造纸用微细轻质碳酸钙的工艺技术

碳酸钙作为一种非常重要的无机化工填料，广泛地应用于橡胶、塑料、纸张中作为填料和补强剂。其中造纸工业在我国国民经济中占有重要地位，有白色钢铁之称。我国的造纸产量每年在2 000万t 以上。从目前纸张的产量和结构来看，碳酸钙的需求将会有很大增长。特别是随着经济发展，白板纸、铜版纸、低定量涂布纸必将大量发展。特别是随着纸浆价格的上升，造纸行业必然转向加添碳酸钙降低成本、增加利润的方向。随着科技的发展，造纸逐渐成了碳酸钙的最大用户。

碳酸钙在纸张中的作用不是一般的填料，而是被称为功能性的填料，在产品配方中不是可有可无的。其在纸张中的主要作用是保证纸张的一定的强度和白度，同时降低生产成本。造纸专用钙的特点是结晶形状佳、颗粒大小适中、粒径均匀、白度高、有光泽、折射率大、覆盖力好、疏松效果好，磨耗系数低、留着率高。

1 工艺技术
1.1 工艺原理

本生产工艺主要包括石灰石煅烧、窑气净化压缩、消化、碳化、离心过滤、产品的干燥与包装等工序。
用石灰石生产碳酸钙系列产品的主要化学反应式如下：

石灰石煅烧工序：CaCO₃→CaO + CO₂
石灰消化工序：CaO + H₂O→Ca(OH)₂
碳化工序：Ca(OH)₂ + CO₂→ CaCO₃↓+ H₂O

将石灰石与白煤按一定的配比送入机械立窑中煅烧，经高温煅烧的石灰进入化灰机与离心后的母液进行化灰，再经降温调浆到一定的浓度后用泵送入碳化塔进行碳化，碳化塔通入经洗涤净化压缩后的二氧化碳与石灰乳反应，反应后的产物为碳酸钙悬浮液，最后经增浓、离心脱水、干燥、风选、包装，得到微细碳酸钙产品。

1.2 工艺流程
1.2.1 石灰石煅烧
将经过粉碎到一定块度的白煤和石灰石按一定配比由卷扬机提升到煅烧立窑顶部，经由顶部的窑气密封装置进入机械立窑；鼓风机从机械立窑底部鼓入空气，石灰石经煅烧后得到石灰，石灰经筛分机筛分，筛下物送至灰仓，作为副产品外售。筛上物块状石灰进入颚式破碎机破碎至15 ~ 20 mm 粒径，用斗式提升机送至石灰料仓，经振动给料器送入化灰机中进行消化。窑气经立窑顶部排出至窑气净化压缩系统。

1.2.2 窑气净化压缩
窑气净化采用惯性除尘、淋水除尘、洗涤塔、干吸塔四级净化流程。煅烧立窑出口窑气温度较高（＜200 ℃），经过夹套冷却管冷却和惯性除尘后，除去窑气中夹带的固体颗粒并降低了窑气的温度。窑气经惯性除尘后从塔底部进入淋水除尘器，洗涤水从上部喷淋，洗去窑气中大部分灰尘，同时给窑气降温，洗涤后的水经过废水池沉降，用淋水泵打回淋水除尘器顶部循环使用。窑气经淋水除尘器后进入洗涤塔继续喷淋降温洗涤，二级洗涤塔通过塔出水泵变频来控制一定液位，出塔水送入凉水塔冷却后，用泵打入洗涤塔循环使用。窑气经过除尘、降温后经干吸塔除湿后进行压缩，气体压缩至0.20MPa（G）后进入碳化工序。

1.2.3 消化工序
石灰从石灰料仓经振动给料器加入到化灰机中，根据石灰料仓振动给料器的下料情况，调节高位热水槽的热水加入量（消化用水主要来自干燥尾气洗涤塔和碳化斜板稠厚槽中的上清液）。石灰在后排化灰机中与水反应生成石灰乳。反应好的石灰乳排出化灰机后经化灰振动筛筛分后进入粗灰乳中间槽内，上部杂质与化灰机中的较大块灰渣一并运出。粗灰乳经调浓槽调浓后经一级、二级、三级旋液分离器进行旋液分离，除渣后进入精浆槽，渣液进入渣浆槽后，经渣浆泵送至渣液分离器进行分离，液体返回粗灰乳中间槽，渣液进入渣浆槽后，加水稀释搅拌后由渣液泵送至粗灰乳中间槽。精浆槽中的灰乳经精浆泵送至调浓槽进行调浓，灰乳调到一定的浓度后由一级碳化泵送至碳化塔进行碳化。本工序中的废渣作为副产品销售，可用作建材及脱硫剂。

1.2.4 碳化工序
碳化工序采用连续两级碳化新技术。来自消化工序调浓后的灰乳与二氧化碳压缩气体在一级碳化塔、二级碳化塔逆流接触，进行反应。碳化时，碳化塔控制一定液位，使气液均匀分布，控制合理的反应条件，保证物料的反应时间，反应后的尾气由一级碳化塔顶部排出，反应后的碳酸钙悬浮液由二级碳化塔底部排至斜板稠厚槽中进行沉降。斜板稠厚槽中的上清液由上清液泵送至高位热水槽供消化使用。稠厚后的碳酸钙悬浮液由离心上料泵送至离心过滤工序的高位槽。

1.2.5 离心过滤
高位槽中的碳酸钙悬浮液，靠位差进入离心机进行过滤，通过离心机脱去浆液中的水分，母液进入轻钙滤液槽后经轻钙滤液泵送至干燥尾气洗涤塔洗涤干燥尾气。离心后的固料经皮带送至列管式干燥机进行干燥。

1.2.6 干燥与包装
干燥工序采用蒸汽作为热源进行干燥，物料进入旋转列管式干燥机，干燥后的物料经螺旋给料器输送至旋风磨，经风选研磨打碎团粒后，经管道送至旋风分离器，成品碳酸钙进入成品料仓，然后计量包装，即得微细碳酸钙产品。尾气经袋式除尘后，进入干燥尾气洗涤塔洗涤，回收尾气中的热量和所夹带的物料后放空。

1.3 工艺特点
（1） 本工艺采用连续碳化的新工艺，以新型组合式碳化工艺取代间歇式鼓泡碳化法。提高了生产效率及碳酸钙的回收率，充分利用石灰石资源，变废为宝，降低了生产成本，既提高了经济效益，又保护了环境。
（2） 采用石家庄市月凯粉体技术研究所胡庆福教授等发明的新型碳化塔碳化技术，加入一定量助剂（晶型控制剂等），生产造纸用微细碳酸钙。
（3） 本工艺采用能量综合回收利用新措施，用母液洗涤碳酸钙干燥尾气，一方面提高供消化用循环母液的温度，提高化灰质量和化灰效率，同时又回收了干燥尾气中夹带的碳酸钙产品。
（4） 本工艺采用多级分离除渣技术，干渣排放，减少了灰乳污染，改善了操作环境，同时降低能耗及物耗。
（5） 本装置采用两水闭路循环新工艺。一是窑气洗涤，采用双级洗水净化循环工艺，洗涤、沉降、中和洗水闭路循环，减少了一次水耗量，杜绝了污水的排放。二是设置碳化后连续斜板稠厚器，把浆液澄清后的上清液及离心（压滤）母液用于干燥尾气的洗涤用水，提温后返回石灰消化工序，实现母液的循环利用，实现废水的“零排放”。
（6） 碳酸钙悬浮液采用斜板稠厚槽进行稠厚，可有效提高稠厚效率，为离心分离打下一个良好的 基础。

1.4 主要设备选择
1.4.1 机械化立窑
改进原有石灰煅烧的生产模式，采用新型的先进机械化立窑。先进的机械化立窑与传统立窑相比具有以下优点： （1） 采用计算机控制系统（有的为PLC 单板机控制系统）； （2） 进料采用多点布料装置；（3） 鼓风采用变频风机，机械化立窑进风采用底进风接合腰进风的进风方式，使煅烧窑燃烧更加平稳； （4） 出料采用圆盘出料系统。这种先进的机械化立窑使石灰石的生烧过烧率比传统立窑降低2~3 个百分点，而且立窑的操作比传统的更加方便快捷；煅烧的窑气中二氧化碳的浓度提高了3%～4%，对于碳化工序缩短碳化的时间，提高产品的质量有着积极的意义；根据立窑内的燃烧情况自动变频调节进风量，使风机总能耗降低10％左右，同时使煅烧窑的工况更加平稳。
选型依据：在生产过程中，为保证石灰窑煅烧产品氧化钙和二氧化碳的质量，应选择高效节能的钢壳机械化立窑。
计算依据：每t 碳酸钙耗用石灰量0.7 t，10 万t 微细碳酸钙产品所需石灰量7 万t，依此类推。

1.4.2 化灰机
消化工序是碳酸钙生产的另一个关键的工序，化灰机是消化工序的关键设备，石灰是否消化得好，石灰乳是否细腻，将直接关系到产品质量的好坏。目前我国碳酸钙生产装置对于消化设备主要有4 种：槽式消化、回转消化、箱式连续搅拌消化、双浆叶消化等设备，4 种消化设备各有所长。根据操作劳动强度、占地大小、使用寿命等综合考虑，本项目选用回转连续消化机（后排浆）。

后排式化灰机主要由筒体、尾部内筛筒、排气收浆罩、支撑装置及传动装置组成。该化灰机主要特点是由回转运动代替搅拌的化灰方法。消化机本体在低速下回转，物料由于筒体的回转及抄板作用，在筒体内自行搅拌，化灰机后端也装有随筒体一同旋转的用于筛分石灰乳的转筛，石灰乳先被筛分出来，从化灰机后部的出口流出；灰渣从化灰机后端出口排出。该化灰机物料填充容积大，石灰乳浓度高，生产能力大；又因石灰乳经过筛分，石灰乳含沙量较小。

1.4.3 碳化塔
在碳酸钙生产工艺中，石灰乳的碳化是生产成碳酸钙晶形和粒径大小的关键工序，碳化塔是碳化工序中的关键设备。
采用新型碳化塔，该塔上部为喷雾段，下部装有新型高效自洁气体分布器的鼓泡段。

1.4.4 稠厚设备
本工艺稠厚设备采用斜板稠厚槽，根据工艺要求，每条生产线选用1 台斜板稠厚槽。

1.4.5 脱水设备
对于碳酸钙生产装置,目前国内大部分厂家均采用效率高，滤饼含水量低的变频调速上悬式离心机。其优点为低速启动，减少了启动电流和冲击力；高速脱水，滤饼含水量低，节能降耗明显；操作平稳、噪声低、性能稳定。

1.4.6 干燥设备
由于采用离心脱水降低了滤饼的含水量，本工序采用旋转列管干燥机。旋转列管干燥机机身壳体采用隔热材料保温，热损失少，热效率高。针对不同比重、粒度的颗粒状、纤维状、粉状物料的不同含水量，可通过调节热介质温度、流量和调整不同角度抄板的配合比例，达到良好的干燥效果。
物料在呈负压状态的封闭腔内被干燥，作业环境清洁。旋转列管干燥机无需打地基，可放置于水平混凝土地面上，施工方便。

1.5 自控水平和主要控制方案
本工艺采用集中和就地相结合的控制系统，设2 个DCS 控制系统，石灰窑煅烧工序设1 个DCS控制系统，保证石灰窑煅烧的正常运行，在主生产装置设1 个主控DCS 控制系统，来调控消化、碳化、干燥等工序，并且将石灰窑煅烧工序DCS 控制系统的信号输入主控DCS 控制系统。
采用DCS 控制系统，不仅可以有效减轻工人的操作强度，而且可以更有效地保证整个工艺系统的稳定和正常运行，进而有效地保证了产品的质量。

2 结语
为了使碳酸钙这一支柱和特色产业更好、更快、更健康的发展，应该着重以下几个环节：
（1） 进行提档升级，大力提倡规模化生产，推广机械化立窑、连续碳化、母液闭路循环等新工艺，实现碳酸钙产业的提升。
（2） 大力推进先进技术，着力抓好新上高新技术项目建设，开发科技含量高、附加值高的微细产品，以高新技术产品振兴企业，以高新技术产品开拓市场，以高新技术产品提升钙镁产业的整体水平。
（3） 优化发展环境，出台更加优惠的政策措施，大力营造良好的投资环境。
（4） 充分利用石灰石资源，投产后还可根据市场需要开发相应的钙系列产品，进一步提高企业效益，充分利用当地资源，满足市场需求，符合行业和国家发展政策。
（5） 在工艺方案及工艺系统中考虑产品的多样性和互换性，增加产品的抗风险能力和竞争力。