法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2013-03-27
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):C04B7/14 授权公告日:20020313 终止日期:20120116 申请日:19960116
专利权的终止
2002-03-13
授权
授权
1998-06-17
实质审查请求的生效
实质审查请求的生效
1998-06-10
公开
公开
本发明总体上涉及长转窑中水泥熟料的生产。更具体地,本发明涉及在常规的湿或干长转窑中生产水泥熟料用的方法和装置,其中在窑的输入端加入高炉渣和含有石灰的原料物流,从而当原料和高炉渣流向窑的加热端加热时,高炉渣熔化并融合入原料中以形成水泥熟料。
如美国专利号5,156,676所述,该文献提供了完成水泥成分的煅烧和烧结成熟料的方法。该采用湿或干转窑的典型的方法是众所周知的。水泥原料,如石灰石、粘土和砂石等被精细地研磨并完全混合以在窑的输入或进料端提供基本上均匀的混合物。该窑向下倾斜一角度以至于窑的加热端在进料端之下。该窑通常有四个操作区,包括预煅烧区、煅烧区、烧结区和冷却区。常规的燃料与预热的空气相结合并在加热端注入窑中。在水泥生产工艺中通常使用如天然气、石油或粉煤等燃料。
当磨碎的水泥原料从转窑的进料端通过转窑时,在预煅烧区原料从接近环境温度加热到约538℃(1000°F)。在该区中,使用来自煅烧区的燃烧气体的热量来提高原料的温度。另外,在窑中可将链式系统等固定到窑的内部并采用该系统来改进气体和原料之间热交换的效率。
当原料通过煅烧区时,其温度从约538℃提高到约1093℃(1000°F-约2000°F),且在该区中CaCO3分解,放出CO2。
然后,在温度约1093℃(2000°F)下煅烧过的原料进入烧结区或燃烧区,此处温度升高到约1500℃(2732°F)。正是在该区主要的原料转变为典型的水泥化合物,如硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铝铁酸四钙。然后水泥熟料离开烧结区,此时熟料被冷却然后进一步通过如研磨被加工。
而且,使用研磨的高炉渣作为水泥的原料可追溯到1774年。在生产铁时,从高炉顶部向高炉中加入如铁氧化物源、矿渣石(fluxing stone)和燃料。从炉中得到两种产物:在炉的底部收集的熔融的铁和浮在铁浴上的液态的铁高炉渣。这两种产物都是从温度约1500℃(2732°F)的炉中周期放出。矿渣主要由二氧化硅和三氧化二铝以及来自矿渣石的钙和镁的氧化物。用于灰浆或泥凝土的该矿渣的水泥活性是由其组成以及排出高炉时熔融物质的冷却速率所决定。
另外,在钢的生产中,发生类似的过程,其中液态钢矿渣浮在钢浴上。同样,钢渣主要由二氧化硅和三氧化二铝以及钙和镁的氧化物组成。钢矿渣和高炉渣的处置,由于所涉及的物料的量,成为其生产者主要的处置问题。
钢渣和高炉渣都是由很硬的颗粒组成。使用的高炉渣通常已呈细粉末状或颗粒状,这意味着必然使用大量的能量将该高炉渣磨碎和粉化成细粉末状或使其成颗粒状。这样的方法在USP2,600,515中作了描述,其中高炉渣和石灰石以细粉末状的混合物被加入旋转水泥窑中,并直接引入窑的火焰中。同时通过与燃料(即粉状煤、重油或气)在相同的时间经相同的通道吹入该矿渣粉末。该过程有几个不利之处。一个最明显的不利之处是需要大量的能量来粉化和干燥原料以使它能吹入炉中。
钢渣和高炉渣中的许多化学物质与水泥的化学物质相同,且在其各自的工艺中已得到其生成热。美国混凝土协会(American Concrete Institute)如下定义高炉渣:高炉渣-非金属产品,基本由钙和其它碱金属的硅酸盐和硅铝酸盐组成,它是在高炉中与铁同时在熔融条件下形成的。1.空气冷却的高炉渣是熔融的高炉渣在大气条件下固化而生成的物质,将水应用到固化的表面可以加速后续的冷却。2.膨胀的高炉渣是通过用水,或水与其它试剂(如蒸汽或压缩空气或两者)控制加工熔融的高炉渣而得到的重量轻、蜂窝状的物质。3.颗粒状的高炉渣是当熔融的高炉渣如通过浸泡在水中快速急冷而形成的玻璃状的颗粒物质。
本发明中所用的术语“高炉渣”此后将用于只指定“空气冷却的高炉渣”而非膨胀的或颗粒状的高炉渣,除非特别说明。
当加入CaO后,这些产物可以在转窑的燃烧区转变为3CaO·SiO2(C3S),2CaO·SiO2(C2S),2CaO·Fe2O3(C2F),4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF),3CaO·Al2O3(C3A)。
经验表明高炉渣对水泥转窑的操作没有不利的影响。由于该矿渣已先进行了热处理,并且大多数挥发性物质,即二氧化碳、碳、挥发性有机物等,已被除去,所以从转窑释放的挥发性物质得到了改善。但是,如现有技术所述,需要对矿渣进行细磨碎或粉碎或粉化处理,从而给水泥制造工艺增加了昂贵的步骤。同时,颗粒状的水泥的形成也是十分昂贵的。
由于人们已长期认识到高炉渣中的许多化学品和化学物质与水泥制造材料相同,并且由于高炉渣能大量获得,如果能以比现在所需的粉末状或颗粒状的形态以更粗得多的形态使用以及如果能在窑的进料端而不是在窑的加热端将高炉渣加入到将送入窑的原料中,那么在水泥制造中使用高炉渣将是有利的。
本发明提供高炉渣的这类用途,并提供应用多种高炉工艺渣的方法和装置,这些渣已被粉碎和筛分过以提供主要颗粒直径高达2英寸的粗状态,该粗高炉渣和原料一起被送入窑的输入端,从而获得了现有技术中使用高炉渣的许多好处,而没有需要提供炉渣的颗粒化或炉渣的细磨碎、粉化或粉碎并且将细高炉渣送入窑的加热端的不利之处。
如前面所述,申请人的经验表明高炉渣对水泥转窑的操作没有不利影响。由于高炉渣已先被热处理且大多数的挥发性物质如二氧化碳、碳、挥发性有机物等已被除去,从而从转窑释放的挥发性物质得到改善。由于高炉渣的先前的历史,在炼铁过程中已得到了所需的高炉渣的化学性质,从而节省了水泥制造过程中的能量。因此,使用该炉渣有许多好处。第一,如前面所述,不需炉渣的细研磨、粉化或粉碎。大量的粗炉渣(本文定义为大多数颗粒的直径基本上高达2英寸的高炉渣)可以加入到水泥熟料组合物中,而对常规的送到转窑的物质仅有少量的化学变化。只有当炉渣颗粒的直径大于2英寸时,才需粉碎和筛分。
第二,不需对炉渣进行干燥。内部的水份通常是1%-6%。在湿法转窑系统中,实现了大量水份的降低和成本的降低。在干法转窑系统中,高炉渣无需进行干燥。
第三,窑不会受到由于泥土环或熟料堆积而引起的堵塞。在湿法和干法转窑中,当粗高炉渣通过窑时,它对物料的堆积有清洁作用。
第四,粗高炉渣可以作为部分起始原料而被使用,并且在窑的进料端引入。高炉渣和湿或干原料可作为独立的原料各自注入转窑的进料端,也可以在没有预先混合下在转窑的进料端一起注入。
第五,常规的原料中只需对原料组合物进行少量的化学变化以容纳高炉渣。这通常意味着原料中的石灰含量必须多一些。
第六,在转窑内热处理期间,粗高炉渣的化合物结构通过分散转变成所需的水泥熟料结构。
第七,由于高炉渣在低温下熔解以及高炉渣不需研磨或粉碎,所以当使用高炉渣时实现了大量的能量节约。
第八,水泥熟料生产的提高几乎与所用的高炉渣的量成比例。
第九,由于高炉渣的低挥发物含量,转窑加工的环境状况得以改善。
第十,高炉渣的回收改善了环境,因为它为大量可得到的高炉渣提供了一个重要的应用,并且避免了与高炉渣的处置相关的一些问题。
第十一,由于能量节约和与低成本高炉渣的充分供应而大大降低了水泥生产的成本。因此,本发明的一个目的是提供一种使用粗高炉渣,一种炼铁过程中的副产物,生产水泥熟料的转窑操作的改进的方法和装置。
本发明的另一个目的是在转窑的进料端将粗高炉渣引入水泥生产的转窑中。
本发明的再一个目的是使用大量的主要颗粒直径基本上为2英寸或更低的粗高炉渣。
因此,本发明涉及使用具有进料端和加热端的加长的旋转水泥窑制备水泥熟料方法,其中加热端相对进料端向下倾斜,该方法包括下列步骤:将热源的热量引入窑的加热端,将含有石灰的原料物质流引入窑的进料端从而原料物质流向窑的加热端而加热,将预定量的粉碎和筛分过的高炉渣加入到窑的进料端的原料物质流中,从而当原料物质和高炉渣向窑的加热端移动时,高炉渣被热熔化并扩散入原料中以形成水泥熟料。
本发明也涉及形成水泥熟料的装置,该装置包括具有进料端和加热端的旋转水泥窑,其中加热端相对进料端向下倾斜,在加热端用于加热转窑内部的热源以及将含有石灰的原料物质流和高炉渣引入转窑的进料端的输送装置,从而当原料物质流和高炉渣向窑的加热端移动时,高炉渣被热熔化并扩散入原料中以形成水泥熟料。
本发明的这些和许多其它的详细目的将在下面的“附图的详细描述”中进行了详细说明,其中:
图1是用于形成水泥熟料的本发明的转窑系统的基本示意图,其中原料和高炉渣一起加入到转窑的输入端;
图2是被分别添加到转窑的进口端的原料和高炉渣的示意图;
图3是其中原料和高炉渣以合并的混合物的形式加入到窑的进口端的方法的流程图;
图4是其中原料和高炉渣分别加入到转窑的输入或进料端的另一种方法的流程图。
附图的详细描述:
本发明允许粉碎的和筛过的粗品高炉渣作为独立的组分以不同的粒径加入到旋转水泥窑的进料端,其中主要的颗粒直径为最高达2英寸。这里用的术语“粗品”高炉渣意指除粉碎和筛选过外未用任何方式进行加工的呈固态的高炉渣。大多数高炉渣的颗粒直径小于2英寸。但是,某些高炉渣的颗粒直径大于2英寸,从而需要粉碎和筛选工艺来获得仅需的主要的颗粒直径为2英寸或2英寸以下。本发明无需进行高炉渣的细研磨、粉化或磨碎。本发明提供一种使用比先前旋转水泥窑工艺中所承认的要粗得多的各种高炉渣的方法,它使得高炉渣化合物中的成分(如钙的硅酸盐、钙的硅铝酸盐等)成为水泥熟料的组成部分。如本领域普通技术人员所理解的那样,渣的化学性质,必须作为水泥整个成分的部分来理解和控制,因此加入到原料中的高炉渣的量必须与原料及其化合物相平衡。
在100%高炉渣的实验炉燃烧试验中,测定高炉渣的熔点,并且该熔点是其在水泥窑中应用的关键。从表I中可以看出,测定的高炉渣的熔点为2552°F/1400℃,这使得高炉渣能以相当大的粒径加入到窑的进料端,主要的粒径高达2英寸。
表I
实验炉燃烧试验
对炉渣的影响
表I说明了当加热到不同温度时对高炉渣的影响。表I所示的试验在各个不同温度下进行15分钟,其中炉渣的颗粒大小约3/8英寸。试验结果已确定炉渣不会增稠转窑链段中的浆料,不会产生泥土环或由于颗粒尺寸增加粉尘损失。并且,它将湿含量降低2.2%或者更多,这依赖于高炉渣的量。在转窑中煅烧区和燃烧区之间的某个地方高炉渣开始熔化并与其它原料相结合。由于低熔点,不需要如同现有技术中那样对该物料进行研磨、粉化或粉碎,在现有技术中需要80%的物料通过200目的筛以与其它成分进行化学结合。钙及其它碱的硅酸盐和硅铝酸盐的形成,已在炼钢过程中高炉渣中完成,这些盐与水泥熟料化合物相似,如果不是相同的话。通过加入CaO,这些化合物在极少的附加热下可以转化为2CaO·SiO2(C2S),3CaO·SiO2(C3S),2CaO·Fe2O3(C2F),3CaO·Al2O3(C3A)和4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)。这些是水泥熟料的主要化合物。
本发明的装置示于图1。装置10包括以公知的方式由法兰14支承的转窑12,该法兰与窑一起旋转。该窑有进料端16和加热端或燃烧区18。如本领域公知的那样,加热端18相对于加热端16向下倾斜。燃料源20在转窑12的加热端18产生火焰22以提供约1500℃(2732°F)的温度。水泥原材料或原料(如石灰石、粘土、沙石等)由变速传送带24带到转窑12。如果采用湿浆料,变速传送带24将把原料输送到研磨机26且从研磨机26输送到转窑12的进料端16。原料从物流28通过转窑12向火焰22移动。公知的化学过程在窑12内发生,水泥熟料30从窑12的加热端18排出以进行进一步的加工。本领域公知的污染控制装置32和34分别在窑12的加热端和进料端。在加热端18,废气38从污染控制装置32排到大气中,并回收可重新利用的废产品40。
在进料端16,污染控制装置34移走排出的废气36,并在42重新利用废产品。
在本发明中,高炉渣44通过传送装置46(如变速传送带)带到原料48,该原料要在转窑12的加热端16通过粉尘漏斗56(附图2)加入。控制器25控制传送带24和46的速度,从而根据高炉渣44的化学组成提供相对于原料的合适比例的高炉渣44。这种控制在本领域是公知的,因此在此不作详细描述。
图2是用于将高炉渣和原料分别加入到转窑12的输入端的装置的示意图。从图2中可以看到,高炉渣50通过传送系统54落入漏斗52并向上输送,堆积在55以便通过粉尘漏斗56送到转窑12的输入端16。可以用任何公知的方式将原料加入到窑的输入端。原料58以类似的方式投入漏斗60,此处它由输送装置62向上输送并在64投入漏斗56以送入转窑12的输入端16。图1或图2的装置产生了令人满意的结果。
表II示出了从高炉渣原料堆中随机取的高炉渣样品的化学分析结果。当然,根据渣的不同,高炉渣的化学分析与表II中的值可有所不同。
表II
高炉渣
从表II可以看出,高炉渣组合物适用于水泥的制造。
表III示出了一种原料的典型的混合物计算结果,该原料含有0%高炉渣、89.67%石灰石、4.42%页岩、4.92%沙石和0.99%矿石。
表III
I型混合物计算结果(0%炉渣)
表IV示出了一种原料的试验混合物计算结果,该原料含有5%高炉渣、86.11%石灰石、4.14%页岩、3.76%沙石和0.97%轧制铁鳞。
表IV
表IV加入5%高炉渣的I型计算结果
表V示出一种原料的试验混合物计算结果,该原料含有10%高炉渣、82.66%石灰石、2.94%页岩、3.32%沙石和1.08%轧制铁鳞。
表V
表V加入10%高炉渣的I型计算结果
表VI示出了一种原料的试验混合物计算结果,该原料含有15%高炉渣、74.22%石灰石、1.68%页岩、2.93%沙石和1.16%轧制铁鳞。
表VI
表VI加入15%高炉渣的I型实验混合物计算结果
表VII示出了一种原料的试验混合物计算结果,该原料含有30%高炉渣、1.81%轧制铁鳞、0.33%沙石和67.86%石灰石。
表VII
加入30%高炉渣的I型实验混合物计算结果
很清楚,表III、IV、V、VI和VII证实加入高炉渣(空气冷却)适合用作水泥熟料生产的原料。
图3是其中当原料和高炉渣在窑的进料端进入窑之前如图1所示的那样相混合的本发明的方法。在步骤76,提供原料并在步骤78原料与高炉渣合并,该高炉渣已在步骤80被粉碎和筛选过以获得主要颗粒的最大直径基本上为2英寸或2英寸以下的颗粒。然后在步骤82将合并的物质送入转窑的进料端。
在图4中,示出了如图2所示将高炉渣和原料分别送入转窑的输入端。在这种情况下,在步骤66提供原料并在步骤68通过传送装置将原料输送到转窑的入口或进料端。在步骤72,将高炉渣粉碎并筛选以得到主要颗粒的最大直径基本上不超过2英寸的颗粒,在步骤74将所得的终产品输送到转窑的进口或进料端。在步骤70,加热在转窑中的原料和高炉渣直到水泥熟料形成。
因此,本发明公开了加入粗高炉渣形成水泥熟料的方法和装置,该粗高炉渣和原料一起加入到转窑的进料端。本文的粗高炉渣定义为已被粉碎和筛选过以获得主要颗粒具有最大直径基本上为2英寸的颗粒。本发明具有许多优点。本发明不需炉渣的细研磨、粉化或粉碎。可以将主要颗粒的直径高达2英寸的大量粗炉渣加入到水泥熟料组合物,只需将送入转窑的常规物质进行极少的化学变化。
不需对炉渣进行干燥。内含的水分通常为1-6%。在湿法转窑系统中,实现了大量的水分减少和成本节约。在干法转窑系统中,可以对高炉渣进行干燥,但并非必要。
本发明的粗高炉渣可以作为起始原料的一部分被用于由转窑生产水泥熟料中。将高炉渣和湿(或干)原料作为独立的原料注入转窑的进料端。它们也可以先进行混合,然后在窑的进料入口处一起注入。没有发生由于泥土环或熟料堆积而引起的窑的堵塞。在干法和湿法转窑中,当高炉渣通过转窑时,它对原料的堆积有清洁作用。
只需对常规的原料进行少量的化学变化以容纳高炉渣。这通常是指原料中的石灰量应大一些。粗高炉渣的化合物结构在转窑内热处理期间通过扩散转变为所需的水泥熟料结构。因为不需对高炉渣进行研磨、粉化或粉碎,因此用本发明生产水泥熟料时实现了大量的能量节约。产量增加几乎与所用的炉渣的量成比例。另外,由于高炉渣的低挥发份含量而改善了转窑法的环境条件。并且,高炉渣的回收使用改善了环境,并为高炉渣提供了有用的利用途径,而不是高炉渣贮存时占据大量的土地面积。因此,高炉渣的回收改善了环境,并大大降低了水泥的生产成本。
尽管已参照优选的实施方案描述了本发明,但并非打算将本发明的范围限制在所描述的具体形式,相反,本申请人打算包括所附的权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的这些替换方案、改型和等价物。
机译: 使用高炉矿渣生产水泥熟料的方法和设备
机译: 使用高炉矿渣生产水泥熟料的方法和设备
机译: 高炉矿渣生产水泥熟料的方法和装置,方法是加入适当的zuschlaege氟烷作为aetzkalkpulver od。等,在回转窑中