水泥熟料产量的提高

摘要

从水泥窑装置回收的水泥熟料的产量通过下面的方法得到提高，将含有二氧化硅和钙或铝中至少一种的氧化物的粒状物料，例如飞灰，加入与热的水泥熟料接触，飞灰熔化为部分熔融的物料，该部分熔融的物料与热的熟料进行化学反应，以生产高温处理的熔融结晶水硬硅酸盐的水泥熟料；增量剂在水泥熟料形成的下游加入到热的水泥熟料中，并适宜地在水泥窑装置冷却器的上游端，或在水泥窑中燃烧区的下游，和更特别地是在水泥窑排放端的初始冷却区加入到水泥熟料中。

说明书

技术领域

本发明涉及提高从水泥窑装置回收的水泥熟料的产量的方法。

背景技术

在水泥厂，水泥熟料是在水泥窑中于高温下，由水泥熟料的生料制得的，所述水泥熟料的生料穿过水泥窑，从进料端到达出料端，并在高温下穿过不同的处理区。

将得到的热的水泥熟料送入冷却器中，该热的水泥熟料在离开水泥窑的燃烧区时和在排放端的温度一般约为1400℃，冷却器是用于冷却水泥熟料的系统，并且熟料以熟料床的形式从冷却器进口移动到冷却器的出口，例如，在冷却器栅板上。在这里空气从置于栅板下面的喷射口吹过床层以冷却热的熟料。由冷却器的结构而定，熟料在冷却器进口的温度稍低于约1400℃，而在冷却器出口的温度约为120℃。

冷却的水泥熟料磨碎至理想的细度并如此使用，或在某些情况下，它可以与增量剂混合，特别是有凝硬性质的增量剂，以生产复合水泥。增量剂节省成品水泥中的水泥熟料含量。明确地，增量剂是生产过程的副产品，该副产品有高的二氧化硅含量和含有以氧化态形式，特别是以氧化物或碳酸盐形式存在的钙和/或铝。该增量剂包括煤灰，更具体而言是飞灰和底灰；高炉炉渣和二氧化硅烟尘。另外改性剂如石灰，水泥窑尘和废的水泥或水泥熟料也可用于调节化学性质或得到对在例如需要结块时处理增量剂的益处。

自约1986年以来，对控制电厂废气的强调导致低NO_x燃烧器的安装，该燃烧器的安装是减少废气中氮氧化物排放的方法。这些控制的影响使F型的碳含量增加，而C型凝硬飞灰的含量较少。此外，在某些工厂在褐煤、烟煤或次烟煤中少量石油焦的添加也导致了飞灰中碳含量的增加。

碳，如含在煤灰中的碳，在水泥中是有害的污染物，具有吸收化学物质的作用而导致混凝土性能的劣化。

对于除去飞灰中的碳的先期尝试包括：静电分离；将飞灰与液体如煤油混合并通过起泡沫将碳分离出来；和将飞灰在流化床燃烧室中进行碳的燃烧处理。

底灰也含有作为污染物的碳，如果底灰用在生产水泥中，优选除去碳。

以前，在复合水泥的生产中，建议将煤灰在水泥窑装置的冷却器中加入到水泥熟料中(USP 5,837,052)。在此建议中，当其在冷却器中冷却时，保持了煤灰的完整性和同一性，并且污染的碳由热熟料的热氧化，以生产水泥熟料和不含碳的煤灰的复合混合物。

在USP 5,976,243中建议，在水泥窑装置的冷却器中，加高炉炉渣到水泥熟料中以除掉高炉炉渣的水份和制备水泥熟料和高炉炉渣的复合混合物，在混合物中高炉炉渣的完整和同一性得到保持。在USP 5,650,005中，提出了通过将游离石灰源加入到水泥熟料中，来提高水泥熟料中游离石灰的含量。

发明内容

本发明寻求提供一种增加或提高水泥熟料产量的方法，该水泥熟料是从水泥窑装置回收的。

根据本发明，提供一种提高水泥熟料产量的方法，该水泥熟料是从水泥窑装置回收的，该水泥窑装置包括生产水泥熟料的水泥窑和用于冷却从所述的水泥窑出来的水泥熟料的冷却器，该方法包括：

a)在水泥窑中用水泥生料制备热的水泥熟料；

b)将自步骤a)的热的水泥熟料送入到冷却器中；

c)将含有二氧化硅和钙和铝中至少一种的氧化物的粒状物料加入与所述热的水泥熟料的形成的热的水泥熟料下游接触，并允许所述物料熔化至部分熔融的物料，将所述部分熔融的物料与热的熟料进行化学反应，以生产部分熔融的结晶水硬的硅酸盐的高温处理的水泥熟料组合物，在冷却器中冷却该水泥熟料组合物；和

d)从所述冷却器中回收冷却的水泥熟料组合物，该组合物的水泥熟料含量大于步骤b)中的热的水泥熟料含量。

优选实施方案的描述

本发明的方法提高或增加从水泥窑冷却器回收的水泥熟料的产量，而不改变其化学性质，成分或工艺，也不改变水泥窑的操作参数。

这是一个十分明显的优势，因为水泥窑的操作工人生性是保守的，和证明很不愿意对操作十分满意的水泥窑的操作参数作任何的改变。

i)本发明所用的增量剂是高二氧化硅含量的物料，并还含有钙、铝或两者，该物料以将与二氧化硅在水泥窑装置的冷却器中在高温下进行反应的形式存在，以形成主要由结晶的、水硬的钙和铝硅酸盐组成的组合物。钙和铝一般分别以氧化钙和氧化铝形式存在，但少量可以以硅酸盐，例如硅酸钙和硅酸铝，和硅铝酸盐如硅铝酸钙形式存在。

增量剂可以是无定性的或晶体状的，并且一般含有二氧化硅和钙和/或铝的化合物。

合适的增量剂含有硅酸盐分子，该硅酸盐分子可以是钙或铝硅酸盐或两者，一般含有与水泥熟料相同但含有相当少的钙的硅酸盐，例如，煤灰，高炉炉渣和二氧化硅烟尘，这些都是工业加工或制造中的副产品。改性剂也可用于调节化学性质或得到对在例如需要结块时处理增量剂的益处。这些可以包括如石灰、水泥窑灰和水泥的材料。

在水泥窑中水泥熟料形成的高温下游处，在高温处理条件下，粒状增量剂以部分熔融的状态熔化，增量剂与热的水泥熟料进行化学反应，生产主要由结晶的水硬的钙硅酸盐类构成的水泥熟料组合物，该组合物是高温处理过的组合物。

在第一实施方案中，高温处理反应发生在冷却器的上游端，靠近温度是为1400℃至1000℃的水泥熟料的出口。

在第二实施方案中，高温处理反应也可以发生在水泥窑的下流区，在该区是水泥熟料生成的区域，且更具体而言是在水泥窑内的出料端；水泥窑的出料端是增量剂以粗的粒子形式加入的特别有利的地方。在窑中的化学反应，即在窑中形成热的水泥熟料产品的化学反应发生在水泥窑的燃烧区，并因此在第二个实施方案中增量剂的加入发生在燃烧区的下游。

考虑到增量剂向热的水泥熟料中的加入点，粒状的增量剂应当有允许在高温处理中令人满意水平的部分熔化的粒度。通常增量剂至少1重量％，更一般至少50重量％，优选至少70重量％，最优选至少90重量％应当在高温处理中部分熔融。

可以认识的是，通常，在给定的温度和接触时间下，小的颗粒将比大的颗粒更容易地部分熔融。但是，有多孔的蜂房结构的大的颗粒可以与小的颗粒一样容易部分熔融。

粒状增量剂部分熔融的速率和程度取决于许多因素，其包括：颗粒的物理形态和粒度，粒状增量剂加入点的热的水泥熟料的温度，粒状增量剂在热熟料的高温中的暴露时间，水泥装置的结构和放出的热量如来自于被碳污染飞灰中的碳烧尽的热量。

典型地飞灰有小于100微米的粒度和可以以这种形状使用。

a)煤灰

本发明所用的煤灰是指在煤燃烧炉中燃烧粉状的无烟煤或褐煤，或烟煤或次烟煤而产生的残渣。这种煤灰包括从炉子中被废气或烟道气带出的细小的散状的煤灰；和在炉子底部收集的块状的底灰。

本发明所用的煤灰可以是F型或C型飞灰，并且一般对于F型的情况，是被碳所污染的；或同样被碳所污染的底灰，如在燃煤电厂中采用低NO_x的燃烧器以减少氮氧化物所导致的，或来自一般煤燃烧器的不稳定地燃烧所导致的；或来自添加少量的石油焦到褐煤或次烟煤或烟煤中所导致的。

上述的F型和C型所指的飞灰由CSA Standard A 23.5和ASTM C618定义，在此引入作为参考。

典型地C类飞灰中CaO的分析含量大于8重量％，一般大于20重量％。CaO的分析含量指的是将钙用氧化物CaO表示的总量，CaO的分析含量可以包括游离石灰，也就是游离的CaO和以化学结合态，例如以钙硅酸盐类和钙铝酸盐类，晶状黄长石(Ca₂Al₂SiO₈)和镁硅钙石Ca₃MgSi₂O₇形态存在的CaO。典型地，C类飞灰中的游离石灰的分析含量小于3重量％。

F型飞灰可以含有1至30重量％，更通常为1至15重量％，典型地为1至1O重量％的碳。F型飞灰通常含有CaO的分析含量小于8重量％，典型地小于5重量％。

典型地大多数飞灰，至少约80重量％，含有小于45微米的颗粒。

典型地底灰是从炉子底部以颗粒回收的，其中80重量％的粒度在100微米至8cm的范围内。来自于同一煤源的底灰与细的飞灰有相似的化学成分。在加入到冷却器中的水泥熟料之前，底灰适合磨或压碎至细的颗粒形式，但是倘若达到了理想的部分熔融，粒度不是关键的。

b)炉渣

高炉炉渣是来自于高炉中铁的生产的副产品；硅，钙，铝，镁和氧是该炉渣的主要元素成分。

高炉炉渣包括在大气条件下，熔融的高炉炉渣的凝固导致的空气冷却的炉渣；颗粒状的高炉炉渣，一种当熔融的高炉炉渣通过浸入水中急冷而形成的象玻璃的粒状物料；和做成粒状的高炉炉渣，该渣是通过将熔融的高炉炉渣通过振动的进料板，在那里它通过水的喷淋而膨胀和冷却，从这里转移至转筒上，在此与大气接触，迅速凝固成小球而生产的。

典型地在高炉炉渣颗粒间的空隙的水含量为3至20重量％，一般为5至15重量％。

本发明将高炉炉渣延伸至通常包括用空气冷却的高炉炉渣和用水冷却的高炉炉渣。

高炉炉渣可以是，例如，粒状的高炉炉渣或球状的高炉炉渣。这些炉渣具有由于用水快速骤冷导致的玻璃含量，典型地超过90重量％，和水含量为3至20重量％，一般为5至15重量％。球状的高炉炉渣一般水含量较低，其范围为5至10重量％。

粒状的高炉炉渣的颗粒或细粒的粒度高达0.25英寸或高达4.75mm。球状的高炉炉渣的粒度高达0.5英寸。

在北美的高炉炉渣的分析含量指出，为了分析的目的，除硫含量外以氧化物的形式在下表1中列出：

                                   表1

                                化学组成

          (以氧化物形式)            组成范围，重量％

          SiO₂                          32-42

          Al2O₃                         7-16

          CaO                            32-45

          MgO                            5-15

          S                              0.7-2.2

          Fe₂O₃                        1-1.5

          MnO                            0.2-1.0

钢渣是来自于钢的生产中的副产品且在其有与高炉炉渣相似的化学性质时可以考虑；不可接受镁的含量可以严格限制它在低的添加量下使用。

当有色金属渣与高炉炉渣有相似的化学性质时，也可以考虑有色金属渣，该有色金属渣是来自于不同的有色金属的生产的副产品，该不同的有色金属来自于它们的矿石。

c)二氧化硅烟尘

二氧化硅烟尘是在硅或铁硅合金的生产中的副产品并且是通过过滤电弧炉逃逸的气体而收集的。典型地它的二氧化硅的含量至少为75重量％，并且由平均直径为约0.1μm的细的、球形的颗粒所组成。

ii)方法

下面参照实施方案来描述方法，在该实施方案中增量剂为煤灰，更具体而言是被碳污染的飞灰，但本发明同样适用于未被碳污染的飞灰和被碳污染或未被碳污染的底灰。

含碳的飞灰加入到在冷却器中的热的水泥熟料的移动床层，水泥窑燃烧区的下游，在此阶段水泥熟料是粒状的，典型地含有高达10至12英寸的颗粒。热的水泥熟料按从冷却器的上游端到下游端的路径移动。

典型地水泥熟料的床层为6至24英寸厚，以根据冷却器的直径和水泥窑的生产能力而不同的速度移动；典型地速度约为2至6英尺/分钟，其温度范围从到冷却器的进口端约1400℃，紧靠水泥窑燃烧区下游，到在冷却器的熟料排放口100℃-150℃，典型地约120℃。

通常，熟料在冷却器中有15至60分钟，更常见地为20至40分钟，典型地为约30分钟的停留时间。在熟料床层中的熟料粒度是不同的，并可以包括10至12英寸大的结块。冷却空气的喷射直接穿过移动的熟料床层，典型地是从床层的下面。典型地送入冷却器的大量冷却空气从冷却器有两个流出线路，一个通常位于从冷却器进入水泥窑的上游方向，在这里它为在水泥窑中发生的热过程提供二次空气；而另一个通常在下游方向，通过在冷却器下游末端的灰尘收集器出去。

由此将热的熟料在床层的输送路途中置于冷却空气中，以便熟料在从上游端输送到下游端时逐渐地从约1400℃冷却至约150℃。

将飞灰适宜地导入到水泥熟料的移动床层中，以便所有或多数的飞灰与水泥熟料一起移动到冷却器的出口端。此外，可以将飞灰导入到水泥熟料的移动床层中使飞灰在冷却器中有足够的停留时间的地方，在足够高的温度下，合适地至少1000℃和典型地为1000至1400℃用于飞灰中的碳燃烧和将飞灰熔融至部分熔融的物料，该部分熔融的物料与在冷却器中的热的水泥熟料进行化学反应以生产部分熔融的高温处理的熟料且主要含有水硬的钙硅酸盐类。

由于碳的燃烧是放热反应，在碳燃烧过程中释放的热有助于水泥窑的整个高温处理过程，也有助于增进飞灰至结晶的水硬硅酸盐的高温处理过程。

可以采用不同的传送方法将飞灰加入到水泥窑中，并且在冷却器中合适的传送方法的设计和位置对于本领域的技术人员是熟知的。

在水泥厂进行的试验表明，当将的细小的分散的F飞灰作为增量剂加入时，对于水泥窑和冷却器结构的最佳风送进料点是在冷却器室的最开始，最上游，温度最高的部分。这与预期相反，最靠近水泥窑的地方允许飞灰通过空气流从冷却器吹入水泥窑的主体。熟料表面处于足够用熟料熔融和捕获灰尘粒子的温度之中。

例如干的(或潮湿的或弄湿的)飞灰可以通过翻造螺旋钻导入，设计来赋予冷却器床层足够的分散度，用以加强与热熟料的混合。将飞灰导入到床层的内部也可以将飞灰的可能损失最小化，该飞灰是由从冷却器进入水泥窑的空气流中所携带的。

例如，当熟料从水泥窑壳输送进入到冷却器时，结块的飞灰、底灰或炉渣由于其较大的粒度可以从燃烧区加入到熟料的物流下游中去，以确保良好的混合。增量剂，例如，飞灰以一定量适宜地导入到冷却器的熟料中，以提供一定量的增量剂，根据增量剂和熟料混合后的重量，飞灰在熟料中的含量约为2至25重量％，优选5至15重量％，更优选5至10重量％。

iii)水泥

从冷却器回收的水泥熟料磨碎成理想的水泥熟料的细度。采用本发明的方法，飞灰和其它的增量剂通过部分熔融高温处理结合进到水泥熟料中，以提高从水泥窑装置中回收的水泥熟料的产量。

附图简述

图1是解释包括水泥窑和冷却器的水泥窑装置示意图。

参考附图的优选实施方案的描述

再参考图1，水泥窑装置10包括进料口12，回转窑14和冷却器16。

窑14以旋转的关系与进料口12和冷却器16相连接。回转窑14具有用于湿法的干燥区20，煅烧区22，燃烧区24和在窑14的排放端的初冷却区26。

回转窑14的范围介于进料口18和熟料出口28之间。

安装在窑14外面的燃烧装置具有安装在点火外壳38中的燃烧喷嘴32，其中燃烧喷嘴32通过出口28伸入窑14中。在喷嘴32上产生火焰36。

冷却器16有与窑14的熟料出口28相接的进口42和出口44。冷却器栅板40安装在冷却器16中和空气喷射口46置于冷却器栅板40下面，将冷空气向上喷过冷却器栅板40和用冷却器栅板40支撑的熟料床层52。装置10具有用于加入增量剂的空气喷射室54，例如被碳污染的飞灰50在空气喷射口46的空气作用下从在冷却器16上游端的冷却器栅板40下面，和更特别的，通过冷却器16的上游的空气室54。

图示的装置10也具有用于加入增量剂的备选口56，例如，高炉炉渣进入窑14的燃烧区24的下游，和更特别的，在窑14的初始冷却区26的排放端。冷却器16有空气排放口48。

冷却器栅板40含有并肩关系的多块栅板。其中一些栅板有开孔以允许冷空气穿过。一些是固定的和其它是可以前后摆动的。摆动栅板的运动使熟料和与熟料一起的飞灰摇动。由空气喷射口46通过栅板46加入的空气是分组的，每一组都与空气喷射室相联系。

冷却器栅板40是从进口42向下倾斜到出口44。通过其中一些栅板的摇动，结合倾斜和从窑14进入到冷却器16的熟料的堆积，熟料床层52向出口44推进。

在操作中，颗粒形式的生料通过进口12和加料口18被加入到窑14中，在窑中它们首先进入干燥区20。窑14慢慢旋转，从加料口18到出口28向下倾斜。随着窑14的旋转，生料慢慢地连续地沿着干燥区20，煅烧区22和燃烧区24前进，进入到从燃烧喷嘴32伸出的火焰中。

在干燥区20，典型地温度范围为从300℃至800℃。在煅烧区22，典型地温度范围为从825℃至1000℃。在燃烧区24，典型地温度为1400℃至1425℃。熟料的形成在燃烧区24中完成。

窑14用于水泥熟料的生产按传统方法进行操作，并且本发明是不关注窑14的操作的并对用于水泥熟料生产的窑14的操作不作任何的改变。在窑14中产生的热的熟料通过熟料出口28排出和通过进口42进入到冷却器16中，在这里落在冷却器栅板40上，该栅板推着热的熟料向出口44前进。落在冷却器栅板40上的熟料形成熟料颗粒的床层52，典型地其厚度或深度为6至24英寸。

在压力下将空气通过位于冷却器栅板下面的空气喷射口46喷入，空气穿过冷却器栅板40的栅板和床层52，熟料被来自于喷射口46的空气逐渐地冷却，向着出口44移动。典型地冷却器16在低压或部分真空下操作和向上穿过床层52的空气可以沿着箭头A的方向进入窑14中，也可以沿着头B的方向从冷却器下游出去。床层52的前进路径由箭头C指示。

被碳污染的飞灰，如果选择作为增量剂并且保持以细小的分散的形式按下述的位置通过其上游加入熟料中，即在冷却器16的上游的空气喷射的上游第一室50，该处对于飞灰的高温处理的温度是足够高的。这只代表被碳污染的飞灰可以加入的一个位置。被碳污染的飞灰由空气作用从床层下面通过室50加入，以便在床层52内通过飞灰的捕获而渗入进床层52中。

随着含有被碳污染的飞灰的床层向出口44移动，飞灰中的碳燃烧生成碳的氧化物，同时放出热，并与热的水泥熟料的热一起进入到熟料中，其是通过高温处理的部分熔融的主要由结晶的水硬的钙硅酸盐类构成的熟料。在冷却器16的下游末端，从冷却器栅板40上落下的所得冷却的熟料和不含碳的飞灰通过出口44进入下一步的加工，如用于水泥加工的磨碎。

将在排放口48夹带的飞灰和/或水泥熟料的细小的颗料沿着路径B以目前通常用于熟料细化的方式收集和返回。

实施例

在水泥厂进行了试验，以确定将F类飞灰作为增量剂加入到水泥熟料中的效果。

飞灰通过在冷却器栅板下的不同的室，由空气作用加入到水泥窑冷却器中。

在5个采样点收集样品，这5个采样点包括：窑外壳、冷却器第二刮板前的排放口，第二刮板后的排放口，砂砾床过滤器预洗涤旋风除尘器和净化旋风除尘器。

在窑的速率为24.42吨/小时下，飞灰以1.22吨/小时的速率加入。

在其中一个试验中，飞灰通过冷却器风扇#1由上游室加入。

从各点的采样显示，在窑的外壳没有明显的飞灰；在第二刮板前所有物料的97％被回收；基本上没有(0.1％)物料在净化旋风除尘器被回收；在第二刮板后100％物料被回收。对于所有的情况，超过90％的飞灰熔融。