CN1067662C - 在水泥熟料的生产中使用钢渣的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种通过将钢渣加入到送入回转水泥窑的物料中形成水泥熟料的方法和装置。该装置(10)包括由法兰(14)支承的回转窑(12)。窑炉具有一个供料端(16)和一个加热端(18)。燃料源(20)在回转窑的加热端产生火焰(22)。水泥原料通过输送机(24)被输送到回转窑中。

Description

在水泥熟料的生产中使用钢渣的方法和装置

技术领域

概括地说，本发明涉及在长的回转窑中制备水泥熟料。本发明尤其涉及在传统的长的湿法或干法回转窑中制备水泥熟料的方法和装置，其中钢渣与含氧化钙的物料流一起加入窑的进料端，以使物料流和钢渣朝向窑炉加热端的热区移动，钢渣被熔融和分散到物料中，形成水泥熟料。

背景技术

正如US5,156,676所述的，该文献涉及的工艺可实现水泥组分的煅烧和烧结。采用湿法或干法回转窑的典型工艺是众所周知的。水泥原料如石灰石，粘土和砂子等经细磨并完全混合在窑炉的进料或供料端提供了基本上均匀的混合物。窑炉以一定的角度向下倾斜，以使窑炉的加热端低于供料端。窑炉通常有四个工作区域，它们包括预煅烧区，煅烧区，烧结区和冷却区。常规的燃料与预热空气混合，在加热端被喷入窑内。在水泥制造工艺中一般使用的燃料为天然气，油或煤粉。

当经细磨的水泥物料在回转窑的供料端通入到回转窑中时，在预煅烧区，物料从接近室温被加热到约1000°F(537.8℃)。在该区域中，来自煅烧区的燃烧气体的热量被用来提高物料的温度。另外，在该窑炉中，可将链条系统等连接到窑的内部，用来改进气体和物料之间的热交换效率。

当物料通过煅烧区时，物料的温度由约1000°F(537.8℃)增加到约2000°F(1093.3℃)，在该区域中，CaCO₃分解，放出CO₂。

在约2000°F(1093.3℃)的温度下，经煅烧的物料接着通入到烧结或烧成区中，在该区域中，温度被升高到约1500℃(2732°F)。在该区域中，最初的物料被转变成典型的水泥化合物如硅酸三钙，硅酸二钙，铝酸三钙和铁铝酸四钙。然后，水泥熟料离开熟料被冷却的煅烧区域，随后进一步进行加工如研磨。

此外，从1774年就开始使用粒状高炉矿渣作为水硬性物料(cementitiousmaterial)。在铁的生产中，从高炉的顶部连续地装入氧化铁源、助熔石和燃料。由炉内获得两种产品：在炉的底部收集到的熔化的铁和浮在铁熔池上的液态铁高炉矿渣。这两种产品在约1500℃(2732°F)的温度下间歇地从炉中排放出。该渣主要由与得自助熔石的氧化钙和氧化镁结合的氧化硅和氧化铝组成。用于砂浆或混凝土的这种渣的水硬活性可通过其组成和来自炉内的熔融物料冷却的速率来确定。

另外，在钢的生产中，发生了类似的过程，其中液态钢渣浮在钢熔池上。而且，钢渣主要由与氧化钙和氧化镁结合的氧化硅和氧化铝组成。对钢渣和高炉矿渣的处置给其制造者带来了大量的废弃问题。

钢渣和高炉矿渣由极硬的颗粒组成。钢渣颗粒足以硬到能切割玻璃。高炉矿渣总是以细粉末形式使用，这就意味着需要使用大量的能量来将渣研磨和粉化成细粉形式。US2600515公开了这类方法，其中高炉矿渣以细粉末混合物形式与石灰石一起被送入回转水泥窑中，并直接输入到窑的火焰中。同时并通过与燃料即煤粉，重油或煤气相同的管路吹入渣粉。该工艺有几个缺点。最明显的一个缺点是需要大量的能量来粉末化和干燥物料，以使它能被吹进炉内。

钢渣和高炉矿渣中的许多化合物是水泥化合物所共有的，在其有关的工艺中，已经有生成热形成。钢渣的X射线衍射分析表明组成是高熔化(highly fluxed)的β硅酸二钙2CaO·SiO₂(C₂S)。在回转窑的烧成区中，这种化合物在添加CaO后可转变成3CaO·SiO₂(C₃S)。

试验表明钢渣对水泥回转窑的运行没有负作用。从回转窑中散发的可挥发性物质得到改进，这是因为渣已预先进行了热处理，大部分挥发性物质即二氧化碳、碳、挥发性有机物等已被除去。但是，如上所述，需要细磨或粉碎或粉化钢渣，由此，对水泥制造工艺而言，增加了昂贵的步骤。

发明的公开

由于长期以来，人们已认识到钢渣中的许多化合物是水泥化合物所共有的，且由于钢渣可大量地获得并存在着大量的废弃问题，所以，如果钢渣能以比目前要求的粉末态更粗的状态使用，且，如果钢渣能在窑的供料端而不是加热端被加入到待送入窑中的物料中，那么在水泥制造工艺中可使用钢渣将会是有益的。

本发明提供了钢渣的这类应用，并提供了使用各种钢渣的方法和装置，这些钢渣已被粗碎和筛分，以使将与物料一起被送入到窑炉进料端的粗钢渣组分的直经为2″(5.08cm)以下，由此获得了使用钢渣的全部优点，而不存在需要将钢渣细磨，粉碎的缺点。

如上所述，试验表明钢渣对水泥回转窑的运行没有负作用。从回转窑中散发的挥发物质得到了改进，这是因为钢渣已预先进行了热处理，大部分的挥发物质即二氧化碳，碳，挥发性有机物等已被除去。由于钢渣的上述经历，在制钢过程中所需的钢渣的化学性已经获得，由此节省了水泥制造过程中的能量。于是，使用这种钢渣有许多优点。首先，如早先所述的，无需对钢渣进行细磨或粉碎或粉化。大量的粗渣(如本文定义的，钢渣组分的直经为5.08cm以下)可被掺入到水泥熟料组合物中，而仅需对常规的送入回转窑的物料进行很小的化学改变。仅需对直经超过5.08cm的钢渣颗粒进行粗碎和筛分。

第二，无需干燥钢渣，其固有水份通常为1～6％。在湿法回转窑体系中，基本上实现了水分降低和节能。在于法回转窑体系中，无需对钢渣进行干燥。

第三，没有因料浆圈或熟料结皮而堵塞窑炉。在湿法和干法回转窑中，在粗钢渣移动通过窑炉时，对物料结皮有清除作用。

第四，粗钢渣可作为部分起始物料使用并在窑炉的供料端被输入到窑炉中。钢渣和湿物料可被分别输入到回转窑的供料端，也可末经混合一起被输入到窑炉的供料端。

第五，为了使常规物料适应钢渣，仅需要对物料组合物稍微进行一些化学改变。这通常是指物料必须富含氧化钙。

第六，在回转窑内的热处理期间，经过扩散，粗钢渣化合物结构转变成所需的水泥熟料结构。

第七，当使用钢渣时，因为钢渣熔化的温度低并且无须对钢渣进行研磨或粉碎或粉化，所以实质上节省了能量。

第八，产量的增加几乎与所使用的钢渣量成正比。

第九，回转窑工艺的外界条件因钢渣的低挥发含量而得到改进。

第十，钢渣的重复利用改善了环境，这是因为它对大量形成的钢渣提供了一个重要的用途和目前钢渣废弃所存在着环境问题。

第十一，基本上降低了水泥产品的成本，这是因为节省了能量并且大量使用了低成本的钢渣。

因此，本发明的一个目的是提供一种采用制钢过程中的副产品粗钢渣生产水泥熟料的方法的操作回转窑的装置。

本发明的另一个目的是在窑的供料端将粗钢渣输入到水泥生产回转窑中。

本发明的再一个目的对颗粒直经从最大基本上为5.08cm到小于5.08cm的各种颗粒大小的粗钢渣的利用。

由此，本发明涉及采用具有供料端和加热端的长回转水泥窑制备水泥熟料的方法，水泥窑的加热端相对于供料端是向下倾斜的，该方法包括从热源直接加热到窑炉的加热端，将含二氧化钙的物料流输入到窑炉的供料端，以使物料流朝向窑的加热端的热的方向移动，在窑的供料端，将预定量的粗碎和筛分的钢渣加到物料流中，以使物料流和钢渣朝向窑的加热端移动，钢渣经加热熔融并分散到物料中，形成水泥熟料。

本发明也涉及形成水泥熟料的装置，包括具有供料端和加热端的回转水泥窑，加热端相对于供料端是向下倾斜的，加热端的热源用于加热回转窑的内部，用于将含二氧化钙的物料流和钢渣输送到回转窑中的输送装置，以使物料流和钢渣朝向窑的加热端移动，钢渣经加热扩散到物料中，形成水泥熟料。

附图概述

在下面附图的详细描述中，将更充分地公开本发明的这些和其它更详细的目的，其中：

图1是本发明形成水泥熟料的回转窑系统的基本示意图，其中物料和钢渣一起被送入到回转窑的进料端；

图2是物料和钢渣被分别送入回转窑进料端的示意图，

图3是本工艺的流程图，其中物料和钢渣以混合物的形式被送入窑炉的进料端；和

图4是另一工艺的流程图，其中物料和钢渣被分别送入回转窑供料端或进料端。

本发明的最佳实施方式

本发明使钢渣以最大为5.08cm的各种粒径的大小在回转水泥窑的供料端，作为分开的组分加入到窑的供料端中。大部分钢渣的颗粒直径小于5.08cm，因此，为达到所需的最大颗粒大小，需要粗碎和筛分过程，本发明要求的钢渣无须细碎或粉碎或粉化。本发明提供了使用各种钢渣的方法，这种钢渣的颗粒大小比回转水泥窑工艺中以前公认的颗粒要粗一些，使钢渣的化学组成即C₂S等成为水泥熟料的组成部分。正如本领域熟练的技术人员所清楚的，钢渣的化学性作为水泥整个组分的部分应是清楚的并可控制的，因此，欲加入到物料中的钢渣量应与物料和其化合物平衡。

在100％钢渣的试验炉烧成试验中，确定了钢渣的熔点，它是在水泥窑中使用的关键。如表Ⅰ可见，确定熔点为2372°F/1300℃，这可使颗粒大小甚至达到直径5.08cm的钢渣加到窑的供料端中。

                            表Ⅰ

                            钢渣

                          试验炉烧成

温度C度1000110012001300	温度F度1832201221932372	对钢渣的作用无无略微粘稠熔融
试验在各温度下进行15分钟钢渣大小-约3/8″(0.9525cm)碎片

列于表Ⅰ中的试验在各温度下进行15分种，钢渣的颗粒大小为约3/8″(0.9525cm)。由表中结果可以确定该钢渣在回转窑的链条带中将不增稠浆料，引起料浆圈或由于颗粒大小增加灰尘损失。此外，它将降低含水量至2.2％。在回转窑的煅烧区和烧成区之间处，钢渣开始熔融并与其它物料化合。由于熔点低，无须研磨或粉碎或粉化这些物料，例如在现有技术中，为与其它组分化合，要求80％的这些物料过200目筛。在钢渣中已经完成了C₂S的形成，并且在回转窑中，在其熔化的相同温度区域进行C₃S的形成。钢渣的X-射线衍射分析表明组成是高熔融的β，硅酸二钙2CaO·SiO₂(C₂S)。这种化合物在回转窑的烧成区可用加入的CaO转变成3CaO·SiO₂(C₃S)。C₃S是水泥中主要的承压强度化合物。

本发明的装置示于图1。装置10包括按众所周知的方式由带动窑旋转的法兰14支承的回转窑12。窑炉具有供料端16和加热端或烧成区18。正如现有技术中众所周知的，加热端18相对于供料端16向下倾斜。在回转窑12的加热端18中，燃料源20产生火焰22，以使温度约为1500℃(2732°F)。水泥原料或物料如石灰石，粘土，砂子等通过变速输送带24被输送到回转窑12中。如果使用湿浆料，变速输送带24将物料送入研磨机26中，并从研磨机26送入回转窑12的供料端16中。物料以料流28通过回转窑12朝向火焰22移动。在窑12内发生了众所周知的化学过程，水泥熟料20离开窑12的加热端18，用于进一步的处理。现有技术中众所周知的污染控制装置32和34分别位于窑12的加热端和供料端。在加热端18，污染控制装置32的外部，废气38被排放到大气中且废产品40被回收。

在供料端16，污染控制设备34除去排放的废气36并回收废产品42。

在本发明中，钢渣44通过输送装置46，例如变速输送带加入到物料48中，物料是在回转窑12的供料端16处通过集灰斗56(图2)送入的。控制器25控制输送带24和46的速度，以便相对于随其化学组成而定的物料而言，提供适当比例的钢渣44。这类控制在现有技术中是众所周知的，将不再予以详细讨论。

图2是分别将钢渣和物料送入到回转窑12进料端的装置的示意图。

在图2中，可以看出钢渣50落入给料斗52中，通过输送系统54向上输送，聚积在55处，以便通过集灰斗56输入回转窑12的进料端16中。可按任何已知的方法将物料送入到窑炉的进料端。在类似的方法中，物料58落入给料斗60中，通过输送装置62向上输送，在64处落到给料斗56中，而被送入回转窑12的进料端16中。图1或图2的装置产生了所需的结果。

表Ⅱ列出了从钢渣堆料场随机采集的6种钢渣试样的化学分析结果。当然，表Ⅱ中钢渣的化学分析值可改变，这取决于钢渣的来源。                         表Ⅱ钢渣

可见钢渣组成极相同，适合于制造水泥，还可以看出平均游离氧化钙为0.50％，平均LOI(烧失量)为1.40。游离水为1％，结合水为1％。

钢渣的X射线衍射分析表明组成是高熔融的β硅酸二钙2CaO·SiO₂(C₂S)。该化合物在烧成区通过添加的CaO可被转变成硅酸三钙3CaO·2SiO₂(C₃S)。反应是 。C₃S是水泥中主要的增强化合物。

表Ⅲ阐述了物料典型的混合计算(mix calculation)，物料的组成为0％钢渣，89.67％石灰石，4.42％页岩，4.92％砂子和0.99％页岩。                              表Ⅲ类型Ⅰ LA混合计算-0％钢渣

表Ⅳ列出了物料的混合计算，物料的组成为90.79％石灰石，3.64％页岩，5.36％砂子，和0.21％矿石(如表Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ中所示，其含有铁)，添加了5％钢渣，表Ⅴ列出了混合煅烧的物料，物料的组成为91.43％石灰石，2.75％页岩，5.82％砂子和0％矿石，添加了10％钢渣。                            表Ⅳ类型ⅠLA混合计算-5％钢渣                                  表Ⅴ类型ⅠLA混合计算-10％钢渣

由表Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ可清楚地看出添加的钢渣适合作为制造水泥熟料的原料。

图3示出了本发明的工艺，其中如图1所示的，物料和钢渣在窑炉的供料端进入窑炉之前被混合，在步骤76中，提供物料，在步骤78中与钢渣混合，钢渣是在步骤80中已被粗碎和筛分，以获得最大粒径为2英寸(5.08cm)。经混合的物料然后在步骤82中被送入回转窑的供料端。

在图4中，正如图2所示的，示出了分别将钢渣和物料送入回转窑供料端的工艺。在这种情况下，在步骤66中提供物料，并在步骤68中通过输送装置输送到回转窑的进料或供料端。为获得最大颗径为2英寸(5.08cm)的钢渣，在步骤72中粗碎和筛分钢渣，由此在步骤74中将所得的产物输送到回转窑的进料或供料端。在步骤70中，物料和钢渣在回转窑中被加热，直到形成水泥熟料。

因此，本发明公开了用添加的粗钢渣形成水泥熟料的方法和装置，钢渣与物料一起被送入到回转窑的供料端。在本文中对粗钢渣进行了定义，它们是经粗碎和筛分到最大粒径为5.08cm的钢渣。由本发明获得了许多优点。钢渣无须细磨或粉化或粉碎。大量的颗粒大小为5.08cm以下的粗钢渣可被掺入水泥熟料组合物中，而仅需调节送入回转窑的物料，略微改变化学组成。

钢渣无须干燥。固有水份通常为1～6％。在湿法回转窑系统中，基本上实现了水分降低和节省。在干法回转窑系统中，可将钢渣干燥，但不是必须的。

按本发明，在用回转窑生产水泥熟料时，可使用粗钢渣作为部分起始原料。钢渣和湿(或干)物料分别作为原料被送入回转窑的供料端。也可以将它们先混合，再一起送入回转窑的供料进口。已经实验的窑炉并未由于料浆圈或熟料积料而造成堵塞。在湿法和干法回转窑中，钢渣在通过窑炉时对物料聚集有清除作用。

为使常规物料适应钢渣，仅需对常规物料稍微进行一些化学改变。这通常是指物料必须富含氧化钙。粗钢渣的化合物结构经扩散在回转窑内热处理期间转变成所需的水泥熟料结构。由于钢渣无须进行研磨或粉化或粉碎。采用本发明生产水泥熟料基本上节省了能源。产量的增加几乎与使用的钢渣量成正比。此外，由于钢渣的低挥发含量，改进了回转窑工艺的外界条件。再者，钢渣的回收改善了环境，为钢渣提供了有用的销路，而不是为了放置钢渣而占用大量的场地。钢渣的回收改善了环境，基本上降低了水泥生产的成本。

尽管已在结合了优选的实施方案对本发明进行了描述，并不是对所列特定形式的本发明的范围进行限制，相反，就像所附权利要求限定的本发明的精神和范围内所包括的那样，覆盖了所作的改变，改进，和等同替换。

Claims (7)

1、采用长的回转水泥窑制造水泥熟料的方法，其回转窑具有供料端和加热端，加热端相对于供料端向下倾斜，该方法包括下列步骤：

从热源向所述的窑炉的加热端引导热；

将含氧化钙的物料流输入所述窑炉的供料端，以使物料流朝向窑炉加热端的所述加热区移动；和

在所述窑炉的供料端，向所述物料流中加入一定量的粗碎和筛分的钢渣，足以提供基于其化学组成的钢渣对物料的合适比例，使得物料流和钢渣朝向所述加热端移动，钢渣通过所述的加热被熔化，并扩散到物料中形成水泥熟料。

2、根据权利要求1的方法，进一步包括为获得最大粒径基本上为5.08cm的颗粒，用于加入到所述的物料流中而粗碎和筛分所述的钢渣的步骤。

3、根据权利要求1的方法，其中将钢渣与物料分开加入到窑炉的供料端中。

4、根据权利要求1的方法，其中在将钢渣和物料在加入到窑炉的供料端之前，先将它们混合。

5、根据权利要求1的方法，进一步包括采用湿法回转窑接受物料流和钢渣的步骤。

6、根据权利要求1的方法，进一步包括采用干法回转窑接受物料流和钢渣的步骤。

7、根据权利要求1的方法，其中钢渣具有的化学组成为2CaO·SiO₂(C₂S)。

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