碳化法是指利用Ca(OH)2與CO2碳化反應得到CaCO3，由煅燒、消化、碳化、過濾、干燥等工序組成，是生產納米碳酸鈣的主流工藝，這中間既有加熱過程，又有冷卻過程，因此，為降低能耗，提高效益，生產過程中余熱利用與節能增效措施備受企業關注。
　　
　　1、碳化法納米碳酸鈣生產主要耗能工序及能耗分析
　　
　?。?）煅燒工序
　　煅燒工序是石灰石在立窯中受熱分解過程，用燃料加熱（一般采用煙煤），使石灰石分解產生生石灰和二氧化碳，其燃料及石灰石成本占整個生產成本17%~20%左右，其中燃料消耗0.1~0.16t/t產品，占整個生產工藝燃料消耗的一半左右。
　　出窯氣體（主要是CO2和N2，分別占窯氣的三分之一和三分之二）溫度為200~250℃，經過間壁式冷卻和洗滌凈化后，溫度降至45℃左右進入壓縮機，壓縮成高濃度的CO2氣體后再經過管外淋水冷卻（從200℃左右冷卻至55℃），送入碳化合成車間。
　　采用高效的煅燒設備，提高產能，降低單位能耗，提高二氧化碳的濃度，采取合理的冷卻和熱回收技術，以及降低壓縮機電耗是該工序節能降耗的主要途徑。
 

 

　　普通立窯煅燒工序對窯氣有兩次間壁式冷卻過程，第一次是洗滌凈化前，該冷卻器可以預熱漿液或消化工序用熱水；第二段冷卻是將壓縮機出來的高壓氣體降溫，一般采用淋水蒸發冷卻方式。該工藝流程的兩次氣體冷卻過程余熱均可以回收利用。
　?。?）消化（陳化）工序
　　石灰石經過煅燒分解形成生石灰（CaO）和二氧化碳氣體后，生石灰進入消化（陳化）工序并與水反應形成石灰乳（Ca(OH)2），再進行精制后進入碳化工藝。
　　消化反應本身雖然是個放熱反應，但要獲得高活性的消化漿，需要有一定的溫度，較高的溫度還能提高石灰乳產率。研究表明，理想的消化溫度在80℃左右，采用適宜溫度（50~70℃）的熱水進行消化有利于提高消化過程漿液質量。由于消化耗水量并不大（一般灰水比），且對熱源品質要求不高，可以利用廠區余熱資源對給水進行預熱，有多種低溫余熱資源可選。
　?。?）碳化工序
　　在工藝流程中石灰乳Ca(OH)2與CO2在碳化設備中進行的碳酸化反應決定了納米碳酸鈣產品的品質，因此碳化是納米碳酸鈣生產過程中最核心的一道工序。碳化反應是強放熱反應，其能耗主要取決于碳化技術。
　　目前，我國納米碳酸鈣的碳化生產工藝技術主要有間歇鼓泡碳化、連續噴霧碳化、超重力碳化、高剪切乳化碳化和膜分離碳化等，間歇鼓泡碳化法氣−液接觸時間長，易于控制晶型，可生產粒徑在20~200nm之間的碳酸鈣產品，操作要求相對簡單，設備投資少，是目前國內外應用最多的一種碳化工藝，需要輔助以控制反應溫度來控制結晶粒子的大小和粒徑分布，并且溫度控制較低（一般控制在25℃以下，需要冷凍水間壁式冷卻），使得碳化過程控制的能耗增加。
　　為了提高碳化合成速率，有采用增加攪拌裝置的間歇式攪拌鼓泡法等加快反應進程的改進型間歇鼓泡式碳化工藝。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），前者稱為低溫低濃碳化工藝，一般碳化溫度為15~25℃，包括了低溫間歇鼓泡式、低溫間歇攪拌式、低溫間歇超重力式、低溫間歇高剪切式、低溫膜分散微結構式等；后者以常溫連續噴霧碳化法和高溫高濃非冷凍法碳化工藝為代表，一般碳化溫度不進行控制，可在30~75℃，產品晶型與粒度通過不同模板劑進行控制。
　　目前國內外采用最多的工藝及設備還是低溫低濃間歇鼓泡式碳化法或攪拌式碳化法，中國還有常溫低濃噴霧連續碳化法、低溫低濃間歇式超重力碳化法，這些工藝均需要冷凍機將進料石灰乳冷卻到25℃以下，能耗較高，采用傳統電制冷工藝制冷時，單位產品供冷耗電量為120~150kW·h/t，占整個生產工藝單位產品耗電量的20%左右。為了節約能耗，近幾年非冷凍碳化工藝正逐漸得到應用推廣。
　　對于低溫碳化工序，節能的措施一是改進碳化工序，降低冷凍降溫和表面處理工序漿液升溫能耗，二是考慮用低品位的余熱制冷替代高品位的電制冷方式。
　?。?）過濾與干燥工序
　　經過碳化合成的漿液先經過表面改性工藝，再經過壓濾脫水過濾后進入干燥工序。納米級碳酸鈣漿液經過機械脫水后的濾餅往往含水率達30%~55%，進行干燥后最終粉體含水在0.2%以下。選擇適宜過濾設備，可以降低濾餅含水率，繼而降低干燥能耗。過濾設備中上懸式離心機、板框壓濾機使用最廣，干燥設備則以帶式干燥機、盤式干燥機、管束干燥機、滾筒干燥機等居多，且多采用熱風干燥形式，需配置熱風爐。機械脫水主要消耗電能，而熱風干燥的熱風爐多以燃煤、燃油或燃氣為燃料。
　　如果以燃煤為燃料，熱風干燥燃料用量每噸產品需要消耗0.11~0.15t煤，約占整個工藝燃料用量的一半，提高熱風爐能效，回收煙氣余熱，可以起到明顯的節能降耗作用；還可通過開發其他干燥工藝如真空脫水干燥等或者更高效的脫水及干燥設備及工藝降低干燥能耗。
　　此外，干燥機的排氣實際上是含碳酸鈣粉塵的水蒸氣與空氣混合潮氣，一般采用濕氣水膜收塵器或旋風除塵器回收碳酸鈣，如果結合冷凝熱回收技術，可以將該部分余熱用于預熱表面處理前的漿液。
　　
　　2、碳化法納米碳酸鈣生產的余熱資源梯級利用方案
　　余熱資源優化利用原則及改造方案余熱資源優化和梯級利用遵循以下原則：將中高溫余熱用于余熱制冷替代電制冷，將低溫余熱用于預熱消化用水和表面處理工序前的漿液?；谝陨显瓌t進行如下余熱回收及梯級利用改造：
 

　?。?）將來自立窯煙氣的125℃以上部分較高品質的余熱、壓縮機出口125℃以上部分的壓縮窯氣余熱和熱風爐出口煙氣的125℃以上部分較高品質的余熱分別用氣水換熱器進行余熱回收，產生三股120℃的熱水匯入雙效型溴化鋰制冷機組熱水入口聯箱，作為驅動熱源，釋放熱量后降至68℃，再由循環泵輸送至上述兩個換熱器單元，形成熱水閉環；產生的冷凍水用于低溫碳化工藝；由于碳化工藝需要的冷凍水溫度可比普通空調供冷溫度高一些，可采用大溫差供冷機組，制冷機組運行能效可以更高一些；
　?。?）將釋放高位熱的立窯出口煙氣、壓縮窯氣的低位余熱進一步用來預熱消化用水（氣體溫度降至55℃左右），可以將消化用水溫度提高7~8℃；
　?。?）熱風爐出口煙氣釋放高位熱量后，溫度降至160℃左右，再進入暖風器預熱空氣，可以將干燥用熱風從常溫升高至80℃，同時煙氣溫度降至110℃左右后排放；干燥用空氣從常溫升高至80℃后進入熱風爐出口的空氣加熱器，升溫至420~450℃后進入烘干設備；
　?。?）來自碳化工藝的漿液先經過溴化鋰冷卻系統的熱回收換熱器，可以將消化用水從常溫25℃左右預熱到36℃，分別進入立窯出口余熱回收換熱器二段和壓縮窯氣余熱回收換熱器二段進行再熱后，溫度升至43℃再進表面處理工藝；
　?。?）熱風干燥器出來的潮氣先經過冷凝式換熱器釋放凝結熱后再進入水膜除塵系統，潮氣冷凝熱用于預熱表面處理前的漿液（可以將漿液溫度提高35℃左右），這一改造的另一個好處是可以降低水膜除塵器的用水消耗（通過回收凝結水和降低潮氣進入水膜除塵器的溫度），起到節水作用。
　　
　　來源：涂愛民,王飛揚,莫遜,等.碳化法納米碳酸鈣生產過程的余熱利用與節能增效[J].新能源進展,2019,7(06):542-547.