CN102119229B - 制造颗粒状高炉炉渣的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造颗粒状高炉炉渣的方法和设备，其通过骤冷和研碎在熔炼过程中产生的炉渣而获得，其中造渣原料被送进熔炼过程，并且炉渣作为熔炼过程的主产物而被取出，同时超过50％的熔体被保存。

Description

制造颗粒状高炉炉渣的方法和设备
技术领域
本发明涉及生产颗粒状高炉炉渣的方法，其通过冷卻和研碎在熔炼过程中积聚的炉渣而获得。
背景技术
在波特兰水泥的生产中，由于高温处理以及原料中含有的碳酸盐，会产生相当高的二氧化碳排放，数量达到约800kg CO2/t(吨)波特兰水泥熟料。鉴于潜在的全球变暖，必须采取措施以降低二氧化碳温室气体的排放。
一种在水泥生产中可能减少CO2排放的方法是以潜在的水性掺合料取代部分波特兰水泥熟料。为此，尤其理想的是能够从在高炉冶炼过程所产生的炉渣中获得颗粒状高炉炉渣。
在公知的高炉冶炼中，通过铁氧化物的还原可得到铁。为此目的，除氧化铁矿石之外，焦炭以及诸如石英和生石灰的添加物会起化学反应。从高炉中可分别取回生铁和浮渣。当炉渣从高炉中取出时，炉渣被骤冷并在炉渣研磨装置中被磨碎。
然而，现有的高炉冶炼过程被优化获得生铁，而炉渣成为高炉冶炼过程的副產品或废品，而且只聚累有限的数量。
获自炉渣中的颗粒状高炉炉渣是水泥的重要成分。增加这种水泥成分是有利的且有时是渴求的，特别是关于减少CO2。
发明内容
因此，本发明研发一种方法和设备以解决所述的问题，所述方法和设备使颗粒状高炉炉渣的制造特别经济实惠，以致藉此增加水泥中颗粒状高炉炉渣的比例亚减少水泥制造中CO2的排放。
通过权利要求1和26的特征可解决本发明的问题。
在依照本发明的制造颗粒状高炉炉渣的方法，可骤冷和研碎在熔炼过程中积聚的炉渣，在该操作中，造渣原料被送进熔炼过程，并且炉渣作为熔炼过程的主产物而被取出，同时超过50％的熔体保持完整。
与公知的高炉冶炼相似，本发明的新颖的方法也使用一种熔体，在该熔体上形成浮渣。然而，不同于公知的过程的是，本发明的造渣原料被送进熔炼过程中。此外，不是熔体，而是炉渣作为熔炼过程的主产物被取出，同时超过50％、最好超过90％的熔体保持完整。
以这样的方式，可以在工业规模上非常经济地制造出颗粒状高炉炉渣。这样便可使水泥中有较高比例的颗粒状高炉炉渣，以致可以在水泥制造过程中减少CO2的排放。
依照本发明的制造颗粒状高炉炉渣的设备主要包括：
a)用于预热和预先煅烧细粒状造渣原料的预热器和煅烧炉；
b)具有至少一个熔体的熔炼反应器；
c)将已预热和预先煅烧的細粒状造渣原料引入熔体的装置；
d)从熔炼反应器取回部分炉渣的装置；
e)迅速冷却已取出的炉渣以达到非晶态的冷却装置。
本发明的进一步实施方式构成从属权利要求的主题。
依据本发明较佳的实施例，在颗粒状高炉炉渣制造过程中产生的废气进一步被送进CO2处理阶段、CO2储存阶段和/或CO2使用/回收阶段，以便藉此进一步减少进入大气的CO2比例。
依据本发明的另一实施例，首先预热细粒状的造渣原料，预先煅烧至少一部分造渣原料，然后送进熔炼过程。造渣原料的预热也可分成两部分量进行，至少其中一部分量在原料送进熔炼过程之前已预先煅烧。在该实施例中，所述一部分量可使用来自熔炼过程中的废气来预热，而另一部分量可使用来自预先煅烧阶段的废气来预热。
此外，所述已预热和预先煅烧的原料最好是以细粒状加入到熔体内。
空气，特别是来自冷却器的的废气可在熔炼过程和/或预先煅烧过程中用作助燃空气。然而，空气具有高比例的氮，因此助燃需要大量的空气。另外丢弃这些废气量是不经济的。因此，这就希望增加废气中的CO2含量，以便以这样的方式得到一种经济的处理、储存和利用/回收。
增加废气中CO2含量的一种可能的方法是在颗粒状高炉炉渣的制造过程中使用具有至少75摩尔％、最好90摩尔％氧含量的助燃空气。在预先煅烧和熔炼过程中均可使用这种助燃空气。仅这一措施本身就可使废气中CO2含量能够增加到超过70％。
通过向熔体增加燃料，可以产生维持熔体所需的能源。在上述的方法中，大约60％的CO2排放来自包含在原料中的石灰石，同时大约40％则来自助燃空气。为了减少由燃料而引起的CO2排放，在熔炼过程中可使用以氢作为燃料的技术。
在颗粒状高炉炉渣制造过程中排放出的含有CO2的废气可进一步经受CO2净化或脱水和压缩，以及可选择地经受低温相位分离的处理。
另一种可选方法是将含有CO2的废气作为营养培养基供应给其中使用植物、特别是藻类的生物反应器。
所述植物可用作燃料，特别是在熔炼过程中。
取出的炉渣迅速地被冷却，使得至少大部分炉渣以玻璃状态凝固。冷却的过程可分为两个阶段，首先以液态的冷却介质冷却，然后以气态的介质冷却。
冷却的炉渣随后被研碎成細碎粒，至少一部分的冷却炉渣被研碎成布莱因(Blaine)细微粒度指数至少为3,500-8,000，最好布莱因细微粒度指数至少为10,000。
对于制造水泥的方法，其中所述水泥包含至少熟料和作为成分的颗粒状高炉炉渣，可以使用根据上述方法制造的至少一部分颗粒状高炉炉渣，所述颗粒状高炉炉渣总体的至少一部分具有上一段落所述的微粒度。
根据较佳的变型，所述熔炼过程工作在还原情况下且具有金属熔体，造渣原料供应给所述熔炼过程且炉渣作为熔炼过程的主产物而被取出，而熔体基本上保持完整。
附图简要说明
参照以下的说明书中的具体实施例和附图，将更加详细地解释本发明的优点和结构，其中：
图1所示为依照第一实施例的制造颗粒状高炉炉渣设备的结构方框图；
图2所示为依照第二实施例的制造颗粒状高炉炉渣设备的结构方框图；
图3所示为依照第三实施例的制造颗粒状高炉炉渣设备的结构方框图；
图4所示为依照第四实施例的制造颗粒状高炉炉渣设备的结构方框图；
图5所示为依照第五实施例的制造颗粒状高炉炉渣设备的结构方框图；以及
图6所示为依照第六实施例的制造颗粒状高炉炉渣设备的结构方框图。
具体实施方式
图1所示的制造颗粒状高炉炉渣的设备包含用于细粒状造渣原料的预热器1和煅烧炉2、熔炼反应器3、冷却装置4和研碎装置5。
造渣原料6被送进预热器1，然后作为已预热的原料7进入煅烧炉2，最后再作为已预先煅烧的原料8加入到熔炼反应器3的熔体9中。将熔炼反应器3的废气10送进煅烧炉2，其中还供以燃料11和助燃空气12，所述的废气可以以热废气的形式来自冷却装置4。煅烧炉的废气13进入预热器1，而预热器的废气14以已知的方法可不含灰尘。
将可再次以来自冷却装置4的热废气形式进入的燃料15和助燃空气16供应给熔炼反应器3。煅烧炉中的助燃空气和熔炼反应器中的助燃空气16同样可以是纯氧或富含氧的助燃空气的形式。
在熔炼反应器中形成的浮渣17因具有不同的密度而与金属熔体19分离，并且作为实用的产品从熔炼反应器3中被取出(箭头18)，同时超过50％、最好超过90％的熔体留在熔炼反应器3中，通过适当的供给或取出材料来补偿熔体的任何较小的损耗或多余的熔体。
取自熔炼反应器3的已熔化的炉渣17在冷却装置4中迅速地冷却，以致使至少大部分炉渣以玻璃状态凝固。取出的炉渣可分两个阶段冷却，先以液态的冷却介质19例如水冷却，然后以气态的冷却介质尤其是空气冷却。
然后，以这种方式生产的主要是非晶形的颗粒状高炉炉渣在研碎装置5中被研碎成細碎粒，其中颗粒状高炉炉渣的研碎可与熟料21和其它添加物22的研碎分开或结合执行。从研碎装置5中取出标准编号的水泥2，其具有需要的粒度分布亚含有高比例的颗粒状高炉炉渣。当研碎分开执行时，水泥的成分在一个混合器中搅拌均匀以形成水泥。
在接下来将描述的实施例中，为了便于理解，对于设备中相同的部件将使用相同的编号。
第二实施例制造的颗粒状高炉炉渣的设备(图2)与第一实施例不同处首先在于设置了空气分离系统25和CO2处理装置26，其次是预热器1的部分废气14’返回到煅烧炉2和/或熔炼反应器3。
空气分离系统25用于制造氧气，其可用作煅烧炉2中的助燃空气12和/或熔炼反应器3中的助燃空气16。在这方面，助燃空气可能由纯氧气构成或者具有至少75摩尔％、最好至少95摩尔％的氧含量。
因为氮的比例相应减少，氧气或富氧空气的使用可显著地减少燃烧所需的助燃空气量。与以正常助燃空气操作的设备做比较，这一措施本身就可使废气14中CO2含量能够增加约25％至70-75％。
如果煅烧炉2是气流煅烧炉的形式，则需要最小数量的载运气体，该载运气体一般由熔炼反应器的废气10和助燃空气12构成。然而如果助燃空气的量因高含氧量而减少，则有必要使预热器1废气的一部分量14’或者煅烧炉废气的一部分量再循环至煅烧炉2，以便有足够的载运气体量可用。
然而，如果煅烧炉2是流化床反应器的形式，载运气体的量可能会减少直至不再需要煅烧炉和/或预热器废气的再循环。这样将有利地防止由再循环所引起的再碳酸化。
预热器1适宜由旋流式换热器构成，虽然这样不可避免地涉及预热过程中大量的渗入空气。不过，在此变型中，废气14中的CO2含量可达到约70-75％。但是，在目前的发展阶段，CO2的存储仅在从至少96％起的含量才是实用的。
为此，将废气14送进CO2处理装置26，废气连续地通过脱水机26a、压缩机26b和排气机26c。用低温相位分离系统26d可进一步达到废气的含量。在该过程尾声部分得到的含有CO2的气体是高浓度的，以致有可能进行经济的储存和/或其它的使用/回收。剩余的残留气体27用管道送到大气中或在别处使用。
在第三实施例(图3)中，设有两个预热器1a、1b，其中一个预热器1a与煅烧炉2的废气管连接，而另一个预热器1b与熔炼反应器3的废气管连接。只有熔炼反应器3的废气10因而流过预热器1b，而煅烧炉2的废气13流过预热器1a。因此，造渣原料分为两部分量6a和6b也被分别引入预热器1a和1b。但是，在预热器1b中预热的原料7b的部分量被直接送入熔炼反应器3，在预热器1a中预热的部分量7a先在煅烧炉2预先煅烧，并且以预先煅烧的原料的部分量8a的形式进入熔炼反应器3。
如果在此变型中另外以纯氧或至少富含氧的助燃空气操作煅烧炉2，煅烧炉的废气13和预热器1a的废气14产生的CO2含量已经相当高。因为原料在两个预热器之间分享，预热器相应地较为小型，以致进入的渗入空气大致减半。这意味着对于大致相同的热能消耗，CO2的含量将越高，并且含量可以超过80％。
通过再次使用纯氧或富含氧的助燃空气，助燃空气量由于高含氧量而减少，这样有必要使预热器1废气的部分量14’或者煅烧炉废气的部分量再循环至煅烧炉2，以致有足够的载运气体量可用。
无论如何，在依照图3的第三实施例中，熔炼反应器3的废气流过预热器1b，该预热器的废气28毫无阻碍地流出。较佳地通过在预热器1b中只进行Al2O3、FeO3和SiO2载体的热处理，但不包括碳酸盐，可以减少预热器1b废气28中的CO2比例。此外，还有可能以氢来操作熔炼反应器3，那样因燃料缘故可避免CO2的比例。
借助于天然气可在蒸汽转化炉29中产生氢，以及借助于干馏碳31在装置30中产生氢。蒸汽转化炉在此情形下有利地以冷却装置的废热32操作。在下游的CO2分离器33中氢与二氧化碳分离。
图4所示另一具有两个预热器1a和1b的设备，来自煅烧炉2的废气流过预热器1a而来自熔炼反应器3的废气10流过预热器1b。不同于图3的实施例，在预热器1b中已预热的原料的部分量7b不会直接进入熔炼反应器3，而是首先在煅烧炉2与预热器1a已预热的原料的其它部分量7a一起预先煅烧。
图4还显示出在煅烧炉2中使用的助燃空气如何使用冷却装置4的废热32在热交换器34中预热。再循环的废气14’既可用作煅烧炉的助燃空气(如图所示)，也可用作冷却装置4中的冷却空气。
煅烧炉2的助燃空气12的预热原理也记载在图5的实施例中。在此，无论如何，再次只设有一个预热器1，但与首两个实施例相反，只有熔炼反应器3的废气10流过该预热器。将供应给预热器1的原料6以已预热的原料7的形式送进煅烧炉2，允许已预热的助燃空气12、燃料11和煅烧炉废气13的回流部分13’进入煅烧炉。在此变型中，将煅烧炉的废气13顺煅烧炉的下游立即送进CO2处理装置26，以便避免在预热范围内任何渗入空气进入该废气。因为在此通过预热器的废气没有发生冷却，这就可能需要插入冷却装置37，例如蒸汽转化炉。然后可使用该冷却装置进行例如发电或产生氢。
以这种方式，废气13中的CO2含量可达到96％和以上，以致如果要储存CO2德恒，只需要脱水以及之后进行压缩。当然，也可导出气体用于不同的用途或回收。的确在该变型中，必须小心确保CO2的部分量未減少地排放至预热器1的下游。为了减少这些CO2的排放，可用以氢操作熔炼反应器3。该燃料对于依照图4实施例的情况同样有效，以避免因燃料缘故的CO2比例。然而，废气28的高温会导致耗热量显著地增加。
最后，图6示出一种设备，其中CO2处理装置26由废气14的CO2净化器26e和已用溶剂再生装置26f构成。装置26f在此可由冷却装置4的废热32操作。脱硫装置38有利地连接在CO2净化器26e的上游。
因为颗粒状高炉炉渣的制造比熟料的生产大量地降低了CO2的排放，增加水泥中颗粒状高炉炉渣的比例将致使CO2的排放大大地减少。如果可以更多地独立或结合地使用不同实施例中所揭示的可能性，在颗粒状高炉炉渣的制造中的CO2排放会更加减少。以高浓度的形式，含CO2的废气可储存在适当的储存器中。
然而，含CO2的废气也有可能用于制造燃料，理想地用于制造颗粒状高炉炉渣的燃料。为此，可提供带有植物、特别是藻类的生物反应器，引导含CO2的废气通过该生物反应器。通过光照，藻类因光合作用使CO2转化成生物物质和氧。该生物物质然后可在熔炼反应器3中用作燃料。以这种方式使用含CO2的废气，则不一定总是需要CO2处理，以致废气能够用管道立即在煅烧炉或预热器的下游送往生物反应器。图2中的虚线指出该生物反应器35。此外，生物反应器也可用于其它的实施例。
任意地，除尘装置36可用于在废气进入生物反应器35之前从废气中移除废尘。因为藻类在收成后天然地具有高水分含量，可选择性地使用在冷却器24中加热的气态冷却介质的热力来使干燥器39中的藻类脱水。

Claims (26)

1.一种制造颗粒状高炉炉渣的方法，所述颗粒状高炉炉渣通过冷卻和研碎在熔炼反应器(3)中积聚的炉渣(17)而获得，其特征在于，首先预热细粒状的造渣原料(6)，并预先煅烧至少一部分量的造渣原料，然后供给熔炼反应器(3)，其中，把已预热和预先煅烧的原料(8)以细粒状加入熔体内，并且形成的炉渣从熔炼反应器(3)取出，同时超过50％的熔体保持在熔炼反应器(3)中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，超过90％的熔体保持在熔炼反应器(3)中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在颗粒状高炉炉渣的制造过程中放出的废气(13，14)被送进CO2处理阶段、CO2储存阶段和/或CO2使用/回收阶段。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在颗粒状高炉炉渣的制造中使用具有至少75摩尔％氧含量的助燃空气(12，16)。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在预先煅烧已预热原料的过程中使用具有至少75摩尔％氧含量的助燃空气(12)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在熔炼过程中使用具有至少75摩尔％氧含量的助燃空气(16)。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过向熔体增加燃料(15)，产生维持熔体所需的能源。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在熔炼过程中使用氢作为燃料(15)。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的造渣原料分成至少两部分量(6a,6b)进行预热，至少其中一部分量(7a)在原料供应给熔炼过程之前预先煅烧。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，一部分量(6b)以来自熔炼过程中的废气(10)预热，而另一部分量(6a)以来自预先煅烧的废气(13)预热。
11.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在CO2的处理过程中将废气(14) 脱水和压缩。
12.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在CO2的处理过程中，废气(14)经受CO2净化。
13.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在CO2的处理过程中，废气(14)经受低温相位分离。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在颗粒状高炉炉渣的制造过程中排放出的含有CO2的废气作为营养培养基供应给使用植物的生物反应器(35)。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述生物反应器(35)使用的植物是藻类。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，以这样方式使用的植物体在熔炼过程中用作燃料(15)。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过排放过程产生的气体预热制造颗粒状高炉炉渣所需的助燃空气(12)。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，取出的所述炉渣(17)迅速地被冷却，以致至少大部分炉渣以玻璃状态凝固。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，取出的所述炉渣(17)分两个阶段冷却，先以液态的冷却介质(19)冷却，然后以气态的冷却介质(24)。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述冷却的炉渣被研碎成細碎粒。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，至少一定比例的冷却炉渣被研碎成布莱因细微粒度指数至少为3,500-8,000。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，至少一定比例的冷却炉渣被研碎成布莱因细微粒度指数至少为10,000。
23.一种制造水泥的方法，所述水泥包括至少熟料和作为成分的颗粒状高炉炉渣，其特征在于，所述方法包括使用依据上述一项权利要求所述的方法制造至少部分颗粒状高炉炉渣，并且颗粒状高炉炉渣总体的至少一部分具有如权利要求21所述的微粒度。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述炉渣(17)在熔炼过程中积聚，所述熔炼过程在金属熔体(9)的还原状况下进行。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，供应给熔炼过程的原料主要为造渣原料，而不是铁矿石。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，通过材料的适当供给或取回，来补偿熔体的任何较小损耗或多余的熔体。
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