輕質碳酸鈣生產過程中的節能減排綜述

一、概述

      我國輕質碳酸鈣的生產量為每年1000—1100萬噸，僅次于美國排名世界第二位。輕質碳酸鈣是一種高能耗高污染的產品。在生產成本構成中，能源成本占直接生產成本的60%以上。浙江省衢州市是我國輕質碳酸鈣生產較為集中的地區，也是國內生產水平的代表地區。在這里，輕質碳酸鈣萬元工業增加值的能耗為3.8噸標煤以上，遠遠高于浙江省1.8噸標煤的平均水平。河北省石家莊市和唐山市是我國另一個輕質碳酸鈣生產較為集中的地區。最近京津唐和其他華北地區的嚴重霧霾，使政府下定決心關停華北及周邊地區能耗高、污染大的企業，使當地的輕質碳酸鈣生產企業面臨著生存挑戰。

      節能降耗減排是當今經濟發展的主旋律。國務院節能減排“十二五”規劃要求萬元生產總值能耗要比2010年下降16%。作為高能耗污染大的生產行業，輕質碳酸鈣生產過程的節能減排是企業和技術人員必須面臨和解決的課題，也是整個產業成為環境友好型和可持續發展型產業的必經之路。本文理論計算了輕質碳酸鈣生產過程中潛在的可回收利用的熱能熱量，以及回收應用的技術選擇和節能量。熱能回收利用后，輕質碳酸鈣生產的總能耗可以降低30% - 40%。

二、國內輕質碳酸鈣生產過程的能耗和污染問題

     浙江省質量技術監督局和浙江省能源標準化技術委員會在2012年提出的輕質碳酸鈣生產企業單位產品能耗限額目標值體現了我國目前輕質碳酸鈣生產耗能的基本情況。

經過國內生產企業在技術改造和設備更新上的不懈努力，目前輕質碳酸鈣產品的能耗在表一的基礎上又有了一些下降。在生產低沉降體積的產品時，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，但對生產高沉降體積的輕鈣如沉降體積在2.8以上的產品，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

      單位產品能耗限額目標值 ≤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

       輕質碳酸鈣生產過程中的粉塵污染一直是困擾企業的問題。生產時煙囪冒出的滾滾白煙夾帶著粉塵染白了廠區和周圍環境，與當今社會要求的建設環境友好型企業、綠色生態家園顯得格格不入，企業也承受著當地政府和環保部門帶給的巨大壓力。

       國內現有的輕質碳酸鈣企業，在生產過程的能源利用上，還處于比較落后的狀態，部分企業利用烘干機尾氣熱能加熱消化用水，也有部分企業對燃煤爐煙道氣中的熱量進行回收，加熱生產和生活用水。由于裝備簡單，熱效率低，大部分的熱量仍未得到回收利用。

三、輕質碳酸鈣生產過程中潛在的可回收利用熱量的理論計算

       輕質碳酸鈣的生產過程包括石灰石煅燒、消化、碳化、脫水和干燥五個工藝。生產過程中的物料平衡和熱能平衡計算多有報道<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算方法計算生產過程中可以回收應用的熱能。計算設定年運行時間7200小時，年生產能力5萬噸，每小時產能為7.0噸/小時，同時設定煅燒爐煅燒和轉筒干燥器干燥煤耗分別為105 kgce/噸 和90 kgce/噸（見表一煤耗），由此產生的煅燒和干燥熱量分別為6230kw和5200kw。計算表明，輕質碳酸鈣生產過程中尚未應用的熱能能量巨大，可回收的熱能高達8520kw，約合標準煤7200噸/年?？苫厥諢崮芗s占輕質碳酸鈣生產煤耗熱能的76%?；厥绽眠@些熱能將大大降低生產能耗。

生產過程 煤耗

（kgce/噸） 有效熱能

（kw） 未應用熱能

（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、轉筒干燥器 90 2860 2340 1870 80

5、干燥蒸汽 2860 2300 80

合 計 10,650 8520 80

四、輕質碳酸鈣生產過程中的節能減排技術概述

    輕質碳酸鈣生產過程中未應用或浪費的熱能屬于低品位熱能。王澎博士及其團隊長期從事低品位熱能應用技術和設備的研究開發，在電廠煤渣余熱應用、聚氯乙烯流化床干燥器尾熱回收應用、工業烘干機尾熱回收應用等方面取得了多項研究成果和專利。2013年王澎博士和其團隊開始了輕質碳酸鈣生產廢熱的開發應用。下面概述這些研究成果。

1、ORC低溫發電技術回收應用低品位熱能

    有機郎肯循環（ORC）發電技術是應用螺桿膨脹機將低品位熱源轉換為機械能的技術。該技術已經發展成熟，國內也有生產企業。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。輕質碳酸鈣生產過程中未應用或浪費的低品位熱能經過簡單處理可以制備成85℃熱水或85℃飽和水蒸氣供ORC發電設備進行低溫發電。但是，ORC發電技術的發電效率很低，使熱能的利用效率低。熱源品位越低發電效率就越低。對于95℃飽和水蒸汽的熱源來說，發電效率約為8%。表三分別列出了輕質碳酸鈣各個生產過程中可能的發電量?？偘l電量為384kw?？山档蜕a電耗55%。按一度電耗煤0.35kg計算，低溫發電每年可節約970噸標煤。

生產過程 可回收熱能（kw） 熱能品位（℃） 熱能回收 應用技術 發電量

回收熱量

1、煅燒 1300 150-300 低溫發電 ORC發電技術 104 kw

2、消化 1200 70-90 低溫發電 ORC發電技術 96 kw

3、碳化 2100 70-80 低溫發電 ORC發電技術 84 kw

4、轉筒干燥器 1870 220-250 循環干燥 熱回收技術<2> 1680 kw

5、干燥蒸汽 1150 100-120 預干燥

低溫發電 預干燥技術<2> ORC發電機 1000 kw

100 kw

6、合計 發電量 

回收應用熱量 384 kw

2680 kw

2、轉筒干燥器煙氣和干燥蒸發蒸汽熱能的回收應用

    有機郎肯循環（ORC）發電技術的熱能利用效率低，熱能的回收利用首先應該考慮其他更高利用價值的應用。轉筒干燥器煙氣尾熱如果用于發電，則發電量約187kw，如果應用于循環干燥，則可回收熱能1680kw。發電節約470噸標煤/年，而循環干燥可節約1500噸標煤/年。干燥蒸發蒸汽的回收可選擇二次梯級應用，首先除塵后進行預干燥，回收熱能約1000kw，預干燥蒸發蒸汽再用于低溫發電，發電量約100kw，兩者分別節約860噸標煤/年和250噸標煤/年。其中王澎博士已完成尾熱回收設備和預干燥器的可行性研究并在進行中試。

    按設定煅燒爐煅燒煤耗105 kgce/噸、轉筒干燥器干燥煤耗90 kgce/噸和綜合電耗100kwh/噸計算，5萬噸/年的產能總能耗為11,500噸標煤/年。3、輕質碳酸鈣尾熱流化床干燥器的開發應用節能減排的另外一種技術選擇是開發應用輕質碳酸鈣尾熱流化床干燥器。應用煅燒窯氣尾熱、消化熱和碳化熱對產品進行干燥一直是輕質碳酸鈣行業技術人員追求的目標。但到目前為止尚無實質性的進展。王澎博士及其團隊借鑒聚氯乙烯流化床干燥器的原理和結構完成了輕質碳酸鈣內置加熱流化床干燥器的可行性研究并開始了中試。成功后可取代現在普遍應用的轉筒干燥器。

   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。鼓風機和引風機設計出口全壓為4000Pa，風量為25,700 – 60,000 m3/小時，配置電機功率為90kw。干燥器系統電機新增總功率約200kw。新增電耗的干燥制熱系數為13。按一度電耗煤0.35kg計算，新增電耗相當于每年耗煤500噸標煤/年，每年回收應用熱能1800噸標煤，節省轉筒干燥器耗煤4500噸標煤，每年的經濟效益總計為節約4000噸標煤。

   內置加熱流化床干燥器回收應用了2600kw熱能。干燥器產生的蒸發蒸汽和其他可利用熱能熱量約4300kw，用于低溫發電時的發電效率8%，發電量則為344kw，相當于節約860噸標煤/年。輕質碳酸鈣尾熱內置加熱流化床干燥器開發應用后，可降低總煤耗41%，電耗49%，降低總能耗42%。

五、結論

       輕質碳酸鈣生產過程中浪費的熱能巨大，是一個尚未開發利用的能源資源。綜合利用這些能源資源后，輕質碳酸鈣生產的總能耗可以降低37%～42%。