轻质碳酸钙生产过程中的节能减排综述
黄荣春1 ，周冬香2 ，刘艳玲2 ，王澎3
1 浙江华盛钙业有限公司，324200，2上海海洋大学，201306，3上海华浪环保技术应用有限公司，200433
1 浙江华盛钙业有限公司，324200，2上海海洋大学，201306，3上海华浪环保技术应用有限公司，200433
一、概述
我国轻质碳酸钙的生产量为每年1000—1100万吨，仅次于美国排名世界第二位。轻质碳酸钙是一种高能耗高污染的产品。在生产成本构成中，能源成本占直接生产成本的60%以上。浙江省衢州市是我国轻质碳酸钙生产较为集中的地区，也是国内生产水平的代表地区。在这里，轻质碳酸钙万元工业增加值的能耗为3.8吨标煤以上，远远高于浙江省1.8吨标煤的平均水平。河北省石家庄市和唐山市是我国另一个轻质碳酸钙生产较为集中的地区。最近京津唐和其他华北地区的严重雾霾，使政府下定决心关停华北及周边地区能耗高、污染大的企业，使当地的轻质碳酸钙生产企业面临着生存挑战。
节能降耗减排是当今经济发展的主旋律。国务院节能减排“十二五”规划要求万元生产总值能耗要比2010年下降16%。作为高能耗污染大的生产行业，轻质碳酸钙生产过程的节能减排是企业和技术人员必须面临和解决的课题，也是整个产业成为环境友好型和可持续发展型产业的必经之路。本文理论计算了轻质碳酸钙生产过程中潜在的可回收利用的热能热量，以及回收应用的技术选择和节能量。热能回收利用后，轻质碳酸钙生产的总能耗可以降低30% - 40%。
二、国内轻质碳酸钙生产过程的能耗和污染问题
浙江省质量技术监督局和浙江省能源标准化技术委员会在2012年提出的轻质碳酸钙生产企业单位产品能耗限额目标值体现了我国目前轻质碳酸钙生产耗能的基本情况。
经过国内生产企业在技术改造和设备更新上的不懈努力，目前轻质碳酸钙产品的能耗在表一的基础上又有了一些下降。在生产低沉降体积的产品时，干燥用烟煤的单耗降低到60 - 70 kgce/t，综合电耗也降低到了65 - 70 Kw.h/t，但对生产高沉降体积的轻钙如沉降体积在2.8以上的产品，能耗仍然很高，烟煤的单耗一般为75 - 80kgce/t，综合电耗为90 - 100 Kw.h/t
分 类 产品沉降体积ml/g 无烟煤kgce/t 烟煤
kgce/t 综合能耗
kgce/t 综合电耗
Kw.h/t
单位产品能耗限额目标值 ≤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
轻质碳酸钙生产过程中的粉尘污染一直是困扰企业的问题。生产时烟囱冒出的滚滚白烟夹带着粉尘染白了厂区和周围环境，与当今社会要求的建设环境友好型企业、绿色生态家园显得格格不入，企业也承受着当地政府和环保部门带给的巨大压力。
国内现有的轻质碳酸钙企业，在生产过程的能源利用上，还处于比较落后的状态，部分企业利用烘干机尾气热能加热消化用水，也有部分企业对燃煤炉烟道气中的热量进行回收，加热生产和生活用水。由于装备简单，热效率低，大部分的热量仍未得到回收利用。
三、轻质碳酸钙生产过程中潜在的可回收利用热量的理论计算
轻质碳酸钙的生产过程包括石灰石煅烧、消化、碳化、脱水和干燥五个工艺。生产过程中的物料平衡和热能平衡计算多有报道<2><3><4>，下面借鉴参考资料<2>、<3>和<4>中的物料平衡和热量平衡计算方法计算生产过程中可以回收应用的热能。计算设定年运行时间7200小时，年生产能力5万吨，每小时产能为7.0吨/小时，同时设定煅烧炉煅烧和转筒干燥器干燥煤耗分别为105 kgce/吨 和90 kgce/吨（见表一煤耗），由此产生的煅烧和干燥热量分别为6230kw和5200kw。计算表明，轻质碳酸钙生产过程中尚未应用的热能能量巨大，可回收的热能高达8520kw，约合标准煤7200吨/年。可回收热能约占轻质碳酸钙生产煤耗热能的76%。回收利用这些热能将大大降低生产能耗。
生产过程 煤耗
（kgce/吨） 有效热能
（kw） 未应用热能
（kw） 可回收热能
（kw） 回收率，%
1、煅烧 105 4580 1650 1300 80
2、消化 1500 1200 80
3、碳化 2300 2100 80
4、转筒干燥器 90 2860 2340 1870 80
5、干燥蒸汽 2860 2300 80
合 计 10,650 8520 80
四、轻质碳酸钙生产过程中的节能减排技术概述
轻质碳酸钙生产过程中未应用或浪费的热能属于低品位热能。王澎博士及其团队长期从事低品位热能应用技术和设备的研究开发，在电厂煤渣余热应用、聚氯乙烯流化床干燥器尾热回收应用、工业烘干机尾热回收应用等方面取得了多项研究成果和专利。2013年王澎博士和其团队开始了轻质碳酸钙生产废热的开发应用。下面概述这些研究成果。
1、ORC低温发电技术回收应用低品位热能
有机郎肯循环（ORC）发电技术是应用螺杆膨胀机将低品位热源转换为机械能的技术。该技术已经发展成熟，国内也有生产企业。低品位热源包括温度高于85℃的热水、烟气或低压饱和水蒸汽。轻质碳酸钙生产过程中未应用或浪费的低品位热能经过简单处理可以制备成85℃热水或85℃饱和水蒸气供ORC发电设备进行低温发电。但是，ORC发电技术的发电效率很低，使热能的利用效率低。热源品位越低发电效率就越低。对于95℃饱和水蒸汽的热源来说，发电效率约为8%。表三分别列出了轻质碳酸钙各个生产过程中可能的发电量。总发电量为384kw。可降低生产电耗55%。按一度电耗煤0.35kg计算，低温发电每年可节约970吨标煤。
生产过程 可回收热能（kw） 热能品位（℃） 热能回收 应用技术 发电量
回收热量
1、煅烧 1300 150-300 低温发电 ORC发电技术 104 kw
2、消化 1200 70-90 低温发电 ORC发电技术 96 kw
3、碳化 2100 70-80 低温发电 ORC发电技术 84 kw
4、转筒干燥器 1870 220-250 循环干燥 热回收技术<2> 1680 kw
5、干燥蒸汽 1150 100-120 预干燥
低温发电 预干燥技术<2> ORC发电机 1000 kw
100 kw
6、合计 发电量
回收应用热量 384 kw
2680 kw
2、转筒干燥器烟气和干燥蒸发蒸汽热能的回收应用
有机郎肯循环（ORC）发电技术的热能利用效率低，热能的回收利用首先应该考虑其他更高利用价值的应用。转筒干燥器烟气尾热如果用于发电，则发电量约187kw，如果应用于循环干燥，则可回收热能1680kw。发电节约470吨标煤/年，而循环干燥可节约1500吨标煤/年。干燥蒸发蒸汽的回收可选择二次梯级应用，首先除尘后进行预干燥，回收热能约1000kw，预干燥蒸发蒸汽再用于低温发电，发电量约100kw，两者分别节约860吨标煤/年和250吨标煤/年。其中王澎博士已完成尾热回收设备和预干燥器的可行性研究并在进行中试。
按设定煅烧炉煅烧煤耗105 kgce/吨、转筒干燥器干燥煤耗90 kgce/吨和综合电耗100kwh/吨计算，5万吨/年的产能总能耗为11,500吨标煤/年。3、轻质碳酸钙尾热流化床干燥器的开发应用节能减排的另外一种技术选择是开发应用轻质碳酸钙尾热流化床干燥器。应用煅烧窑气尾热、消化热和碳化热对产品进行干燥一直是轻质碳酸钙行业技术人员追求的目标。但到目前为止尚无实质性的进展。王澎博士及其团队借鉴聚氯乙烯流化床干燥器的原理和结构完成了轻质碳酸钙内置加热流化床干燥器的可行性研究并开始了中试。成功后可取代现在普遍应用的转筒干燥器。
干燥用96℃饱和水蒸汽由煅烧炉窑气尾热、消化热或碳化热通过吸收式热泵混合制备，热量为2600kw。鼓风机和引风机设计出口全压为4000Pa，风量为25,700 – 60,000 m3/小时，配置电机功率为90kw。干燥器系统电机新增总功率约200kw。新增电耗的干燥制热系数为13。按一度电耗煤0.35kg计算，新增电耗相当于每年耗煤500吨标煤/年，每年回收应用热能1800吨标煤，节省转筒干燥器耗煤4500吨标煤，每年的经济效益总计为节约4000吨标煤。
内置加热流化床干燥器回收应用了2600kw热能。干燥器产生的蒸发蒸汽和其他可利用热能热量约4300kw，用于低温发电时的发电效率8%，发电量则为344kw，相当于节约860吨标煤/年。轻质碳酸钙尾热内置加热流化床干燥器开发应用后，可降低总煤耗41%，电耗49%，降低总能耗42%。
五、结论
轻质碳酸钙生产过程中浪费的热能巨大，是一个尚未开发利用的能源资源。综合利用这些能源资源后，轻质碳酸钙生产的总能耗可以降低37%～42%。
