生产水泥熟料包括白色水泥的方法和装置

摘要

制造水泥包含白色水泥的方法和装置是将生成水泥的原料同水、煤或焦炭和作为粘结剂的水泥混合，经过碾碎或挤压而成球粒。然后筛分球粒，使进给料的粘度约为14目到四分之一英寸。适用于流态化床反应器。球状原料在流态化床反应器中加热，如制白色水泥约为2500～2700，如制典型灰色普通水泥约为2350～2450。同原料混合的煤或焦炭占加工所需燃料的60％～90％，其余燃料则是直送到流态化床去。

说明书

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本发明涉及生产水泥熟料的方法和装置，而特别是涉及利用流态化床设备生产水泥熟料的方法和装置。本方法和装置特别适合于一些小容量工厂，而尤其适合于制造浅色和白色水泥。

在本发明以前，普通水泥已经在长旋转窑中利用湿或干的加工方法，在带或不带预煅烧装置的较短的旋转窑中利用一些悬挂预热炉和在流态化床的反应器内制造。

大部分现代化的水泥工厂设计成每天生产大约1000吨至每天生产最高达大约5000吨的大的生产能力。有许多场合希望备有每天大约25吨和每天500吨之间小容量制造水泥熟料的装置。这些小容量工厂有时称作“微型”水泥工厂。

在本发明以前，“微型”水泥工厂多半利用具有单级预热器和旋转冷却器的小旋转窑。就我所知，利用根据本发明的流态化床设备和辅助装备的小容量水泥熟料制造设备还没有提出过。

一座高效低容量水泥工厂是水泥使用量低的地方，如发展中国家的的遍远地区和为制造象白色水泥那样特种水泥的地方所需要的。

由含低的着色元素如铁、锰和铬的原料生产白色水泥，通常利用高品位石灰石、白色白土和纯的硅石作为原料。白色水泥主要用作需要白色或者有色混凝土的建筑施工。

由于通常Fe₂O₃少于0.5%的低铁含量，白色水泥在烧成熟料过程中潜在液体形式是低的，并且原料的可烧性是稳固的。同灰色水泥硅石模数2.3～3.0对照白色水泥的典型硅石模数是4～6范围内。正如众所周知硅石模数确定如下：

硅石模数＝ (SiO₂)/(AL₂O₃+Fe₂O₃)

由于原料的艰难可燃性，供白色水泥制造用的原料通常是由典型的研磨机研磨成具有90%～95%通过200目的很细粉末。这种研磨在使用陶瓷或合金钢研磨介质的粗磨机内进行，以便减少铁有可能混杂于原料之中。

对于白色水泥制造装置，不利用常规灰水泥应用的同流空气冷却熟料冷却器，因为熟料必须免遭其中所含铁的气化，温度至少要下降到700℃或更低些。典型地，在窑的排放端可利用水或油喷雾以防止在燃烧区之后的氧化，而链板输送机中的水冷却则在熟料由窑排放之后施用。有些操作已用脱色冷却器，利用CO₂和CO气体作为冷却介质。缺少同流空气冷却熟料冷却器势必会导致白色水泥制造加工的高燃料消耗量。

通常，用作生产白色水泥的装备一般具有短的耐火材料寿命。这是由于原料中的潜在液体导致在常规旋转窑的热区的很小覆盖。

用于制造白色水泥的燃料通常是天然气体或石油。固体燃料、如煤或焦炭一般不用来制造白色水泥，因为烟的烟雾和不完全化学弥散物会引起物料的潜在污染混杂。正如1963年12月17日批准的美国专利3.114.648号所阐述，熟料中的自由碳是有害的，因为它给制成的水泥带来黑色。

由于用作制造白色水泥的原料粉的艰难可燃烧，缺少利用热回收的熟料冷却器和由于窑的高温造成高的窑辐射，典型用作制造白色水泥的燃烧消耗量比制造灰色水泥熟料多50%～100%。对提供一种能够减少生产白色水泥所需的燃料消耗量，增加耐火材料寿命和允许使用煤和焦炭的方法和装置将是合于需要的。对提供能容许低容量的工厂减少投资和利用固体燃料的水泥制造方法和装置也应是希望的。

本发明的目的是为提供一种小容量生产所特别设计的生产水泥熟料的方法和装置。

本发明的另一目的是为了提供一种制造白色水泥熟料的方法和装置，它和制造这样的水泥所熟知的方法比较可减少燃料的消耗量。

本发明的再一目的是为提供一种生产浅色水泥的装置，该装置能在燃烧的过程中使用如煤或焦炭那样的固体燃料。

本发明又一目的是为了提供一种在小容量生产增加装备下制造水泥的方法和装置。

总的来说上述的和其它的目的将通过提供生产白色水泥的方法加以实现，该方法包括工序有：提供含有低着色元素的生成水泥原料;把水、含碳物质和粘结剂同生成水泥原料混合而形成混合物;把这混合物制成球粒;干燥这球粒;筛分该球粒使得到具有选用尺寸范围之内颗粒规格的进给料;往容器里加入这种进给料;使空气向上通过容器内的物料维持容器内物质的流态化床;由进给料内含碳物质和往流态化床加辅助燃料的燃烧，而对流态化床内的进给料热加工使用作白水泥流态化床温度保持在约2500°～2700°F的范围内和用作灰水泥在约2350°～2450°F内;用取代的方法从流态化床排放水泥熟料;冷却所排放的物料。

对于本发明来说，生产白色水泥的进料制备装置包括;含有着色元素低的细研磨原料同水、煤或焦炭和作为粘结剂的白色水泥混合而形成混合物。如果这方法和装置被用于制造灰色或常用的普通水泥，原料可以是标准的水泥原料粉，而粘合剂可以是常用的普通水泥。这种混合物运送到或者制造球粒的圆盘形制粒机或者挤压机。然后，这球粒在盘式干燥器内作干燥，在干燥后可以作储存。由挤压的方法制造的球粒于是碾碎和筛分产生希望尺寸范围的进给料。在大多数情况下这种圆盘制粒机制的球粒在干燥后将直接使用。然后，把筛选好尺寸的进给料供给流态化床反应器作热加工，以生产水泥熟料。使用一个间接热交换器回收所排放产品的一些热量，并利用这种热量来干燥物料。由反应器来的废的热流动气体依靠间接热交换器用来预热流态化气体和作燃烧用的空气。

本发明将与附图结合起来加以描述，其中：

图1是本发明装置的示意图;

图2是实施本发明方法的改进装置的部份示意图;

图3是用作实施本发明方法的高温加工部份放大的示意图。

对于本发明来说，生成水泥原料从图1中以〔5〕所示那样的储存器作计量而送到皮带输送机〔6〕上。如果本方法和装置是被利用作制造白色水泥，原料必须是含着色元素量低的，就是含铁锰和铬量低的。煤、焦炭那样的含碳物质，从储存器〔7〕加载到皮带输送机〔6〕上其数量足以使最终原料的碳含量达到按碳含量重量计近似5%到9%，这个数量可以是热加工燃料需要的60%～80%之间，但是为达到烧成熟料，所需燃料的含碳最高达90%，其可以同丸粒进料一起加入。一种适宜的粘结剂，最好是水泥，从储存器〔8〕加载到输送机〔6〕按重量计达到5%。如果正生产白色水泥，粘结剂应该是白色水泥。这装置可以包括作再循环物料用的储存器〔9〕以及如果加工需要备用的储存器〔10〕等诸如此类的附加储存器。

原料、煤或焦炭和粘结剂由输送机〔6〕输送到装置中，用以使固体物质同水混合并把水、原料、煤或焦炭和水泥的混合物制成球粒。在图1中这种装置被例示为捏和机〔15〕和挤压机〔16〕。捏和机〔15〕使物料混合并输送到挤压机〔16〕，在那里形成挤压物或球粒。然后这被挤压物料送到总的以〔18〕所示的料盘式干燥器。利用已加热的干燥气体经由管道〔19〕供给干燥器。从干燥器排出的气体通过管道〔20〕和风机〔21〕输送到高效集尘器〔22〕。集尘器〔22〕中的灰尘在〔23〕除去并可以提供到再循环储存器〔9〕。烘干的球粒然后作筛分使获得具有选用尺寸范围的进给料。在图1所例示的实施方案中，球粒或挤压物的筛分是通过往轧辊式碾碎机〔25〕供给球粒加以实现的。然后，碾碎物质通过总的以〔26〕所示的一系列筛子，在此所需规格的物料在〔27〕移出并作为进给料输送到斗式提升机〔28〕。尺寸过大的物料在〔29〕移去，用来再循环到轧辊式碾碎机〔25〕。尺寸过小的物料在〔30〕移出，用以再循环到储存器〔9〕。在较佳的形式中，物料被筛分到制成产品具有接近14目到1/4英寸的尺寸范围。

输送机〔6〕、捏和机〔15〕、挤压机〔16〕、料盘式干燥器〔18〕、碾碎机〔25〕和筛分装置〔26〕结合一起构成总的以〔12〕所示的进料制备系统。输送机、捏和机和挤压机规定了作为水泥原料同含碳物质、粘结剂结合以形成混合物和把这混合物制成球粒的机构。料盘式干燥器和热气体进口〔19〕规定了作为干燥球粒的机构。

在较佳的方法中，挤压物在料盘式干燥器〔18〕上烘干使产生硬球粒，在〔24〕排出。这种干燥的球粒被送到贮存槽作期限1～3天时效，使粘结剂能增加丸粒或者球粒的强度。然后，所储存和时效的丸粒可以输送到轧辊式碾碎机〔25〕而不是如图示直接来自排出口。

在图2中图示一种可替换的进料制备装置总的以〔12A〕标示。在这个进料装置中，原材料，碳和水泥是以图1的方式通过类似的储存器〔5〕、〔7〕和〔8〕供给普通输送机〔6〕。输送机则把物料送给圆盘式或鼓式球丸机〔40〕。把水加到这圆盘式球丸机且直接在球丸机中进行混合，随着球丸机受控制而产生具有接近14目至1/4英寸尺寸范围的球粒或丸粒。在这个实施方案中，湿的丸粒送离球丸机〔40〕和按〔41〕所示送到料盘式干燥器〔18〕。用加热的干燥气体在〔19〕处供给料盘式干燥器，而废的干燥气体以图1方式经管道〔20〕、凤机〔21〕和离效集尘器〔22〕排出。尘粒则由〔23〕返回到储存器〔9〕。干燥器〔18〕中的排出物可以送到以〔26〕表示的筛机，而具有过大尺寸颗粒以〔29〕供到小的球丸机（在图中未表示），尺寸过小的颗粒则由〔30〕返回到储存器〔9〕。正常尺寸进给料在〔27〕排出以便进一步加工。图1的实施方案中，最好把已干燥的丸粒送到储槽存放1至3天。

正如图1所表示，正常尺寸物料由斗式提升机〔28〕运送到储仓〔45〕。物料作计量离开储仓〔45〕和通过管道〔46〕输送到总的用用〔50〕表示的用作热加工该物料的流态化床反应器，以生产水泥熟料。参照图3，流态化床反应器包括一个容器〔51〕，该容器具有一个供由进料制备装置〔12〕〔12A〕（相应各为图1和图2）来的干燥和筛分物料用的进口〔52〕，容器〔50〕借助技术上已知的气体可渗透的格栅〔55〕的机构分为上部物料是〔53〕和下部强制通风室〔54〕。提供机构把压力空气或流态气体输送到通风室〔54〕为向上通过格栅〔55〕和进给料的床〔57〕，由此便建立了和维持了球粒的流态化床〔60〕。除了因进给料结合的燃料外，其它燃料都通过咀〔61〕供到在流态化床〔60〕内的燃烧床。所加的燃料量是足够维持流态化床内的物料中在烧成熟料水泥的温度。

在图3表示本装置的空气供给，它包括一个风机〔62〕：该风机设有出口〔63〕，它经过管道〔64〕连接到一个用作通过入口〔66〕连接到通风室〔54〕的辅助空气加热室〔65〕。出口〔63〕亦被连接到管道〔68〕，该管道被连接到气体分离室〔11〕的热交换器〔70〕。热交换器〔70〕又经过管道〔72〕连接到空气加热室〔65〕。

对于本发明来说，在进料中存在的碳除了被用作维持进料颗粒内的热还原条件外将提供60%～80%的热过程用燃料。当制造白色水泥时，这种内部的还原条件将控制铁的反应，以免于形成一种不希望有的着色成分Fe₂O₃。这种还原会促进制造比较白或者较明亮的产品，因为消除了在原料中存在的铁含量的潜在氧化。而当同灰色普通水泥比较，作为白色或浅色水泥的原料将含有低的铁含量，那种存在的铁应该被转化成Fe₃O₄而不是转化成Fe₂O₃，以免造成有害的颜色。这是通过维持颗粒内的内部还原条件局部地做到的。本发明不同于美国专利3，114，648号所公开的那个发明，它利用喷射到球丸上的燃料使燃料保持在极接近于原料粉。对于本发明的情况，含碳的物质是同原料相混合的。这意味着至今在生产白色水泥中被认为不希望有的固体燃料可以加以利用。固体燃料的利用而气体和液体燃料相应减少，特别对于煤比煤气或油更易得到的世界上的那些地区的水泥生产是有利的。

对于本发明来说，对白色水泥制造流态化床内的温度维持在大约2500°F～2700°F，而对灰色水泥则近似的在2350°～2450°F之间。这与用在现有技术制造白色水泥用的温度2700°F～2900°F比较，无疑较低的温度将意味着减少燃料的消耗量和改善耐火材料的寿命。这个温度也是保持游离石灰含量在2%以下，生产熟料必要的温度。

当物料被供应到流态化床〔60〕，制品依靠置换通过溢流管〔75〕排放到间接冷却器〔76〕。因为从容器〔51〕排出的物料是依靠置换，以致物料的排出率取决于加进到容器的物料的给料率。物料留置时间应该是约1至2小时左右。

通过管道〔75〕排出的产品被输送到热交换器〔76〕，在那里它依靠同来自于如风机那样的风源，通过管道〔77〕输送到热交换器的蛇形管〔78〕所提供的冷却气体进行间接热交换器而被冷却，在热交换器〔76〕中空气被加热，并从蛇形管〔78〕通过管道〔79〕排出。正如图1中所示，管道〔79〕是连接到管道〔19〕的流道，以使这种被加热的冷却空气用来干燥料盘式干燥器中的物料，从而减少整个过程的燃料消耗量。制品从冷却器〔76〕通过出口〔80〕排放。当原料的床〔60〕的温度取定后，产品或可以是水泥熟料或可以是一种中间产品。使用间接热交换器在生产白色水泥中是需要的，以防止铁组分的氧化，铁的氧化在升高温度下会被加速。如果制造灰水泥，使用热回收的直接热交换器可能是合乎希望的。

废的流态气体将夹带一部份进入的进料和一些细微的产品。这物料将通过出口〔85〕及通过气体分离室〔71〕排出。在气体分离室〔71〕中，所选分的进入进料和细的制品将从所夹带的气体中分离。这种产品将通过适当的空气塞〔86〕排出。

排放口或放气装置〔87〕是连接到分离室〔71〕的流道，用以冷却离开反应器的流出气体，以致可以通过管道〔88〕供应到高效集尘器〔89〕，用以使固体物料分离并在〔90〕排出，而气体则通过风扇〔91〕和烟囱〔92〕被排放到大气。放气将起到保护袋型集尘器的袋子。

如果需要的话，在热交换器〔76〕中可以使用冷却水蛇形管作产品的最终冷却。

应该注意，为起动的目的，要求空气加热器〔65〕是烧火的分离容器。

对“微型”水泥工厂，反应器〔50〕的下列近似尺寸值得加以考虑：

熟料容量    反应器尺寸

吨/每天    直径-英尺

25    4.0

50    6.0

100    8.5

200    12.0

300    14.5

500    18.5

从上文中应该明显看到，本发明的目的已经达到。为生产白色水泥而提供一种装置在较低温度下可进行反应，同现有技术的装置比较，减少了燃料的消耗量。本发明同由现有装置使用的旋转窑装置的投资费用比较，提供了一种要求较低投资费用的经济的装置。这不仅对生产白色水泥，而且对用作生产普通水泥的装置都是理想的。鉴于装置的特征，流态床装置的利用也具有减少实际占地使用率。对于本发明来说，在制造白色水泥中，可以利用的固体燃料的百分率要比以前认为合理的要高。

前文的意图是描述最佳实施方案，但本发明则完全在提出的权利要求范围内加以限定。