年產(chǎn)12萬(wàn)噸微粉碳酸鈣生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 化學(xué)工程與工藝專業(yè)

設(shè)計(jì)(論文)題目：年產(chǎn)12萬(wàn)噸微粉碳酸鈣生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 IVAbstract V第1章緒論 11.1碳酸鈣介紹與分類 11.1.1碳酸鈣介紹 11.1.2碳酸鈣分類 11.2碳酸鈣市場(chǎng)分析 21.2.1國(guó)內(nèi)外行情 21.2.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析 21.3研究的目的及意義 2第2章工藝分類及流程設(shè)計(jì) 42.1工藝分類 42.1.1重質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)方式 42.1.2輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)方式 42.2工藝流程設(shè)計(jì) 52.2.1煅燒工段 52.2.2消化工段 62.2.3粗灰乳的調(diào)和與精制工段 72.2.4窯氣的冷卻與凈化工段 72.2.5窯氣的壓縮工段 82.2.6精灰乳的碳化工段 82.2.7熟漿的増濃和過(guò)濾工段 82.2.8母液沉降工段 92.2.9干燥及包裝工段 92.3本章小結(jié) 10第3章物料衡算與能量衡算 113.1概述 113.2物料衡算的計(jì)算基準(zhǔn) 113.2.1石灰石煅燒工段的物料衡算 113.2.2石灰消化過(guò)程的物料衡算 143.2.3碳化過(guò)程的物料衡算 163.2.4漿液增濃與過(guò)濾過(guò)程的物料衡算 173.2.5干燥與包裝過(guò)程的物料衡算 183.3能量衡算 193.3.1石灰石煅燒過(guò)程的能量衡算 193.3.2石灰消化過(guò)程的能量衡算 203.3.3漿液調(diào)溫調(diào)濃過(guò)程的能量衡算 213.3.4碳化過(guò)程的能量衡算 223.3.5干燥過(guò)程的能量衡算 23第4章主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型 254.1立窯主要數(shù)據(jù)的確定 254.2碳化塔主要數(shù)據(jù)的確定 284.3石灰消化與精制設(shè)備 314.3.1槽式化灰機(jī)的主要數(shù)據(jù)確定 314.3.2直線振動(dòng)篩的主要數(shù)據(jù)確定 314.4固液分離設(shè)備選型 324.5小結(jié) 32第5章經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià) 335.1總投資成本、產(chǎn)品成本 335.1.1總投資成本 335.1.2產(chǎn)品成本 345.2環(huán)境保護(hù) 365.2.1環(huán)境保護(hù)意義 365.2.2環(huán)境保護(hù)措施 36第6章總結(jié)與展望 386.1總結(jié) 386.2展望 38參考文獻(xiàn) 39致謝 41年產(chǎn)12萬(wàn)噸微粉碳酸鈣生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)摘要碳酸鈣是一種使用非常廣泛的無(wú)機(jī)化合物，通常用作填充劑和增強(qiáng)劑。中國(guó)雖然礦產(chǎn)資源豐富，但基本用于生產(chǎn)重質(zhì)碳酸鈣和低等級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品。為改善形勢(shì)，提高碳酸鈣產(chǎn)品的附加值和產(chǎn)量。本項(xiàng)目以無(wú)煙煤和石灰石為原料，確定了以年產(chǎn)12萬(wàn)噸微粉碳酸鈣為課題項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有工藝的比較，確定了用間歇鼓泡碳化法生產(chǎn)碳酸鈣的工藝流程。通過(guò)輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)的物料平衡計(jì)算和熱量平衡計(jì)算，定量地確定主副產(chǎn)品的產(chǎn)量和組成，間接地確定了關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。此外，本文還繪制了工藝設(shè)備圖和工藝流程圖，為了更直觀地呈現(xiàn)設(shè)備的形狀和尺寸以及每個(gè)階段物料的去向。通過(guò)對(duì)經(jīng)濟(jì)性能的評(píng)價(jià)，確認(rèn)了該項(xiàng)目的可行性。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線工藝對(duì)優(yōu)化中國(guó)碳酸鈣的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有著重要的幫助，為提高碳酸鈣產(chǎn)品的價(jià)值和產(chǎn)量提供了有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文中所設(shè)計(jì)的設(shè)備圖和工藝流程圖也對(duì)未來(lái)碳酸鈣項(xiàng)目建設(shè)有著重要的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：輕質(zhì)碳酸鈣；間歇鼓泡碳化；工藝設(shè)計(jì)；經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)ProductionProcessDesignof120,000TonsofPowderedCaCO3ProductionLineAbstractCalciumcarbonatewaswidelyusedasinorganiccompound,afillerandreinforcingagent.AlthoughChinahadrichmineralresources,itwasbasicallyusedtoproduceheavycalciumcarbonateandlowgradelightcalciumcarbonateproducts.Toimprovethesituationandincreasetheaddedvalueandoutputofcalciumcarbonateproducts,thisprojecthaddeterminedthattheannualoutputof120,000tonsofpowderedcalciumcarbonatewasthesubjectoftheprojectwithAnthraciteandLimestoneasrawmaterials.Throughthecomparisonoftheexistingprocesses,theproductionprocessofcalciumcarbonatebybatchbubblingcarbonizationwasdetermined.Bythematerialbalanceandheatbalancecalculationoflightcalciumcarbonateproduction,compositionofmainandsubsidiaryproductswerequantitativelydeterminedandthetechnicalparametersofkeyequipmenindirectlyalsodetermined.Inaddition,thispaperhaddrawnaprocessequipmentdiagramandaprocessflowdiagraminordertomoreintuitivelypresenttheshapeandsizeoftheequipmentandthewhereaboutsofthematerialsateachstage.Throughtheevaluationofeconomicperformance,thefeasibilityoftheprojectwasconfirmed.Insummary,theproductionprocesswasdesignedinthispaper.Ithadhelptooptimizingtheindustrialstructureofcalciumcarbonateandprovidingadatabaseforimprovingthevalueandoutputofcalciumcarbonateproducts.Theequipmentmapandprocessflowchartdesignedinthispaperhadalsoimportantreferencevalueforthefutureconstructionofcalciumcarbonateproject.KeyWords:LightCalciumcarbonate;IntermittentBubblingCarbonization;TechnologicalDesign;EconomicEvaluation第1章緒論1.1碳酸鈣介紹與分類1.1.1碳酸鈣介紹碳酸鈣是一種重要的無(wú)機(jī)化學(xué)產(chǎn)品，它是地球最上常見(jiàn)的材料，廣泛存在于石灰石，霰石，白堊，方解石，大理石，石灰華等巖石中。由于原料非常普遍，價(jià)格比較低廉并且無(wú)毒無(wú)味，碳酸鈣被廣泛應(yīng)用于以下行業(yè)生產(chǎn)中：①在制備橡膠領(lǐng)域里面，碳酸鈣可以被添加進(jìn)橡膠里面，起到節(jié)約成本的作用。②在塑料生產(chǎn)領(lǐng)域里面，碳酸鈣可以加進(jìn)塑料中，起到支撐作用，而且由此生產(chǎn)出來(lái)塑料質(zhì)量也比普通的要好。不僅僅提高了塑料的質(zhì)量，還極大地節(jié)約了成本。③在造紙領(lǐng)域里面[1-3]，把碳酸鈣加入到紙張里面，既能使紙張更白，又能增加紙張的耐用程度，還減少了成本。④在涂料工業(yè)中，碳酸鈣是一種廣泛用于涂料并充當(dāng)骨架的填料。在油漆中填充碳酸鈣可以增稠并充當(dāng)填充效果。碳酸鈣在其他領(lǐng)域也有很多應(yīng)用，例如醫(yī)學(xué)[3-4]、化妝品等等。隨著時(shí)代的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)于碳酸鈣的需求量也越來(lái)越大。1.1.2碳酸鈣分類根據(jù)碳酸鈣的生產(chǎn)方法，碳酸鈣可分為輕質(zhì)碳酸鈣，重質(zhì)碳酸鈣和活性碳酸鈣。①輕質(zhì)碳酸鈣由化學(xué)方法制得，主要工藝是：石灰石煅燒，石灰消解，石灰乳凈化，石灰乳碳化，脫水，干燥，篩分。密度比重質(zhì)碳酸鈣輕。通常白度越高，沉降量越高。粒徑可以做得更細(xì)，如超細(xì)鈣，細(xì)鈣，納米鈣等。②重質(zhì)碳酸鈣通過(guò)物理方法獲得的碳酸鈣產(chǎn)品，通常由高純度石灰石（例如：方解石，白堊等）粉碎制得，具有比輕質(zhì)碳酸鈣更高的密度，通常白度更低，沉降量更低。粒度難以達(dá)到更細(xì)（但現(xiàn)在通過(guò)氣流篩，可以達(dá)到一定細(xì)度，但它不能達(dá)到納米級(jí)）。③活性碳酸鈣也稱為改性碳酸鈣，對(duì)輕質(zhì)碳酸鈣或者重質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性就得到了。根據(jù)微粒大小，碳酸鈣又可以被分為以下幾種類型：表1.1碳酸鈣分類粒度d（um）品種d>5微粒碳酸鈣1<d<5微粉碳酸鈣0.1<d<1微細(xì)碳酸鈣0.02<d<0.1超細(xì)碳酸鈣d<0.02超微細(xì)碳酸鈣1.2碳酸鈣市場(chǎng)分析1.2.1國(guó)內(nèi)外行情目前，世界碳酸鈣總生產(chǎn)力已達(dá)4500萬(wàn)噸的水平，其中輕質(zhì)碳酸鈣達(dá)1000萬(wàn)噸，重質(zhì)碳酸鈣3500萬(wàn)噸；全球碳酸鈣總產(chǎn)量約2920萬(wàn)噸，其中輕質(zhì)碳酸鈣850萬(wàn)噸，重質(zhì)碳酸鈣2070萬(wàn)噸。近幾年來(lái)，歐洲碳酸鈣行業(yè)發(fā)生了很大變化，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)向大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)展。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)給中小企業(yè)的生存帶來(lái)了很大困難。近年來(lái)，中國(guó)碳酸鈣進(jìn)口量一直保持高位，年進(jìn)口量在7萬(wàn)噸至10萬(wàn)噸左右，約2000萬(wàn)美元。中國(guó)出口碳酸鈣的平均單價(jià)僅為進(jìn)口產(chǎn)品單價(jià)的三分之一至四分之一。美國(guó)市場(chǎng)碳酸鈣粗品價(jià)格為70-135美元/噸，輕質(zhì)碳酸鈣價(jià)格為15-275美元/噸[6]。超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣的價(jià)格為275-485美元/噸，日本市場(chǎng)超輕質(zhì)碳酸鈣價(jià)格為434美元/噸。簡(jiǎn)言之，中國(guó)的市場(chǎng)有著很大的開發(fā)空間。在過(guò)去的7年時(shí)間里，西方市場(chǎng)對(duì)輕質(zhì)碳酸鈣的需求以每年8％的速度極速增長(zhǎng)。在中國(guó)沿海一些地區(qū)，很多外來(lái)的大型碳酸鈣工廠入駐，將中國(guó)碳酸鈣發(fā)展推向一個(gè)新的高潮。1.2.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析中國(guó)是世界上最大的碳酸鈣資源生產(chǎn)國(guó)。但是據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)在碳酸鈣市場(chǎng)上的產(chǎn)品占比極為失衡，一些高端的產(chǎn)品僅占市場(chǎng)產(chǎn)品總量的8.2%，一些納米級(jí)或者更細(xì)的碳酸鈣產(chǎn)品更加不到1%[7]，而其他國(guó)家在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)朝著大規(guī)模、高端化發(fā)展了。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，目前中國(guó)輕質(zhì)碳酸鈣主要用于初級(jí)產(chǎn)品，而輕質(zhì)碳酸鈣應(yīng)用的實(shí)際價(jià)值在于其進(jìn)一步加工產(chǎn)品。目前國(guó)際上生產(chǎn)和應(yīng)用的高端超細(xì)碳酸鈣主要集中在美國(guó)，西歐和日本。另外，中國(guó)輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品過(guò)剩，高附加值產(chǎn)品少，不能滿足國(guó)際市場(chǎng)和中國(guó)高端市場(chǎng)的需求，造成大量高價(jià)進(jìn)口超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品[8]。1.3研究的目的及意義我國(guó)現(xiàn)有缺少大規(guī)模的輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線，很多小規(guī)模工廠又存在很多污染環(huán)境、耗能高等問(wèn)題。該課題旨在根據(jù)現(xiàn)有碳酸鈣生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，綜合經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)等方面，通過(guò)選取更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保的工藝設(shè)備，優(yōu)化傳統(tǒng)加工流程，設(shè)計(jì)出一條更具有經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的微粉碳酸鈣生產(chǎn)線。通過(guò)本課題的研究，可以為以后輕質(zhì)碳酸鈣大規(guī)?；a(chǎn)提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而極大地填補(bǔ)我國(guó)在中高端碳酸鈣市場(chǎng)上的空白[9]。第2章工藝分類及流程設(shè)計(jì)2.1工藝分類2.1.1重質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)方式（1）干法生產(chǎn)工藝流程：首先，使用來(lái)自采石場(chǎng)的方解石和石灰石，去除脈石，接著用粉碎機(jī)粉碎石灰石。然后，石灰石粉再用雷蒙磨粉碎，得到的磨粉用分級(jí)機(jī)分級(jí)。滿足粒度要求的粉末被作為產(chǎn)品進(jìn)行包裝，否則將被返回再次研磨。（2）濕法生產(chǎn)工藝流程：首先將干燥的細(xì)粉末制成懸浮液并在磨機(jī)中進(jìn)一步粉碎，脫水、干燥之后就得到了重鈣。2.1.2輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)方式選取一些品質(zhì)好的石灰石，煅燒之后產(chǎn)生氧化鈣與二氧化碳，然后氧化鈣和水發(fā)生消化反應(yīng)，產(chǎn)生氫氧化鈣漿料，再將二氧化碳?xì)怏w進(jìn)一步引入到其中發(fā)生碳化反應(yīng)[10-11]。在碳化過(guò)程中，可以使用不同濃度的水楊酸或乙酸等添加劑作為晶型控制劑來(lái)制備不同形狀和尺寸的碳酸鈣顆粒。根據(jù)實(shí)際操作過(guò)程，可分為間歇碳化法，連續(xù)噴霧碳化法，超重力碳化法，噴射吸收法等[12-13]。（1）間歇鼓泡碳化法[14]間歇式碳化法分為間歇鼓泡式碳化法和間歇攪拌式碳化法兩種[15]：①間歇鼓泡碳化法是將某些石灰乳的濃度降低到25°C以下，并通過(guò)進(jìn)料泵進(jìn)入碳化塔，并根據(jù)需要控制其在碳酸塔中的含量，從塔底部向里面通入二氧化碳混合氣鼓泡進(jìn)行碳化反應(yīng)。通過(guò)控制反應(yīng)溫度，濃度，氣液比，添加劑等工藝條件，可間歇獲得不同晶型的納米碳酸鈣。②間歇攪拌碳化法是將二氧化碳混合氣通入碳化反應(yīng)器中的石灰乳中進(jìn)行碳化反應(yīng)。通過(guò)控制反應(yīng)溫度，濃度，攪拌速度，添加劑等工藝條件，間歇制備納米碳酸鈣。（2）連續(xù)噴霧碳化法[16]連續(xù)噴霧碳化方法通過(guò)進(jìn)入碳化塔底部的二氧化碳?xì)怏w混合物與塔頂霧化器的霧化石灰乳液液滴接觸，進(jìn)行碳化反應(yīng)，然后將碳化溶液注入下一個(gè)碳化塔中以繼續(xù)碳化反應(yīng)直至碳化完成。[17]通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)過(guò)程中氫氧化鈣懸浮液的濃度，噴霧液滴的直徑和二氧化碳?xì)怏w混合物的濃度，可以連續(xù)制備具有小的平均粒徑均勻的納米碳酸鈣。（3）超重力碳化法超重力碳化法以二氧化碳和石灰乳為原料。高速旋轉(zhuǎn)的填料將氫氧化鈣溶液切成細(xì)小液滴，液體長(zhǎng)絲和液膜。同時(shí)，氫氧化鈣溶液與二氧化碳?xì)怏w的接觸面積大大增加并迅速更新，反應(yīng)速度大大提高。超重力碳化法能夠有效地在分子尺度上控制碳化反應(yīng)和結(jié)晶過(guò)程，從而獲得粒徑小，分布均勻的納米碳酸鈣。（4）噴射吸收法噴射吸收法采用氣液并流傳質(zhì)法，二氧化碳被噴嘴以極高的速度噴出，同時(shí)石灰乳漿液發(fā)生強(qiáng)烈的紊流，高速噴氣機(jī)將液體噴成小霧狀。氣液在注入階段被強(qiáng)烈吸收，并從噴霧塔頂部向下完成，最終實(shí)現(xiàn)氣液分離。該設(shè)備設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)強(qiáng)度高，運(yùn)行穩(wěn)定[18]。2.2工藝流程設(shè)計(jì)圖2.1輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過(guò)程的基本步驟示意圖如圖2.1所示，輕質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)分為10個(gè)基本部分[19]。2.2.1煅燒工段1—石灰石皮帶運(yùn)輸機(jī)；2—無(wú)煙煤皮帶運(yùn)輸機(jī)；3—石灰石貯倉(cāng)；4—無(wú)煙煤貯倉(cāng)；5—料車；6—卷攪機(jī)；7—受料機(jī)；8—料棒；9—窯體；10—旋轉(zhuǎn)蝸殼式出料機(jī)；11—星型出料機(jī)；12—鼓風(fēng)機(jī)；13—窯氣出口圖2.2煅燒工段的工藝流程示意圖石灰石煅燒段是生產(chǎn)的重要部分，也是節(jié)能的關(guān)鍵。石灰石可以用以下幾種窯來(lái)煅燒：機(jī)械立式窯；空氣窯；雙梁立式窯；套筒式立窯；回轉(zhuǎn)窯。綜合考慮，該工藝使用自動(dòng)機(jī)械立窯，該窯有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①計(jì)算機(jī)控制可以更容易地觀察每個(gè)部分的進(jìn)度；②利用底部和腰部的進(jìn)氣口使窯內(nèi)燃燒更加均勻；③采用旋轉(zhuǎn)蝸殼式卸料系統(tǒng)，減少窯內(nèi)漏風(fēng)。如圖2.2所示該立窯比傳統(tǒng)立窯減少了2％-3％的生燒及過(guò)燒，操作更加簡(jiǎn)便，也更加節(jié)能。石灰石通過(guò)帶式輸送機(jī)輸送到石灰石倉(cāng)和無(wú)煙煤儲(chǔ)存?zhèn)}中，并與一定規(guī)格的無(wú)煙煤一起運(yùn)輸。0.4m范圍內(nèi)窯中煤配煤率為100:10，窯壁附近0.5m配煤率為100:12。按照一層無(wú)煙煤一層石灰石的方式裝入窯內(nèi)，石灰石的進(jìn)料厚度可以根據(jù)石灰石的大小進(jìn)行調(diào)整。石灰煅燒后，它從刮板和旋轉(zhuǎn)蝸殼排出機(jī)中出來(lái)，排出溫度保持在約100℃。另外，窯氣需要冷卻、除塵后，再到壓縮過(guò)程，窯溫保持在120-150℃。2.2.2消化工段1—振動(dòng)篩分輸送機(jī)；2—皮帶輸送機(jī)；3—破碎機(jī)；4—斗式提升機(jī)；5—石灰貯倉(cāng)；6—給料機(jī)；7—消化機(jī)圖2.3消化工段的工藝流程示意圖化灰機(jī)是將煅燒過(guò)后的生石灰消化成石灰漿的裝置，也是生產(chǎn)碳酸鈣的主要設(shè)備之一。目前國(guó)內(nèi)制備的石灰漿要么是使用灰槽或灰池，要么是使用旋轉(zhuǎn)式灰化機(jī)。化灰槽一般采用多個(gè)并用的方法，需人工加入熱水和生石灰攪拌，這種辦法由于操作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度高、污染大等缺點(diǎn)只適合產(chǎn)量小，資金不足的企業(yè)。旋轉(zhuǎn)灰化機(jī)具有高度的機(jī)械性，可以連續(xù)生產(chǎn)。如圖2.3所示，本工藝使用的就是回轉(zhuǎn)式化灰機(jī)，石灰經(jīng)過(guò)煅燒后經(jīng)窯底從旋轉(zhuǎn)蝸殼式出料機(jī)出來(lái)，篩除煤灰及石灰粉塵后，皮帶輸送機(jī)將其送到破碎機(jī)，破碎成15-30mm左右的顆粒后，再經(jīng)過(guò)提升機(jī)到石灰貯倉(cāng)，最后，它由送料器傳送到化灰機(jī)中。在窯氣凈化和壓縮部分，溫度為55-70°C的熱水和石灰按4:8:1進(jìn)入消化機(jī)中，生產(chǎn)的石灰乳經(jīng)過(guò)篩選后離開消化機(jī)，經(jīng)未消化清洗后送入灰渣池。2.2.3粗灰乳的調(diào)和與精制工段1—粗灰乳池；2—粗灰乳漿；3—排渣篩；4—振動(dòng)篩；5—細(xì)灰乳池；6—上漿泵；7—懸液分離器；8—中漿池；9—上漿泵；10—懸液分離器；11—精灰乳池；12—精灰乳漿圖2.4精制工段工藝流程示意圖如圖2.4所示，使用篩分和旋流除渣集成在一起的設(shè)備。首先在粗灰乳池中加水并不斷攪拌來(lái)自消化工段的粗灰乳直到濃度降至約13波美度，將粗灰乳送入直線振動(dòng)篩，把顆粒較大的雜質(zhì)去除掉，通過(guò)篩除的返回初漿池，沒(méi)有通過(guò)的將被送到灰渣池。上漿泵把細(xì)灰乳送入旋液除渣器中，并從水力旋流器溢流口流出并進(jìn)入中漿池，消化約16h，并繼續(xù)攪拌，直到濃度再次調(diào)整到12波美度，將其送到旋液除渣器二次除渣。濃度大于12波美度時(shí)，將冷水直接加入精灰乳池；濃度小于12波美度時(shí)，則將精灰乳池靜置，吸掉一部分上層清液，保持濃度為12波美度左右，然后進(jìn)入下一個(gè)工段。一些從底部出來(lái)，非常稀的灰漿被通入其他池并通過(guò)水力旋流器分離。流出的返回到細(xì)灰乳池中，廢渣則送到渣池。2.2.4窯氣的冷卻與凈化工段1—石灰窯；2—夾套換熱器；3—慣性除塵器；4—旋風(fēng)除塵器；5—耐腐蝕泵；6—噴淋除塵器；7—污水池；8—篩板除塵器；9—?dú)馑蛛x器；10—焦炭吸附器圖2.5窯氣的冷卻與凈化工段工藝流程示意圖如圖2.5所示，凈化窯氣主要利用水吸收二氧化硫和窯氣與煙塵密度不同這兩方面的原理。為了凈化窯氣，首先要進(jìn)行窯氣的冷卻，套換熱器就是窯氣進(jìn)行冷卻的地方。冷卻后，窯氣應(yīng)使用慣性除塵器除去大部分灰塵，余下的煙塵將進(jìn)入旋風(fēng)除塵器進(jìn)行處理。緊接著，經(jīng)過(guò)初步處理的窯氣要通過(guò)噴淋除塵器去除二氧化硫以及一部分細(xì)小的煙灰。最后，篩網(wǎng)過(guò)濾器去除一些剩余的有害物質(zhì)。為了節(jié)約資源和提高水的利用率，除塵步驟中使用的所有洗滌水是上一步驟中石灰乳增稠和沉淀后獲得的澄清液體。2.2.5窯氣的壓縮工段1—空氣壓縮機(jī)；2—油氣分離器；3—儲(chǔ)氣罐圖2.6窯氣壓縮工段工藝流程示意圖如圖2.6所示，經(jīng)凈化和冷卻后，窯氣送入L型往復(fù)式壓縮機(jī)的兩個(gè)氣缸中，內(nèi)部溫度可保持在60-65℃。壓縮后，兩個(gè)氣缸連接在一起，窯內(nèi)的氣體與油霧分離，最后儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。2.2.6精灰乳的碳化工段1—清水泵；2—碳化塔圖2.7碳化工段工藝流程示意圖如圖2.7所示，將精灰乳送至碳化塔內(nèi)，當(dāng)碳化塔的出水口有精灰乳流出的時(shí)候，停止輸送精灰乳，然后關(guān)閉閥門，將壓縮過(guò)后的窯氣通入碳化塔與精灰乳進(jìn)行碳化反應(yīng)。碳化完成后，打開底部閥門，將漿液放入增稠器進(jìn)入下一道工序。2.2.7熟漿的増濃和過(guò)濾工段1—清液泵；2—熟料泵；3—熟料泵；4—高位槽；5—離心機(jī)；6—皮帶輸送機(jī)；7—母液池；8—母液槽圖2.8熟漿的增濃和過(guò)濾工段工藝流程示意圖如圖2.8所示，使用攪拌器攪拌濃縮機(jī)最后一道工序中的漿液并測(cè)量熟灰乳的濃度。借助清水泵將上清液的濃度控制在約20波美度左右，然后輸出熟漿經(jīng)隔膜壓濾機(jī)壓濾，再用皮帶輸送機(jī)把壓濾得到的濾餅送至下道工序。過(guò)濾后的母液被送到沉降部分的母液沉降槽。2.2.8母液沉降工段來(lái)自沉降槽過(guò)濾部分的母液需要沉降約8h，然后將其送至凈化部分以清洗篩板除塵器，并且在液體被完全抽出后繼續(xù)攪拌剩余的母液，并在熟漿池中進(jìn)行二次過(guò)濾。2.2.9干燥及包裝工段1—皮帶運(yùn)輸機(jī)；2—打散機(jī)；3—圓盤加料機(jī)；4—皮帶運(yùn)輸機(jī)；5—旋風(fēng)機(jī)；6—燃燒爐；7—二級(jí)干燥機(jī)；8—皮帶運(yùn)輸機(jī)；9—旋風(fēng)吸塵器；10—濕氣引風(fēng)機(jī)；11—煙氣引風(fēng)機(jī)；12—除塵池；13—煙囪圖2.9干燥及包裝工段工段流程如圖2.9所示，過(guò)濾后的濾餅含有約50％的水，需要進(jìn)入帶式干燥器以利用熱空氣除去大部分水。所獲得的半干燥粉末具有約20％的水分含量，并且將獲得的干燥粉末送入與熱空氣接觸的旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥器以快速完成干燥和粉碎。細(xì)粉跟隨氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器，然后回收。較粗糙的顆粒繼續(xù)破碎，重復(fù)循環(huán)直至達(dá)到所需要求。最后將產(chǎn)品包裝入袋。2.3本章小結(jié)通過(guò)分析各工段的工藝流程，得出以下結(jié)論：①該課題對(duì)現(xiàn)有工藝的改進(jìn)使該工藝更經(jīng)濟(jì)，更節(jié)能，更加具有可實(shí)施性。②窯氣凈化的裝備減少了碳酸鈣生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)大氣的污染，窯氣的二次利用又很大地減少了成本，提高了產(chǎn)能。③更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚵鞒碳由细吖δ芑脑O(shè)備，使得我們?cè)O(shè)計(jì)的微粉碳酸鈣生產(chǎn)線更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。第3章物料衡算與能量衡算3.1概述該工藝采用一定規(guī)格的石灰石和無(wú)煙煤為原料，研究煅燒，消化，碳化，精制，過(guò)濾，干燥，包裝等一系列工藝程序之后，生產(chǎn)碳酸鈣和副產(chǎn)品灰渣的工藝以及熱條件。通過(guò)每個(gè)部分的整體物料平衡和能量平衡，可以幫助我們掌握各種材料的利用情況，三種廢物的排放情況以及主晶體和副晶體的生量和組成。為下以后設(shè)備的選擇提供基本數(shù)據(jù)。生產(chǎn)過(guò)程是間歇式生產(chǎn)過(guò)程。涉及的主要材料有石灰石，無(wú)煙煤，生石灰，粗灰乳等。整個(gè)生產(chǎn)體系能源主要有無(wú)煙煤的熱值，熱介質(zhì)所帶來(lái)的熱量和進(jìn)入物料的熱量。輸出的熱量主要是輸出物料的熱量。3.2物料衡算的計(jì)算基準(zhǔn)該工藝采用間歇鼓泡碳化法，年生產(chǎn)日為300天，日產(chǎn)量達(dá)到400噸，即每小時(shí)生產(chǎn)碳酸鈣17噸。各個(gè)階段的碳酸鈣獲得率如下：①煅燒工段：石灰石轉(zhuǎn)化率為95％，石灰石中碳酸鈣的量為97％，煅燒和石灰運(yùn)輸過(guò)程中石灰的損失率為1％。所以該工藝的總收率為97％×95％×99％=91.23％；②消化工段：篩分機(jī)和水力旋流分離器中材料的損失計(jì)算為15％，此部分的產(chǎn)量為95％；③碳化工段：該工段的收率為99.9％；④壓濾工段：考慮到熟料漿沉降等其他操作的損失，本節(jié)的產(chǎn)量為98％；⑤干燥工段：使用袋式除塵器和其他回收設(shè)備，產(chǎn)量達(dá)到99.9％。因此，精細(xì)碳酸鈣生產(chǎn)總產(chǎn)量為：91.23％×95％×99.9％×99.9％×98％×99.9％=84.68％。按每小時(shí)17噸的產(chǎn)量，每小時(shí)所需的石灰石原料質(zhì)量為17÷84.68％=20.08噸。下面涉及的物質(zhì)平衡基于上述基準(zhǔn)[20]。3.2.1石灰石煅燒工段的物料衡算（1）石灰窯進(jìn)料每小時(shí)需要碳酸鈣的質(zhì)量為20080kg/h，石灰石各物質(zhì)的含量如下：表3.1石灰石各物質(zhì)含量石灰石質(zhì)量流量kg/h質(zhì)量百分?jǐn)?shù)CaCO319477.697MgCO3180.720.9Fe2O310.040.05H2O100.40.5其他雜質(zhì)311.241.55總質(zhì)量流量kg/h20080100（2）無(wú)煙煤用量計(jì)算為石灰石的12％，配煤比為100:12，即1噸石灰需要120kg無(wú)煙煤。則無(wú)煙煤的用量為：20080×0.12=2409.6kg/h。無(wú)煙煤中各物質(zhì)的含量如下：表3.2無(wú)煙煤各物質(zhì)含量煤質(zhì)量含量kg/h質(zhì)量百分?jǐn)?shù)C2072.2686H105.304.37O105.304.37N24.581.02其他102.174.24總質(zhì)量流量kg/h2409.6100（3）空氣量：空氣過(guò)剩系數(shù)取1.2無(wú)煙煤燃燒耗氧量的計(jì)算：C+O2=CO2(3.1)燃燒需要的氧氣的量：W氧氣=2072.26÷12×32=5526.03kg/h其他組分和揮發(fā)性組分的小號(hào)的氧氣量約為：546.7kg/h總需氧量為：W氧氣=（5526.03+546.7）×1.2=7287.28kg/h相應(yīng)需要氮?dú)獾牧繛椋篧氮?dú)?7287.28×79÷21=27414.04kg/h空氣的量為：W空氣=7287.28×100÷21=34701.24kg/h=26900.19Nm3/h（4）生石灰反應(yīng)式為：CaCO3=CaO+CO2(3.2)石灰石中碳酸鈣的含量按97％計(jì)算，同時(shí)取石灰石的轉(zhuǎn)化率為95％，則生成生石灰的量如下：W生石灰=20080×97％×95％×56÷100=10362.08kg/h未反應(yīng)的碳酸鈣的量為：W未反應(yīng)石灰石=20080×0.97×5％=973.88kg/h氧化鎂的量按下式計(jì)算：反應(yīng)式為：MgCO3=MgO+CO2（3.3）W氧化鎂=180.72×40÷84=86.06kg/h雜質(zhì)含量的計(jì)算：W雜質(zhì)量=86.06+10.04+311.24=407.34kg/h窯底出料量：W出料=10362.08+973.88+407.34=11743.3kg/h鍛燒過(guò)后的生石灰，必須篩分煅燒生石灰以去除較大和較小的生石灰顆粒，這個(gè)階段生石灰的收率為99％，篩選后生石灰的質(zhì)量要求占總質(zhì)量的88.3％，則生石灰的量為：W生石灰=10362.08×99％=10258.66kg/h占88.24％雜質(zhì)量：W雜質(zhì)=10258.66×11.76÷88.24=1367.2kg/h占11.76％合計(jì)為：W生石灰=10258.66+1398.91=11657.57kg/h由于一次篩選后得到的生石灰達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，即要進(jìn)行第二次篩除，第二次篩除，CaO得率為99.6％二次篩除物中氧化鈣的質(zhì)量流量：W篩除=10258.66-10217.63=41.03kg/h總的質(zhì)量流量為：10217.63+1367.2×99％=11571.16kg/h（5）存在于窯氣中的氧氣原料發(fā)生反應(yīng)的方程式：CaCO3=CaO+CO2(3.4)MgCO3=MgO+CO2(3.5)C+O2=CO2(3.6)計(jì)算結(jié)果：分離碳酸鈣過(guò)程中生成的二氧化碳的量：W二氧化碳=20080×97％×95％÷100×44=8141.64kg/h由碳酸鎂分離的得到的二氧化碳的量為：W二氧化碳'=20080×0.9％÷84×44=94.66kg/h無(wú)煙煤燃燒產(chǎn)生的二氧化碳的量（忽略生成的一氧化碳及還原一氧化碳所消耗的二氧化碳量）W二氧化碳"=2072.26×44÷12×95％=7218.37kg/h總二氧化碳的量:W二氧化碳=8141.64+94.66+7218.37=15454.67kg/h換算成體積為：V二氧化碳=15454.67÷1.977=7817.23Nm3/h不參與反應(yīng)的氮?dú)饬繛椋篧氮?dú)?27414.04kg/h換算成體積為：V氮?dú)?27414.04÷1.251=21913.70Nm3/h剩余的氧氣量為：W氧氣=7287.28-5526.03-546.7=1214.55kg/h換算成體積為：V氧氣=1214.55÷1.429=849.93Nm3/h窯氣總體積含量為:V窯氣=7817.23+21913.70+849.93=30580.86Nm3/h窯氣總質(zhì)量流量為：W窯氣=15454.67+27414.04+1214.55=44083.26kg/h生成的二氧化碳的體積濃度為：CO2％=7817.23÷(7817.23+21913.70+849.93)×100％=25.56％（6）凈化與壓縮窯氣有30580.86Nm3/h的窯氣進(jìn)入凈化裝置，通過(guò)凈化、冷卻后，仍有一小部分CO2溶在水中，假設(shè)溫度為40℃，在水中CO2的溶解度為0.58m3/m3H20,需水量按照10t/h計(jì)算，溶解在水中的CO2的量為0.58×10000÷1000=5.8Nm3/h,質(zhì)量流量為10.1kg/h。二氧化碳總體積的含量為：V二氧化碳=7817.23-5.8=7811.43Nm3/h窯氣總體積含量為：V窯氣=30580.86-5.8=30575.06Nm3/h窯氣總質(zhì)量流量為:V窯氣=44083.26-10.1=44073.16kg/h生成的二氧化碳的體積濃度為：CO2％=7811.43÷30575.06×100％=25.55％3.2.2石灰消化過(guò)程的物料衡算CaO+H2O=Ca(OH)2(3.7)（1）消化機(jī)進(jìn)料煅燒工段送來(lái)的生石灰的質(zhì)量流量為11571.16kg/h,其中CaO占88.3％，流量為10217.63kg/h；CaCO3占8.2％，流量為954.50kg/h。（2）消化機(jī)出料消化反應(yīng)的最終狀態(tài)是石灰乳的濃度達(dá)到20°Bé，相當(dāng)于氧化鈣的重量百分比為17.72％，并假設(shè)80％雜質(zhì)可以在消化機(jī)排渣口排出，20％的雜質(zhì)在旋液分離器中除去，碳酸鈣在本工段石灰乳的收率為95％。（3）渣中各成分含量經(jīng)篩選，去掉了8％的雜質(zhì)，雜質(zhì)含量為：1367.2×99％=1353.53kg/h1353.53×80％=1082.82kg/h其中包含CaCO3的量為：954.50×80％=763.6kg/hCa(OH)2含量為：W氫氧化鈣=10217.63×74÷56×5％×80％=540.07kg/h20°Bé濃度的CaO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為17.72％，可以折算成含量為23.41％的Ca(OH)2，可以估算出所需熱水用量為：H2O含量：540.07×76.59％÷23.41％=1766.94kg/h排渣總量為：1082.82+540.07+1766.94=3389.83kg/h（4）濃度為20°Bé石灰乳W水=12826.77×76.59％÷23.41％=41965.07kg/h生成的雜質(zhì)的量為：W雜質(zhì)=1353.53×20％=270.71kg/h20°Bé石灰乳W總量=W氫氧化鈣+W水+W雜質(zhì)=12826.77+41965.07+270.71=55062.55kg/h需加入的水量為：消化反應(yīng)生成氫氧化鈣所耗用的水量（氧化鎂所耗水量忽略）W1=10217.63×18÷56=3284.24kg/h配制20°Bé石灰乳所需水量為：W2=41965.07-3284.24=38680.83kg/h總用水量為：W水=W1+W2=41965.07kg/h（5）旋液分離器物料平衡石灰乳用水力旋流器分離，剩余的雜質(zhì)被除去。進(jìn)料：55062.55kg/h出料：溢流精制石灰乳中Ca(OH)2的含量為：W氫氧化鈣=12826.77-540.07=12286.7kg/hH2O含量為：WH2O=12286.7×76.59％÷23.41％=40198.14kg/h石灰乳的量為：W=W氫氧化鈣+W水=12286.7+40198.14=52484.84kg/h從底部出來(lái)的各部分殘?jiān)繛椋篊a(OH)2含量：10217.63×5％×20％÷56×74=135.02kg/hH2O含量：135.02×76.59％÷23.41％=441.74kg/h雜質(zhì)含量：1353.53-1082.82=270.71kg/h排渣總量為：W渣=135.02+441.74+270.71=847.47kg/h（6）石灰乳配制成8°Bé，Ca(OH)2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.36％需水量：W水=12286.7×90.64％÷9.36％=118981.46kg/h需補(bǔ)充水量：W補(bǔ)水=118981.46-40198.14=78783.32kg/h8°BéCa(OH)2石灰乳總量：W石灰乳=52484.84+78783.32=131268.16kg/h3.2.3碳化過(guò)程的物料衡算Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O(3.8)由于二氧化碳是過(guò)量的，即所有的Ca(OH)2都反應(yīng)完全，轉(zhuǎn)化為CaCO3，Mg(OH)2全部轉(zhuǎn)化為Mg(HCO3)2，生成的被碳化尾氣帶走損失1％，即碳化工段的CaCO3的收率為99％。（1）碳化塔進(jìn)料濃度為8°Bé石灰乳總量為131268.16kg/h，即漿液泵的最小流量為31kg/s，最大流量取最小流量的1.3倍，則最大流量為40.3kg/s。濃度為8°Bé的石灰乳中Ca(OH)2含量為12286.7kg/h，水的總量為118981.46kg/h，所有的CO2的量為7811.43Nm3/h（CO2在水中的溶解度很小，故忽略該部分的損失）。（2）碳化塔出料參與反應(yīng)的CO2的量為：W二氧化碳=12286.7×44÷74=7305.61kg/h故尾氣中二氧化碳的含量為：7811.43-7305.61÷1.977=4116.13Nm3/h由于窯氣中的氮和氧不參與反應(yīng)，所以碳化反應(yīng)與尾氣一起排出。尾氣中夾帶著水分，取尾氣溫度為65℃，相對(duì)濕度為100％，該溫度下水蒸氣壓取25.83KPa，出碳化塔干尾氣量為：30575.06-4116.13=26458.93Nm3/h水蒸氣體積為：V=26458.93×25.83÷(101.25-25.83)=9061.71Nm3/h換算成質(zhì)量為：9061.71×18÷22.4=7281.73kg/h生成熟料漿：其中碳酸鈣的含量為：12286.7×100÷74×99％=16437.61kg/h反應(yīng)生成的水量為：W生成水量=12286.7×18÷74=2988.66kg/h料漿含水量：118981.46+2988.66-7281.73=114688.39kg/h料漿總重：114688.39+16437.61=131126kg/h碳化后料漿的濃度為：CaCO3％=16437.61÷131126×100％=12.54％3.2.4漿液增濃與過(guò)濾過(guò)程的物料衡算沉淀的目的一方面是為了進(jìn)一步碳化尚未碳化的Ca(OH)2懸浮液，另一方面熟料漿料需要沉淀脫水，達(dá)到提高濃度的目的。重力沉降后，碳酸鈣含量為20％，產(chǎn)率為100％。過(guò)濾階段使用隔膜壓濾機(jī)，料漿經(jīng)隔膜壓濾機(jī)壓濾后固相含水量為30％，收率為99.9％。（1）沉降池進(jìn)料沉降池的進(jìn)料就是碳化后料漿的總重，總質(zhì)量流量為131126kg/h,其中包括碳酸鈣固相的質(zhì)量流量為16443.20kg/h，料漿的含水量為114688.39kg/h。該工段采用濕法改性，改性劑的添加量為碳酸鈣量的2％，改性劑的加入量為：16437.61×2％=328.75kg/hW進(jìn)料=131126+328.75=131454.75kg/h（2）沉降池出料排放分為兩部分，一部分是沉降后的潮濕物質(zhì)，另一部分是沉降后的脫水量。20％碳酸鈣料漿量：W出料=16437.61÷20％=82188.05kg/h總料漿量：82188.05+328.75=82516.8kg/h脫水量：W水=131126-82188.05=48937.95kg/h（3）隔膜壓濾機(jī)壓濾濾餅量：16437.61×99.9％÷70％+328.75=23787.57kg/h其中碳酸鈣含量：16437.61×99.9％=16421.17kg/h水含量：23458.82×30％=7037.65kg/h脫水量：82188.05-16421.17-7037.65=58729.23kg/h碳酸鈣損失量：16437.61×0.1％=16.44kg/h濾液量：58729.23+16.44=58745.67kg/h3.2.5干燥與包裝過(guò)程的物料衡算該階段選用皮帶系列旋轉(zhuǎn)閃蒸二次干燥技術(shù)來(lái)干燥濕物料。二次干燥后，材料含水率為0.5％，產(chǎn)品符合要求。干燥工段收率取99％。篩分機(jī)和包裝機(jī)用于過(guò)濾和包裝。該工段的收率99.8％。（1）一級(jí)干燥進(jìn)料：含水量30％的濾餅質(zhì)量流量為：23787.57kg/h其中碳酸鈣含量為：16421.17kg/h水含量：7037.65kg/h改性劑含量：328.75kg/h出料：水含量20％的濾餅的質(zhì)量：16421.17÷80％+328.75=20855.21kg/h碳酸鈣含量為：16432.83kg/h水含量：16421.17÷80％×20％=4105.29kg/h蒸發(fā)帶走水量：7037.65-4105.29=2932.36kg/h改性劑含量：328.75kg/h（2）二級(jí)干燥進(jìn)料：含水量20％的濾餅的質(zhì)量：20855.21kg/h碳酸鈣含量：16421.17kg/h水含量：4105.29kg/h改性劑含量：328.75kg/h出料：水含量0.5％的濾餅的質(zhì)量：(16421.17÷99.5％+328.75)×99％=16664.11kg/h碳酸鈣含量為：16421.17×99％=16256.96kg/h水含量：16421.17÷95.5％×0.5％×99％=85.11kg/h蒸發(fā)走水量：4105.29-85.11=4020.18kg/h碳酸鈣產(chǎn)品損失量：(16421.17÷99.5％+328.75)×1％=168.32kg/h（3）篩分包裝產(chǎn)品總量：(16256.96+85.11)×99.8％=16309.39kg/h碳酸鈣含量：16256.96×99.8％=16224.45kg/h產(chǎn)品損失量：(16256.96+85.11)×0.2％=32.68kg/h3.3能量衡算3.3.1石灰石煅燒過(guò)程的能量衡算（1）輸入熱量：只考慮無(wú)煙煤的發(fā)熱量。無(wú)煙煤的用量是按照100:12的配煤率確定的，石灰石每小時(shí)的進(jìn)料為20080kg/h，需要進(jìn)無(wú)煙煤20080÷100×2=2409.6kg/h，每公斤無(wú)煙煤的發(fā)熱值為6000大卡，且無(wú)煙煤的利用為94％。輸入熱量：6000×4.18×2409.6×0.94=56806801.92kg/h（2）輸出熱量：分為CaCO3分解吸收熱量、CaO帶走熱量、窯氣帶走熱量、蒸發(fā)水帶走熱量、爐體散熱和其他熱損失等六個(gè)部分。①CaCO3分解吸收熱量G石灰石=19477.6kg/h,石灰石反應(yīng)熱效為425kcal/kg19477.6×0.97×425×4.18=33563897.71kg/h②CaO在25℃卸料帶走熱量己知生石灰的比熱容為0.8kJ/kg/℃，石灰石的比熱容為0.59kJ/kg/℃，G生石灰=10362.08kg/h，G未反應(yīng)石灰石=973.88kg/h。10362.08×0.8×(100-25)+973.88×0.59×(100-25)=664818.99kJ/h③150℃空氣帶走熱量已知C氧氣=1.3264kJ/m3/℃，C氮?dú)?1.2984kJ/m3/℃，CCO=1.3063kJ/m3/℃，G氧氣=3035.49m3/h,G氮?dú)?24982.49m3/h,GCO=8042.7m3/h(150-25)×(1.3264×3025.49+1.2984×24982.49+1.3063×8042.7)=5868307.62kJ/h④水帶走熱量窯氣中水蒸氣的含量為G水=2213.54m3/h1.9679×(150-25)×2213.54÷22.4×18=437547.19kJ/h⑤爐體散熱--按燃料放熱的20％計(jì)算0.2×56806801.92=11361360.38kJ/h⑥其他熱損失為4910870.03kJ/h表3.3熱量輸出輸入熱量輸出熱量無(wú)煙煤熱量：56806801.92kJ/hCaCO3分解：33563897.71kJ/hCaO帶走熱量：664818.99kJ/h窯氣帶走：5868307.62kJ/h蒸發(fā)水帶走：437547.1kJ/h爐體散熱：11361360.38kJ/h其他：4910870.03kJ/h總輸入熱量：56806801.92kJ/h總輸出熱量：56806801.92kJ/h3.3.2石灰消化過(guò)程的能量衡算（1）輸入熱量：包括生石灰?guī)氲臒崃俊崴畮?lái)的熱量和消化反應(yīng)放熱。為了使消化后的顆粒更細(xì)膩，通常在70℃或更高的溫度下用熱水消化。該工藝使用70℃的熱水，通過(guò)用143℃蒸汽與濾液更換30℃的一次性水獲得。則143℃蒸汽的消耗量為：(45120.11-G蒸汽)×(70-30)×4.187=G蒸汽×(2136.21+4.187×73)解得：G蒸汽=2896.02kg/h①氧化鈣帶入的熱量：考慮在0℃時(shí)輸入的熱量，輸入的熱量為零。②熱水帶來(lái)的熱量，熱水溫度為70℃，消化用水量W消化=405120.11kg/h，水的比熱容C水=1kcal/kJ，則熱水帶入的熱量為：405120.11×1×4.187×70=118736653kJ/h③消化反應(yīng)放熱，消化反應(yīng)熱Q=66.15cal/mol，G生石灰=10217.63kg/h④總輸入熱量：118736653+12069575.44=130806228.4kJ/h（2）輸出熱量：分為消石灰?guī)ё邿崃?、水分蒸發(fā)所需熱量、水帶走熱量和設(shè)備散熱四個(gè)部分。①消石灰?guī)ё邿崃浚O(shè)出化灰機(jī)時(shí)料漿的溫度為100℃，C消石灰=1.089kJ/m3/℃。(540.07+12826.77)×1.089×100=1346748.88kJ/h②水分蒸發(fā)需要的熱量kJ/h：2710.08W③水帶走熱量：(1766.94+41965.07)×4.187×100=18310592kJ/h④設(shè)備散熱，取消化反應(yīng)熱的20％，即：12069575.44×20％=2413915.09kJ/h⑤根據(jù)熱平衡計(jì)算水分蒸發(fā)量W130806228.4=1346748.88+2710.08W+18310592.59+2413915.09解得：W=40122.42kg/h表3.4熱量輸出輸入熱量輸出熱量氧化鈣帶入熱量：0kJ/h消石灰?guī)ё邿崃?1346748.88kJ/h熱水帶入熱量：118736653kJ/h水分蒸發(fā)需熱：108734968kJ/h消化反應(yīng)放熱：12069575.44kJ/h水帶走熱量：18310592.59kJ/h總輸入熱量:130806228.4kJ/h設(shè)備散熱：241391.09kJ/h總輸出熱量:130806228kJ/h3.3.3漿液調(diào)溫調(diào)濃過(guò)程的能量衡算（1）輸入熱量：包括漿液帶入熱量和水帶入熱量。①漿液帶入熱量：3.459×52484.84×50=9077253.08kJ/h②水帶入熱量：78783.32×4.187×18=5937583.70kJ/h（2）輸出熱量：包括料漿帶走的熱量、制冷劑帶走的熱量和熱損失。①料漿帶走的熱量:：133945.37×4.004×20=10726345.07kJ/h②制冷劑帶走的熱量：9077253.08+5937583.70-10726345.07=4288491.71kJ/h③熱損失：忽略熱損失。表3.5熱量輸出輸入熱量輸出熱量漿液帶入熱量：9077253.08kJ/h料漿帶走的熱量:10726345.07kJ/h水帶入熱量：5937583.70kJ/h制冷劑帶走的熱量:4288491.71kJ/h熱損失:0kJ/hh總輸入熱量:15014836.78kJ/h總輸出熱量:15014836.78kJ/h3.3.4碳化過(guò)程的能量衡算漿料進(jìn)入碳化塔時(shí)的溫度為20℃，碳化塔里面漿料的溫度為40℃，里面氣體的溫度為50℃，發(fā)生碳化反應(yīng)之后的排氣溫度為40℃。C消石灰=1.089kJ/kg/℃，C碳酸鈣=0.84kJ/kg/℃，碳化反應(yīng)熱效應(yīng)為115346kJ/kmol入塔料漿平均比熱容：1.089×9.36％+4.187×90.64％=3.90kJ/kg/℃出塔料漿平均比熱容：0.84×12.33％+4.187×87.67％=3.77kJ/kg/℃入塔密氣平均比熱容：1.3264×0.028+1.2984×0.71+1.7548×0.26=1.42kJ/m3/℃出塔窯氣平均比熱容：1.3264×0.023+1.2984×0.61×0.61+1.7548×0.11+1.3063×0.0052+1.9679×0.25=1.51kJ/m3/℃（1）輸入熱量：包括漿液帶入熱量、窯氣帶入熱量和碳化反應(yīng)放熱。①漿液帶入熱量：3.90×133945.37×20=10447738.86kJ/h②窯氣帶入熱量：1.42×31816.03×50=2258938.13kJ/h③碳化反應(yīng)放熱：12286.7÷74×115346=19151644.57kJ/h④總輸入熱量：10447738.86+2258938.13+19151644.57=31858321.56kJ/h（2）輸出熱量：包括漿液帶走熱量、尾氣帶走熱量、制冷劑帶走熱量和熱損失。①漿液帶走熱量：3.77×134196.98×40=20236904.58kJ/h②尾氣帶走熱量：1.51×34691.05×40=2095339.42kJ/h③制冷劑帶走熱量：10734381.72+1958806.8+19151644.57-21127969.43-2134748.48=8582115.18kJ/h④熱損失：熱損失忽略⑤總輸出熱量：20236904.58+2095339.42+8582115.18=30914359.18kJ/h表3.6熱量輸出輸入熱量輸出熱量漿液帶入熱量：10447738.86kJ/h料漿帶走的熱量：20236904.58kJ/h窯氣帶入熱量：2258938.13kJ/h尾氣帶走熱量：2095339.42kJ/h碳化反應(yīng)熱：19151644.57kJ/h制冷劑帶走熱量：8582115.18kJ/h熱損失：0kJ/h總輸入熱量：30914359.18kJ/h總輸出熱量：30914359.18kJ/h3.3.5干燥過(guò)程的能量衡算假設(shè)材料進(jìn)料溫度為30℃，加熱至80℃，熱空氣進(jìn)料溫度為130℃，氣相排出溫度為102℃。（1）表面改性：蒸汽冷凝放熱等于料漿吸收的熱量：134196.98×3.77×(70-30)×110％=22260595.04kJ/h（2）干燥熱量衡算：①濾餅輸入熱量根據(jù)物料組分，干燥器濾餅進(jìn)料G濾餅=23787.57kg/h，其中W碳酸鈣=16421.17kg/h,占碳酸鈣總量的70％，W水=7037.65kg/h，占30％，C碳酸鈣=0.84kJ/kg/℃。②干燥物料帶出熱量物料在90℃時(shí)開始卸料，干燥后的碳酸鈣的出料量為G0=16891.64kg/h，其中G碳酸鈣=16418.67kg/h，占碳酸鈣總量的97.2％，G水=135.13kg/h，占0.8％，C碳酸鈣=0.84kJ/kg/℃。產(chǎn)品平均比熱容為：C平均=0.84×97.2％+4.187×0.8％=0.85kJ/kg/℃干燥物料帶出熱量：16891.64×0.85×80=1148631.52kJ/h③水蒸氣帶走熱量根據(jù)物料衡算，二級(jí)干燥后水的蒸發(fā)量W水=6902.52kg/h，碳酸鈣的損失量W碳酸鈣'=333.44kg/h6902.52×(3210.8+1.844×102)=23460892.4kJ/h102℃時(shí)碳酸鈣帶走熱量，C碳酸鈣=0.88kJ/kg/℃333.44×0.88×102=29929.57kJ/h水蒸氣帶出的總熱量：23460892.4+29929.57=23490821.97kJ/h④熱空氣輸出熱量總輸出熱量：(1148631.52+23490821.97-1315928.37)×110％=25655877.63kJ/h⑤熱損失，取10％計(jì)算總輸入熱量：(1148631.52+23490821.97)×110％=27103398.84kJ/h熱量損失：27103398.84-1148631.52-23460892.4-29929.57=2463945.35kJ/h表3.7熱量輸出輸入熱量輸出熱量物料帶入：1315928.37kJ/h物料帶出：1148631.52kJ/h熱空氣帶入：25655877.63kJ/h水蒸汽帶走：23490821.97kJ/h空氣帶入的熱量：35628936.6kJ/h熱損失：2463945.35kJ/h蒸發(fā)水分需熱：35497343.6kJ/h總輸入熱量：62600742.6kJ/h總輸出熱量：62600742.6kJ/h第4章主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型4.1立窯主要數(shù)據(jù)的確定產(chǎn)品的質(zhì)量與原料和煅燒的設(shè)備以及工藝有著密切關(guān)系。（1）工藝條件：①原料組成表4.1石灰石與煤的組成石灰石組分比重%煤組分比重%CaCO397固定碳86MgCO30.9O24.37Fe2CO30.05H24.37H200.5N21.02其他雜質(zhì)1.55其他2.11②石灰石和無(wú)煙煤的粒度石灰石：100mm無(wú)煙煤：30mm③石灰石燒成率（§=0.97）④t出氣=150℃，t下灰=100℃（2）立窯高度的計(jì)算和煅燒時(shí)間的驗(yàn)證：①預(yù)熱帶公式，預(yù)熱帶根據(jù)公式計(jì)算。(4.1)式中：h預(yù)熱帶—預(yù)熱帶的高度，mDm—干原料消耗量，kg·m-2·h-1tm—換熱后出預(yù)熱帶的物料溫度，℃tq—進(jìn)入預(yù)熱帶的熱氣體溫度，℃dm—石灰石的粒度，mρms—石灰石的視在密度，kg·m-3ρmd—干原料堆的密度，kg·m-3Cms—石灰石的比熱，kJ·kg-1·℃-1—總給熱系數(shù)，kg·m·-2·h-1·℃-1Wm—原料的水當(dāng)量，kg·h-1·℃-1Wq—?dú)怏w的水當(dāng)量，kg·h-1·℃-1Tm=879℃，tq=908.2℃，=17.09w·m-2·k-1，w料/w氣=0.863，md=1500kg·m-3Cms=0.284kcal·kg-1·k-1，Gm=814.52kg·m-2·h-1，ms=2600kg·m-3，dm=0.1m②冷卻帶高度(4.2)式中：h冷卻帶—冷卻帶高度，mDn—單位面積的進(jìn)料量，kg·m-2·h-1dn—石灰顆粒的大小，mρns—石灰的視在密度，kg·m-3Cns—石灰的比熱，kJ·kg-1·℃-1—給熱系數(shù)，kg·m-2·h-1·℃-1Wm—原料水當(dāng)量，kg·h-1·℃-1Wq—?dú)怏w水當(dāng)量，kg·h-1·℃-1Dn=442.44kg·m-2·h-1，dn=0.073m，ns=1450kg·m-3，Cns=0.407kJ·kg-1·k-1=11.06w·m2·k-1，ns=1100kg·m-3，Wm/Wq=1100/（1100-100）=1.1將以上數(shù)據(jù)代入得：(4.3)③燒成帶高度(4.4)式中：Xn—冷卻帶氣體組分濃度，%，dr—燃料的平均直徑，mX—燒成帶氣體組分濃度，%，x—貧化系數(shù)，Re—雷諾準(zhǔn)數(shù)數(shù)據(jù)：Xn=2.47%，X=18.71%，Re=222.55，x=5.74，dr=0.03m代入數(shù)據(jù)：④計(jì)算窯的高度物料在窯內(nèi)的平均沉降速度：(4.5)式中：W平均—物料的平均沉降速度，m·h-1D氧化鈣—換算成氧化鈣的單位石灰產(chǎn)量，kg·m-2·h-1r原料堆—原料堆比重，kg·m-3K干原料—單位產(chǎn)品干原料的消耗量，kJ·kg-1K實(shí)際石灰—實(shí)際石灰的產(chǎn)量，kgr石灰堆—石灰堆比重，kg·m-1將數(shù)據(jù)代入公式：h即燒成帶內(nèi)料塊停留3.91h煅燒溫度t=1100℃，煅燒速度：當(dāng)煅燒速度R=1.43cm·h-1，石灰石平均粒度為0.1m時(shí)，燒透所需要的時(shí)間是：10÷(2×1.43)=3.48h＜3.91h，所以能夠在煅燒帶停留時(shí)間內(nèi)分解。⑤總高度h總=h預(yù)熱帶+h冷卻帶+h燒成帶=9.48+8.52+0.82=18.82m按照要求加裕計(jì)算后得出：預(yù)熱帶高度為10m，冷卻帶高度為10m，燒成帶高度為5m，所以總有效高度為：自由空間高度以2.5m計(jì)算，所以總高度，有效容積：s：煅燒立窯直徑/mh：煅燒立窯高度/m代入數(shù)據(jù)得m3所以總的容積：m3窯的有效利用率：綜上所述：選用兩座該參數(shù)的機(jī)械立窯。4.2碳化塔主要數(shù)據(jù)的確定（1）確定碳化塔的高度和直徑采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，方法簡(jiǎn)便可靠、可行性高。由經(jīng)驗(yàn)可知，空塔流速一般在0.28-0.85m/s，所以，取空塔氣速為0.6m/s原液的質(zhì)量流量QVG=9462.26kg·h-1，密度ρ=1.0587g·L-1，氫氧化鈣懸濁液的濃度是8波美度，即單位體積精制乳中含有9.36%的氫氧化鈣，精灰乳的密度一般在25-60g·L-1之間。所以m3·h-1。一共有六臺(tái)碳化塔，所以每臺(tái)的體積流量qVG=1489.6m3·h-1。所以，圓整后取D=1.8m式中：uog—碳化塔空塔流速，m/sQVG—單位時(shí)間內(nèi)，原料液的體積流量，m3·h-1根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，塔高和塔徑的比值在3-7之間，取比值為3.5，計(jì)算得塔高H=6.3m。（2）確定碳化塔的體積由上式估算得體積m3（3）進(jìn)出料口管徑的確定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，碳化塔進(jìn)氣口的氣流速度是3m·s-1，進(jìn)料口的流動(dòng)速度是2m·s-1，出料口料漿的流動(dòng)速速是2m·s-1，1mol二氧化碳和1mol氫氧化鈣乳液反應(yīng)生成1mol碳酸鈣，摩爾比1:1:1。已知m氫氧化鈣/44=m二氧化碳/74=m碳酸鈣/100，所以D進(jìn)料口=1.59×D進(jìn)氣口，D進(jìn)料口=0.86×D出料口。得進(jìn)氣口接管外徑為20mm，進(jìn)料口接管外徑為32mm，出料口外徑為37mm。因此，在碳化塔上面設(shè)一個(gè)進(jìn)料口，下面設(shè)一個(gè)窯氣的進(jìn)氣口和一個(gè)出料口，尺寸分別是32mm，20mm，37mm。（4）氣體分布器的選用根據(jù)本次工藝，對(duì)旋渦式氣體分布器改進(jìn)。直徑設(shè)為碳化塔直徑2/3，由8個(gè)噴嘴組成，以相應(yīng)成45°排列在一個(gè)平面內(nèi)。（5）液體分布器材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用爐篦結(jié)構(gòu)[21]，選型號(hào)的角鋼，材料為Q235-AF。本次工藝用4塊液體分布器，相鄰兩塊90°交錯(cuò)，可以使反應(yīng)充分進(jìn)行。（6）碳化塔塔板材料的選用和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)塔板的分類和優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示。表4.2不同類型塔板的比較踏板類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)篩孔塔板生產(chǎn)能力和塔板效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便篩板易漏液，操作彈性范圍小，小孔易堵塞泡罩塔板操作穩(wěn)定，操作彈性好，不易漏液塔板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓降大，造價(jià)高，生產(chǎn)能力不大浮閥塔板生產(chǎn)能力大，操作彈性大，塔板效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易漏液，塔板壓降大噴射塔板塔板壓降小，生產(chǎn)能力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作彈性小，塔板效率低導(dǎo)向浮閥型塔板踏板效率高，生產(chǎn)能力高塔板效率低穿流塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，塔截面積利用率高，生產(chǎn)能力大塔板效率低，操作彈性較小通過(guò)比較，我們選擇篩孔塔板，并進(jìn)行了改進(jìn)，改善了液漏的情況。塔板在結(jié)構(gòu)上主要是篩孔。篩孔的材料選擇Q235-AF，厚2mm，開孔直徑4mm，同一個(gè)板上開有420個(gè)孔，相鄰距離0.2mm。設(shè)計(jì)為弧形，減少了液漏，也增加了氣體的數(shù)量，這樣，塔板也可以鼓泡，提高了效率，使熟漿的質(zhì)量變高，還節(jié)約了成本。塔板結(jié)構(gòu)如圖所示：圖4.1弧形塔板結(jié)構(gòu)示意圖（7）計(jì)算桶壁厚度主要數(shù)據(jù)如下：工作壓力P1=103.15KPa設(shè)計(jì)壓力，為工作壓力的1.05倍，KPa計(jì)算壓力Pc=P=108.31KPa設(shè)計(jì)溫度t=30℃焊接接頭系數(shù)φ=0.85設(shè)[σ]t=113Kpa(4.6)公式適用范圍：式中：P—設(shè)計(jì)壓力Di—圓筒內(nèi)徑[σ]t—設(shè)計(jì)溫度下筒體的許用應(yīng)力C—壁厚附加量，C=C1C1—鋼材負(fù)偏差，C1=0.8C2—腐蝕裕度，C2=2所以mmmm，取整后δd=3.2mm（8）封頭的計(jì)算封頭的厚度：塔上都采用標(biāo)準(zhǔn)的封頭(4.7)所以，mm封頭名義厚度和桶壁名義厚度都取3.2mm。最大許用工作壓力：(4.8)橢圓封頭，K=1所以，符合。（9）換熱器材料冷卻管組為U型換熱器。Q235-A鋼板比較合適，鋼板性能如表所示。表4.3Q235-A港版性能及參數(shù)性能指標(biāo)參數(shù)厚度（mm）4.5-6常用強(qiáng)度（Kpa）375指標(biāo)（Kpa）235200-100℃的許用壓力（Kpa）113（10）人孔人孔直徑Dx=500mm綜上，碳化塔參數(shù)如下：主體是鋼制圓筒，直徑1.