一种环保型纳米碳酸钙碳酸化方法

摘要

本发明公开了一种环保型纳米碳酸钙碳酸化方法，S1：将石灰浆注入反应釜内，当进料量为反应釜体积的1/5～2/5时，停止进料，同时调整转速；向反应釜内通入窑气，反应尾气经处理后排出；反应釜内浆料的pH值为7.5～8.0时，停止进气，调整转速；S2：将石灰浆注入上述盛有晶种的反应釜中，当进料量达到反应釜体积的4/5时，停止进料，同时调整转速，搅拌陈化；再次通入窑气，反应釜内浆料的pH值为7，且反应釜内上、下部浆料无相对温差时，碳酸化反应达到终点。本发明稳定生产出平均粒径为40～100nm的纳米碳酸钙，同时生产过程中，产生的尾气经处理后排放对大气几乎没有影响，符合环保要求。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米碳酸钙碳制备技术领域，具体涉及一种环保型纳米碳酸钙碳酸化方法。

背景技术

碳酸化反应是化学制备碳酸钙的一种常用方法，其以石灰石为原料，通过煅烧得到氧化钙和含二氧化碳的窑气。将氧化钙与水按一定比例进行消化，生成氢氧化钙悬浮液，然后向悬浮液通入窑气，碳酸化生成碳酸钙熟浆，浆液经过表面改性、脱水、干燥、粉碎得到纳米碳酸钙产品。

目前在国内的工业化碳酸钙生产中仍以间歇鼓泡碳化法为主，反应设备为鼓泡反应釜，这种方法普遍存在着生产效率低、产品晶型不容易控制、颗粒粒度分布不均匀的缺点。近年来一些国内碳酸钙企业也对鼓泡反应釜进行较多的优化改进，国内专利CN203295213U公布了轻质碳酸钙碳化塔，设备采用了均布五角星孔和连续锯齿状的进气鼓泡装置；国内专利CN108946781A公布的一种低吸油值碳酸钙的制备方法，采用了从反应釜顶通入底部的通气管，通气管底部设有锥形出气口，锥形出气口的小径端接所述通气管道，大径端朝下，底面和侧壁均设有若干气孔进气装置；国内专利CN210117243U公布了一种碳化塔浆液搅拌装置，该装置采用了带锥形排气伞帽进气管道与旁路浆液循环管道结合的反应装置；国内专利CN207002286U公布的一种用于生产碳酸钙的高效碳化塔，设备采用螺旋桨、环形出气管、细分板、伞状排气罩、导气装置等结合生产方式，以上设备用于碳酸钙生产，均能起到将大体积二氧化碳气体气泡改变为体积比较小的气泡，提高气液接触面积，从而提高碳酸化效率的目的，但由于反应釜进气后，浆液受气体流动产生的作用力形成湍流，导致气体在浆液中形成的气泡大小不一，气液接触的时间和接触面积波动较大，从而造成产品晶型与粒度控制困难，不利于纳米碳酸钙的生产；

工业上使用石灰石煅烧的窑气作为反应气，CO

发明内容

本发明针对上述技术问题提供环保型纳米碳酸钙碳酸化方法，增设尾气处理装置，能够大大降低尾气中颗粒物浓度，符合排放标准，达到环保目的。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：

一种环保型纳米碳酸钙碳酸化方法，包括以下步骤：

S1：晶种制备：将温度为5～15℃石灰浆注入反应釜内，在2～4m/s转速下搅拌；当浆料进入量为反应釜体积的1/5～2/5时，停止进料，同时将搅拌转速调整为6～10m/s；向反应釜内通入窑气，使之与石灰浆进行反应，反应尾气经尾气处理装置处理后排出；当反应釜内浆料的pH值为7.5～8.0时，停止进气，并将搅拌转速调整至2～4m/s，即完成碳酸钙晶种制备；

S2：纳米碳酸钙制备：将温度为25～30℃石灰浆注入上述盛有晶种的反应釜中，当反应釜内浆料达到反应釜体积的4/5时，停止进料，同时将搅拌转速调整为5～7m/s，搅拌陈化10～20min；再次通入窑气，使之与石灰浆进行反应，当反应釜内浆料的pH值为7，且反应釜内上、下部浆料无相对温差时，碳酸化反应达到终点，得碳熟浆料；碳熟浆料经过表面改性、脱水、烘干、粉碎，即得纳米碳酸钙产品。

进一步，所述的反应釜包括底座、釜体、进浆管、固定架、进气管Ⅰ、进气管Ⅱ、搅拌装置；所述的釜体竖直设于底座上，所述的进浆管设于釜体的顶部，进浆管的下端与釜体连通，上端伸出釜体的顶部之外，进浆管上设有进浆阀；所述的石灰浆从进浆管进入反应釜；

所述的固定架水平设于釜体内的中部，固定架的两端分别与釜体内的侧壁连接；所述的进气管Ⅰ竖直设于固定架上，位于釜体内的中部，进气管Ⅰ的上端与釜体的顶端密封连接，进气管Ⅰ的下端向下延伸至釜体的底部；所述的进气管Ⅱ水平设于釜体的上部侧壁上，进气管Ⅱ的一端伸出釜体的侧壁之外，另一端与进气管Ⅰ连通；进气管Ⅱ上设有进气阀；

所述的搅拌装置包括中间轴承、搅拌轴、搅拌电机、减速器、搅拌器，所述的中间轴承设于固定架的中部，所述的搅拌轴竖直设于中间轴承上，位于进气管Ⅰ的内部，搅拌轴的上端伸出釜体的顶部之外，搅拌轴的上端自上而下依次设有搅拌电机、减速器，搅拌轴的下端向下延伸至进气管Ⅰ的下方；所述的搅拌器设于搅拌轴的下端；所述的搅拌电机、减速器驱动搅拌轴带动搅拌器旋转，对浆料进行搅拌。

进一步，所述的尾气处理装置包括收集罐、排气管Ⅰ、连接管、挡板、填料、进水管Ⅰ、螺旋喷嘴Ⅰ、排气管Ⅱ、排水管，所述的排气管Ⅰ竖直设于釜体的顶部，所述的收集罐通过连接管与排气管Ⅰ连接，连接管的上端伸入收集罐的底部内，连接管的侧壁上开设有多个小孔，连接管的上端设有伞状的挡板；所述的反应尾气经排气管Ⅰ、连接管，从连接管侧壁上的小孔排出；经挡板改变气流方向，将含固体颗粒物的尾气分散到收集罐内；所述的填料层填设于收集罐内的中下部；所述的尾气上升至填料层处时，填料层内自上而向下的流水对气体进行洗涤和降温；所述的进水管Ⅰ水平设于收集罐内的上部，进水管Ⅰ的一端伸出收集罐的侧壁之外，另一端向收集罐内延伸至收集罐的侧壁上；进水管Ⅰ上设有进水阀Ⅰ；所述的螺旋喷嘴Ⅰ间隔设于进水管Ⅰ侧壁的底部；螺旋喷嘴Ⅰ对尾气进行喷淋，将在填料层中少量未被处理的含尘气体进行二次沉降；所述的排气管Ⅱ设于收集罐的顶部，经处理后的干净尾气从排气管Ⅱ排出；所述的排水管设于收集罐的底部，排水管上设有排水阀。

进一步，还包括进水管Ⅱ、螺旋喷嘴Ⅱ，所述的进水管Ⅱ水平设于釜体内的上部，位于进气管Ⅱ的下方，进水管Ⅱ的一端伸出釜体的侧壁之外，另一端向釜体内延伸至釜体的侧壁上；进水管Ⅱ上设有进水阀Ⅱ；所述的螺旋喷嘴Ⅱ间隔设于进水管Ⅱ侧壁的底部，螺旋喷嘴Ⅱ通水时，形成伞状的水幕对反应釜内进行清洗。

进一步，还包括气体分布器，所述的气体分布器设于进气管Ⅰ的底部，位于搅拌器的上方，气体分布器呈伞状，其边缘设置为连续锯齿状。

进一步，所述的釜体上部的侧壁上设有一级温度传感器，所述的一级温度传感器检测反应釜内上部浆料的温度；釜体下部的侧壁上设有二级温度传感器，所述的二级温度传感器检测反应釜内下部浆料的温度；釜体底部的侧壁上设有pH传感器，所述的pH传感器检测反应釜内浆料的pH值。

进一步，所述的釜体的顶部还分别设有人孔、超声波液位计接口，在超声波液位计接口接入由液位计来控制浆料进入量。

进一步，所述的底座的侧壁上设有检查门。

进一步，所述的搅拌器为直叶圆盘涡轮搅拌器或齿型圆盘涡轮搅拌器。

进一步，还包括排浆管，所述的排浆管的上端与釜体的底部连通，下端伸出底座的侧壁之外，排浆管上设有排浆阀，碳熟浆料从排浆管排出进入下一工序。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1.本发明合理的设计了两次碳酸化工艺，其中第一次碳酸化采用低温高转速工艺，可以制备出规整的细颗粒度纳米碳酸钙晶种；第二次碳酸化过程中通过晶种的作用，加快和促进纳米碳酸钙成核速度，有效的避免反应釜搅拌器距离液面太远，起不到搅拌作用而形成颗粒粒度分布不均匀的问题。

2.本发明的两次碳酸化工艺过程中，通过合理控制进浆量进行陈化，有效避免仅进行一次性碳酸化造成的碳酸钙密集生长，形成链状、团簇状的碳酸钙问题，从而更精准的控制纳米碳酸钙的粒度和分散性。

3.本发明具有纳米碳酸钙生产控制工艺简单，通过控制碳酸初期的搅拌转速、进浆温度，可以稳定生产出如实施例4所述的平均粒径为40～100nm的纳米碳酸钙，同时生产过程中，产生的尾气经处理后排放对大气几乎没有影响，本发明具有良好的经济和社会效益，适合推广应用。

4.本发明使用尾气处理装置对含颗粒物尾气进行四道工序的处理，第一道工序通过伞状档板，改变气流方向，将含固体颗粒物的尾气分散到装置内；第二道工序是对排气管道进行扩径，气体经过该区域时，流速和压力都急速下降，延长气体逸出时间；第三道工序是多层波纹填料处理，携带固体颗粒的气体会在该区域与填料层进行充分接触，填料层采用至上向下的流水，可对气体进行充分的洗涤和降温，减少固体颗粒含量，第四道工序是多向螺旋喷嘴喷淋，将在填料层中少量未被处理的含尘气体进行二次喷淋沉降，极大的提高外排尾气的纯净度，有效的降低尾气的固体颗粒物含量，能达到如实施例4所述的，排放尾气的颗粒物平均浓度低于30mg/m

5.本发明的搅拌系统在搅拌轴的中部安装有轴承和轴承支架，可以有效的固定搅拌轴，避免搅拌器在高速运转过程中产生晃动。

6.本发明的方法结构简单，使用螺旋喷嘴喷淋就可以完全将附着在方法内壁上的浆料清洗干净，有效的避免碳熟浆料残留形成晶种，影响到下一次碳酸化的产品晶型晶貌，稳定了制备的纳米碳酸钙产品质量。

7.本发明的气体分布器的分气盘设计成锯齿状，与搅拌器配合使用时，搅拌器旋转产生径向流，可以将气泡打散得更细，极大的增加了碳酸化反应的气液传质面积、缩短碳酸化反应时间，大幅度的提高二氧化碳利用率。

附图说明

图1是本发明反应釜的结构示意图；

图2是本发明实施例1制备的纳米碳酸钙的电镜图片；

图3是本发明实施例2制备的纳米碳酸钙的电镜图片；

图4是本发明实施例3制备的纳米碳酸钙的电镜图片；

图5是本发明对比例制备的纳米碳酸钙的电镜图片；

图中各序号及名称如下：

1-底座；2-釜体；3-进浆管；4-固定架；5-进气管Ⅰ；6-进气管Ⅱ；7-中间轴承；8-搅拌轴；9-搅拌电机；10-减速器；11-搅拌器；12-收集罐；13-排气管Ⅰ；14-连接管；15-挡板；16-填料层；17-进水管Ⅰ；18-螺旋喷嘴Ⅰ；19-排气管Ⅱ；20-排水管；21-进水管Ⅱ；22-螺旋喷嘴Ⅱ；23-气体分布器；24-一级温度传感器；25-二级温度传感器；26-pH传感器；27-人孔；28-超声波液位计接口；29-检查门；30-排浆管；31-排浆阀。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。需要理解的是，本发明的以下实施方式中所提及的“上”、“下”、“左”、“右”方向皆以对应附图的位置为基准。这些用来限制方向的词语仅仅是为了便于说明，并不代表对本发明具体技术方案的限制。除非特别说明，附图标记中相同的标号所代表的为同一种结构。

实施例1

一种环保型纳米碳酸钙碳酸化方法，包括以下步骤：

S1：晶种制备：初始状态下，反应釜排浆阀31关闭；打开进浆阀，将温度为15℃石灰浆从进浆管3进入釜体2内，启动搅拌电机9，经减速器10驱动搅拌轴8带动搅拌器11转动进行搅拌，搅拌器11的转速为2m/s；在超声波液位计接口28接入由液位计来控制浆料进入量，当浆料进入量达到反应釜体积的1/5时，关闭进浆阀，停止进料，同时调整搅拌器11的转速为6m/s，打开进水阀Ⅰ、排水阀接通进水管Ⅰ17和排水管20，向尾气处理装置通水，当转速达到设置值后，打开进气阀，接通进气管Ⅱ6，向反应釜内通入窑气，使之与石灰浆进行反应，反应尾气经排气管Ⅰ13、连接管14，从连接管14侧壁上的小孔排出，经挡板15改变气流方向，将含固体颗粒物的尾气分散到收集罐12内，同时收集罐12对排气管Ⅰ13进行扩径，尾气经过该区域时，流速和压力都急速下降，延长气体逸出时间；尾气继续上升至填料层16处，填料层16内自上而向下的流水对气体进行洗涤和降温，螺旋喷嘴Ⅰ18再对尾气进行喷淋，将在填料层16中少量未被处理的含尘气体进行二次沉降，经处理后的干净尾气从排气管Ⅱ19排出；pH传感器26检测反应釜内浆料的pH值，当pH值为8.0时，停止进气，并将搅拌转速调整至2m/s，即完成碳酸钙晶种制备。

S2：纳米碳酸钙制备：将温度为30℃石灰浆从进浆管3注入盛有晶种的反应釜中，由液位计控制浆料进入量，当达到反应釜体积的4/5时，关闭进浆阀，停止进料，同时将搅拌器11的转速调整到5m/s，搅拌陈化10min，当达到设置条件后，再次开启进气阀，接通进气管Ⅱ6，向反应釜内通入窑气，使之与石灰浆进行反应，通过一级温度传感器24、二级温度传感25测量反应釜内上部、下部浆料的温度，通过pH传感器26检测反应釜内浆料的pH值，当pH值为7且一级温度传感器24、二级温度传感器25显示无相对温差时，碳酸化反应达到终点；之后关闭进气阀、进水阀、排水阀，停止通气、通水，开启排浆阀，将碳熟浆料输送至下一工序；待碳熟浆料排净后，开启进水阀Ⅱ，接通进水管Ⅱ21，螺旋喷嘴Ⅱ22进行喷水，螺旋喷嘴Ⅱ22在水压的作用下形成伞状的水幕对反应釜内进行无死角清洗；从反应釜排出后的碳熟浆料经过表面改性、脱水、烘干、粉碎，即得纳米碳酸钙产品。

实施例2

一种环保型纳米碳酸钙碳酸化方法，包括以下步骤：

S1：晶种制备：初始状态下，反应釜排浆阀31关闭；打开进浆阀，将温度为10℃石灰浆从进浆管3进入釜体2内，启动搅拌电机9，经减速器10驱动搅拌轴8带动搅拌器11转动进行搅拌，搅拌器11的转速为3m/s；在超声波液位计接口28接入由液位计来控制浆料进入量，当浆料进入量达到反应釜体积的3/10时，关闭进浆阀，停止进料，同时调整搅拌器11的转速为8m/s，打开进水阀Ⅰ、排水阀接通进水管Ⅰ17和排水管20，向尾气处理装置通水，当转速达到设置值后，打开进气阀，接通进气管Ⅱ6，向反应釜内通入窑气，使之与石灰浆进行反应，反应尾气经排气管Ⅰ13、连接管14，从连接管14侧壁上的小孔排出，经挡板15改变气流方向，将含固体颗粒物的尾气分散到收集罐12内，同时收集罐12对排气管Ⅰ13进行扩径，尾气经过该区域时，流速和压力都急速下降，延长气体逸出时间；尾气继续上升至填料层16处，填料层16内自上而向下的流水对气体进行洗涤和降温，螺旋喷嘴Ⅰ18再对尾气进行喷淋，将在填料层16中少量未被处理的含尘气体进行二次沉降，经处理后的干净尾气从排气管Ⅱ19排出；pH传感器26检测反应釜内浆料的pH值，当pH值为7.8时，停止进气，并将搅拌转速调整至3m/s，即完成碳酸钙晶种制备。

S2：纳米碳酸钙制备：将温度为28℃石灰浆从进浆管3注入盛有晶种的反应釜中，由液位计控制浆料进入量，当达到反应釜体积的4/5时，关闭进浆阀，停止进料，同时将搅拌器11的转速调整到6m/s，搅拌陈化15min，当达到设置条件后，再次开启进气阀，接通进气管Ⅱ6，向反应釜内通入窑气，使之与石灰浆进行反应，通过一级温度传感器24、二级温度传感25测量反应釜内上部、下部的温度，通过pH传感器26检测反应釜内浆料的pH值，当pH值为7且一级温度传感器24、二级温度传感器25显示无相对温差时，碳酸化反应达到终点；之后关闭进气阀、进水阀、排水阀，停止通气、通水，开启排浆阀，将碳熟浆料输送至下一工序；待碳熟浆料排净后，开启进水阀Ⅱ，接通进水管Ⅱ21，螺旋喷嘴Ⅱ22进行喷水，螺旋喷嘴Ⅱ22在水压的作用下形成伞状的水幕对反应釜内进行无死角清洗；从反应釜排出后的碳熟浆料经过表面改性、脱水、烘干、粉碎，即得纳米碳酸钙产品。

实施例3

一种环保型纳米碳酸钙碳酸化方法，包括以下步骤：

S1：晶种制备：初始状态下，反应釜排浆阀31关闭；打开进浆阀，将温度为5℃石灰浆从进浆管3进入釜体2内，启动搅拌电机9，经减速器10驱动搅拌轴8带动搅拌器11转动进行搅拌，搅拌器11的转速为4m/s；在超声波液位计接口28接入由液位计来控制浆料进入量，当浆料进入量达到反应釜体积的2/5时，关闭进浆阀，停止进料，同时调整搅拌器11的转速为10m/s，打开进水阀Ⅰ、排水阀接通进水管Ⅰ17和排水管20，向尾气处理装置通水，当转速达到设置值后，打开进气阀，接通进气管Ⅱ6，向反应釜内通入窑气，使之与石灰浆进行反应，反应尾气经排气管Ⅰ13、连接管14，从连接管14侧壁上的小孔排出，经挡板15改变气流方向，将含固体颗粒物的尾气分散到收集罐12内，同时收集罐12对排气管Ⅰ13进行扩径，尾气经过该区域时，流速和压力都急速下降，延长气体逸出时间；尾气继续上升至填料层16处，填料层16内自上而向下的流水对气体进行洗涤和降温，螺旋喷嘴Ⅰ18再对尾气进行喷淋，将在填料层16中少量未被处理的含尘气体进行二次沉降，经处理后的干净尾气从排气管Ⅱ19排出；pH传感器26检测反应釜内浆料的pH值，当pH值为7.5时，停止进气，并将搅拌转速调整至4m/s，即完成碳酸钙晶种制备。

S2：纳米碳酸钙制备：将温度为25℃石灰浆从进浆管3注入盛有晶种的反应釜中，由液位计控制浆料进入量，当达到反应釜体积的4/5时，关闭进浆阀，停止进料，同时将搅拌器11的转速调整到7m/s，搅拌陈化20min，当达到设置条件后，再次开启进气阀，接通进气管Ⅱ6，向反应釜内通入窑气，使之与石灰浆进行反应，通过一级温度传感器24、二级温度传感25测量反应釜内上部、下部的温度，通过pH传感器26检测反应釜内浆料的pH值，当pH值为7且一级温度传感器24、二级温度传感器25显示无相对温差时，碳酸化反应达到终点；之后关闭进气阀、进水阀、排水阀，停止通气、通水，开启排浆阀，将碳熟浆料输送至下一工序；待碳熟浆料排净后，开启进水阀Ⅱ，接通进水管Ⅱ21，螺旋喷嘴Ⅱ22进行喷水，螺旋喷嘴Ⅱ22在水压的作用下形成伞状的水幕对反应釜内进行无死角清洗；从反应釜排出后的碳熟浆料经过表面改性、脱水、烘干、粉碎，即得纳米碳酸钙产品。

对比例

对比例1使用的反应釜与实施例1～3一致，工艺采用现有一次碳酸化工艺和未进行尾气处理工艺，具体步骤如下：

将温度为25℃石灰浆从进浆管3注入盛有晶种的反应釜中，由液位计控制浆料进入量，当达到反应釜体积的4/5时，关闭进浆阀，停止进料，同时将搅拌器11的转速调整到6m/s，当达到设置条件后，开启进气阀，接通进气管Ⅱ6，向反应釜内通入窑气，使之与石灰浆进行反应，通过一级温度传感器24、二级温度传感25测量反应釜内上部、下部的温度，通过pH传感器26检测反应釜内浆料的pH值，当pH值为7且一级温度传感器24、二级温度传感器25显示无相对温差时，碳酸化反应达到终点；之后关闭进气阀，停止通气，开启排浆阀，将碳熟浆料输送至下一工序；待碳熟浆料排净后，开启进水阀Ⅱ，接通进水管Ⅱ21，螺旋喷嘴Ⅱ22进行喷水，螺旋喷嘴Ⅱ22在水压的作用下形成伞状的水幕对反应釜内进行无死角清洗；反应过程中尾气处理装置的进水阀Ⅰ、排水阀接通进水管Ⅰ17和排水管20一直保持关闭状态，反应釜产生的尾气未经过处理直接向大气排放；从反应釜排出后的碳熟浆料经过表面改性、脱水、烘干、粉碎，即得纳米碳酸钙产品。

实施例4

采用GB/T19590-2011《纳米碳酸钙》标准中的电镜平均粒径的测试方法对实施例1～3和对比例制备的纳米碳酸钙的粒径进行测量，按照GB9078-1996《工业窑炉大气污染物排放标准》中检测石灰窑烟尘中颗粒物浓度的方法对对实施例1～3和对比例排放的尾气进行检测。结果如表1所示。

表1实施例1～3制备的纳米碳酸钙的粒径及尾气颗粒物浓度

由表1和图2～5可知，使用本发明的设备及工艺制备的纳米碳酸钙的平均粒径为40～100nm。相对于对比例中常规鼓泡碳化塔的一次碳酸化产品，使用本发明制备的纳米碳酸钙具有颗粒粒度均匀、无链状和团簇碳酸钙的产生，产品晶体形貌整体呈较规整的类立方状，无其他形貌的掺杂，该工艺生产产品用做密封胶、橡塑及油漆油墨的填料，具有分散性好、高补强的特点；本发明排放的尾气中颗粒物浓度低于30mg/m

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。