1 引言
碳酸鈣是用量最大的無機粉體材料之一，被廣泛應用于涂料、油墨、塑料、造紙、橡膠、化妝品等行業(yè)，具有價格低廉、原料來源廣泛、環(huán)境友好、經(jīng)濟效益良好等優(yōu)點。
按照制備的方法，碳酸鈣可分為重型碳酸鈣和輕型碳酸鈣。重型碳酸鈣制備比較簡單，一般是用物理辦法直接粉碎石灰石得到，而輕型碳酸鈣制備更復雜，需通過化學反應沉淀得到。碳酸鈣按粒徑大小，可以分為微米級( 粒徑>1μm)、亞微米級（粒徑為0.1 ～ 1μm）以及納米碳酸（粒徑0.1 ～ 100 nm）。
納米碳酸鈣具有密度小、純度高、分散性良好和流變性高等優(yōu)點，可部分替代半補強炭黑和白炭黑產(chǎn)品，具有填料和補強雙重功能。隨著橡膠、塑料、造紙、和涂料等行業(yè)的發(fā)展，市場對納米碳酸鈣的需求越來越大。同時生產(chǎn)納米碳酸鈣的工藝合理的回收利用二氧化碳，符合國家倡導的節(jié)能減排政策，因此納米碳酸鈣工業(yè)的發(fā)展異常迅猛。
2 納米碳酸鈣的生產(chǎn)工藝
目前制備納米碳酸鈣的生產(chǎn)方法可分為：碳化法、復分解法。碳化法是指利用Ca(OH)2 與CO2 碳化反應得到CaCO3。一般講石灰石煅燒，得到生石灰和窯氣。生石灰經(jīng)過消化之后得到Ca(OH)2 溶液，再通入窯氣，即可得到碳酸鈣漿液，經(jīng)過脫水、干燥得到碳酸鈣成品。碳化法原料來源廣泛、成本低廉，目前國內(nèi)大部分廠家采用此種方法。
華東理工大學超細粉末工程中心在碳化法制備納米碳酸鈣研究方面的擁有自主專利，其研制的年產(chǎn)100 噸納米碳酸鈣中試技術(shù)在1993 年12 月通過了上海市科委組織的技術(shù)成果鑒定，之后多家企業(yè)采用該技術(shù)。1999 年上海卓越年產(chǎn)7000t 納米碳酸鈣項目建成投產(chǎn)，產(chǎn)品指標達到國際先進水平；2001 年山西蘭花與超細粉末中心合資組建山西蘭花華明納米材料有限公司，年產(chǎn)1.5 萬t 納米碳酸鈣，由于市場需求較大，目前山西蘭花二期工程年產(chǎn)50 萬t 納米碳酸鈣項目已經(jīng)啟動。
復分解法是采用鈣鹽水溶液（氯化鈣等）與碳酸鹽水溶液，在一定條件下混合，通過控制反應物濃度、溫度、生成物碳酸鈣的過飽和度和加入適當?shù)奶砑觿┲迫o定型碳酸鈣，該法可得到電子級碳酸鈣產(chǎn)品。復分解法中制得碳酸鈣產(chǎn)品中吸附的大量氯離子很難去除，結(jié)晶過程需大量時間和消耗大量的水，成本較高，因此僅用于實驗室小試研究，工業(yè)上較少采用。
3 碳化法制備納米碳酸鈣的工廠設(shè)計特點
由于納米碳酸鈣運用的場合不同，對納米碳酸鈣的生產(chǎn)及深加工有一定的差異，但其核心都是納米碳酸鈣的碳化合成。本文以典型納米碳酸鈣的工廠設(shè)計為例說明納米碳酸鈣工廠設(shè)計的特點。
3.1 主要原料
主要原料為石灰石、燃料煤、小塊炭、新鮮水、少量的添加劑和包覆劑。生產(chǎn)車間的主要介質(zhì)為碳酸鈣溶液，為不燃物質(zhì)，生產(chǎn)的火災危險性級別為戊類。使用的原料相對于大化工來說更加安全。石灰石和煤的成分規(guī)格見表1 和表2。
3.2 工廠的單體組成
主要生產(chǎn)車間內(nèi)容包括窯爐車間、動力車間、消化車間、合成車間、后處理車間、回水池、陳化池。
輔助設(shè)施包括石灰石堆場、煤堆場、成品倉庫、機修車間。公用工程包括變配電室、消防水池等。
行政管理和生活設(shè)施包括辦公樓、實驗樓、食堂、宿舍、浴室等。
3.3 工藝流程簡述
納米碳酸鈣生產(chǎn)流程示意如圖1。
根據(jù)車間簡述如下：
3.3.1 窯爐車間
石灰石由鏟車送入皮帶機料斗，經(jīng)皮帶輸送至石頭洗滌轉(zhuǎn)鼓，噴淋用水來自回水池，分離出泥漿和碎石隨洗滌水一起落入碎石坑，洗滌水流入，煤渣定期清理。出轉(zhuǎn)鼓的石料送入石頭料斗，料斗中的石料由底部震動給料和其下面的皮帶秤計量，再經(jīng)皮帶自動分批送到窯爐的提升斗。
煤棚中小塊炭由鏟車送入皮帶機，輸送至煤炭料斗，經(jīng)震動給料機至稱重皮帶，再經(jīng)皮帶自動分批送至窯爐的提升斗。
窯爐的石料和煤炭間分批定時進行，進料情況可在生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)中自動設(shè)定，并記錄各臺窯爐的原料用量。助燃空氣由風機從爐體下部吹入爐內(nèi)，再引風機的吸引下，窯氣尾氣通過管道輸送至除塵器除塵。
在窯爐中石灰石煅燒分解為合格的生石灰和二氧化碳氣體，石灰石窯爐涉及的主要化學反應如下：
窯爐現(xiàn)場照片見圖2。
3.3.2 動力車間
窯爐產(chǎn)生的窯氣，經(jīng)過除塵凈化后，用壓縮機壓縮成高濃度CO2 氣體，送至碳化合成車間。
3.3.3 消化車間
生石灰底部設(shè)有卸灰機，石灰經(jīng)過螺旋進料器進入化灰機。來自熱水槽的熱水進化灰機。在化灰機中，生石灰與水發(fā)生消化反應，生成氫氧化鈣，石灰乳從化灰機的末端流出，流經(jīng)螺旋除渣器，然后重力流入粗漿槽。未消化的粗渣由化灰機中心轉(zhuǎn)鼓分離，從化灰機末端落入粗渣皮帶，送入廠房外的灰渣收集池。消化中的化學反應如下：
粗漿自粗漿槽泵經(jīng)過旋液分離器組合，旋液的液流石灰乳接入精乳槽入口，旋液器分離出的底流細渣自然落入渣漿池。精乳流入陳化池。
3.3.4 合成碳化車間
碳化反應是納米碳酸鈣生產(chǎn)工藝中的核心反應。碳化過程中懸浮液的濃度及粘度、CO2 的濃度及單位面積通氣量、CO2 氣體的分散狀態(tài)、添加劑的種類和添加量、反應器的不同以及碳化前是否引入晶種和碳化后熟化處理等都會對粒徑和晶形產(chǎn)生一定的影響。
陳化池的精制石灰乳入碳化合成釜，同時加入添加液。碳化合成釜底部通入含二氧化碳的氣體進行碳化反應，即氫氧化鈣與二氧化碳合成為納米碳酸鈣。碳化反應過程中需要間壁換熱，用循環(huán)水移走部分反應熱，以控制碳化過程中的溫升序列，碳化尾氣直接排空。合成過程的主要化學反應如下：
碳化反應結(jié)束后，碳化合成釜直接通入蒸汽升溫至包覆溫度，加入來自包覆劑釜的包覆液，碳化釜出料自流進入緩沖池進行熟化處理。
3.3.5 后處理車間
后處理車間的任務是將合成車間的活性碳酸鈣漿料變成相應的產(chǎn)品。下面介紹幾種常見的納米碳酸鈣產(chǎn)品的后處理工藝。
（1）納米碳酸鈣改性聚乙烯材料
來自緩沖池的碳酸鈣漿料輸送到壓濾機，過濾脫水形成濾餅，濾餅經(jīng)壓榨后自壓濾機卸下，經(jīng)濾餅皮帶機轉(zhuǎn)送到網(wǎng)帶干燥機的料倉。濾液集流入壓濾水收集槽，再被濾液泵入濾餅回收壓濾機，二次濾液流入回水池。濾餅回收壓濾機收到的濾餅通過提升機提升后，人工送入濾餅皮帶機。
濾餅進入網(wǎng)帶干燥機后得到干粉，干燥機的熱風分別由熱風爐供應，出干燥機的潮濕熱氣體通過濕式除塵后經(jīng)抽風機排空。
進入粉碎機料斗的干粉經(jīng)過粉碎機后進入螺桿擠出機，同時注入塑料粒子。在螺桿擠出機中，塑料被加熱熔融并與碳酸鈣等成為混合熔體，在擠出機出口擠出，擠出的條經(jīng)干法切粒、震動篩整形，送至包裝料倉，計量包裝，由皮帶機送至成品庫。
（2）油墨用納米碳酸鈣
碳酸鈣漿液經(jīng)壓濾泵將碳酸鈣鈣漿料輸送到壓濾機，過濾脫水形成濾餅，濾餅經(jīng)壓榨后自壓濾機卸下，經(jīng)濾餅皮帶機轉(zhuǎn)送到擠條機，擠出成型后得到油墨用納米碳酸鈣產(chǎn)品，然后計量、包裝。
（3）水性分散體納米碳酸鈣
碳酸鈣漿液經(jīng)壓濾泵將碳酸鈣漿料輸送到壓濾機，過濾脫水形成濾餅，濾餅經(jīng)壓榨后自壓濾機卸下，經(jīng)濾餅皮帶機轉(zhuǎn)送到打散機，同時加入改性劑，經(jīng)分散、改性，形成與水性涂料體系相溶的分散良好的水性分散體納米碳酸鈣。然后計量、包裝。
3.4 公用工程及輔助設(shè)施
3.4.1 供電及電訊
廠區(qū)內(nèi)應新建變電站，以滿足生產(chǎn)用電需要。防雷設(shè)計遵照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50050-94(2000) 進行。爆炸危險場所按第二類防雷建構(gòu)筑物設(shè)計，非防爆場所按第三類防雷建構(gòu)筑物設(shè)計對輸送、儲存、生產(chǎn)爆炸危險介質(zhì)的設(shè)備，管道按《化工企業(yè)靜電接地設(shè)計規(guī)程》HG/T20675-1990 進行防靜電接地設(shè)計。
主要生產(chǎn)裝置內(nèi)應設(shè)置電訊端子箱，用以滿足各裝置的通訊需求。通信設(shè)計范圍考慮裝置界區(qū)內(nèi)部的行政電話和調(diào)度電話分機、火災報警部分、可燃氣體及毒性氣體探測系統(tǒng)及相關(guān)弱電線路的敷設(shè)。
3.4.2 給排水
給水要滿足生產(chǎn)、消防、生活的需要，廠區(qū)內(nèi)應新建消防水池和循環(huán)水池。
排水系統(tǒng)可分為生產(chǎn)排水系統(tǒng)、生活污水排水系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)、事故排水系統(tǒng)。
為了充分利用水資源，可采用生產(chǎn)排水回用，不外排。生活污水則經(jīng)化糞池后排入工業(yè)污水處理。
3.5 自控技術(shù)
采用集散型控制系統(tǒng)（DCS）對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，該系統(tǒng)是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作管理和分散控制的先進控制系統(tǒng)。正常情況下操作人員在控制室就可以使裝置連續(xù)安全生產(chǎn)。
為了保護裝置和設(shè)備的安全，根據(jù)工藝專業(yè)所提條件設(shè)計了報警聯(lián)鎖系統(tǒng)，這些功能由DCS 實現(xiàn)，通過DCS操作站可清楚的觀察聯(lián)鎖系統(tǒng)的運行情況，或者由繼電器實現(xiàn)DCS 報警。
DCS 自控水平依下列原則確定：（1）對工藝過程影響較大，需隨時監(jiān)控的參數(shù)設(shè)自動調(diào)節(jié)；（2）對需要經(jīng)常了解其變化趨勢的參數(shù)設(shè)記錄；（3）對工藝過程影響不大，但需經(jīng)常監(jiān)視的參數(shù)設(shè)指示；（4）對可能影響生產(chǎn)及安全的參數(shù)設(shè)報警或聯(lián)鎖, 并進行報警打??；（5）對要求計量或經(jīng)濟核算的參數(shù)積算；（6）對生產(chǎn)過程設(shè)班報、日報及月報等報表打?。唬?）對生產(chǎn)過程中機泵等運轉(zhuǎn)設(shè)備設(shè)狀態(tài)顯示。
3.6 職業(yè)衛(wèi)生
為減少作業(yè)過程中的粉塵危害，篩粉設(shè)備可以選用產(chǎn)生粉塵少的氣流篩；在窯爐車間、消化車間等產(chǎn)生粉塵的場所，應采用局部通風措施；對于車間物料輸送過程中產(chǎn)生的粉塵廢氣，在各產(chǎn)塵點設(shè)集塵罩，通過吸塵管道，將含塵廢氣分別引至布袋除塵器除塵；對于堆場揚塵，本項目在堆場四周設(shè)擋風抑塵網(wǎng)，并配套灑水設(shè)施。
為減少作業(yè)過程中的噪音危害，應增設(shè)消聲器，單獨布置動力房、風機房等產(chǎn)生噪音的場所。
4 結(jié)論
納米碳酸鈣由于它的優(yōu)異性能，廣泛應用于諸多行業(yè)。其工業(yè)生產(chǎn)主要采用碳化法，主要經(jīng)過煅燒、消化、碳化、過濾、干燥等工段，其核心流程是碳化工段。目前我國的納米碳酸鈣產(chǎn)業(yè)發(fā)展異常迅速，但很多產(chǎn)品粒徑分布不均勻、產(chǎn)品質(zhì)量不高，主要是因為沒有掌握最佳的核心工藝參數(shù)，如晶型控制劑、碳化溫度、CO 的通氣速率、攪拌形式與轉(zhuǎn)速等。相信解決這些關(guān)鍵問題，我國納米碳酸鈣工業(yè)的發(fā)展一定會迎來春天。
（本文作者：諸發(fā)超 華東理工大學工程設(shè)計研究院有限公司）
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