CN102574742B - 由烃燃料和强度增强金属氧化物的燃烧产物制备水泥添加剂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供烃燃料和控制量的金属氧化物强度增强材料的燃烧产物。该燃烧产物可用作水泥质材料的添加剂。将烃燃料例如煤引入燃烧室(12)，并且还将选择量的包含CaO、SiO2和Al2O3的材料引入室(12)和/或室(12)的下游。烃燃料进行燃料同时金属氧化物强度增强材料彼此和/或与灰分或者烃燃料的其它反应产物反应。所述燃烧产物被发现显著增加水泥例如波特兰水泥的压缩强度。金属氧化物强度增强材料引入燃烧过程还使得SO2排放水平减少。

Description

由烃燃料和强度增强金属氧化物的燃烧产物制备水泥添加剂
发明领域
本发明涉及由烃燃料燃烧产物制备水泥添加剂，并且更特别涉及在燃烧过程期间引入强度增强金属氧化物，制得当加入水泥时显著增加压缩强度的材料。
背景信息
煤燃烧产物，主要是炉底灰和飞灰占废流材料的显著百分比，这对跨越美国和世界范围的垃圾填埋场和储存池提出巨大的要求。在一些储存条件下，煤飞灰可能对环境造成负面影响。涉及废物处理和这些材料的储存的意外事故近年来造成美国环境保护协会重新撰写其的用于废灰产品安全储存的处理程序。
将有利的是将灰分用于混凝土和其它密封应用，由此将潜在的滤出降低至远远低于可用极限的水平。然而，存在提高这种混凝土产品的性能，特别是它们的压缩强度的需要。
鉴于前述内容并且为了修正现有技术的其它缺陷，开发了本发明。
发明内容
本发明提供烃燃料和控制量的金属氧化物强度增强材料的燃烧产物。该燃烧产物可用作水泥质材料的添加剂。将烃燃料例如煤引入燃烧室，并且还将选择量的包含氧化钙、二氧化硅和氧化铝(CaO、SiO2和Al2O3)的材料引入室。烃燃料进行燃料同时金属氧化物强度增强材料彼此和/或与灰分或者烃燃料的其它反应产物反应。所述燃烧产物被发现显著增加水泥例如波特兰水泥的压缩强度。金属氧化物强度增强材料引入燃烧过程还使得SO2排放水平减少。
本发明的一个方面是提供一种水泥质材料，其包含水泥和水泥添加剂，所述水泥添加剂包含烃燃料和强度增强材料的燃烧产物，所述强度增强材料包含控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝，其中水泥添加剂使水泥质材料的28天压缩强度相比没有水泥添加剂的水泥质材料的28天压缩强度增加。
本发明的另一个方面是提供一种水泥混合物，其包含水泥和水泥添加剂，所述水泥添加剂包含烃燃料和至少10重量％强度增强材料的燃烧产物，所述强度增强材料包含控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝，其中水泥添加剂使水泥质材料的28天压缩强度相比没有水泥添加剂的水泥质材料的28天压缩强度增加。
本发明的另一个方面是提供一种水泥添加剂，其包含烃燃料和至少8重量％的强度增强材料的燃烧产物，所述强度增强材料包含控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝，其中当所述水泥添加剂加入水泥时，其使水泥的28天压缩强度增加多于20％。
本发明的另一个方面是提供一种制备水泥添加剂的方法，包括：在至少一种金属氧化物强度增强材料的存在下使烃燃料燃烧，形成包含控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝的燃烧产物，其中水泥添加剂包含数量为约20-约80重量％CaO、约5-约60重量％SiO2，和约5-约40重量％Al2O3的相对重量比例的氧化钙、二氧化硅和氧化铝。
本发明的另一个方面是提供一种改性烃燃料燃烧产物的方法，包括：将烃燃料以及包含控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝的强度增强材料引入燃烧室，在燃烧室中加热烃燃料强度增强材料，得到燃烧产物，和回收燃烧产物，所述燃烧产物包含数量为约20-约80重量％CaO、约5-约60重量％SiO2，和约5-约40重量％Al2O3的相对重量比例的CaO、SiO2和Al2O3。
本发明的另一个方面是提供一种燃烧系统，其包括：用于燃烧烃燃料和强度增强材料的燃烧室，烃燃料源，强度增强材料源，构造成将烃燃料和强度增强材料送入燃烧室的至少一个喷射器，和与室相连的用于监控烃燃料和强度增强材料的燃烧产物的至少一种性能的传感器。
本发明的这些和其它方面将从以下描述中更加明显。
附图简述
图1-3是说明根据本发明的实施方案通过控制在煤燃烧期间引入的金属氧化物强度增强添加剂的种类和数量实现的燃烧产物中CaO、SiO2和Al2O3的相对量的三相图。
图4是根据本发明的实施方案的示出了用于煤和金属氧化物强度增强材料的注射点，和用于现场监控的传感器位置的烧煤发电站的某些元件的部分示意图。
图5-8是表示根据本发明的实施方案的包含强度增强添加剂的水泥质材料的压缩强度的图。
图9是表示根据本发明的实施方案的燃烧产物的碱-二氧化硅反应试验结果的图。
详述
根据本发明，选择的种类和数量的金属氧化物强度增强添加剂与烃燃料一起进行燃烧，制得具有控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝的可用的水泥添加材料。图1是说明根据本发明的实施方案的燃烧产物中存在的根据CaO、SiO2和Al2O3表示的强度增强金属氧化物的相对量的三相图。下表1列出了图1中所示的典型、优选和更优选的CaO、SiO2和Al2O3范围。图1中出现并且本文使用的术语“CaO”、“SiO2”和“Al2O3”是指根据ASTMC114标准包含在水泥添加材料中的氧化钙、二氧化硅和氧化铝的相对重量百分比。
表1
相对重量百分比
典型 优选 更优选
CaO 20-80 22.5-70 25-65
SiO2 5-60 10-57.5 15-55
Al2O3 5-40 7.5-30 10-25
根据本发明的实施方案，在金属氧化物强度增强添加剂的存在下进行燃烧的烃燃料包括烟煤和次烟煤。在其中烃燃料包括烟煤的一个实施方案中，燃烧产物中存在的CaO、SiO2和Al2O3的相对量通常为约20-约60重量％CaO、约25-约60重量％SiO2，和约5-约30重量％Al2O3。例如，在烟煤燃烧产物中CaO、SiO2和Al2O3的相对量可以为约25-约50重量％CaO、约30-约55重量％SiO2，和约10-约25重量％Al2O3。这些范围用图示于图2的三相图中。
在其中烃燃料包括次烟煤的另一个实施方案中，燃烧产物中存在的CaO、SiO2和Al2O3的相对量通常为约47.5-约70重量％CaO、约10-约40重量％SiO2，和约5-约30重量％Al2O3。例如，在次烟煤燃烧产物中CaO、SiO2和Al2O3的相对量可以为约50-约65重量％CaO、约15-约35重量％SiO2，和约10-约25重量％Al2O3。这些范围用图示于图3的三相图中。
制得上述水平的CaO、SiO2和Al2O3的金属氧化物强度增强材料可以是低成本矿物，包括包含氧化钙、二氧化硅和/或氧化铝的废产物，由于当在选择的粒径、用量和温度水平下注入系统时燃烧室例如烧煤锅炉中的温度，因此这可以是有利的。在一个实施方案中，添加剂的组合选自石灰石，废混凝土例如回收的波特兰水泥混凝土，回收的研磨粒化的鼓风炉渣，回收的碎玻璃，回收的碎集料细粒，发烟二氧化硅，水泥窑粉尘，石灰窑粉尘，风化的熔渣，熔渣，铝炉渣，铜炉渣，花岗岩窑粉尘，沸石，石灰石采石场粉尘，红泥，细碎的矿尾料，油页岩细粒，炉底灰，干燥储存的飞灰，填埋的飞灰，成池的(ponded)飞灰，锂辉石(sopodumene)硅酸铝锂材料，含锂矿石和其它包含氧化钙、二氧化硅和/或氧化铝的废物或低成本材料。根据本发明的某些实施方案，金属氧化物强度增强材料可以包含一种或多种以下材料：7-20重量％石灰石；1-5重量％研磨粒化的鼓风炉渣；1-5重量％碎混凝土；0.1-2重量％碎玻璃；0.1-5重量％高岭土；和0.01-1重量％发烟二氧化硅。所述添加剂可以希望的粒径范围提供并且以与煤相同的区域或者其它区域中引入燃烧室。
本发明的燃烧产物可以加入各种水泥，包括波特兰水泥。例如，所述燃烧产物可以占水泥质材料的大于10重量％，通常大于25重量％。在某些实施方案中，添加剂占水泥质材料的30-95重量％。
除了其产生用于电能的蒸汽的正常功能外，本发明的一个实施方案使用发电站的烧煤锅炉作为化学处理容器以制备燃烧产物。可以采用该方法，不会降低锅炉产出的效率同时制得具有控制的规格和对于建筑市场具有较高商业价值的商品。所得的灰分产品被设计为具有有利的凝硬性能用于与波特兰水泥，或者与也可以是波特兰水泥的直接替代物的也产生凝硬的不同化学改性物组合使用。在两种情形下，优点可以是经济和环境的。减少了填埋需要，并且通过避免灰分的运输和填埋得到成本节省。另外，对于灰分代替波特兰水泥的程度，其减少了由波特兰水泥的生产产生的二氧化碳和其它有毒排放物的量。
图4示意性说明烧煤发电站10的某些元件。该发电站包括燃烧室12，例如常规的切向点火燃烧器结构。粉碎的煤通过至少一个煤入口管14引入燃烧室12。煤料斗15进料到煤粉碎机16，煤粉碎机将煤粉碎至希望的粒径用于引入燃烧室12。粉碎的煤可与热空气混合并且吹过入口14进入燃烧室12，在那里煤燃烧。
金属氧化物强度增强添加剂可以通过煤入口管14，或者单独通过一个或多个另外的入口管17和18引入燃烧室12。该强度增强添加剂可以储存或者从添加剂输送系统19分配，所述系统包括常规的颗粒材料储存料斗、计量系统和用于将添加剂输送到煤入口管14和/或另外的入口管17和18的输送系统。
水流过锅炉20的管衬里的壁，在那里其被燃烧的燃料加热形成水蒸汽，其通入蒸汽涡轮21。燃烧产物从锅炉区域通入颗粒收集区22，在那里收集固体燃烧产物并且转移到料斗24。废气通过洗涤器28并且通过排气管29排出。至少一个传感器30可以装配在燃烧室12中或者燃烧室12的下游。
当燃烧气体从燃烧区升起并且在该区上方凝结时，煤飞灰基本由燃烧气体形成。一般而言，当温度处于1,800-2,200℉范围内时，这些气体形成主要无定形的中空球。取决于使用的煤(使用煤作为例子)的化学性质，灰分是来自于烟煤燃烧的氧化铝-硅酸盐，或者是来自次烟煤燃烧的钙-氧化铝-硅酸盐。尽管得自次烟煤的飞灰可以自粘结，但得自烟煤的飞灰可能不能自粘结。
根据本发明，化学添加剂比如列出的那些可以使得得自煤的灰分可以通过调节其的氧化钙、二氧化硅和氧化铝比例而增强最佳的灰分性能的方式直接加入锅炉。另外，添加剂例如粘土，包括高岭土可以加入锅炉。这些材料可能不分解并且与灰分重新组合，相反可以热活化并且通过锅炉中固有的高度对流流动模式紧密混合。结果是完全通过锅炉燃烧过程实现的均匀灰分/添加剂共混物，并且不需要二次加工。实质上，由于来自燃烧产物的蒸气当它们从高温区升起时凝结，因此将形成玻璃态氧化钙-氧化铝-硅酸盐。分散在烟柱中的气化添加剂将成为玻璃态相的一部分，而未气化的那些将充当用于凝结蒸气的核。未参与玻璃态相形成的其它添加剂可与灰分紧密混合，制得高度反应性的凝硬性混合物。例如，引入锅炉的高岭土可能不参与灰分形成，但可以转变成变高岭石，在另外的情况下是昂贵的添加剂。
金属氧化物强度增强材料直接紧密共混到锅炉中允许添加剂与烃燃料一起燃烧合成，并且依赖于由锅炉中或附近的对流产生的紧密混合以制得化学改性的飞灰。该共混可以在锅炉的主燃烧区中、直接在锅炉中的主燃烧区上方，或者在锅炉的下游进行。例如，另外的添加剂例如高岭土、变高岭石、二氧化钛、发烟二氧化硅、沸石、硅藻土等可以在该下游位置在其中煤燃烧产物凝结成无定形飞灰颗粒的其它点加入。在一个实施方案中，可以加入相对低成本高岭土并且在工艺期间转化成变高岭石，由此使得经济地制备当加入水泥时具有希望的强度增强性能的变高岭石。由于被选择为燃料的添加剂的材料，因此所得的灰分副产物可被设计成具有一定的化学结构，所述化学结构将使得其能够与波特兰水泥一起充当水泥质粘合剂用于水泥或混凝土的强度增强性能。注射的颗粒在一些情形中比所得的灰分颗粒大得多，这表明强烈的高温混合通过强烈碰撞以及通过化学燃烧造成颗粒减少/磨损。例如，燃烧产物的平均粒径可以小于20微米，通常小于10微米，而至少一些起始添加材料的平均粒径可以大于50或100微米。
除了使用锅炉烟柱的强烈共混性质用于独特的灰分产物的燃烧合成，其它有利的添加剂也可以简单地混合在高温气流中以在单个处理步骤中实现紧密混合。可以在不降低煤燃烧工艺的效率情况下完成这种非反应性材料的加入。
另一个实施方案可以包括将一些地面空气或水急冷的炉底灰注入燃料床和直接在燃烧床上方的空间。该空间可以充当活性混合室。加热、空气注射和煤燃烧的组合可以产生用于所有反应性和非-反应性颗粒紧密混合的混合室。
在另一个实施方案中，可以将人造矿物聚合物(geopolymer)水泥加入燃烧工艺以减少废气中的污染物。这类人造矿物聚合物水泥可以充当用于汞、重金属、氮氧化物和硫氧化物以及另外的二氧化硅的粘结剂。
通过注射这些添加剂，在煤燃烧工艺中形成的所得飞灰可以通过将化学化合物包含在这些添加剂内直接进入凝结的飞灰而改性。另外，以该方式加入的不会变得与凝结的飞灰化学结合的一些化学物类与飞灰通过锅炉中的自然对流紧密共混，使得实现非常均匀的共混工艺，而不需要第二次成本密集的所得灰分产品的粉末共混。
根据本发明的实施方案，可以使用烧煤锅炉作为助发电机以产生用于发电的热以及过量的热、燃烧合成和热共混以制得高度反应性凝硬粉末。起始材料粒径和所得产品粒径的比较表明在锅炉内出现燃烧和粉碎的组合，使大的氧化物材料快速减小成细粉末。此外，可以使可燃烧的添加剂与得自煤燃烧的烟共混以允许形成化学增强的煤灰。
本工艺不清洁对于工业应用后产生的废产物，而是避免一起制得废物材料。产生的产品可以在低于其替代的工业材料的生产成本下制备。例如，代替水泥使用的每吨产品也可以将CO2排放降低至接近于0.85吨-由被替代的水泥生产产生的相当的排放。
在另一个实施方案中，提供一种在其它材料加入后测试所得的煤燃烧灰分并且调节燃烧参数和材料以在所得的煤燃烧灰分中达到氧化钙、二氧化硅和氧化铝目标水平的方法。该测试和调节可以包括直接测量氧化钙、二氧化硅和氧化铝以及其它反应性和非-反应性要素的含量。该方法还可以包括测量由所得的煤燃烧灰分制成的混凝土的性能，以确定由所得的煤燃烧灰分制成的混凝土的早期强度、后期强度、塌落和凝结时间。测量可以与运算法则结合以迅速评价数据并且在真实时间里改变进料速率。
测试方法可以使用x-射线衍射(XRD)方法，包括Rietvield分析、x-射线荧光(XRF)或鉴定所述组分的任何其它方法测量组分例如氧化钙、二氧化硅和氧化铝以及其它反应性和非-反应性要素。这些方法可以在线或离线使用。测量强度(早期和后期)、凝结时间和塌落的方法可以来源于在ASTM标准中相对于这些性能的测量，或者通过量热计的水合热测量，或者导电率的测量提供的方法，或超声方法，或者可以测量或推断任何上述性能的任何其它方法。
在一个实施方案中，传感器引入锅炉，当灰分产品产生时所述传感器可以监控灰分产品的现场质量/化学性质。传感器可以包括常规的剩余气体分析仪、x-射线荧光光谱仪、质谱仪、原子吸收光谱仪、感应耦合等离子体发射光谱仪、傅里叶转换红外光谱仪，和用于进行激光诱导的击穿光谱的激光仪，以及汞分析仪、NOx检测仪和SOx检测仪。通过这些技术测量的气体水平等可与灰分产品的最佳化学性质联系。
传感器可以将实时的监控反馈提供给管理员或者自动化的分析系统。例如，传感器可以将测量的性能值传输给管理员，其将测量值与参考值比较并且基于此调节强度增强材料的流动速率。管理员可以将信号传输给一个或多个添加剂注射器，以增加或降低添加剂进入燃烧区的流动速率。该反馈系统的目的是直接与单个化学添加剂来源连接并且调节它们的进料速率，以保持最佳混凝土性能所需的灰分化学质量。
在改进的煤燃烧工艺期间使用气体分析设备，还可以测量通过煤燃烧工艺产生的流出气体。一般而言，这些气体包括NOx、SOx、CO2和汞。通过预先分析这些气体范围以及所得的灰分反应性，可以使用气体监控工艺使化学添加剂的加入最优化。以该方式，可以在煤燃烧工艺期间在线，即实时调节最佳的反应性灰分化学性质，使得所得的煤灰的化学性质最优化。
以下实施例意在说明本发明的各个方面，并且不意在限制本发明的范围。
在以下实施例中，将粉碎的烟煤或次烟煤连同下表2中列出的添加剂一起注射到锅炉中。烟煤从SouthwesternIndiana的Triad矿获得，并且粉碎至40微米的平均粒径。次烟煤为粉碎至40微米的平均粒径的EagleButte煤。每种添加剂的平均粒径列在表2中。在每一情形下，将随后的灰分产品在30和60重量％下作为波特兰水泥的添加剂测试。选择的样品在1、7、28和56天的强度根据标准ASTMC109测试步骤测试。作为基线，对于100％波特兰水泥，1天压缩强度为3,000psi，7天压缩强度为5,000psi，并且28天压缩强度为5,900psi。
表2
添加剂 平均粒径
A.粉碎的石灰石 80微米
B.研磨粒化的鼓风炉渣(GGBFS)1 8微米
C.研磨的回收混凝土2 200微米
D.研磨的回收玻璃 100微米
E.高岭土3 3微米
F.纳米二氧化钛 0.04微米
G.发烟二氧化硅 20微米
1研磨粒化的鼓风炉渣包含约40重量％SiO2、约39重量％CaO、约13.5重量％Al2O3、约3.5重量％MgO，和约1.8重量％Fe2O3。
2研磨的回收混凝土包含约68重量％SiO2、约9重量％Al2O3、约7.5重量％CaO、约4重量％Fe2O3、约1.2重量％MnO，和约8重量％水分。
3在工艺期间，高岭土转化成变高岭石，其包含Al2Si2O5(OH)4。
在2,100℉温度下将添加剂A直接注射在燃烧区的上方。添加剂B、C、D和G在带式共混机中与粉碎的煤预先共混，并且在2,300℉(次烟煤)和2,800℉(烟煤)温度下注射到燃烧区中。添加剂E和F在1,900℉温度下注射在燃烧室的顶部。
实施例1
将烟煤与下表3中列出的类型和数量的金属氧化物强度增强材料混合。然后将每一混合物引入切向点火燃烧器的燃烧区。对于每一样品，所得的燃烧产物的平均粒径列于表3中。在每一情形下，燃烧产物的平均粒径小于10微米并且显著小于起始的煤和添加剂材料的粒径。根据ASTMC114标准测量，每一样品中包含的CaO、SiO2和Al2O3的相对量也列于表3中。CaO、SiO2和Al2O3的相对量绘制在图2的三相图上，每一样品标号。
表3
燃烧产物-烟煤
1所得的产物包含变高岭石，而不是高岭土。
实施例2
将实施例1的燃烧产物样品与波特兰水泥以30重量％燃烧产物和70重量％波特兰水泥的比例混合。将每一共混的混合物与砂和水组合，并且根据标准ASTMC109测试步骤在1、7、28和56天测试压缩强度进展。测量的压缩强度列于下表4中并且示于图5中。
表4
压缩强度-烟煤-30％燃烧产物
实施例3
重复实施例2，除了将燃烧产物以60％添加剂和40％波特兰水泥的量加入波特兰水泥。每一样品的压缩强度列于下表5中并且示于图6中。
表5
压缩强度-烟煤-60％燃烧产物
实施例4
将次烟煤与下表6中列出的类型和数量的强度增强添加剂混合。然后将每一混合物引入切向点火燃烧器的燃烧区。对于每一样品，所得的燃烧产物的平均粒径列于表6中。在每一情形下，燃烧产物的平均粒径小于10微米并且显著小于起始的煤和添加剂材料的粒径。根据ASTMC114标准测量，大多数样品中包含的CaO、SiO2和Al2O3的相对量也列于表3中，并且绘制在图3中。
表6
燃烧产物-次烟煤
1所得的产物包含变高岭石，而不是高岭土。
实施例5
将实施例4的燃烧产物样品与波特兰水泥以30重量％燃烧产物和70重量％波特兰的比例混合。将每一共混的混合物与砂和水组合，并且根据标准ASTMC109测试步骤在1、7、28和56天测试压缩强度测试。测量的压缩强度列于下表7中并且示于图7中。对应于得自相对低的氧化钙加入量的燃烧产物的样品No.1的压缩强度显著小于得自显著更高量的各种加入量的其它样品。并且，为了比较目的，还制备100％波特兰水泥样品，压缩强度列于表7中并且示于图7中。
表7
压缩强度-次烟煤-30％燃烧产物
实施例6
重复实施例5，除了将燃烧产物以60％添加剂和40％波特兰水泥的量加入波特兰水泥。每一样品的压缩强度列于下表8中并且示于图8中。
表8
压缩强度-次烟煤-60％燃烧产物
根据本发明，包含本燃烧产物添加材料的水泥材料的压缩强度显著增加高于没有添加剂的类似水泥材料的压缩强度。例如，28天压缩强度可以增加至少20或30％，通常至少30或40％，或者更多。
实施例7
在烟煤和添加剂的燃烧产物(上表3中的样品No.12)与由次烟煤燃烧得到的标准C级飞灰之间进行比较，以确定混凝土混合物中的耐碱-二氧化硅性。图9中的数据表示根据ASTMC1260标准使用两种不同的煤灰类型的碱-二氧化硅反应试验的结果。位于图的左下角的盒形表示其中包含水泥材料的混凝土混合物应保持以被认为至少14天的耐碱-二氧化硅性的区域。顶部曲线是作为标准燃烧副产物由次烟煤制造的C级灰的碱-二氧化硅反应。示出了将通过碱-二氧化硅材料标准的数据的底部曲线对应于根据本发明实施方案的包含烟煤和含有氧化钙、二氧化硅和氧化铝的添加剂的反应产物的样品No.12。本发明的水泥质粘合剂超过了由次烟煤得到的C级灰的ASTM标准，并且还提供了符合ASTM标准的增强的耐碱-二氧化硅性，和与由次烟煤得到的C级灰相比增强的强度。
上述结果证实在28天和以外获得增强的压缩强度，以及加快的凝结时间。添加材料的反应活性水平还使得比用未处理的飞灰通常可行的高得多的替代率。在60％替代水平下，早期强度证明是足够的并且晚期强度显著。还重要的是观察到在不造成锅炉的效率损失、降低的工作温度或者任何成渣的情况下完成这些增强。流出物控制同样未受影响，SOx、NOx和汞去除水平保持在可接受范围内，并且如下所述对SOx除去有明显有利并且协同的影响。
除了上述测试外，进行试验测量SOx、NOx和汞水平，以确保金属氧化物强度增强材料的加入将不会对这些杂质的除去导致负面影响，由此增加锅炉的正常操作成本。确定另外的材料加入对于汞除去和NOx控制具有极少影响至没有影响，同时SOx除去得到改进。后者部分归因于加入石灰石作为工艺中使用的原料的一种，但当加入其它材料超过石灰石，最显著地是加入高岭土和发烟二氧化硅，实现了甚至更高的SOx除去率。
尽管上面出于解释的目的描述了本发明的特定实施方案，但本领域那些技术人员将显而易见的是可以作出本发明的细节的许多改变，只要不偏离附属的权利要求中定义的发明。

Claims (40)

1.一种水泥质材料，包含：
水泥；和
水泥添加剂，其包含在强度增强材料的存在下燃烧的煤的燃烧产物，所述强度增强材料包含控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝，其中所述强度增强材料包含至少两种选自以下的物质：石灰石，高岭土，废混凝土，回收的研磨粒化的鼓风炉渣，回收的碎玻璃，回收的碎集料细粒，发烟二氧化硅，水泥窑粉尘，石灰窑粉尘，风化的熔渣，熔渣，铝炉渣，铜炉渣，花岗岩窑粉尘，沸石，石灰石采石场粉尘，红泥，细碎的矿尾料，油页岩细粒，炉底灰，干燥储存的飞灰，填埋的飞灰，成池的飞灰，锂辉石硅酸铝锂材料，和含锂矿石，其中水泥添加剂使水泥质材料的28天压缩强度相比没有水泥添加剂的水泥质材料的28天压缩强度增加；其中水泥添加剂包含数量为20－80重量％CaO、5－60重量％SiO2，和5－40重量％Al2O3的相对重量比例的氧化钙、二氧化硅和氧化铝。
2.权利要求1的水泥质材料，其中水泥添加剂包含数量为22.5－70重量％CaO、10－57.5重量％SiO2，和7.5－30重量％Al2O3的相对重量比例的氧化钙、二氧化硅和氧化铝。
3.权利要求1的水泥质材料，其中水泥添加剂包含数量为25－65重量％CaO、15－55重量％SiO2，和10－25重量％Al2O3的相对重量比例的氧化钙、二氧化硅和氧化铝。
4.权利要求1的水泥质材料，其中强度增强材料以所述强度增强材料和煤的总组合重量的至少8重量％的量与煤一起燃烧。
5.权利要求1的水泥质材料，其中强度增强材料以所述强度增强材料和煤的总组合重量的至少10重量％的量与煤一起燃烧。
6.权利要求1的水泥质材料，其中强度增强材料包括选自石灰石、鼓风炉渣、混凝土、玻璃和高岭土的至少两种材料。
7.权利要求1的水泥质材料，其中煤包括烟煤并且强度增强材料包括高岭土。
8.权利要求7的水泥质材料，其中燃烧产物包括变高岭石。
9.权利要求1的水泥质材料，其中基于强度增强材料和煤的总组合重量，强度增强材料包含7－20重量％石灰石。
10.权利要求1的水泥质材料，其中基于强度增强材料和煤的总组合重量，强度增强材料包含1－5重量％研磨粒化的鼓风炉渣。
11.权利要求1的水泥质材料，其中基于强度增强材料和煤的总组合重量，强度增强材料包含1－5重量％碎混凝土。
12.权利要求1的水泥质材料，其中基于强度增强材料和煤的总组合重量，强度增强材料包含0.1－2重量％碎玻璃。
13.权利要求1的水泥质材料，其中基于强度增强材料和煤的总组合重量，强度增强材料包含0.1－5重量％高岭土。
14.权利要求1的水泥质材料，其中基于强度增强材料和煤的总组合重量，强度增强材料包含0.01－1重量％发烟二氧化硅。
15.权利要求1的水泥质材料，其中煤包括烟煤。
16.权利要求1的水泥质材料，其中煤包括次烟煤。
17.权利要求1的水泥质材料，其中燃烧产物具有小于20微米的平均粒径。
18.权利要求1的水泥质材料，其中燃烧产物具有1微米－10微米的平均粒径。
19.权利要求1的水泥质材料，其中水泥添加剂占水泥质材料的大于25重量％。
20.权利要求1的水泥质材料，其中水泥添加剂占水泥质材料的30－95重量％。
21.权利要求1的水泥质材料，其中水泥包括波特兰水泥。
22.权利要求1的水泥质材料，其中水泥添加剂使水泥质材料的28天压缩强度相比没有水泥添加剂的水泥质材料的28天压缩强度增加了多于20％。
23.权利要求1的水泥质材料，其中水泥质材料的28天压缩强度为至少8,000psi。
24.权利要求1的水泥质材料，其中水泥质材料的28天压缩强度为至少9,000psi。
25.一种水泥混合物，包含：
水泥；和
水泥添加剂，其包含在至少10重量％的强度增强材料的存在下燃烧的煤的燃烧产物，所述强度增强材料包含控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝，其中所述强度增强材料包含至少两种选自以下的物质：石灰石，高岭土，废混凝土，回收的研磨粒化的鼓风炉渣，回收的碎玻璃，回收的碎集料细粒，发烟二氧化硅，水泥窑粉尘，石灰窑粉尘，风化的熔渣，熔渣，铝炉渣，铜炉渣，花岗岩窑粉尘，沸石，石灰石采石场粉尘，红泥，细碎的矿尾料，油页岩细粒，炉底灰，干燥储存的飞灰，填埋的飞灰，成池的飞灰，锂辉石硅酸铝锂材料，和含锂矿石，其中水泥添加剂使水泥质材料的28天压缩强度相比没有水泥添加剂的水泥质材料的28天压缩强度增加；其中水泥添加剂包含数量为20－80重量％CaO、5－60重量％SiO2，和5－40重量％Al2O3的相对重量比例的氧化钙、二氧化硅和氧化铝。
26.权利要求25的水泥混合物，其中水泥添加剂占水泥混合物的大于25重量％。
27.权利要求25的水泥混合物，其中水泥添加剂占水泥混合物的30－95重量％。
28.权利要求25的水泥混合物，其中水泥包括波特兰水泥。
29.一种水泥添加剂，其包含在至少8重量％的强度增强材料的存在下燃烧的煤的燃烧产物，所述强度增强材料包含控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝，其中所述强度增强材料包含至少两种选自以下的物质：石灰石，高岭土，废混凝土，回收的研磨粒化的鼓风炉渣，回收的碎玻璃，回收的碎集料细粒，发烟二氧化硅，水泥窑粉尘，石灰窑粉尘，风化的熔渣，熔渣，铝炉渣，铜炉渣，花岗岩窑粉尘，沸石，石灰石采石场粉尘，红泥，细碎的矿尾料，油页岩细粒，炉底灰，干燥储存的飞灰，填埋的飞灰，成池的飞灰，锂辉石硅酸铝锂材料，和含锂矿石，其中当所述水泥添加剂加入水泥时，其使水泥的28天压缩强度增加多于20％；其中水泥添加剂包含数量为20－80重量％CaO、5－60重量％SiO2，和5－40重量％Al2O3的相对重量比例的氧化钙、二氧化硅和氧化铝。
30.一种制备水泥添加剂的方法，包括：在至少一种金属氧化物强度增强材料的存在下使煤燃烧，形成包含控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝的燃烧产物，其中所述强度增强材料包含至少两种选自以下的物质：石灰石，高岭土，废混凝土，回收的研磨粒化的鼓风炉渣，回收的碎玻璃，回收的碎集料细粒，发烟二氧化硅，水泥窑粉尘，石灰窑粉尘，风化的熔渣，熔渣，铝炉渣，铜炉渣，花岗岩窑粉尘，沸石，石灰石采石场粉尘，红泥，细碎的矿尾料，油页岩细粒，炉底灰，干燥储存的飞灰，填埋的飞灰，成池的飞灰，锂辉石硅酸铝锂材料，和含锂矿石，其中水泥添加剂包含数量为20－80重量％CaO、5－60重量％SiO2，和5－40重量％Al2O3的相对重量比例的氧化钙、二氧化硅和氧化铝。
31.一种使煤燃烧产物改性的方法，包括：
将煤以及包含控制量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝的强度增强材料引入燃烧室，其中所述强度增强材料包含至少两种选自以下的物质：石灰石，高岭土，废混凝土，回收的研磨粒化的鼓风炉渣，回收的碎玻璃，回收的碎集料细粒，发烟二氧化硅，水泥窑粉尘，石灰窑粉尘，风化的熔渣，熔渣，铝炉渣，铜炉渣，花岗岩窑粉尘，沸石，石灰石采石场粉尘，红泥，细碎的矿尾料，油页岩细粒，炉底灰，干燥储存的飞灰，填埋的飞灰，成池的飞灰，锂辉石硅酸铝锂材料，和含锂矿石；
在燃烧室中加热煤和强度增强材料，得到燃烧产物；和
回收燃烧产物，所述燃烧产物包含数量为20－80重量％CaO、5－60重量％SiO2，和5－40重量％Al2O3的相对重量比例的CaO、SiO2和Al2O3。
32.权利要求31的方法，其中煤和强度增强材料单独引入燃烧室。
33.权利要求31的方法，其进一步包括：
在燃烧室中监控材料的至少一种性能；和
响应于监控，自动改变强度增强材料的流动速率。
34.权利要求33的方法，其中监控包括使用与燃烧室流体连接设置的传感器。
35.权利要求34的方法，其中传感器包括x-射线荧光光谱仪、质谱仪、原子吸收光谱仪、剩余气体分析仪、感应耦合等离子体发射光谱仪，或傅里叶变换红外光谱仪。
36.权利要求34的方法，其进一步包括：
通过反馈系统从传感器接收性能值；
将该值与参考值比较；和
如果该值不等于或超过参考值，调节强度增强材料的流动速率。
37.权利要求31的方法，其进一步包括：将回收的燃烧产物与水泥共混，得到包含25－95重量％回收的燃烧产物和5－75重量％水泥的改性水泥质产品。
38.一种燃烧系统(10)，包括：
用于燃烧煤和强度增强材料的燃烧室(12)，其中所述强度增强材料包含至少两种选自以下的物质：石灰石，高岭土，废混凝土，回收的研磨粒化的鼓风炉渣，回收的碎玻璃，回收的碎集料细粒，发烟二氧化硅，水泥窑粉尘，石灰窑粉尘，风化的熔渣，熔渣，铝炉渣，铜炉渣，花岗岩窑粉尘，沸石，石灰石采石场粉尘，红泥，细碎的矿尾料，油页岩细粒，炉底灰，干燥储存的飞灰，填埋的飞灰，成池的飞灰，锂辉石硅酸铝锂材料，和含锂矿石；
煤源(15)；
强度增强材料源(19)；
构造成将煤和强度增强材料送入燃烧室(12)的至少一个喷射器(14,17,18)；和
与燃烧室(12)相连的用于监控煤和强度增强材料的燃烧产物的至少一种性能的传感器(30)，其中燃烧产物包含数量为20－80重量％CaO、5－60重量％SiO2，和5－40重量％Al2O3的相对重量比例的氧化钙、二氧化硅和氧化铝。
39.权利要求38的系统，其中传感器(30)包括x-射线荧光光谱仪、质谱仪、原子吸收光谱仪、剩余气体分析仪、感应耦合等离子体发射光谱仪，或傅里叶变换红外光谱仪。
40.权利要求38的系统，进一步包括从传感器(30)接收性能值并且将该值输送到控制器的反馈系统，其中控制器构造成响应于该值将信号输送到喷射器(14,17,18)以调节强度增强材料的流动速率。
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