納米碳酸鈣生產過程中的節(jié)能減排
張華1， 張智偉1，楊萍2，張云飛3
（1.江西勢通鈣業(yè)有限公司，江西永豐331500；2.湖南大學材料科學與工程學院，
湖南長沙410000；3.長安大學材料科學與工程學院，陜西長安710000）
湖南長沙410000；3.長安大學材料科學與工程學院，陜西長安710000）
摘要：國內納米級碳酸鈣的研發(fā)始于20世紀80年代，現(xiàn)在已有30余家生產企業(yè)，生產方法近10余種。中國納米級碳酸鈣產量增加較快，2016年產能達到120萬噸，實際產量達80萬噸，每年以15%的速度增長。但是，中國納米級碳酸鈣企業(yè)仍存在生產規(guī)模小、工藝與設備較落后、產品質量不穩(wěn)定、品種單一、經濟效益差等問題。
關鍵詞：納米級碳酸；企業(yè)；問題
1 中國納米級碳酸鈣生產現(xiàn)狀
1.1 納米級碳酸鈣生產方法、主要性能及消耗指標
納米級碳酸鈣生產方法有多種，按碳化方法劃分，中國已建立工業(yè)裝置的有：低溫間歇鼓泡式、常溫連續(xù)噴霧式、低溫間歇攪拌式、低溫間歇超重力式、低溫間歇高剪切式、低溫膜分散微結構式、仿生礦化原位合成式等。
按碳化溫度劃分，主要有冷凍法（低溫）與非冷凍法（常溫或高于常溫），前者稱為低溫低濃碳化工藝，一般碳化溫度低于25℃，石灰乳中Ca(OH)2質量分數低于8%；后者稱為高溫碳化工藝，一般碳化溫度控制在30~40℃，石灰乳中Ca(OH)2質量分數達到10%~12%，產品晶型與粒度通過不同晶形控制劑進行控制。
中國生產納米級碳酸鈣大多采用低溫低濃間歇鼓泡式碳化法、低溫低濃間歇攪拌式碳化法、常溫連續(xù)噴霧碳化法和高溫高濃非冷凍法等。納米碳酸鈣行業(yè)是一個發(fā)展不成熟的行業(yè)，至今沒有成熟的裝備供生產廠家選擇，國內各個廠家設備各不相同，都是在各自發(fā)展過程中不段改進設備，形成各自的生產設備及備套工藝；2000年以后，國內納米碳酸鈣蓬勃發(fā)展，同時也由于各種原因，一些生產工廠相繼停產，部分如下表1：
表1 國內停產的部分納米鈣生產企業(yè)
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序號
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公司名稱
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設計 產能
萬噸/年
|
平均粒徑/nm
|
晶形
|
碳化方法
|
技術 來源
|
建廠
時間
|
|
1
|
上海卓越納米
|
1.5
|
60-90
|
立方
|
低溫攪抖
|
華東理工大學
|
1996
|
|
2
|
上海耀華納米
|
5
|
60-90
|
立方
|
常溫攪抖
|
意大利引進
|
2002
|
|
3
|
上海雪美廠
|
1.5
|
60-90
|
立方
|
低溫攪抖
|
華東理工大學
|
1991
|
|
4
|
河南科力
|
1
|
40-60
|
立方
|
低溫攪抖
|
東北大學
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2001
|
|
5
|
蒙西高新材
|
1
|
15-30
|
立方
|
超重力 法
|
北京化工大學
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2003
|
|
7
|
北京化工建材廠
|
1
|
30-50
|
立方
|
低溫鼓泡
|
天津化工研究 院
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1980
|
|
8
|
廣東嘉維
|
7
|
60-90
|
立方
|
鼓泡法
|
日本引進
|
2004
|
|
9
|
山東盛大納米
|
19
|
15-30
|
立方
|
超重力法
|
北京化工大學
|
1993
|
|
10
|
安徽巢東納米
|
3
|
15-30
|
立方
|
超重力法
|
北京化工大學
|
2001
|
|
11
|
福建萬旗
|
3
|
60-90
|
立方
|
低溫攪抖
|
----
|
2006
|
這些停產的納米碳酸鈣企業(yè)除了一部分是由于環(huán)保等政策原因，相當一部分是由于能耗等成本壓力。
納米級碳酸鈣由于生產工藝不同、裝置各異，因此消耗指標不同。根據中國無機鹽工業(yè)協(xié)會碳酸鈣分會統(tǒng)計，中國納米級碳酸鈣原料及動力消耗見下表2；當然由于產品粒徑大小不同、產品技術控制水平不同，對于能耗的要求也有差異，近幾年隨著裝置產能 的提升，節(jié)能技術的應用，國內納米級碳酸鈣生產廠家原料及動力消耗水平參照表3：
表2 中國納米級碳酸鈣原料及動力消耗（以1t產品計）
|
項目
|
石灰石
Kg
|
無煙煤
Kg
|
干燥煤
Kg
|
電
kWh
|
水
m3
|
|
鼓泡式 合格
先進
|
1400
1300
|
140
130
|
300
250
|
300
280
|
15
10
|
|
攪拌式 合格
先進
|
1400
1300
|
140
130
|
400
350
|
450
320
|
25
20
|
|
噴霧式 合格
先進
|
1400
1300
|
140
130
|
350
300
|
300
280
|
13
11
|
|
超重力 合格
先進
|
1400
1400
|
140
140
|
400
350
|
710
600
|
13
11
|
|
輕鈣 合格
先進
|
1350
1250
|
140
120
|
135
100
|
140
120
|
8
5
|
表3 近幾年納米級碳酸鈣原料及動力消耗（以1t產品計）
|
項目
|
石灰石
Kg
|
無煙煤
Kg
|
干燥煤
Kg
|
電
kWh
|
水
m3
|
|
攪拌式
|
1400
|
100
|
185
|
300
|
5
|
1.2 納米級碳酸鈣生產存在的問題
1.2.1 原材料問題
中國石灰石儲量豐富，分布面廣，但是隨著納米鈣的生產及應用向功能性填料轉變過程中，對于石灰石原礦質量要求越來越高，不僅要求石類石主含量純度高，同時微量元素含量低，對于鎂、鐵、鋁、硅、鉀、鈉等雜元素的要求，使?jié)M足高檔納米鈣的石灰石變得稀缺；其次近兩年國家對于石灰石礦的環(huán)保治理過程中，關閉了大量的小規(guī)模礦山，使得石灰石供應不足；在石灰石鍛煉過程中，使用無煙煤混燒還是目前國內比較普遍的生產方式，高熱值、低硫含量的無煙煤炭資源主要產于山西晉城等少數煤碳集中地，供應也比較緊張。
1.2.2 普通納米碳酸鈣產能過剩問題
中國生產輕質碳酸鈣約有80年歷史，納米級碳酸鈣開發(fā)與生產也有30余年，從超細碳酸鈣到納米級碳酸鈣生產企業(yè)有上百家，實現(xiàn)工業(yè)化的生產方法有6~7種，目前產量達100萬噸；應用領域主要集中在塑料、橡膠、膠粘劑、涂料、油墨等領域，一些超過100納米的亞納米碳酸鈣生產量超過60%以上，價格集中在1400~1800元/噸，目前已經遠遠超過了市場的需求，但是高端市場供應不足，比如能夠替代日本OT鈣的高檔油墨鈣供應不足，能夠應用于日系汽車的負觸變納米碳酸鈣還未見大量生產。
1.2.3 納米碳酸鈣行業(yè)研發(fā)投入不足
據不完全統(tǒng)計，中國從事納米級碳酸鈣研發(fā)的科研院所、大專院校有30余家，開發(fā)出具有自主知識產權的生產工藝與方法達10余種，申請專利98項，已建立工業(yè)裝置的有5~6項，但是目前普通存在的問題是研發(fā)與產業(yè)化距離較遠，一些科研院所的研究成果大部分沒有與產業(yè)工廠聯(lián)合合作，大部分處于實驗室階段，部分產業(yè)化的技術由于能耗高、應用研究不足等原因，沒有得到廣泛的推廣；國內部分專利的創(chuàng)新性不足；國內納米碳酸鈣企業(yè)建有國家級、省級工程技術研究中心比較稀缺，目前只有廣西華納、江西勢通鈣業(yè)少數企業(yè) 建有省級工程技術研究中心，創(chuàng)新支撐不足；企業(yè)內專職的研發(fā)人員中碩士、博士等高級技術人才不足，缺少領軍的技術人才。
1.2.4 全行業(yè)生產技術及裝備不成熟
從中國納米級碳酸鈣生產歷史來看，有的是引進日本、意大利技術和設備，有的是借鑒國外技術和設備開發(fā)出國產工藝和設備，如：國產全機械化自控立窯，槽式化灰機，新型碳化塔，超重力碳化設備，高剪切碳化塔，膜分散微結構碳化塔，全自動、快開、隔膜壓濾機，帶式過濾機，帶式干燥機，旋轉閃蒸干燥機，全自動包裝機，打散機，分級機等，這些設備的成功應用為發(fā)展納米級碳酸鈣提供高效節(jié)能設備打下良好基礎；但是從全行業(yè)來看，納米碳酸鈣行業(yè)仍然是一個存在技術壁壘的行業(yè)，國內的先進制備方法及設備仍然掌握在少數技術力量雄厚、長期進行生產技術及設備開發(fā)的生產廠家，行業(yè)內缺少被認可的成套生產技術及裝備。
1.2.5 嚴重缺乏專業(yè)化的產業(yè)人才
缺乏資深的技術開發(fā)人才，納米碳酸鈣生產 企業(yè) 一般建在縣域、鄉(xiāng)村等距離礦山較近的區(qū)域，由于生活等配套相對大城市不具有優(yōu)勢，難以吸引高端人才就業(yè)；同時，工廠工人大部分是農村就業(yè)人員，缺少專業(yè)的素養(yǎng)及培訓，對于產品的質量穩(wěn)定性是一個巨大的挑戰(zhàn)，這也是納米碳酸鈣行業(yè)產品質量波動的其中一個重要原因。
2 納米級碳酸鈣節(jié)能減排發(fā)展方向
2.1 自動化生產線最節(jié)能
采用自動化生產線提升了生產線的效率，產能提升，降低了能耗；建議采用流水線式的設計方法，縮短工序之間的距離、縮短管道 的距離；窯爐采用全自動化、封閉式設計可以大大降低能耗，石灰石采用小粒徑規(guī)格可以降低煅燒能耗。
2.2 選用節(jié)能碳化工藝及設備
目前國內外采用最多的工藝及設備是低溫低濃間歇鼓泡式碳化法或攪拌式碳化法，還有常溫低濃噴霧連續(xù)碳化法、低溫低濃間歇式超重力碳化法。根據生產實際，采用大體積碳化設備（如100立方）、高濃度CO2窯氣，縮短碳化時間可以極大降低碳化過程中的電耗；根據產品的不同用途，碳化過程中進行合理的溫度控制，制備出不同粒徑分布的納米碳酸鈣晶體。
2.3 選用節(jié)能換熱設備
窯爐換熱設備，高溫窯氣的熱量收集及利用是降低成本的關鍵，采用不同的換熱方式可以制備出高溫熱供生產過程中工藝水熱水，也可以制備出高溫的熱空氣供干燥熱風爐使用。
熱風爐尾氣換熱，熱風爐尾部加裝余熱利用鍋爐也可以大大提升熱風爐的熱效率，降低燃料的使用。
2.4 水處理回用
在納米鈣的生產過程中，傳統(tǒng)工藝消耗用水量一般是產量的10倍，采用水處理后回用技術，可以大大節(jié)約水的使用及排放，通過水處理工藝，可以做到耗水量為產量的4倍。
2.5 全生產線變頻及節(jié)能電機的使用
通過生產實踐證明，變頻及節(jié)能電機的使用極大降低了電耗。
2.6 開發(fā)利用高產能單套設備
在納米鈣的生產設計中，高產量單套設備對節(jié)能降耗效率最高，高產量石灰窯、大型連續(xù)式消化機、高容積碳化釜、連續(xù)式活化設備、大型壓濾機、大面積的帶式干燥機、大直徑的粉碎分級機、全自動納米鈣包裝機（高頻震動脫氣）。
3 結論
納米碳酸鈣在中國是一個尚未產業(yè)標準化的行業(yè)，各家企業(yè)技術來源不同，生產技術及工藝有很大區(qū)別；生產技術及裝備投入的不足，造成國內沒有被普遍認可的工藝及生產設備；各個企業(yè)研發(fā)投入的多少，決定了企業(yè)技術水平的高低；企業(yè)的競爭除了產品技術水平、質量穩(wěn)定性的競爭外，還有成本的競爭；通過節(jié)能減排設計思路的應用 ，可以極大地降低生產成本，提高企業(yè)的競爭力。
參考文獻：
[1] 陽鐵建,顏鑫,盧云峰等.大型碳酸鈣企業(yè)廢水梯級循環(huán)利用及零排放新工藝[J].無機鹽工業(yè), 2014（46）:39-41
[2] 胡慶福,胡曉湘,宋麗英.中國碳酸鈣工業(yè)生產現(xiàn)狀及其發(fā)展對策[J].中國非金屬礦工業(yè)導刊, 2004(4)
作者簡介：張華（1975-），男，總工程師，江西勢通鈣業(yè)有限公司負責人，西北工業(yè)大學碩士研究生畢業(yè)
聯(lián)系方式：13501950768 zhanghua412@163.com
