CN115916722A - 用于活化粘土的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于活化粘土的方法和设备。本发明规定，将粘土原料分为粗料部分和精细料部分、在预热器中预热所述精细料部分、接着在流化床反应器和/或气流式反应器中活化所述精细料部分、使已活化的热的精细料部分与被分出的冷的粗料部分统合在一起，借此快速冷却热活化的粘土部分，本发明还规定使统合在一起的粘土部分从所述反应器中排出。实行该方法的优点在于，活化的粘土并不氧化，并且借此不会变红。此外，先前的筛分节省了大量热能，并且热活化的粘土的快速冷却使总体产物稳定、免于非期望地变红。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于活化粘土的方法和设备。
背景技术
关于作为建筑材料的水泥砖的替代料，已知的是使用热活化的粘土。虽然，热活化的粘土达不到基于水泥砖的混凝土的强度，但是，活化的粘土作为建筑材料的特性足够用于许多并不取决于建筑材料特别性能的建筑项目，例如预应力混凝土桥梁，或者例如远超100m界限的极其高的大厦。
自古希腊罗马时期起就已知粘土建筑。烧过的粘土与黏土所筑的房屋展现出典型的红色，它能达到赤陶砖板的色调。
通过热处理而发展出水硬性特性的、适于作为建筑材料而用于处理的粘土矿物，能够在其化学成分、矿物成分方面以及在其物理特性方面发生明显变化。该粘土矿物的自然存在还额外地含有通常在水硬性特性上异于粘土矿物的部分，它们涉及惰性的组成部分，例如石英、长石、燧石。不同产地的纯自然来源的粘土矿物通常以例如颗粒大小、密度和湿度等不同特性彼此区分。除了外表特性，不同产地的粘土矿物还以所含的例如铁、钛、锰等无机杂质彼此区分。
这些化学意义上化合的金属伴生物质通过其在粘土矿物热处理时的氧化状态变化来决定活化的粘土的颜色。铁杂质可作为结构上的铁(高岭石结构的部分或者额外矿物质的结构)以及氧化物形式、氢氧化物形式、碳酸盐形式和硫化物形式的自由铁存在。钛含量和氧化铁含量与红色的比色参数和色彩饱和度相关。氧化时，锰在锰氧化物的构造下呈现棕色。已知的是，红色起因于铁(III)化合物。氧化条件下焙烧时，以及随后在大气的空气中冷却时，自然存在的粘土矿物中例如铁、钛等杂质的含量同样导致非期望的、由于已活化粘土矿物的热处理而出现的红色。
粘土是自然存在的物质，它主要由粘土矿物微粒构成，并且在水含量足够时普遍能够可塑变形且在干燥或烧过后易碎。虽然，粘土通常含有层状硅酸盐，但它也含有赋予其可塑性并且在干燥或烧过后硬化的其它物质。作为相关相，粘土可含有并不赋予其可塑性的物质，例如石英、方解石、白云石、长石以及有机物质。
与之前定义不一样的是，AIPEA(Association International Pour L′EtudesDes Argiles，国际黏土研究协会)和CMS(Clay Minerals Society，黏土矿物学会)的该定义没有确定粘土组成部分的确切颗粒大小，因为此处不同规则会产生自己的结论。在地质科学层面，根据EN ISO 14688这一标准，粘土颗粒系小于2μm的颗粒(部分同样可小于4μm)，在胶体化学层面，粘土颗粒系小于1μm的颗粒。
在本申请的范畴内，粘土指自然存在的物质，它主要由粘土矿物微粒构成且借此具有多于50％的粘土矿物微粒，不过同样由来自粘土矿层的、可分解的物质构成，这些矿物具有少于50％的、直至仅10％到20％的粘土矿物微粒。其余由沙、细沙、石英、方解石、白云石、长石构成，且在一定情形下同样还由砂砾构成。并非粘土矿物微粒的较大的物质部分在化学上基本是惰性的、具有研磨性并且无法热活化。最后提到的粘土借此类似于黏土。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于对粘土热活化的设备和方法，其中不会出现非期望的变红现象。
作为本发明基础的任务通过具有根据权利要求1、从属权利要求2至4的特征的设备以及通过根据权利要求6至10所述的方法解决。
根据发明的方法规定，将粘土原料分为粗料部分和精细料部分、接着在预热器中预热精细料部分、接着在流化床反应器和/或气流式反应器中活化精细料部分。在流化床反应器和/或气流式反应器中进行精细料部分的热处理。在热活化后使仍然较热的精细料部分与分出的冷的粗料部分统合在一起，并且使统合在一起的粘土部分从反应器中排出。
对应于所述方法，本发明还提供一种设备，其具有至少一个流化床反应器和/或气流式反应器以及至少一个旋流热交换器，其中，旋流热交换器在气体流动方向上跟在流化床反应器和/或气流式反应器之后，并且其中，用于待活化的粘土的进料装置设置在旋流热交换器的上部末端处，该设备的特征在于，筛分器以筛分器的粗料外排开口在材料流动方向上在上游地与用于流化床反应器和/或气流式反应器的气体进料装置处于流体连接状态，并且其中，筛分器以筛分器的精细料外排开口在材料流动方向上在上游地与用于待活化粘土的进料装置处于流体连接状态。该设备允许依照前述方法处理粘土。
本发明所基于的令人吃惊的认识是，粘土变红的现象是活化时通过粘土矿物中所含的铁氧化为铁(III)、且结合化学意义上其它化合的金属组成部分而仅仅在自然粘土的精粒组分中产生。自然粘土的粗粒组分与之相反，它没有变红的倾向。本发明所基于的认识是，可通过热处理活化粘土的精细的组成部分。如果在化学意义上的强还原性条件下进行热处理活化，那么在粘土中就不会出现铁(III)，而是出现确切地说在粘土矿物中化合的、发绿的甚至无色的铁(II)。在化学还原性条件下活化的粘土部分因此与所有的伴生物质一起呈现灰色甚至无烟煤色。自然粘土的通过热处理活化的精细部分首先却对大气空气中的氧化保持非常敏感的状态。为了避免氧化，使精细的、已热活化的粘土部分由600℃至1000℃的温度在用于热活化的反应器的末尾处快速冷却到明显低于600℃的温度。可是，该热学上的快速冷却不能与大气空气进行，否则会产生非期望的铁(III)。所述快速冷却必须在化学上中性的情况下进行。在方法的第一步骤中由自然粘土分出的粗粒级适用于此。该粗粒级在化学上几乎是惰性的，并且能够吸收较大的热量，自身却不会氧化。故本发明还基于的是，将粘土矿物分为被热活化的精细料部分和作为惰性材料不被加热的粗粒级。令人吃惊的效果在于，分为粗料部分与精细料部分这一做法使粘土贫化且惰性的粗料部分以及粘土富积的精细料部分产生。在对仍然热的、对氧化敏感的精细料进行热活化之后，将已活化的精细料利用此前分出的粗粒级快速冷却，其中，粗料部分明显更冷。在已快速冷却的状态中，化学上化合的铁(II)得到保护，免于氧化。以此处理的粘土矿物呈现灰色甚至无烟煤色的色泽。
有利的是，使已活化的、灰色甚至无烟煤色的矿物从反应器中排出。为此可规定，旋流热交换器的材料流出口在下部末端处与用于气流式反应器的气体进料装置处于流体连接状态，其中，已活化的粘土在该位置处与来自筛分器的粗料外排开口的粗料统合在一起。气体进料装置能够以旋流器的形式存在，载体气体通过浸入管从旋流器中泄出，并且作为灰尘的、在载体气体中悬浮的固体材料从通常指向向下的锥部退出。
温度不仅在活化时、而且还在活化后影响已活化的产物。在试验中已明确的是，在600℃至1000℃的温度窗中使已热活化的精细料部分与原料的粗料部分统合在一起这一做法使得最终温度为350℃至600℃。优选的是使最终温度在500℃以下的温度控制。在这些温度情形下，已活化的粘土的以此快速冷却的精细料部分不再对具有自然空气湿度的大气空气中的氧化引起的变色敏感。
将自然粘土分成精细料部分和粗料部分并且仅仅对分离的精细料部分热活化，以及随后与先前分离的粗料部分进行快速冷却，都具有多个优点。首先，已活化的精细料部分在化学上惰性的条件下能够快速冷却，这使已活化的粘土部分针对变红而稳定。此外，通过按份额的热活化，仅需要小部分的热量，这节约了燃料和资源。又一优点同样是令人吃惊的认识，即可热活化的精细料部分相较于粗料部分明显具有更小的研磨性。粗料部分包含石英、长石和燧石。通过分出粗料部分，受热负荷的设备经受的研磨性灰尘更少，而这延长了设备的使用寿命和使用时长。通过将风筛分器投入使用、尤其通过将V形筛分器投入使用，移动的机器部件对研磨性粘土部分的暴露程度降到最小程度。
附图说明
借助以下附图进一步阐述本发明。图中：
图1示出根据本发明的用于活化粘土的设备。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于活化粘土的设备。在草图中，潮湿的原料从草图左上方的进料斗10开始走遍所述设备，直至成为成品的、已活化的产物，所述产物通过草图右下方的输送装置240离开此处示出的设备。新鲜空气通过草图右下方的旋风分离器230进入所述设备，并且在草图中作为废气通过草图右上方的压缩器180离开所述设备。
原料由所述进料斗10通过输送装置20传送到受调节的输送装置30，在所述受调节的输送装置这里，所述原料与位于筛分器循环中的原料统合在一起。所述原料由所述受调节的输送装置30落入此处作为垂直筛分器的筛分器40，在所述筛分器中，所述原料在阶梯式级联部上滚动，在此，原料不再结聚，并且通过草图中由左进入所述筛分器40的筛分气体从所述精细料部分中释放。在该位置，粗料部分的路径和精细料部分的路径分开。之后先描述所述粗料部分的路径。所述筛分器40的粗料从所述筛分器40落到受调节的输送装置50上，并且在草图中由该输送装置50向左输送。在所述输送装置50的左侧，所述粗料落入受调节的材料道岔60。所述粗料的第一部分通过所述材料道岔60运输到另一输送装置70直至升降机80，所述升降机将处于循环中的筛分料再次扔到开头描述的所述输送装置30上，在该输送装置处，处于循环中的筛分料与原料统合在一起。来自所述筛分器40的、作为惰性材料的所述粗料的第二部分通过输送装置90在草图中向右运输，并且在那里与原料的已活化的精细料统合在一起。在沿着所述输送装置90的运输路径上，还可设置例如呈筛部装置92或碾磨装置形式的处理装置92，可通过所述升降机91到达该处理装置，以便筛出自然粘土的粒较粗的组成部分，以便设置最终产物中已活化粘土和惰性材料的相对的量的份额。此外，还可设有可选的施水装置93，它在粗料与已活化粘土统合之前润湿所述粗料，以便提高所述粗料的热量吸收能力。在该位置，所述粗料凭借筛分器40中筛分器气体的温度而具有最高在150℃以下的大气温度。来自所述原料的所述精细料的路径从所述筛分器40通到所述气体管路160中，精细料由筛分气体运载至所述气体管路160中。在灰尘分离器170中，所述精细料被从所述筛分气体分出。如开头所描述的那样，所述筛分气体作为废气，朝向右上方通过所述压缩器180离开所述设备。将精细料部分输送进入进料装置200的输送装置190位于所述灰尘分离器170下方。所述精细料由所述进料装置200落入最上方的气体引导部，直至此处示出的具有三个旋流器的热交换器120的热交换器旋流器123。同样可能的是驱动在所述热交换器管线中具有其它数量的旋流器的设备。在所述通到旋流器123的气体引导部的气体中，所述精细料部分悬浮，并且在所述热交换器120的热气体中升温。在最上方的热交换器旋流器123中，所述精细料部分被引导至气体输入部、直至倒数第二个旋流器122，在那里重复进行加热以及接下来的分离。在倒数第二个旋流器122的出口处，预加热的所述精细料部分落入此处示出的气流式反应器的下部区域中，所述气流式反应器的构造类似于用于生产水泥砖的设备的煅烧器。但在该位置同样可设有流化床反应器。在所述气流式反应器110的上升的热气体中，粘土的精细料部分在热学上活化成与水混合时变硬的水硬性粘合料，其中所述热气体能够以燃烧位置加热，但或者同样能够以其它的工业工序的热的过程气体加热。在所述气流式反应器110中的热气体到达上方的返回点之后，来自所述气流式反应器的燃料燃尽。所述气流式反应器中的游离含氧量不应超过4％。故以强还原方式驱动所述气流式反应器110中燃烧器的火焰，这能够通过低于化学计量比的氧气供应或高于化学计量比的燃料供应来进行。所述热交换器120紧随所述气流式反应器110的下行的分支。粘土的在所述热气体中悬浮的、已热活化的精细料部分由所述热交换器120的最下方的旋流器121分离，并且在该位置具有600℃至1000℃之间的温度。所述热气体在所述热交换器120中的流向与新的精细料流向相反。与此相反的是，新的已热活化的粘土部分通过最下方的所述旋流器121的固体材料管路离开所述热交换器，并且在那里与已在筛分器40中分出的粘土的、惰性的冷的粗料统合在一起。
具有600℃至1000℃的温度的新的已活化的粘土在与冷的粗粒级一起交付时，在紧密混合情形下快速冷却到大约350℃至最高600℃的温度，并且在旋风分离器100中从所述设备的热线路分出。为了引起强烈的温度下降，可以在与热的已活化的粘土部分统合在一起之前，向所述冷的粗料部分加水。已统合的粘土部分流入所述旋风分离器230的气体引导部，在那里，这些部分的流向与新的大气空气流向相反。被冷却到大约80℃至120℃的部分作为成品经过所述旋风分离器230的固体材料管路并且经过所述输送装置240离开所述设备。与此相反的是，进入所述设备的新鲜空气受输送地经过压缩器210流至气体管路220，并且作为气体供给流至所述旋风分离器100，其中，所述新鲜空气接收在气室中快速冷却并统合的粘土部分。到达那里的新鲜空气作为用于所述气流式反应器110中燃烧器的燃烧空气，并且还作为载体空气。该新鲜空气的另一部分流至具有排气管路130的T形交叉口，所述排气管路将热的热交换器废气从所述热交换器130引导至热气体生成器140。在所述热气体生成器140中加热已统合的气体部分，并且在所述热气体生成器140之后，气体管路150将作为筛分气体和干燥气体的已加热的气体引导至筛分器40，所有的气体循环与材料循环和/或所有的流都结束于所述筛分器处。
附图标记列表
10 进料斗
20 输送装置
30 输送装置
40 筛分器
50 输送装置
60 材料道岔
70 输送装置
80 升降机
90 输送装置
91 升降机
92 处理装置
93 施水装置
100 旋风分离器
110 气流式反应器
120 热交换器
121 第二靠下的热交换器旋流器
122 最靠下的热交换器旋流器
123 最上方的热交换器旋流器
130 气体管路
140 热气体生成器
150 气体管路
160 气体管路
170 灰尘分离器
180 压缩器
190 输送装置
200 进料装置
210 压缩器
220 气体管路
230 旋风分离器
240 输送装置
Claims (12)
1.一种用于活化粘土的设备，其具有
-至少一个流化床反应器和/或气流式反应器(110)，
-至少一个旋流热交换器(120)，其中，所述旋流热交换器(120)在气体流动方向上跟在所述流化床反应器和/或气流式反应器(110)之后，
其中，用于待活化的粘土的进料装置(200)设置在所述旋流热交换器(120)的上部末端处，
其特征在于，
筛分器(40)以所述筛分器(40)的粗料外排开口在材料流动方向上在上游地与用于所述流化床反应器和/或气流式反应器(110)的、优选地呈旋风分离器(100)形式的气体进料装置处于流体连接状态，并且其中，所述筛分器(40)以所述筛分器(40)的精细料外排开口在材料流动方向上在上游地与用于待活化粘土的所述进料装置(200)处于流体连接状态。
2.根据权利要求1所述的设备，
其特征在于，
所述旋流热交换器(120)的材料流出口在下部末端处与用于所述流化床反应器和/或气流式反应器(110)的、优选地呈旋风分离器(100)形式的气体进料装置处于流体连接状态，
其中，已活化的粘土在该位置处与来自所述筛分器(40)的粗料外排开口的粗料统合在一起。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的设备，
其特征在于，
用于所述流化床反应器和/或气流式反应器(110)的、优选地呈旋风分离器(100)形式的气体进料装置的气体管路(220)与用作所述旋流热交换器(120)的排气管路的气体管路(130)连接，
其中，统合在一起的气体管路汇入热气体生成器(140)，并且其中，所述热气体生成器(140)在气流下游方向上与所述筛分器(40)的气体入口相连。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，
其特征在于，
所述筛分器(40)的粗料外排开口通过材料道岔(60)与所述筛分器(40)的原料入口相连。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，
其特征在于
所述筛分器(40)是垂直筛分器。
6.一种用于活化粘土的方法，
其特征在于，
一将粘土原料分为粗料部分和精细料部分，
一在预热器中预热所述精细料部分，并且接着
一在流化床反应器和/或气流式反应器(110)中活化所述精细料部分，
一使已活化的热的精细料部分与被分出的冷的粗料部分统合在一起，
-使统合在一起的粘土部分从所述反应器中排出。
7.根据权利要求6所述的用于活化粘土的方法，
其特征在于，
使具有600℃至1000℃的温度的已活化的热的精细料部分与被分出的、明显更冷的冷的粗料部分统合在一起。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的方法，
其特征在于，
-在化学还原的条件下、并且当载体气体的氧气含量小于4％时，在流化床反应器和/或气流式反应器(110)中活化所述精细料部分。
9.根据权利要求6或8中任一项所述的方法，
其特征在于，
通过旋流器使统合在一起的粘土部分从所述反应器中排出。
10.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
当温度为50℃至最高200℃时、优选当温度为90℃至120℃时，使统合在一起的粘土部分从所述反应器中排出。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，
其特征在于，
在冷的粗料部分与已活化的精细料部分为了快速冷却而统合在一起前，通过过滤、筛分和/或碎化/碾压对冷的粗料部分进行处理。
12.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，
其特征在于，
设置已统合的粘土部分中粗料与已活化细料的相对的量的份额。
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