碳酸钙工艺过程及设备配置（消化、灰乳精制、碳化工段）2014 年 2 月1石灰的消化第一节 石灰的消化机理和诸因素研究石灰消化动力学方法很多，一般是介绍石灰消化速度的方法，是测定石灰与水混合液中达到最高温度所需要的时间为基础从所周知，石灰的消化过程是固相与液相之间剧烈放热的多相反应过程：CaO + H2O→Ca(OH) 2 + 66.6KJ但是，石灰消化所需时间，取决于石灰石的煅烧时间和温度，石灰的粒度的大小和气孔率，消化用水温度，石灰内在的杂质 （MgO SiO2 AL2O3 Fe2O3 等）沉淀（轻质）碳酸钙的制造是采用湿法化灰，即以石灰加水的重量比 1：3～5( 即 1:4.8)来制取乳浊液的石灰浆根据化学反应放热的理论计算，每公斤纯石灰消化时放出的热量，足以将 2.8 公斤水从 0℃加热至沸,消化石灰的质量优劣是直接影响碳化反应制取碳酸钙质量的重要因素,因此,在生产工艺上要分析和掌握下述几点因素作用,提高生产工艺技术管理水平1.1 石灰的活性石灰质量优劣取决于石灰石的化学成份形成的年代,晶体结构和生产工艺石灰的活性度取决于煅烧温度和时间，煅烧温度高于 1250℃，在高温下停留时间较长则活性差，温度在 900～1100℃在快烧和慢烧，所得石灰活性均大。
怎样测定石灰的活性，用水化法来测定石灰的活性，活性可分为三类即重烧石灰，中烧石灰和轻烧石灰由表 1 轻烧石灰与重烧石灰不同之处是它的比表面积大，气孔率高，主要由于这个性质，消化速度随着石灰煅烧温度的提高而降低表 1 三种烧程度不同的石灰性能项 目 轻 烧 中 烧 重 烧比重（克/厘米 3） 3.35 3.35 3.35体积密度（克/厘米3）1.5～1.8 1.8～2.2 >2.2总气孔率 % 46～55 34～46 1.0 0.3～0.1 90℃，延缓消化过程水量过少，水份难以向石灰内部渗透，产生再凝集和结块，为了防止后者的发生，一般以水量大于石灰的规定量要使石灰消化过程正常进行，加水是主要操作过程，并要求静止消化时，消化时间要达到工艺要求后，再行调整石灰乳浓度 8～15ºBé,选经 120 目筛滤，将粗颗粒除去，再经水力旋流器分离除砂，即成精制石灰乳液，在 40～55℃时保温备用2.2 氢氧化钙性质氢氧化钙的溶解度很小，固体的 Ca(OH)2 和溶解了的 Ca(OH)2 间有一个平衡，随着 OH-离子的反应中消耗减少，必须有多余的 Ca(OH)2 来解离补充，跟着固体部分的 Ca(OH)2 必随之溶入Ca(OH)2 Ca(OH)2 Ca2+ +2OH-固体 溶解了的石灰乳是一种白色悬浮液，呈强碱性，它是以极细 Ca(OH)2 颗粒浮动于水中，溶解度随着温度的升高而减少见下表石灰在水中的溶解度与温度的关系温度℃ 溶解度 温度℃ 溶解度10 0.260 50 0.09120 0.120 60 0.08430 0.110 70 0.07840 0.100 80 0.072制成的石灰乳的浓度以波美度计 ºBé 表示,浓度越高比重越大,两者之间的关系见下表:石灰乳浓度和密度的换算波美度 比重 CaO Ca(OH)2 波美度 比重 CaO Ca(OH)2ºBé 克/厘米 克/升 重量% ºBé 克/厘米 克/升 重量%1 1.007 7.5 0.99 11 1.083 104 13.72 1.014 16.5 2.18 12 1.091 115 15.23 1.021 26 3.44 13 1.100 126 16.744 1.029 36 4.76 14 1.108 137 18.15 1.036 46 6.08 15 1.116 148 19.66 1.043 56 7.40 16 1.125 159 21.07 1.01 65 8.59 17 1.134 180 23.88 1.059 75 9.91 18 1.142 191 25.29 1.067 84 11.1 19 1.152 193 25.510 1.075 94 12.4 20 1.162 206 27.2石灰乳的质量以分散度来表示，粒子越小分散度越大石灰乳质量越好，鉴别是可以将石灰乳静置沉降来检验石灰乳分散度大小。
其方法是取 15ºBé石灰乳 100 毫升，静置两小时可见一条明显的分界线，当该线不低于 95毫升刻度时，则石灰乳质量优良，当介于 80～95 毫升刻度之间，则质量中等，如低于 80 毫升刻度则表示质量低劣第三节石灰消化的主要设备轻质碳酸钙生产采用的化灰设备可分为两类3.1 化灰池化灰（又称静止化灰）3.2 化灰机化灰（转筒化灰）1、化灰池（工艺流程图略）一般为园形化灰池直径 2 米左右,深度 1.2～1.5 米主要是便于交换使用和便于清渣，其操作方法是先在化灰池中加入温水，后加入石灰，静置闷泡 30 分或一小时以上，这要根据石灰质量而定，然后开动搅拌机进行搅拌，不再加水，等搅拌均匀后，由排浆口将浆液排出，并用清水冲洗化灰池，洗水一并进入混浆池以备精制用2、化灰机常用的化灰机为水平旋转滚筒，筒的直径大小长短根据产量要求而定，一般直径 1.0～1.5 米长度 12～16 米石灰消化流程及化灰机示意图1.石灰仓；2.链板机；3.化灰机；4.贮浆桶；5.泵；6.粗浆桶；57.泵；8.精浆桶；9.泵；10.100 目筛网；11.水力旋流器目前使用化灰机的工厂有了较多的改进.使用化灰机的优点:1、机械化程度高。
2、化灰效率高，产量大3、操作工人劳动强度低缺点方面有：1、不能积聚热量，老灰消化困艰2、>50℃水温化灰耗能高第四节 粗灰乳的调和与精制4.1 调和的目的和方法从消化工段来的粗灰乳的浓度约为 20ºBé，这种高浓度的灰乳精制起来比较困难，另一方面浓度过高碳酸化时过长会影响下道工序的生产在一般的情况下碳化要求精灰乳浓度约为 12ºBé 所以粗灰乳要用水进行调和到工艺要求的浓度4.2 精制的目的，原理和方法粗灰乳中含有许多杂质，一类是粒度较大的生烧石灰石，未消化的过烧灰石灰和煤渣等另一类是密度较大的 SiO2 AL2O3 Fe2O3 等，这些杂质如果不除去，将会影响产量质量要除去这些杂质利用密度的不同，将密度大的杂质除去，也可利用 Ca(OH)2 与这些杂质在物理性质上差异利用粒度的不同，将粒度较大的杂质除去64.3 采用过筛除渣和旋流器除渣相结合的精制工段工艺流程1.粗灰乳池；2.粗灰乳泵；3.排渣筛；4.三级筛；5.细灰乳池；6.细灰乳泵；7.旋液分离器；8.精灰乳池；9.精灰乳泵来自消化工段的粗灰乳进入粗浆池，用水将粗浆调和到约为 13ºBé 后，用泥浆泵将粗灰浆关入三级筛过筛，通过三级筛的细灰乳进入细浆池，未通过三级筛的粗灰乳进入排渣筛，通过排渣筛的粗灰乳进入粗浆池，未通过排渣筛的灰乳渣送入排渣场。
细灰乳池中的细灰乳用清水泵送入旋液分离器，从溢流出来的精灰乳池调和到符合工艺要求的 12ºBé，然后再用泵送入碳化工段整个从消化石灰到精制石灰乳全过程全部完成精灰乳的碳化由于精灰乳的碳化对产品质量和产量起着决定性的作用，所以精灰乳的碳化是整个轻质碳酸钙生产过程中的核心工段，此前的所有工段主要是为该工段作准备的7精灰乳与窑气的反应称为碳酸化反应，简称碳化反应精灰乳碳化时，主要是精灰乳中的主要成份氢氧化钙（Ca(OH) 2）窑气中的二氧化碳（CO 2）反应生成碳酸钙（CaCO 3） ，该反应称为碳酸化反应；其次是精灰乳中的次要成份氢氧化镁（Mg(OH) 2）与窑气中的二氧化碳（ CO2）反应生成碳酸镁（MgCO 3） ；该反应称为的碳酸化反应下面讨论精灰乳的碳化原理一、碳化反应的热力学精灰乳的碳化的主要反应是 Ca(OH)2 的碳酸化反应，该反应的化学方程式为：Ca(OH)2(S) + CO2(g)=CaCO3(s)↓ + H 2O +71.18KJ精灰乳的碳化的次要反应是 Mg(OH)2 的碳酸化反应，该反应的化学方程式为：Mg(OH)2 + CO2=MgCO3(s) + H2O由于 Ca(OH)2 和窑气中的 CO2 反应时是体积缩小的反应，所以反应压力增大时使平向左移动。
二、碳化反应的动力学Ca(OH)2 的碳酸化反应式，虽然是一个气、液、固三相放热反应，但该反应的实质是水溶液中的离子反应在碳酸钙生产中，精灰乳碳化时，悬浮液中由于水相（分散相）的存在，其热化学方程式应以下表示CO2 + H2O H2CO3 H++ HCO3- CO32-+2 H+(气) （液） （液） （液） （液） （液） 液） Ca(OH)2 Ca(OH)2 Ca2+（液） + OH1-（液）（固） （液） ↙ + CaHCO3(液) CO32-↓ ↓ CaCO3（固） CaCO3（固）在碳化塔中，由于窑气从碳化底部鼓泡流经精灰乳，气相的流速和气液界面面积大大增加，使得 CO2 从气相主体向气液界面的扩散阻力，比CO2 从气液界面向液相主体的扩散阻力及 Ca(OH)2 固相的溶解阻力要小得8多此时整个碳化反应过程的控制步骤就取决于 CO2 的液相扩散阻力和Ca(OH)2 固相的溶解阻力的相对大小该相对大小从碳化反应前期可以看出由于 Ca(OH)2 的液固界面面积仍比气液界面面大得多，CO 2 的液相扩散阻力比 Ca(OH)2 固相的溶解阻力大得多，所以 CO2 的液相扩散步骤是整个碳化反应过程的控制步骤，此时的反应主要发生在紧靠气液界面的液膜内。
而碳化反应后期，由于 Ca(OH)2 的粒子减少，Ca(OH) 2 的液固界面面积变得比气液界面面积小，Ca(OH) 2 的固相的溶解阻力变得比 CO2 的液相扩散阻力大，所以 Ca(OH)2 固相的溶解步骤变为整个碳化反应过程的控制步骤，此时的反应主要发生在紧靠 Ca(OH)2 固相表面的液膜内虽然窑气进入碳化塔的速度仍然稳定，当 Ca2+离子同 HCO3-、CO 32-离子相结合时，生成难溶解的碳酸钙，液相中的 Ca2+离子减少，使固相氢氧化钙溶解进入液相中，离解为 Ca2+和 OH-离子， Ca2+同 CO32-、HCO 3-离子相结合生成难于溶解的CaCO3，如是继续，当溶液中 HCO3-、CO 32-离子的存在量足够时，作用将进行到悬浮液中 Ca(OH)2 全部转变 CaCO3 而终止三、影响精灰乳碳化的因素石灰乳碳酸化反应的多项过程，除受浓度、温度、压力等因素影响外，还与相界面及固体表面的状况，如晶体结构、表面积大小、形状等因素有关多相反应过程，既然发生于相界面，反应速度也就同反应物移向界面以及产物离开界面的扩散过程紧密相关1、温度对石灰乳碳化的影响从热力学角度来看，温度升高，可降低 CO2 的溶解度系数和 Ca(OH)2的溶度积常数（Ca(OH) 2 的溶解度随着温度的升高而降低）从而使 Ca(OH)2 的碳化反应平衡常数减小，平衡向左移动，或者说，因为 Ca(OH)2 的碳酸化反应是放热反应，所以温度升高，平衡向左移动，平衡向左移使碳化反应推动力减小，这对提高碳化速度不利；但从动力学角度来看，温度升高可提高反应速度常数及各扩散步骤的传质系数，对提高碳化速度有利。
除碳化速度外，产品碳酸钙的沉降体积也是碳化过程中的一个目标函数也可以说沉降体积越大，产品 CaCO3 的质量就越高沉降体积的高低主要取决于 CaCO3 晶体的粒度、粒度越小，沉降体积越大温度降低，可提高 CO2 的溶解度系数和 Ca(OH)2 的溶度积常数，从而提高液相中 CO32-9、Ca 2+浓度，提高液相中的过饱合度过饱合度较高时，CaCO 3 晶核形成速度大于晶体生长速度，CaCO 3 的晶体粒较小，这对提高产品碳酸钙的沉降体积有利；相反，温度升高，。