輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排綜述
黃榮春1 ，周冬香2 ，劉艷玲2 ，王澎3
1 浙江華盛鈣業(yè)有限公司，324200，2上海海洋大學(xué)，201306，3上海華浪環(huán)保技術(shù)應(yīng)用有限公司，200433
1 浙江華盛鈣業(yè)有限公司，324200，2上海海洋大學(xué)，201306，3上海華浪環(huán)保技術(shù)應(yīng)用有限公司，200433
一、概述
我國(guó)輕質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)量為每年1000—1100萬噸，僅次于美國(guó)排名世界第二位。輕質(zhì)碳酸鈣是一種高能耗高污染的產(chǎn)品。在生產(chǎn)成本構(gòu)成中，能源成本占直接生產(chǎn)成本的60%以上。浙江省衢州市是我國(guó)輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)較為集中的地區(qū)，也是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水平的代表地區(qū)。在這里，輕質(zhì)碳酸鈣萬元工業(yè)增加值的能耗為3.8噸標(biāo)煤以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于浙江省1.8噸標(biāo)煤的平均水平。河北省石家莊市和唐山市是我國(guó)另一個(gè)輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)較為集中的地區(qū)。最近京津唐和其他華北地區(qū)的嚴(yán)重霧霾，使政府下定決心關(guān)停華北及周邊地區(qū)能耗高、污染大的企業(yè)，使當(dāng)?shù)氐妮p質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)企業(yè)面臨著生存挑戰(zhàn)。
節(jié)能降耗減排是當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律。國(guó)務(wù)院節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃要求萬元生產(chǎn)總值能耗要比2010年下降16%。作為高能耗污染大的生產(chǎn)行業(yè)，輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程的節(jié)能減排是企業(yè)和技術(shù)人員必須面臨和解決的課題，也是整個(gè)產(chǎn)業(yè)成為環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展型產(chǎn)業(yè)的必經(jīng)之路。本文理論計(jì)算了輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程中潛在的可回收利用的熱能熱量，以及回收應(yīng)用的技術(shù)選擇和節(jié)能量。熱能回收利用后，輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)的總能耗可以降低30% - 40%。
二、國(guó)內(nèi)輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程的能耗和污染問題
浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局和浙江省能源標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在2012年提出的輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)企業(yè)單位產(chǎn)品能耗限額目標(biāo)值體現(xiàn)了我國(guó)目前輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)耗能的基本情況。
經(jīng)過國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)在技術(shù)改造和設(shè)備更新上的不懈努力，目前輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品的能耗在表一的基礎(chǔ)上又有了一些下降。在生產(chǎn)低沉降體積的產(chǎn)品時(shí)，干燥用煙煤的單耗降低到60 - 70 kgce/t，綜合電耗也降低到了65 - 70 Kw.h/t，但對(duì)生產(chǎn)高沉降體積的輕鈣如沉降體積在2.8以上的產(chǎn)品，能耗仍然很高，煙煤的單耗一般為75 - 80kgce/t，綜合電耗為90 - 100 Kw.h/t
分 類 產(chǎn)品沉降體積ml/g 無煙煤kgce/t 煙煤
kgce/t 綜合能耗
kgce/t 綜合電耗
Kw.h/t
單位產(chǎn)品能耗限額目標(biāo)值 ≤2.0 ≤105 ≤82 ≤165 ≤80
2.0~2.5 ≤105 ≤86 ≤170 ≤90
2.5~3.0 ≤105 ≤90 ≤175 ≤100
≥3.0 ≤105 ≤94 ≤180 ≤110
輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程中的粉塵污染一直是困擾企業(yè)的問題。生產(chǎn)時(shí)煙囪冒出的滾滾白煙夾帶著粉塵染白了廠區(qū)和周圍環(huán)境，與當(dāng)今社會(huì)要求的建設(shè)環(huán)境友好型企業(yè)、綠色生態(tài)家園顯得格格不入，企業(yè)也承受著當(dāng)?shù)卣铜h(huán)保部門帶給的巨大壓力。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的輕質(zhì)碳酸鈣企業(yè)，在生產(chǎn)過程的能源利用上，還處于比較落后的狀態(tài)，部分企業(yè)利用烘干機(jī)尾氣熱能加熱消化用水，也有部分企業(yè)對(duì)燃煤爐煙道氣中的熱量進(jìn)行回收，加熱生產(chǎn)和生活用水。由于裝備簡(jiǎn)單，熱效率低，大部分的熱量仍未得到回收利用。
三、輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程中潛在的可回收利用熱量的理論計(jì)算
輕質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)過程包括石灰石煅燒、消化、碳化、脫水和干燥五個(gè)工藝。生產(chǎn)過程中的物料平衡和熱能平衡計(jì)算多有報(bào)道<2><3><4>，下面借鑒參考資料<2>、<3>和<4>中的物料平衡和熱量平衡計(jì)算方法計(jì)算生產(chǎn)過程中可以回收應(yīng)用的熱能。計(jì)算設(shè)定年運(yùn)行時(shí)間7200小時(shí)，年生產(chǎn)能力5萬噸，每小時(shí)產(chǎn)能為7.0噸/小時(shí)，同時(shí)設(shè)定煅燒爐煅燒和轉(zhuǎn)筒干燥器干燥煤耗分別為105 kgce/噸 和90 kgce/噸（見表一煤耗），由此產(chǎn)生的煅燒和干燥熱量分別為6230kw和5200kw。計(jì)算表明，輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程中尚未應(yīng)用的熱能能量巨大，可回收的熱能高達(dá)8520kw，約合標(biāo)準(zhǔn)煤7200噸/年?？苫厥諢崮芗s占輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)煤耗熱能的76%?；厥绽眠@些熱能將大大降低生產(chǎn)能耗。
生產(chǎn)過程 煤耗
（kgce/噸） 有效熱能
（kw） 未應(yīng)用熱能
（kw） 可回收熱能
（kw） 回收率，%
1、煅燒 105 4580 1650 1300 80
2、消化 1500 1200 80
3、碳化 2300 2100 80
4、轉(zhuǎn)筒干燥器 90 2860 2340 1870 80
5、干燥蒸汽 2860 2300 80
合 計(jì) 10,650 8520 80
四、輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排技術(shù)概述
輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程中未應(yīng)用或浪費(fèi)的熱能屬于低品位熱能。王澎博士及其團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事低品位熱能應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)，在電廠煤渣余熱應(yīng)用、聚氯乙烯流化床干燥器尾熱回收應(yīng)用、工業(yè)烘干機(jī)尾熱回收應(yīng)用等方面取得了多項(xiàng)研究成果和專利。2013年王澎博士和其團(tuán)隊(duì)開始了輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)廢熱的開發(fā)應(yīng)用。下面概述這些研究成果。
1、ORC低溫發(fā)電技術(shù)回收應(yīng)用低品位熱能
有機(jī)郎肯循環(huán)（ORC）發(fā)電技術(shù)是應(yīng)用螺桿膨脹機(jī)將低品位熱源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，國(guó)內(nèi)也有生產(chǎn)企業(yè)。低品位熱源包括溫度高于85℃的熱水、煙氣或低壓飽和水蒸汽。輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程中未應(yīng)用或浪費(fèi)的低品位熱能經(jīng)過簡(jiǎn)單處理可以制備成85℃熱水或85℃飽和水蒸氣供ORC發(fā)電設(shè)備進(jìn)行低溫發(fā)電。但是，ORC發(fā)電技術(shù)的發(fā)電效率很低，使熱能的利用效率低。熱源品位越低發(fā)電效率就越低。對(duì)于95℃飽和水蒸汽的熱源來說，發(fā)電效率約為8%。表三分別列出了輕質(zhì)碳酸鈣各個(gè)生產(chǎn)過程中可能的發(fā)電量?？偘l(fā)電量為384kw。可降低生產(chǎn)電耗55%。按一度電耗煤0.35kg計(jì)算，低溫發(fā)電每年可節(jié)約970噸標(biāo)煤。
生產(chǎn)過程 可回收熱能（kw） 熱能品位（℃） 熱能回收 應(yīng)用技術(shù) 發(fā)電量
回收熱量
1、煅燒 1300 150-300 低溫發(fā)電 ORC發(fā)電技術(shù) 104 kw
2、消化 1200 70-90 低溫發(fā)電 ORC發(fā)電技術(shù) 96 kw
3、碳化 2100 70-80 低溫發(fā)電 ORC發(fā)電技術(shù) 84 kw
4、轉(zhuǎn)筒干燥器 1870 220-250 循環(huán)干燥 熱回收技術(shù)<2> 1680 kw
5、干燥蒸汽 1150 100-120 預(yù)干燥
低溫發(fā)電 預(yù)干燥技術(shù)<2> ORC發(fā)電機(jī) 1000 kw
100 kw
6、合計(jì) 發(fā)電量
回收應(yīng)用熱量 384 kw
2680 kw
2、轉(zhuǎn)筒干燥器煙氣和干燥蒸發(fā)蒸汽熱能的回收應(yīng)用
有機(jī)郎肯循環(huán)（ORC）發(fā)電技術(shù)的熱能利用效率低，熱能的回收利用首先應(yīng)該考慮其他更高利用價(jià)值的應(yīng)用。轉(zhuǎn)筒干燥器煙氣尾熱如果用于發(fā)電，則發(fā)電量約187kw，如果應(yīng)用于循環(huán)干燥，則可回收熱能1680kw。發(fā)電節(jié)約470噸標(biāo)煤/年，而循環(huán)干燥可節(jié)約1500噸標(biāo)煤/年。干燥蒸發(fā)蒸汽的回收可選擇二次梯級(jí)應(yīng)用，首先除塵后進(jìn)行預(yù)干燥，回收熱能約1000kw，預(yù)干燥蒸發(fā)蒸汽再用于低溫發(fā)電，發(fā)電量約100kw，兩者分別節(jié)約860噸標(biāo)煤/年和250噸標(biāo)煤/年。其中王澎博士已完成尾熱回收設(shè)備和預(yù)干燥器的可行性研究并在進(jìn)行中試。
按設(shè)定煅燒爐煅燒煤耗105 kgce/噸、轉(zhuǎn)筒干燥器干燥煤耗90 kgce/噸和綜合電耗100kwh/噸計(jì)算，5萬噸/年的產(chǎn)能總能耗為11,500噸標(biāo)煤/年。3、輕質(zhì)碳酸鈣尾熱流化床干燥器的開發(fā)應(yīng)用節(jié)能減排的另外一種技術(shù)選擇是開發(fā)應(yīng)用輕質(zhì)碳酸鈣尾熱流化床干燥器。應(yīng)用煅燒窯氣尾熱、消化熱和碳化熱對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行干燥一直是輕質(zhì)碳酸鈣行業(yè)技術(shù)人員追求的目標(biāo)。但到目前為止尚無實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。王澎博士及其團(tuán)隊(duì)借鑒聚氯乙烯流化床干燥器的原理和結(jié)構(gòu)完成了輕質(zhì)碳酸鈣內(nèi)置加熱流化床干燥器的可行性研究并開始了中試。成功后可取代現(xiàn)在普遍應(yīng)用的轉(zhuǎn)筒干燥器。
干燥用96℃飽和水蒸汽由煅燒爐窯氣尾熱、消化熱或碳化熱通過吸收式熱泵混合制備，熱量為2600kw。鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)出口全壓為4000Pa，風(fēng)量為25,700 – 60,000 m3/小時(shí)，配置電機(jī)功率為90kw。干燥器系統(tǒng)電機(jī)新增總功率約200kw。新增電耗的干燥制熱系數(shù)為13。按一度電耗煤0.35kg計(jì)算，新增電耗相當(dāng)于每年耗煤500噸標(biāo)煤/年，每年回收應(yīng)用熱能1800噸標(biāo)煤，節(jié)省轉(zhuǎn)筒干燥器耗煤4500噸標(biāo)煤，每年的經(jīng)濟(jì)效益總計(jì)為節(jié)約4000噸標(biāo)煤。
內(nèi)置加熱流化床干燥器回收應(yīng)用了2600kw熱能。干燥器產(chǎn)生的蒸發(fā)蒸汽和其他可利用熱能熱量約4300kw，用于低溫發(fā)電時(shí)的發(fā)電效率8%，發(fā)電量則為344kw，相當(dāng)于節(jié)約860噸標(biāo)煤/年。輕質(zhì)碳酸鈣尾熱內(nèi)置加熱流化床干燥器開發(fā)應(yīng)用后，可降低總煤耗41%，電耗49%，降低總能耗42%。
五、結(jié)論
輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程中浪費(fèi)的熱能巨大，是一個(gè)尚未開發(fā)利用的能源資源。綜合利用這些能源資源后，輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)的總能耗可以降低37%～42%。
