CN115485251A - 生产活化粘土时的颜色控制和热量回收 - Google Patents

生产活化粘土时的颜色控制和热量回收 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生产用于水泥产品或混凝土的辅助粘结材料的方法，该方法包括以下步骤：在600至1000摄氏度之间将粘土活化成辅助粘结材料；在还原条件下处理活化的辅助粘结材料以形成还原产物，并通过在氧化条件下的淬火过程将还原产物冷却至300‑400摄氏度。

Description

生产活化粘土时的颜色控制和热量回收
技术领域
本发明涉及在水泥厂生产活化粘土时用于颜色控制和热量回收的设备和方法。
背景技术
在水泥工业中，生产颜色受控的活化粘土作为辅助粘结材料以降低水泥中的熟料含量具有显著的市场利益。现有技术仅具有有限的热量回收，因为加热的活化粘土在氧部署条件下冷却，例如水淬氢空气流化床冷却器，以防止最初含有铁(III)物质的还原活化粘土逆转回到铁(III)物质。
这不仅仅限于粘土，还包括所有含有铁(III)物质或其他矿物质的原料或混合物，如果在热处理过程中或之后没有被还原，它们会产生变色，并且有可能通过热处理将其活化，从而成为更好的辅助粘结材料。
希望最小化能量消耗和减少碳足迹，并且从商业角度来看，希望尽可能降低生产成本(能量消耗)。能够开发一种克服一个或多个上述问题的方法将是有利的。
发明内容
本发明的一个目的是克服或至少减轻现有技术的一个或多个上述问题和/或为消费者提供有用的或商业的选择。
本发明的一个目的是提供一种生产用于水泥产品的辅助粘结材料的方法。
本发明的另一个目的是提供一种生产用于水泥产品的辅助粘结材料的设备。
本发明的又一个目的是提供现有技术的替代方案。
在第一方面，本发明涉及一种生产用于水泥产品或混凝土的辅助粘结材料的方法，该方法包括以下步骤：
-在600至1000摄氏度之间将粘土活化成辅助粘结材料；
-在还原条件下处理活化的辅助粘结材料以形成还原产物，以及
-通过在氧化条件下的淬火过程，将还原产物冷却至最高500摄氏度，优选最高300摄氏度。
可以通过在氧化条件下的淬火过程将还原产物冷却到300-400摄氏度。
冷却优选以单步和/或多步淬火冷却速率进行，平均温度变化最小为10摄氏度/秒，优选平均温度变化最小为100摄氏度/秒。
淬火过程可以在使用氧源比如大气的氧化条件下进行。
优点是通过使用大气空气，空气可被预热，然后在活化粘土的热处理中用作燃烧空气。通过预热燃烧空气，实现显著更低的燃料消耗。如果用例如惰性气体或水进行淬火，那么热量会损失掉，并且不能为燃烧过程回收。
淬火过程优选在可选地使用环境空气的氧化条件下进行。
在本发明的另一实施例中，氧的浓度优选为大于10体积％的氧。当使用含有基于干燥的>10体积％的氧的富氧气体时，在600至1000摄氏度下对粘土进行热活化后，理想的是使用大气作为多级旋风冷却器或流化床冷却器中的冷却介质。与传统的氧部署冷却器不同，这种冷却器能够将热量回收到冷却介质中，并作为预热的氧/燃烧空气重新用于粘土加热过程，降低生产活化粘土的能耗，同时仍确保大部分铁不会逆转为红色铁(III)物质(Fe2O3)。这确保了由基于干重的5-90％的活化粘土构成的混合水泥产品在视觉上被感知为灰色产品颜色，或者由基于干重的0.5-30％的活化粘土构成的混凝土在视觉上被感知为灰色混凝土。
氧优选在单级或多级旋风冷却器、流化床冷却器或其组合中预热。
在本发明的优选实施例中，淬火过程以0.01至20，比如0.1至10，优选0.25至4.0千克空气/千克辅助粘结材料的空气比率进行至低于400摄氏度，优选300摄氏度。这确保了还原活化粘土的快速温度降低，从而显著减缓以防止还原的铁化合物再氧化成铁(III)物质的反应动力学。
淬火过程可以0.01至20，比如0.1至10，优选0.25至4.0千克空气/千克辅助粘结材料的空气比率进行至低于500摄氏度，优选300摄氏度，以便快速减缓和停止铁化合物的反应动力学，否则铁化合物会再氧化为铁(III)物质。
加热的富氧淬火空气可以作为热解过程中的燃烧空气回收，以降低活化的辅助粘结材料的燃料消耗率和CO2排放，以及/或作为干燥空气回收，用于原料干燥。
当5-90重量％的混合水泥组合物由所述还原产物构成时，所述水泥组合物的颜色可被感知为灰色。
当0.5-30％干重的混凝土组合物由所述还原产物构成时，所述混凝土组合物的颜色可被感知为灰色。
在本发明的另一实施例中，当5-90重量％的混合水泥组合物由所述还原产物构成并且还可以包含添加的深色材料比如磁铁矿时，所述水泥组合物的颜色被感知为灰色。
在本发明的另一实施例中，当0.5-30重量％的混凝土组合物由所述还原产物构成时，所述混凝土组合物的颜色可被感知为灰色。
当0.5至30重量％的混凝土组合物由所述还原产物构成并且还可以包含添加的深色材料比如磁铁矿时，所述混凝土组合物的颜色可被感知为灰色。
在本发明的优选实施例中，辅助粘结材料可以是活化粘土。
在本发明的另一实施例中，辅助粘结材料可以是活化的混合粘土或活性粘土的混合物。
辅助粘结材料可以是活化页岩或活化页岩的混合物的形式。
辅助粘结材料可以是混合的活化页岩。
辅助粘结材料可以是活化粘土与活化页岩的混合物或者是活化页岩的混合物。
辅助粘结材料优选用作水泥替代物或熟料替代物。
在第二方面，本发明涉及一种用于生产水泥产品中使用的辅助粘结材料的设备，该设备可以利用上述任何方法。
设备优选地包括配置用于产生通过预热器的气流的风扇、用于收集干燥粘土产品的过滤器、用于干燥粘土的进料斗、用于粘土的破碎机/干燥器、一个或多个用于预热粘土的旋风分离器、煅烧炉/燃烧容器、用于颜色控制的还原容器、一个或多个淬火和冷却旋风分离器、供应富氧空气的风扇以及通过添加深色产品比如磁铁矿来隐藏任何不良颜色产品杂质比如混凝土混合水泥中的红色来对活化产品进行额外颜色控制的选项。
设备优选用于将粘土活化成灰色的辅助粘结材料。
在第三方面，本发明涉及一种混合水泥组合物，其包含5至90重量％的煅烧的根据上述任何方法制造的辅助粘结材料。
本发明的第一、第二和第三方面可以组合。
在本上下文中，以技术人员普通的方式使用了许多术语。其中一些术语详述如下：
辅助粘结材料优选用于指/表示当在混凝土中使用时通过水硬性或火山灰活性在混合水泥中或单独添加到混凝土中有助于硬化混凝土性能的材料。
附图说明
附图示出了实现本发明的一种方式，并且不应被解释为限于落入所附权利要求书范围内的其他可能的实施例。
仅作为示例，将参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1从侧视图示意性地示出了根据本发明的设备。
图2示意性地示出了根据本发明的方法的步骤。
具体实施方式
在第一方面，本发明涉及一种生产用于水泥产品的辅助粘结材料的方法。该方法包括以下步骤：
-在600至1000摄氏度之间将粘土活化成辅助粘结材料；
-在还原条件下处理活化的辅助粘结材料以形成还原产物，以及
-通过在氧化条件下的淬火过程，将还原产物冷却至最高500摄氏度，优选最高300摄氏度。
可以通过在氧化条件下的淬火过程将还原产物冷却到300-400摄氏度。
在另一优选实施例中，冷却可进一步以单步和/或多步淬火冷却速率进行，平均温度变化最小为10摄氏度/秒，优选平均温度变化最小为100摄氏度/秒。
在本发明的另一实施例中，辅助粘结材料的煅烧和处理可以同时进行。
淬火过程在使用氧源的氧化条件下进行。可选地，环境空气可以用于氧化条件。
粘土的活化通过在煅烧炉、流化床或回转窑中在600-1000摄氏度范围内的热处理来完成，取决于粘土矿物，并且将在该活化过程期间或活化过程之后在相同的温度范围内但在还原环境中进行处理，以将粘土中的铁(III)物质(Fe2O3)还原至不像铁(III)物质那样红色的铁氧化阶段。产品随后被冷却到低于300-400摄氏度，以防止氧化回铁(III)物质，从而保持活化粘土的整体灰色。冷却介质是非惰性气体，它作为预热的氧源回收，用于在热处理过程中燃烧燃料以活化粘土。
在冷却顺序下添加的氧的浓度大于10体积％的氧；氧是指O2。
在600到1000摄氏度下热活化和还原粘土后。理想情况下，环境大气空气用作多级旋风冷却器或流化床冷却器中的淬火冷却介质。代替在还原条件下的传统冷却或水淬冷却器，这使得能够将热量回收到冷却介质并重新用作粘土加热过程的预热氧气/燃烧空气，并降低生产活化粘土的能量消耗，同时仍确保大部分铁不会被逆转回红色铁(III)物质(Fe2O3)。通过这种方式，确保了由基于干重的5-90％活化粘土构成的混合水泥产品在视觉上被感知为灰色混合水泥，或者由基于干重的0.5-30％活化粘土构成的混凝土在视觉上被感知为灰色混凝土。
氧在单级或多级旋风冷却器、流化床冷却器或其组合中预热。淬火过程以0.01至20，比如0.1至10，优选0.25至4.0千克空气/千克辅助粘结材料的空气比率进行至低于400摄氏度，优选300摄氏度，以减缓和停止铁化合物的逆反应动力学，否则的话铁化合物会再氧化成铁(III)物质。
在本发明的另一实施例中，淬火过程以0.01至20，比如0.1至10，优选0.25至4.0千克空气/千克辅助粘结材料的空气比率进行至低于500摄氏度，优选300摄氏度，以便快速减缓和停止铁化合物的反应动力学，否则的话铁化合物会再氧化成铁(III)物质。
在冷却介质中回收并在热解过程中用作燃烧空气的热量降低了活化辅助粘结材料的燃料消耗率。当5-90重量％的混合水泥组合物由还原产物构成，或0.5-30％干重的混凝土组合物由还原产物构成时，混合水泥组合物或混凝土的颜色被感知为灰色。
在另一实施例中，当5-90％干重的所述混合水泥组合物由所述还原产物构成并且还包含添加的深色材料比如磁铁矿时，混合水泥组合物的颜色被感知为灰色。
在另一实施例中，当0.5-30％干重的所述混凝土组合物由所述还原产物构成并且还包含添加的深色材料比如磁铁矿时，混凝土组合物的颜色被感知为灰色。
当0.5至30重量％的混凝土组合物由还原产物构成时，混凝土组合物的颜色被感知为灰色。
当0.5至30重量％的混凝土组合物由还原产物构成并且还包含添加的深色材料比如磁铁矿时，混凝土组合物的颜色被感知为灰色。
辅助粘结材料优选是活化页岩或活化页岩的混合物。
在另一实施例中，辅助粘结材料是活化粘土与活化页岩的混合物或者是活化页岩的混合物。
在另一实施例中，辅助粘结材料用作混凝土中的水泥替代物或熟料替代物，更具体地在固化过程中。
所用的辅助粘结材料优选为活化粘土，但也可以是活化的混合粘土或活化页岩或其组合的形式。
在优选实施例中，辅助粘结材料是粘土，比如混合粘土。煅烧混合粘土或类似的潜在辅助粘结材料或材料混合物，其通过在煅烧炉、窑或流化床中在600至1000摄氏度之间加热生料而被活化，以提高特定材料的反应性，从而在替代水泥中的熟料或直接用于混凝土组合物时成为更好的辅助粘结材料。活化粘土(或类似物)在热解过程中或在热解过程之后在还原气氛中在600至1000摄氏度下处理以形成还原产物，其中将产物颜色从红色转变为灰色。这对于在铁氧化阶段3中被还原到较低氧化阶段的含铁(III)物质(Fe2O3)的原料尤其重要和占优势。在600至1000摄氏度下的还原产物然后在氧化条件下使用新鲜空气或具有大于10体积％氧的其他氧源淬火，在单级或多级旋风冷却器、流化床冷却器或其组合中干燥，空气比率为0.25至4.0千克空气/千克产物，至低于400摄氏度，优选300摄氏度，以快速减慢和停止铁化合物的反应动力学，否则铁化合物会再氧化回铁(III)物质。加热的富氧淬火空气在热解过程中作为燃烧空气回收，以降低活化白土的燃料消耗率，和/或作为干燥空气回收，用于原料干燥。当5-90％干重的混合水泥由活化粘土(或类似的热处理辅助材料)构成时，混合水泥的颜色被感知为灰色。
或者当0.5-30％干重的混凝土由活化粘土(或类似的热处理辅助材料)构成时，混凝土的颜色被感知为灰色。
图2示意性地示出了根据本发明的方法的步骤。
从最上面的框(预热器和煅烧炉)开始向下，根据本发明的方法的步骤是：
预热器和煅烧炉：粘土被输送到系统中，在进入煅烧炉(燃烧容器)之前，材料在一系列旋风分离器中被预热。热燃烧空气从还原容器和淬火器中抽出。燃料以受控的方式供应到燃烧容器中用于燃烧。热处理和活化粘土被收集在旋风分离器中，并被送到还原容器。
颜色控制还原：在颜色控制的容器中的还原还原条件下进行颜色控制。通过燃料的亚化学计量燃烧产生还原气氛。然后，材料被送去淬火。
在氧化气氛中淬火：在氧化气氛中进行非常快速的淬火，以保持在其中中获得的灰色。淬火可以例如在旋风分离器中进行。旋风分离器中收集的材料被送去进一步冷却。
预热用于粘土的淬火和燃烧/冷却的空气：粘土在一个或多个步骤中进一步冷却，例如通过使用环境空气。预热器环境空气用于淬火，并进一步用于燃料燃烧。
可选地添加例如磁铁矿以隐藏任何红色：可选地添加深色添加剂以隐藏任何红色。该步骤不一定是上述过程的构成部分，但也可以在过程的后期进行，例如在水泥的最终研磨中。
在第二方面，本发明涉及一种生产用于混合水泥产品或混凝土的辅助粘结材料的设备。
图1示意性地示出了生产用于混合水泥产品或混凝土的辅助粘结材料的设备。
设备1包括配置用于产生通过预热器的气流的风扇2、用于收集干燥粘土产品的过滤器3、用于干燥粘土的进料斗4、用于粘土的破碎机/干燥器5、用于预热粘土的一个或多个旋风分离器6、煅烧炉/燃烧容器7、用于颜色控制的还原容器8、淬火旋风分离器9、冷却旋风分离器10和用于冷却的风扇11。
该设备用于将粘土活化成灰色的辅助粘结材料。
在第三方面，本发明涉及一种水泥组合物，其包含5至90重量％的煅烧的通过利用任何上述方法制造的SCM。
本发明涉及一种混凝土组合物，其包含0.5至30％干重的煅烧的通过利用任何上述方法制造的SCM。
尽管已经结合特定实施例描述了本发明，但它不应被解释为以任何方式局限于所呈现的示例。还应该理解，所示的本发明的形式仅仅是优选实施例。可以对部件的功能和布置进行各种改变；等同的装置可以替代那些被说明和描述的装置；并且某些特征可以独立于其他特征使用，而不脱离如下面的权利要求所限定的本发明的精神和范围。
附图标记列表
1：用于生产辅助粘结材料的设备
2：产生通过预热器的气流的风扇
3：用于收集干燥粘土产品的过滤器
4：干燥粘土的进料斗
5：粘土粉碎机/干燥机
6：用于预热粘土的旋风分离器
7：煅烧炉/燃烧容器
8：用于颜色控制的还原容器
9：淬火旋风分离器
10：冷却旋风分离器
11：用于冷却的风扇

Claims (23)

1.一种生产用于水泥产品或混凝土的辅助粘结材料的方法，该方法包括以下步骤：
-在600至1000摄氏度之间将粘土活化成辅助粘结材料；
-在还原条件下处理活化的辅助粘结材料以形成还原产物，以及
-通过在氧化条件下的淬火过程，将还原产物冷却至最高500摄氏度，优选最高300摄氏度。
2.根据权利要求1所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，通过在氧化条件下的淬火过程将所述还原产物冷却至300-400摄氏度。
3.根据权利要求1或2所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述冷却以单步和/或多步淬火冷却速率进行，平均温度变化最小为10摄氏度/秒，优选平均温度变化最小为100摄氏度/秒。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述淬火过程在使用氧源的氧化条件下进行。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述淬火过程在可选地使用环境大气空气的氧化条件下进行。
6.根据权利要求1-5所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述氧的浓度为大于10体积％的氧。
7.根据权利要求6所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述氧在单级或多级旋风冷却器、流化床冷却器或其组合中预热。
8.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述淬火过程以0.01至20，比如0.1至10，优选0.25至4.0千克空气/千克辅助粘结材料的空气比率进行至低于400摄氏度，优选300摄氏度，以便快速减缓和停止铁化合物的反应动力学，否则铁化合物会再氧化为铁(III)物质。
9.根据权利要求8所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述淬火过程以0.01至20，比如0.1至10，优选0.25至4.0千克空气/千克辅助粘结材料的空气比率进行至低于500摄氏度，优选300摄氏度，以便快速减缓和停止铁化合物的反应动力学，否则铁化合物会再氧化为铁(III)物质。
10.根据权利要求1-9所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，加热的富氧淬火空气作为燃烧空气在热解过程中回收以降低活化的辅助粘结材料的燃料消耗率，和/或作为干燥空气回收用于原料干燥。
11.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，当5-90重量％的混合水泥组合物由所述还原产物构成时，所述水泥组合物的颜色被感知为灰色。
12.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，当5-90重量％的混合水泥组合物由所述还原产物构成并且还包含添加的深色材料比如磁铁矿时，所述水泥组合物的颜色被感知为灰色。
13.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，当0.5-30重量％的混凝土组合物由所述还原产物构成时，所述混凝土组合物的颜色被感知为灰色。
14.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，当0.5至30重量％的混凝土组合物由所述还原产物构成并且还包含添加的深色材料比如磁铁矿时，所述混凝土组合物的颜色被感知为灰色。
15.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述辅助粘结材料是活化粘土。
16.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述辅助粘结材料是活化的混合粘土或活性粘土的混合物。
17.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述辅助粘结材料是活化页岩。
18.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述辅助粘结材料是活化的混合页岩或活化页岩的混合物。
19.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述辅助粘结材料是活化粘土与活化页岩的混合物或者是活化页岩的混合物。
20.根据前述权利要求中任一项所述的生产辅助粘结材料的方法，其中，所述辅助粘结材料用作水泥替代物或熟料替代物。
21.一种利用根据权利要求1-20中任一项所述的方法的设备(1)，所述设备包括配置用于产生通过预热器的气流的风扇(2)、用于收集干燥粘土产品的过滤器(3)、用于干燥粘土的进料斗(4)、用于粘土的破碎机/干燥器(5)、用于预热粘土的一个或多个旋风分离器(6)、煅烧炉/燃烧容器(7)、用于颜色控制的还原容器(8)、淬火旋风分离器(9)、冷却旋风分离器(10)和用于冷却的风扇(11)。
22.根据权利要求21所述的设备，用于将粘土活化成灰色的辅助粘结材料。
23.一种混合水泥组合物，包含5至90重量％的煅烧的根据权利要求1-20中任一项制造的辅助粘结材料。
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