轻钙在高温下产生的游离碱基，抑制产品返碱，降低产品pH值。
二是采用干法消化氧化钙得到氢氧化钙粉体，相比湿法消化得到的氢氧化钙浆液的工艺，大大提高了消化反应效率，显著降低了中间品的体积和重量(根据发明人实测，可减少约80％的水)，从而减少了大量存储浆液的中转储罐及配套设施，降低了物料运输的能耗，也精简了工艺。
三是以高温蒸汽充分提取和利用干法消化时产生的大量消化反应热Q2及气流干燥机尾气余热，以过热蒸汽作为工质通过蒸汽回转干燥机对轻钙进行二级干燥，过热蒸汽携带水分后形成饱和蒸汽，可进一步提取热能。采用过热蒸汽干燥相比饱和蒸汽，具有热传递阻力小，水分迁移速度快，干燥效率高以及热能利用率高(可达约90％)的突出优点。
四是干法消化反应生成的氢氧化钙粉体，添加常温水即可调制成温度较低的氢氧化钙浆液，无需采用强制降温即可满足碳化的初始温度条件，降低能耗。
五是通过热量提取后得到低温窑气，作为碳源用于氢氧化钙生浆的碳化，并通过循环换热、热泵升温充分提取和利用碳化反应热Q3，经热能转化器对循环空气加热形成循环热风，作为工质在带式穿流干燥器中对轻钙产品进行三级干燥。
六是采用两级串联碳化工艺，以氢氧化钙浆液为连续相充分吸收低温窑气中的CO2，并将碳化尾气换热后，低流速导入轻质碳酸钙熟浆中进一步吸收CO2，相比传统碳化工艺，可将窑气中CO2的吸收率从约76％提高至90％以上，降低碳排放总量。
七是对碳化得到的碳酸钙浆液在较低温度下进行表面处理，后对浆液进行增浓，待浆液中碳酸钙含量升高至25％以上进行脱水，缩短脱水时间；采用压滤机对上述浓浆进行压滤脱水，控制滤饼水份低于40％，降低干燥能耗。
八是采用多热源协同的分布式多级干燥方式。利用高温窑气作为热源Q1和工质，在气流干燥机中进行一级干燥；利用消化反应热Q2和一级干燥余热，产生高温蒸汽，作为热源和工质在蒸汽转筒干燥机中进行二级干燥；利用碳化反应热Q3和二级干燥余热(此处可根据需要补充外部热源Q外)，经高效热转化器对循环风进行加热，产生高温空气，作为热源和工质在带式穿流干燥器中进行三级干燥。可以看到，煅烧热能(高温窑气)和消化热能(水蒸气)分别经上一级提取和利用后，流向下一级，最终在高效热转化器处被循环利用，除去***管路少量热散失，***热能几乎都被不断循环提取和利用，因此本发明所述工艺的综合热能利用率可高达90％以上，大大减少轻钙干燥过程对外部热能的需求，节能减排的效果显著。
本方法用于轻质碳酸钙的工业化生产，具有工艺过程简单、中间产物液相输送量小、化学反应热及余热利用率高，三废污染物排放少，低碳环保的突出优势，与现有技术所得轻质碳酸钙产品相比，在主要技术指标基本一致的前提下，生产成本显著降低，盈利能力得以充分释放，更加具有市场竞争力。更为关键的是，在碳达峰、碳中和的大趋势下，传统高能耗高污染的轻质碳酸钙生产模式已经难以为继，本方法所提出的符合绿色化学和低碳经济原则的工艺方法对于破解轻质碳酸钙行业的发展困境无疑具有重大和深远的意义。
下面以一家年产量十万吨规模的轻质碳酸钙生产企业为例，计算相关的数据：
一，通过***综合热能回收与利用，可节约三大项液相控温能耗：
消化加热：从室温约23℃加热至约45℃，需要热量约
36×10000×1000Kg×4.2Kj/Kg.℃×(45-23)＝3.33×1010Kj
冷却碳化：从平均温度50℃冷却至碳化所需的35℃，需降温中和的热量约
57×10000×1000Kg×4.2Kj/Kg.℃×(50-35)＝3.59×1010Kj
升温表面处理：从平均温度55℃升温至65℃，需要热量约
60×10000×1000Kg×4.2Kj/Kg.℃×(65-55)＝2.52×1010Kj
上述三项热量合计约为9.44×1010Kj，按照标煤2.93×107Kj/吨计算，可节约标煤约3221.8吨/年。行业内现在活性轻钙产品干燥的平均煤耗(热值6500Kcal/Kg)约为135Kg/吨，上述节约出来的煤用于干燥轻钙，可干燥约2.57万吨活性轻钙产品。
二，合并或减少中间工序，减少中间液相输送量，节约动力电耗：
表1：本发明工艺与传统工艺液相输送量的对比情况
如表1所述，按该公司十万吨轻钙的年产能核算，传统工艺需输送的液相量总计约262万立方；而本发明工艺总计约为153万立方减少109万立方液相输送量，降幅41.6％，仅此一项就可节约用电约60万千瓦时，(以100立方/小时，55KW，砂浆泵计算)，平均每吨产品节约用电约6千瓦时，按照碳酸钙行业的平均吨产品电耗180度为基数，仅此一项节电约3.3％。
三，轻钙干燥利用生产***余热和反应热，本发明条件下无需外部能耗。
目前行业内对立窑高温烟气和干燥尾气的利用比较多，而对于消化反应热的利用则尚属空白，本发明最大特点是利用消化和碳化反应热对轻钙进行干燥。同样以十万吨/年的轻钙产能核算，理论上需要中间原料氢氧化钙约7.4万吨，但是本发明基于碳酸钙行业的特点(氢氧化钙与轻钙同时产出)，以及本厂特点对中间品氢氧化钙进行了50％分流，即需要14.8万吨氢氧化钙。换言之，可用于提取消化反应热的氧化钙为11.3万吨，经干法加压消化将7.64万吨水转化为120℃水蒸气，可提供的干燥热量约为：
7.64×10000×1000Kg×2201Kj/Kg＝16.81×1010Kj，相当于5737吨标煤。
立窑高温窑气可提取的热量为：
8500m3/h×270Kj/m3/3600＝1912.5Kw
总热量为1912.5Kw×360×24×3600Kj/h＝5.95×1010Kj
相当于2030吨标煤。
碳酸化反应热可提取的热量为：
7.4×10000×1000×118×1000Kj/74＝11.8×1010Kj，相当于4027吨标煤。
上述三部分热总计(16.81+5.95+11.8)×1010Kj＝34.5610Kj，相当于标煤11650吨，按照本发明所述热能利用方案，热能回收与利用率可达91％，实际可用热能折合标煤约11650×0.91＝10601吨，可干燥轻钙产品10601×1.07×1000/113＝100381吨，完全满足干燥10万吨轻钙的热量需求，即实现干燥所需热量的“自给自足”，无需外部供热。
考虑到本方案对50％氢氧化钙进行分流，若按不分流进行核算，总共可利用的热能约(16.81/2+5.95+11.8)×1010Kj＝26.15×1010Kj，在上述技术条件下可用热能折合标煤约8032吨，可干燥轻钙8032×1.07×1000/113＝76055吨，即10万吨轻钙的干燥热能中76％通过内循环解决，仅需24％的外部供热，本发明所述工艺方法的节能效果仍非常显著。
四，污染物排放减少：
通过在碳化工序对二氧化碳窑气进行的两级碳化吸收，以及利用碳酸钙浆液对碳化尾气中残余二氧化碳进行再吸收，将窑气中二氧化碳的吸收率从76％提高到90％以上，生产10万吨轻钙，可减少二氧化碳气体排放约0.9万吨。
综合以上，采用本发明的工艺和流程，生产10万吨轻钙可减少无效液相输送动力电耗约60万千瓦时，减排二氧化碳600吨；干燥节约煤耗折合标煤约10601吨，减排二氧化碳26428吨；窑气吸收减少二氧化碳排放约9000吨，合计减排二氧化碳36028吨，减少碳排放量9825.8吨，轻钙吨产品的碳排放量减少约98.258Kg，较当前普通轻钙行业碳排放水平160Kg/吨，实现碳减排61％以上，社会和生态效益显著。
附图说明
图1是传统轻质碳酸钙的生产工艺流程图；
图2是本发明所述轻质碳酸钙的生产工艺流程图；
图3是本发明所述轻质碳酸钙的生产***热能综合利用路线图；
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
对比例
(1)将粒度均匀的石灰石送入石灰窑烧制石灰，煅烧过程中产生的高温窑气经两级除尘和水喷淋净化后；温度降低到80℃以下，后经空压机加压至0.08Mpa，作为CO2源用于后面氧化钙的碳酸化反应(简称碳化)；
(2)以步骤(1)烧制的石灰为原料，添加5倍于石灰质量且预热至45℃以上的工艺水进行湿法消化，制备氢氧化钙浆料，水蒸气直接排空；
(3)将步骤(2)中的氢氧化钙浆料经过三级精制除杂后得到温度约50℃，固含量约14.5％的氢氧化钙生浆；
(4)将上述氢氧化钙生浆经冷冻机降温至35℃以下，泵入碳化塔，加入所需的晶形控制剂与分散剂等，与温度约80℃、CO2含量约34％的窑气在鼓泡碳化塔中进行碳化反应，生成一定晶形和粒度的轻质碳酸钙(浆料)；窑气中CO2的吸收和利用率约76％，碳化尾气温度约70℃、CO2含量约8.1％，直接排空；
(5)上述轻钙浆料固含量约18％，经过12小时熟化，温度从约70℃降低至50℃，经干燥余热加热至57℃以上进行表面处理，添加约3.0％油酸(相对碳酸钙干重)的皂化液，持续搅拌50min完成对碳酸钙颗粒的表面处理，得到轻钙成品浆料。
(普通轻钙无需表面处理)；
(6)上述轻钙成品浆料，经板框式压滤机压榨脱水后得到固含量约60％以上的滤饼，滤液经水处理***处理后，直接送回消化***回用；
(7)采用导热油炉产生的高温导热油为工质在盘式干燥机中，在240～150℃温度区间对上述滤饼进行干燥，得到含水率低于0.5％的轻钙半成品，后经粉碎、分级和包装，得到轻质碳酸钙产品，取样编号SF-PCC-1。本对比例的生产工艺流程图参见图1。
实施例
(1)将粒度均匀的石灰石送入石灰窑烧制石灰，煅烧过程中产生的高温窑气经两级除尘后导入气流干燥器，得到清洁的含有热量Q1的高温窑气，高温窑气(平均约265℃)用于轻质碳酸钙的一级干燥，得到中温窑气(平均约161℃)；中温窑气先后经一、二级换热得到低温窑气(平均约67℃)，作为CO2源用于后面氧化钙的碳酸化反应(简称碳化)；
(2)采用干法消化工艺以步骤(1)烧制的石灰(平均约85℃)为原料，添加等质量的60℃消化水，在隔热反应器中制备氢氧化钙粉料，以水蒸气形式提取此过程中氧化钙与水化合反应的反应热Q2，并通过一级换热对水蒸气进行加热，得到130℃过热蒸汽，作为热源通过蒸汽转筒干燥器对轻质碳酸钙进行二级干燥；过热蒸汽带出物料水分降温为120℃饱和蒸汽；
(3)将步骤(2)中经过熟化和换热后，温度低于80℃氢氧化钙粉分流，50％直接加工为氢氧化钙产品，另外50％通过添加常温水制备成氢氧化钙浆液，并经调质除杂得到浓度14.3％、温度33.7℃，符合碳化要求的氢氧化钙生浆；
(4)将上述氢氧化钙生浆泵入碳化塔，加入所需的晶形控制剂与分散剂等，与温度低于60℃低温窑气在液相中进行两级碳化反应，生成一定晶形和粒度的轻质碳酸钙(浆料)；同时，通过碳化塔水循环夹套，以约60℃热水和70℃碳化尾气形式提取碳化反应热Q3，热水经吸收热泵升温至约80℃，与步骤(2)中得到120℃饱和蒸汽一起，经高效热转化器对循环空气进行加热，得到高温空气，作为热源和工质在带式穿流干燥器中对轻质碳酸钙进行三级干燥；
(5)上述轻钙浆料进行沉降增浓，固含量达到25％以上后进行表面处理，通过添加乳化剂在较低温度下实现油酸在水相中的良好分散，并以浓度13％、添加量3.0％的油酸水乳液在高剪切作用下持续分散40min完成对碳酸钙颗粒的表面处理，得到轻钙成品浆料。(注：如系普通轻钙则无需表面处理)；
(6)上述轻钙成品浆料，经板框式压滤机固液分离后得到固含量63％以上的滤饼，滤液经水处理***处理后，送回消化***回用；
(7)采用多热源协同的分布式多级干燥方式，以上述Q1、Q2和Q3为热源，对步骤(6)中的滤饼进行干燥，后经粉碎、分级和包装，得到轻质碳酸钙产品，取样编号GF-PCC-2。本实施例的生产工艺流程图参见图2，生产***热能综合利用路线图参见图3。
上述对比例与实施例所得轻质碳酸钙产品的指标对比情况以及两种工艺运行的经济性、环保性对比情况，分别见表2、表3：
表2：本发明实施例所得轻钙产品与传统工艺产品的指标对比表
从表2可以看出，采用本发明所述工艺制备的轻质碳酸钙GF-PCC-2与传统工艺所得轻质碳酸钙SF-PCC-1，在总体技术指标相当的情况下，白度、pH、吸油值和触变指数四个指标上显著优于SF-PCC-1。这主要得益于本发明采取的多热源协同分布式干燥方式，干燥介质与物料直接接触，热交换直接且充分；干燥温度低以及三级干燥温度梯度合理，产品表面有机活性物质的热老化得到抑制。
表3：本发明实施例与对比例的经济性、环保性指标对比表
表3的经济性和环保性指标对比则从另一个维度，显示出本工艺方法相比于传统工艺存在技术优势，即在同等产出的前提下，新工艺可实现更少的能源消耗、更低的污染物排放、更低的生产成本，这对于轻质碳酸钙这一传统的高耗能高排放行业摘掉“两高”帽子，实现转型升级和提质增效无疑具有重大的现实意义。

Claims (7)

1.一种综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，其特征是，包括如下步骤：
A、煅烧石灰石，将煅烧产物固、气分离，得到氧化钙和含有热量Q1的窑气；
B、以步骤A中得到的氧化钙为原料进行干法消化，得到消化反应热Q2和氢氧化钙粉料；
C、将步骤B中得到的氢氧化钙粉料添加常温水制备成氢氧化钙浆液，并经调质除杂得到浓度和温度符合碳化要求的氢氧化钙生浆；
D、将步骤C得到的氢氧化钙生浆与步骤A中得到的窑气反应，得到碳化反应热Q3、轻质碳酸钙熟浆以及碳化尾气；
E、将步骤D生成的轻质碳酸钙浆液脱水后形成轻质碳酸钙湿粉，用Q1、Q2、Q3对轻质碳酸钙湿粉进行干燥，经粉碎分级，最终得到轻质碳酸钙产品；
步骤A得到的窑气为高温窑气，先作为热源对步骤E所得轻质碳酸钙湿粉进行一级干燥换热后得到中温窑气，中温窑气先后经一、二级换热，依次对消化蒸汽和工艺回水进行加热，换热降温得到低温窑气，低温窑气再用于步骤D中氢氧化钙生浆的碳化反应；
步骤B中，氧化钙的干法消化生成的消化反应热Q2以蒸汽作为载体，经中温窑气加热为过热蒸汽后，作为热源对步骤E所得轻质碳酸钙湿粉进行二级干燥；
步骤D中，氢氧化钙生浆与低温窑气进行碳化反应生成的碳化反应热Q3，作为热源对步骤E所得轻质碳酸钙湿粉进行三级干燥。
2.根据权利要求1所述的综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，其特征是，步骤E中，对轻质碳酸钙湿粉采用多热源协同的分布式多级干燥方式：利用高温窑气作为热源Q1和工质，在气流干燥机中进行一级干燥，将轻质碳酸钙湿粉的含水率降低至35%；利用消化反应热Q2和一级干燥余热，产生高温蒸汽，作为热源和工质在蒸汽转筒干燥机中进行二级干燥，将轻质碳酸钙湿粉的含水率进一步降低至25%；利用碳化反应热Q3和二级干燥余热，经高效热转化器对循环风进行加热，产生高温空气，作为热源和工质在带式穿流干燥器中进行三级干燥，将轻质碳酸钙湿粉的含水率降至0.5%以下，经粉碎分级，最终得到轻质碳酸钙产品。
3.根据权利要求1所述的综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，其特征是，步骤A中，窑气温度为240℃~300℃；步骤D中，采用气流干燥机对轻质碳酸钙湿粉进行干燥，气流干燥机进气端平均温度260±5℃，出气端平均温度160±5℃。
4.根据权利要求1所述的综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，其特征是，步骤B中，干法消化在密闭隔热反应器中进行，氧化钙与水的固液质量比为1:1.0～1.2，氧化钙出窑后温度不低于80℃时立即消化，消化用水经中温窑气预热，温度不低于60℃，消化过程先采取动态消化，在液相消失后转为静态消化。
5.根据权利要求1所述的综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，其特征是，步骤C中所得氢氧化钙生浆的温度不高于35℃，浓度不高于15%。
6.根据权利要求1所述的综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，其特征是，步骤D中，碳化反应采用两级串联式鼓泡碳化工艺，碳化反应器带水循环夹套提取碳化反应热Q3，碳化初始温度不高于35℃，终点温度不高于75℃。
7.根据权利要求6所述的综合利用化学反应热生产轻质碳酸钙的低碳工艺方法，其特征是，步骤A中产生的窑气中CO2浓度为32%～37%，CO2作为碳源在步骤D中进行两级串联式鼓泡碳化反应，被氢氧化钙吸收后，碳化尾气中剩余的CO2浓度为5%～7%；窑气中携带的热能被回收后，低流速导入轻质碳酸钙熟浆中进一步吸收CO2，最终的排空尾气中CO2浓度低于3%。
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