納米碳酸鈣生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能減排
張華1， 張智偉1，楊萍2，張?jiān)骑w3
（1.江西勢(shì)通鈣業(yè)有限公司，江西永豐331500；2.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，
湖南長(zhǎng)沙410000；3.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西長(zhǎng)安710000）
湖南長(zhǎng)沙410000；3.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西長(zhǎng)安710000）
摘要：國(guó)內(nèi)納米級(jí)碳酸鈣的研發(fā)始于20世紀(jì)80年代，現(xiàn)在已有30余家生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)方法近10余種。中國(guó)納米級(jí)碳酸鈣產(chǎn)量增加較快，2016年產(chǎn)能達(dá)到120萬(wàn)噸，實(shí)際產(chǎn)量達(dá)80萬(wàn)噸，每年以15%的速度增長(zhǎng)。但是，中國(guó)納米級(jí)碳酸鈣企業(yè)仍存在生產(chǎn)規(guī)模小、工藝與設(shè)備較落后、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、品種單一、經(jīng)濟(jì)效益差等問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：納米級(jí)碳酸；企業(yè)；問(wèn)題
1 中國(guó)納米級(jí)碳酸鈣生產(chǎn)現(xiàn)狀
1.1 納米級(jí)碳酸鈣生產(chǎn)方法、主要性能及消耗指標(biāo)
納米級(jí)碳酸鈣生產(chǎn)方法有多種，按碳化方法劃分，中國(guó)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(jié)構(gòu)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(chēng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)低于8%；后者稱(chēng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%~12%，產(chǎn)品晶型與粒度通過(guò)不同晶形控制劑進(jìn)行控制。
中國(guó)生產(chǎn)納米級(jí)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(gè)發(fā)展不成熟的行業(yè)，至今沒(méi)有成熟的裝備供生產(chǎn)廠家選擇，國(guó)內(nèi)各個(gè)廠家設(shè)備各不相同，都是在各自發(fā)展過(guò)程中不段改進(jìn)設(shè)備，形成各自的生產(chǎn)設(shè)備及備套工藝；2000年以后，國(guó)內(nèi)納米碳酸鈣蓬勃發(fā)展，同時(shí)也由于各種原因，一些生產(chǎn)工廠相繼停產(chǎn)，部分如下表1：
表1 國(guó)內(nèi)停產(chǎn)的部分納米鈣生產(chǎn)企業(yè)
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序號(hào)
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公司名稱(chēng)
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設(shè)計(jì) 產(chǎn)能
萬(wàn)噸/年
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平均粒徑/nm
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晶形
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碳化方法
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技術(shù) 來(lái)源
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建廠
時(shí)間
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1
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上海卓越納米
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1.5
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60-90
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立方
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低溫?cái)嚩?/span>
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華東理工大學(xué)
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1996
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|
2
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上海耀華納米
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5
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60-90
|
立方
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常溫?cái)嚩?/span>
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意大利引進(jìn)
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2002
|
|
3
|
上海雪美廠
|
1.5
|
60-90
|
立方
|
低溫?cái)嚩?/span>
|
華東理工大學(xué)
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1991
|
|
4
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河南科力
|
1
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40-60
|
立方
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低溫?cái)嚩?/span>
|
東北大學(xué)
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2001
|
|
5
|
蒙西高新材
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1
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15-30
|
立方
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超重力 法
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北京化工大學(xué)
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2003
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7
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北京化工建材廠
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1
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30-50
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立方
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低溫鼓泡
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天津化工研究 院
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1980
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8
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廣東嘉維
|
7
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60-90
|
立方
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鼓泡法
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日本引進(jìn)
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2004
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9
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山東盛大納米
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19
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15-30
|
立方
|
超重力法
|
北京化工大學(xué)
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1993
|
|
10
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安徽巢東納米
|
3
|
15-30
|
立方
|
超重力法
|
北京化工大學(xué)
|
2001
|
|
11
|
福建萬(wàn)旗
|
3
|
60-90
|
立方
|
低溫?cái)嚩?/span>
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----
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2006
|
這些停產(chǎn)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(dāng)一部分是由于能耗等成本壓力。
納米級(jí)碳酸鈣由于生產(chǎn)工藝不同、裝置各異，因此消耗指標(biāo)不同。根據(jù)中國(guó)無(wú)機(jī)鹽工業(yè)協(xié)會(huì)碳酸鈣分會(huì)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)納米級(jí)碳酸鈣原料及動(dòng)力消耗見(jiàn)下表2；當(dāng)然由于產(chǎn)品粒徑大小不同、產(chǎn)品技術(shù)控制水平不同，對(duì)于能耗的要求也有差異，近幾年隨著裝置產(chǎn)能 的提升，節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)納米級(jí)碳酸鈣生產(chǎn)廠家原料及動(dòng)力消耗水平參照表3：
表2 中國(guó)納米級(jí)碳酸鈣原料及動(dòng)力消耗（以1t產(chǎn)品計(jì)）
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項(xiàng)目
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石灰石
Kg
|
無(wú)煙煤
Kg
|
干燥煤
Kg
|
電
kWh
|
水
m3
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鼓泡式 合格
先進(jìn)
|
1400
1300
|
140
130
|
300
250
|
300
280
|
15
10
|
|
攪拌式 合格
先進(jìn)
|
1400
1300
|
140
130
|
400
350
|
450
320
|
25
20
|
|
噴霧式 合格
先進(jìn)
|
1400
1300
|
140
130
|
350
300
|
300
280
|
13
11
|
|
超重力 合格
先進(jìn)
|
1400
1400
|
140
140
|
400
350
|
710
600
|
13
11
|
|
輕鈣 合格
先進(jìn)
|
1350
1250
|
140
120
|
135
100
|
140
120
|
8
5
|
表3 近幾年納米級(jí)碳酸鈣原料及動(dòng)力消耗（以1t產(chǎn)品計(jì)）
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項(xiàng)目
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石灰石
Kg
|
無(wú)煙煤
Kg
|
干燥煤
Kg
|
電
kWh
|
水
m3
|
|
攪拌式
|
1400
|
100
|
185
|
300
|
5
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1.2 納米級(jí)碳酸鈣生產(chǎn)存在的問(wèn)題
1.2.1 原材料問(wèn)題
中國(guó)石灰石儲(chǔ)量豐富，分布面廣，但是隨著納米鈣的生產(chǎn)及應(yīng)用向功能性填料轉(zhuǎn)變過(guò)程中，對(duì)于石灰石原礦質(zhì)量要求越來(lái)越高，不僅要求石類(lèi)石主含量純度高，同時(shí)微量元素含量低，對(duì)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(guó)家對(duì)于石灰石礦的環(huán)保治理過(guò)程中，關(guān)閉了大量的小規(guī)模礦山，使得石灰石供應(yīng)不足；在石灰石鍛煉過(guò)程中，使用無(wú)煙煤混燒還是目前國(guó)內(nèi)比較普遍的生產(chǎn)方式，高熱值、低硫含量的無(wú)煙煤炭資源主要產(chǎn)于山西晉城等少數(shù)煤碳集中地，供應(yīng)也比較緊張。
1.2.2 普通納米碳酸鈣產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題
中國(guó)生產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣約有80年歷史，納米級(jí)碳酸鈣開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)也有30余年，從超細(xì)碳酸鈣到納米級(jí)碳酸鈣生產(chǎn)企業(yè)有上百家，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的生產(chǎn)方法有6~7種，目前產(chǎn)量達(dá)100萬(wàn)噸；應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在塑料、橡膠、膠粘劑、涂料、油墨等領(lǐng)域，一些超過(guò)100納米的亞納米碳酸鈣生產(chǎn)量超過(guò)60%以上，價(jià)格集中在1400~1800元/噸，目前已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了市場(chǎng)的需求，但是高端市場(chǎng)供應(yīng)不足，比如能夠替代日本OT鈣的高檔油墨鈣供應(yīng)不足，能夠應(yīng)用于日系汽車(chē)的負(fù)觸變納米碳酸鈣還未見(jiàn)大量生產(chǎn)。
1.2.3 納米碳酸鈣行業(yè)研發(fā)投入不足
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)從事納米級(jí)碳酸鈣研發(fā)的科研院所、大專(zhuān)院校有30余家，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)工藝與方法達(dá)10余種，申請(qǐng)專(zhuān)利98項(xiàng)，已建立工業(yè)裝置的有5~6項(xiàng)，但是目前普通存在的問(wèn)題是研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化距離較遠(yuǎn)，一些科研院所的研究成果大部分沒(méi)有與產(chǎn)業(yè)工廠聯(lián)合合作，大部分處于實(shí)驗(yàn)室階段，部分產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)由于能耗高、應(yīng)用研究不足等原因，沒(méi)有得到廣泛的推廣；國(guó)內(nèi)部分專(zhuān)利的創(chuàng)新性不足；國(guó)內(nèi)納米碳酸鈣企業(yè)建有國(guó)家級(jí)、省級(jí)工程技術(shù)研究中心比較稀缺，目前只有廣西華納、江西勢(shì)通鈣業(yè)少數(shù)企業(yè) 建有省級(jí)工程技術(shù)研究中心，創(chuàng)新支撐不足；企業(yè)內(nèi)專(zhuān)職的研發(fā)人員中碩士、博士等高級(jí)技術(shù)人才不足，缺少領(lǐng)軍的技術(shù)人才。
1.2.4 全行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)及裝備不成熟
從中國(guó)納米級(jí)碳酸鈣生產(chǎn)歷史來(lái)看，有的是引進(jìn)日本、意大利技術(shù)和設(shè)備，有的是借鑒國(guó)外技術(shù)和設(shè)備開(kāi)發(fā)出國(guó)產(chǎn)工藝和設(shè)備，如：國(guó)產(chǎn)全機(jī)械化自控立窯，槽式化灰機(jī)，新型碳化塔，超重力碳化設(shè)備，高剪切碳化塔，膜分散微結(jié)構(gòu)碳化塔，全自動(dòng)、快開(kāi)、隔膜壓濾機(jī)，帶式過(guò)濾機(jī)，帶式干燥機(jī)，旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥機(jī)，全自動(dòng)包裝機(jī)，打散機(jī)，分級(jí)機(jī)等，這些設(shè)備的成功應(yīng)用為發(fā)展納米級(jí)碳酸鈣提供高效節(jié)能設(shè)備打下良好基礎(chǔ)；但是從全行業(yè)來(lái)看，納米碳酸鈣行業(yè)仍然是一個(gè)存在技術(shù)壁壘的行業(yè)，國(guó)內(nèi)的先進(jìn)制備方法及設(shè)備仍然掌握在少數(shù)技術(shù)力量雄厚、長(zhǎng)期進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)廠家，行業(yè)內(nèi)缺少被認(rèn)可的成套生產(chǎn)技術(shù)及裝備。
1.2.5 嚴(yán)重缺乏專(zhuān)業(yè)化的產(chǎn)業(yè)人才
缺乏資深的技術(shù)開(kāi)發(fā)人才，納米碳酸鈣生產(chǎn) 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(duì)大城市不具有優(yōu)勢(shì)，難以吸引高端人才就業(yè)；同時(shí)，工廠工人大部分是農(nóng)村就業(yè)人員，缺少專(zhuān)業(yè)的素養(yǎng)及培訓(xùn)，對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這也是納米碳酸鈣行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)的其中一個(gè)重要原因。
2 納米級(jí)碳酸鈣節(jié)能減排發(fā)展方向
2.1 自動(dòng)化生產(chǎn)線最節(jié)能
采用自動(dòng)化生產(chǎn)線提升了生產(chǎn)線的效率，產(chǎn)能提升，降低了能耗；建議采用流水線式的設(shè)計(jì)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(dòng)化、封閉式設(shè)計(jì)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(shè)備
目前國(guó)內(nèi)外采用最多的工藝及設(shè)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(jù)生產(chǎn)實(shí)際，采用大體積碳化設(shè)備（如100立方）、高濃度CO2窯氣，縮短碳化時(shí)間可以極大降低碳化過(guò)程中的電耗；根據(jù)產(chǎn)品的不同用途，碳化過(guò)程中進(jìn)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(shè)備
窯爐換熱設(shè)備，高溫窯氣的熱量收集及利用是降低成本的關(guān)鍵，采用不同的換熱方式可以制備出高溫?zé)峁┥a(chǎn)過(guò)程中工藝水熱水，也可以制備出高溫的熱空氣供干燥熱風(fēng)爐使用。
熱風(fēng)爐尾氣換熱，熱風(fēng)爐尾部加裝余熱利用鍋爐也可以大大提升熱風(fēng)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(chǎn)過(guò)程中，傳統(tǒng)工藝消耗用水量一般是產(chǎn)量的10倍，采用水處理后回用技術(shù)，可以大大節(jié)約水的使用及排放，通過(guò)水處理工藝，可以做到耗水量為產(chǎn)量的4倍。
2.5 全生產(chǎn)線變頻及節(jié)能電機(jī)的使用
通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，變頻及節(jié)能電機(jī)的使用極大降低了電耗。
2.6 開(kāi)發(fā)利用高產(chǎn)能單套設(shè)備
在納米鈣的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，高產(chǎn)量單套設(shè)備對(duì)節(jié)能降耗效率最高，高產(chǎn)量石灰窯、大型連續(xù)式消化機(jī)、高容積碳化釜、連續(xù)式活化設(shè)備、大型壓濾機(jī)、大面積的帶式干燥機(jī)、大直徑的粉碎分級(jí)機(jī)、全自動(dòng)納米鈣包裝機(jī)（高頻震動(dòng)脫氣）。
3 結(jié)論
納米碳酸鈣在中國(guó)是一個(gè)尚未產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的行業(yè)，各家企業(yè)技術(shù)來(lái)源不同，生產(chǎn)技術(shù)及工藝有很大區(qū)別；生產(chǎn)技術(shù)及裝備投入的不足，造成國(guó)內(nèi)沒(méi)有被普遍認(rèn)可的工藝及生產(chǎn)設(shè)備；各個(gè)企業(yè)研發(fā)投入的多少，決定了企業(yè)技術(shù)水平的高低；企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)除了產(chǎn)品技術(shù)水平、質(zhì)量穩(wěn)定性的競(jìng)爭(zhēng)外，還有成本的競(jìng)爭(zhēng)；通過(guò)節(jié)能減排設(shè)計(jì)思路的應(yīng)用 ，可以極大地降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
參考文獻(xiàn)：
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作者簡(jiǎn)介：張華（1975-），男，總工程師，江西勢(shì)通鈣業(yè)有限公司負(fù)責(zé)人，西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生畢業(yè)
聯(lián)系方式：13501950768 zhanghua412@163.com
