CN116615398A - 用于制造煅烧粘土的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于制造具有所需色彩特征的煅烧粘土的方法，其中所述方法包含：‑在煅烧炉(6)中煅烧粘土的步骤，所述煅烧步骤在化学计量或氧化条件下进行，‑在与所述煅烧炉(6)分开的还原系统(7)中使所述煅烧粘土中存在的铁(III)氧化物还原的步骤，此还原步骤通过注入含有氢原子且置于与所述煅烧粘土直接接触的还原气体(15)进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造煅烧粘土的方法。特别地，本发明涉及一种用于制造意欲用作水泥成分的煅烧粘土的方法。
背景技术
水泥生产主要使用烧制材料熟料，其是由基本成分为碳酸钙的矿石制造。
熟料获自由以下构成的原材料：矿石混合物，尤其包括粘土，一种铝硅酸盐源；和石灰石，一种碳酸钙源。依次将这些矿石混合，干燥，研磨，预热，脱碳，且接着在旋转炉中燃烧和部分熔化到约1500℃的温度，接着将由此形成的熟料冷却。
通过精细研磨主要由熟料构成的混合物获得水泥。
在用于制造熟料的方法中，除从燃烧所使用的燃料排放的CO2以外，将主要或自石灰石的碳酸钙脱碳，获得可与旋转炉中的硅、铝和铁氧化物再组合以形成熟料的石灰。脱碳步骤将大量所释放的二氧化碳释放到大气中。
国家二氧化碳排放法变得更严格且要求利益关系人减少释放量。
除熟料以外，水泥含有用于调节灰浆和混凝土的凝结时间的石膏。水泥还越来越多地含有通常被称作“补充材料”的材料，且比例越来越高，所述材料代替熟料以便减少环境影响和水泥生产成本。
举例来说，目前主要使用的熟料代替材料为石灰石、高炉矿渣、来自燃煤电厂的粉煤灰和天然火山灰。
除仅仅充当“填料”的石灰石以外，这些熟料代替材料具有凝硬作用，使得其能够参与水硬性反应。此凝硬作用有助于在熟料比例降低时维持灰浆和混凝土的所需机械特性。
含有高岭石的粘土在其燃烧时(凝硬作用)获取，且接着变为水泥生产中的极佳熟料代替材料。其也称为“人工火山灰”。
不同于熟料制造，烧制粘土制造排放极少CO2。
通过合理地选择熟料的比例同时增加烧制粘土的比例，有可能制造具有所需特性的水泥。
由于其中所含的铁(III)氧化物Fe2O3，粘土具有微红色颜色。在不存在处理的情况下，添加烧制粘土到水泥将导致制造出具有浅粉色颜色的水泥。
水泥生产者和最终用户寻求灰色水泥。
已实施若干种方法来调节煅烧粘土的天然颜色且使得其呈浅灰色。
在这些技术中，可提及一种由使铁(III)氧化物Fe2O3分子化学反应以获得四氧化三铁Fe3O4组成的方法。这是氧化还原反应。在煅烧黏土的第一步骤之后，在将液体还原剂(尤其气油)直接注入到黏土上时将后者送到还原区域。气油诱导使得铁(III)氧化物能够还原以得到四氧化三铁和氧化铁FeO的条件。
尽管此方法使得有可能获得灰色粘土，但其具有两大缺点：
-注入大量的柴油用于还原铁(III)氧化物，从而一方面影响黏土成本和另一方面影响环境，
-还原反应必须在高温下进行，从而影响此方法的能效。
本发明的目标为解决此缺点。
发明内容
为了此目的，首先提出一种用于制造具有所需色彩特征的煅烧粘土的方法，其中其包含：
-在煅烧炉中煅烧粘土的步骤，所述煅烧步骤在化学计量或氧化条件下进行，
-在与煅烧炉分开的还原系统中使煅烧粘土中存在的铁(III)氧化物还原的步骤，此还原步骤通过注入含有氢原子且置于与煅烧粘土直接接触的还原气体进行。
此方法有利地使得有可能通过使用少量的试剂，显著地小于与液体试剂一起使用的数量，来获得灰色粘土。此外，此方法使得有可能增加能效，因为还原步骤是在比使用液体试剂的方法更低的温度下进行。
可单独或组合地提供各种额外特征：
-方法，其中；
-还原气体含有气态烃类试剂，或
-还原气体含有二氢物(dihydrogen)和一氧化碳类试剂，或
-还原气体含有二氢物类试剂，或
-还原气体含有气态烃、二氢物和一氧化碳类试剂；
-还原步骤包括与铁(III)氧化物还原同时发生的煅烧粘土冷却操作；
-在还原室中冷却进行操作期间，煅烧粘土的温度降低到低于阈值温度，使得有可能防止煅烧粘土中所含有的铁(II)氧化物和/或四氧化三铁再氧化，所述阈值温度大体上在300℃到600℃之间；
-还原步骤中注入的还原气体的量对应于大体上每摩尔存在于煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.01到2摩尔试剂之间的量；
-方法在煅烧步骤与还原步骤之间包括中间冷却步骤，此中间冷却步骤使得有可能使煅烧粘土冷却到300℃到800℃之间的还原温度；
-还原步骤在300℃到800℃之间的还原温度下进行；
-还原气体含有由n个碳原子和m个氢原子组成的气态烃CnHm类试剂；
-还原步骤中注入的还原气体的量对应于大体上每摩尔存在于煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.01到1摩尔试剂之间的量；
-还原气体为二氢物类试剂；
-还原步骤中注入的还原气体的量对应于大体上每摩尔存在于煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.2到2摩尔试剂之间的量；
-还原气体为二氢物与一氧化碳类试剂的混合物；
-还原步骤中注入的还原气体的量对应于大体上每摩尔存在于煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.2到2摩尔试剂之间的量；
-还原气体含有气态烃CnHm、二氢物和一氧化碳类试剂的混合物；
-还原步骤中注入的还原气体的量对应于大体上每摩尔存在于煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.05到2摩尔试剂之间的量；
-粘土含有高岭石；
-煅烧步骤中的煅烧温度低于950℃；
-煅烧粘土能够与意欲用于水泥生产的熟料混合。
其次提出如上文所描述的方法用于制造意图用于水泥生产的煅烧粘土的用途。
附图说明
其它特征、细节和优点将在阅读下文的详细描述且分析附图之后变得显而易见，其中：
图1
[图1]图1为根据本发明的设施的示意图。
图2
[图2]图2为根据本发明的方法的示意图。
具体实施方式
下文的附图和描述基本上含有具有明确性质的要素。因此，其不仅可用于增加对本公开的更佳理解，且还有助于在适用时对其进行定义。
在图1中，显示煅烧粘土制造单元1。
单元1包含：
-研磨机2，
-预热器3，
-过滤器4，
-燃烧室5，
-煅烧炉6，
-还原系统7，
-最终冷却器8，
-第一冷却系统9，
-第二冷却系统10。
首先描述图1中表示的制造单元1中气体和粘土的布设。将空气11和燃料12注入到燃烧室5中。燃烧器13在燃烧室5中点燃此混合物。热气离开燃烧室5且送到煅烧炉6，接着送到预热器3以及最后送到研磨机2。这些热气通过过滤器4排出。平行地，分别通过预热器3、煅烧炉6、还原系统7将黏土从研磨机2移到最终冷却器8。最终冷却器8中使用的空气16至少部分地传送向燃烧室5。
下文中，将描述根据本发明的方法14。
参考图式，根据本发明的方法14包括第一步骤E1，其中在研磨机2中研磨和干燥含有铁(III)氧化物Fe2O3的未加工粘土。
在附图中，实线表示粘土的路线，且虚线指示气流的路线。
将研磨且干燥的粘土送到预热器3，最细的部分除外，其通过热气流带向过滤器4。
所述方法包括第二预加热步骤E2。在预热器3中，研磨且干燥的粘土通过来自煅烧炉6的热气预热直到300℃到800℃之间的温度。
接着将预热粘土送到煅烧炉6。因此，所述方法包括第三煅烧步骤E3。为了激活煅烧粘土的凝硬潜力且使得其适合用于水泥生产，煅烧是在低于950℃的温度下进行。优选地，煅烧在700℃到900℃之间的温度下进行。煅烧在化学计量或氧化条件下进行。换句话说，煅烧炉6中的气态流在燃烧室5中通过燃烧氧化剂和燃料的混合物产生，其呈完全燃烧的化学计量比例或具有过量的氧化剂用于氧化燃烧。在图中示出的实施例中，燃烧室5与煅烧炉6分开，其中基本上空气充当氧化剂。如上文所提及，将燃烧室5中产生的热气送到煅烧炉6以便使粘土煅烧。
将煅烧粘土送到还原系统7。因此，所述方法包括还原煅烧粘土中所含有的铁(III)氧化物的第四步骤E4。通过注入含有氢原子的还原气体15进行还原，此气体置于与煅烧粘土接触。接着将还原气体15送到燃烧室5。
含有氢原子的还原气体15使得有可能根据下式还原铁(III)氧化物，以基本上获得四氧化三铁和任选地铁(II)氧化物FeO：
[化学反应1]
[化学反应2]
和根据下式，一氧化碳(当其存在时)与铁(III)氧化物反应：
[化学反应3]
[化学反应4]
使用含有氢原子的气体而非柴油或任何其他液态燃料作为还原剂使得有可能显著地减少还原步骤E4中的还原剂量。因此以显著较低的成本制造灰色的煅烧粘土。此外，降低灰色的煅烧粘土制造的环境影响。
接着，将灰色的煅烧粘土送到最终冷却器8，煅烧粘土在其中用空气冷却。因此，所述方法包含最终的第四冷却步骤E5。
有利的是，还原气体15含有：
-具有通用式CnHm的气态烃类试剂，或
-二氢物H2和一氧化碳CO类试剂的混合物，或
-二氢物H2类试剂，或
-具有通用式CnHm的气态烃类试剂、二氢物和一氧化碳的混合物。
应注意，这些气体可与其他气体(基本上氮气和/或二氧化碳)混合。
有利的是，第四还原步骤E4包括使用第一冷却装置9进行冷却操作O1。冷却操作O1与铁(III)氧化物还原同时发生。这使得有可能在第四还原步骤E4期间降低煅烧粘土的温度，以便防止铁(II)氧化物和/或四氧化三铁在所述第四还原步骤E4后和在还原系统7的出口处进行再氧化。
有利的是，第四还原步骤E4中的冷却操作O1通过冷却流体进行，所述冷却流体未与煅烧粘土直接接触，或若冷却流体含有小于10体积％氧气(例如在预热器3或煅烧炉6的出口处提取的燃烧气体)，则与煅烧粘土直接接触。此使得有可能防止铁(II)氧化物和/或四氧化三铁在所述第四还原步骤E4期间和之后任何显著的再氧化。
有利的是，在还原系统7中的冷却操作O1期间，煅烧粘土的温度降低到低于300℃到600℃之间的阈值温度，使得有可能防止铁(II)氧化物和/或四氧化三铁再氧化。
有利的是，还原步骤E4中注入的还原气体15的量对应于大体上每摩尔存在于煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.01到2摩尔试剂之间的量。通过观测此比例，获得具有所需浅灰色颜色的煅烧粘土，同时使气体供应降到最低，此使得有可能降低黏土生产成本和其环境影响。
有利的是，所述方法在第三煅烧步骤E3与第四还原步骤E4之间包含中间冷却步骤Ei，中间冷却步骤Ei通过第二冷却装置10实施。中间冷却步骤Ei使得有可能将煅烧粘土冷却到300℃到800℃之间的还原温度。在煅烧粘土进入还原系统7之前进行此中间冷却步骤Ei。此中间冷却可通过任何可使用的手段执行，特别地通过空气。通过在还原系统7之前冷却煅烧粘土，有可能改进制造单元1的能效。冷却热能以相同方法用于其他应用或用于另一用途。这归功于使用含有氢原子的气体作为还原剂而实现，其使得能够将铁(III)氧化物降低到比特别是使用液体还原剂的方法中更低的温度。
因此，第四还原步骤E4从而在300℃到800℃之间的还原温度下进行。此还原温度使得有可能改进制造单元1的能效。
根据本发明的第一实施例，还原气体15含有具有通式CnHm的气态烃类试剂，其由n个碳原子和m个氢原子组成。此气体的好处是容易获得且含有大量氢原子，这使得其尤其适用。
还原气体15含有例如甲烷、丙烷或丁烷。在此第一实施例中，此还原气体15在还原系统7中，在燃烧气体中所含有的氧气O2、二氧化碳CO2和水蒸汽H2O存在下进行部分分解反应。实际上，煅烧材料与其一起在粒子之间运送少量燃烧气体。分解反应如下：
[化学反应5]
[化学反应6]
[化学反应7]
在第一实施例中，还原气体15因此在第一阶段中部分地转化为二氢物和一氧化碳的混合物。
还原步骤中注入的具有通式CnHm的气态烃类试剂的量大体上在每摩尔存在于煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.01摩尔到1摩尔试剂之间。申请人确定，此量使得有可能获得所需浅灰色颜色，同时使此量降到最低以便降低煅烧粘土的生产成本同时降低环境影响。
根据本发明的第二实施例，还原气体15含有二氢物类试剂。此气体使得有可能防止在还原步骤期间产生碳氧化物。
还原步骤中注入的二氢物类试剂的量大体上在每摩尔存在于煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.2摩尔到2摩尔试剂之间。申请人确定，此量使得有可能获得所需浅灰色颜色，同时使此量降到最低以便降低煅烧粘土的生产成本同时降低环境影响。
根据本发明的第三实施例，还原气体15含有二氢物和一氧化碳类试剂的混合物。此气体的好处是容易在专用反应器(通常称为“吸热型气体产生器(endogas generator)”)中原位合成。
还原步骤中注入的二氢物和一氧化碳类试剂的此混合物的量大体上在每摩尔存在于煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.2摩尔到2摩尔试剂之间。申请人确定，此量使得有可能获得所需浅灰色颜色，同时使此量降到最低以便降低煅烧粘土的生产成本同时降低环境影响。
根据本发明的第四实施例，还原气体15含有具有通式CnHm的气态烃、二氢物和一氧化碳类试剂的混合物。此气体的好处的容易在专用反应器(通常称为“吸热型气体产生器”)中原位合成。
还原步骤中注入的气态烃、二氢物和一氧化碳类试剂的此混合物的量大体上在每摩尔存在于煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.05摩尔到2摩尔试剂之间。申请人确定，此量使得有可能获得所需浅灰色颜色，同时使此量降到最低以便降低煅烧粘土的生产成本同时降低环境影响。
有利的是，此制造方法14中使用的未加工粘土包含高岭石。此类型的粘土使得能够在水泥生产中用作部分熟料代替物。
因此，通过上文所描述的方法获得的煅烧粘土可与意图用于水泥生产的熟料混合。
本发明亦涉及上文所描述的方法14用于制造意图用于水泥生产的煅烧粘土的用途。这类用途使得有可能通过利用用煅烧粘土代替熟料降低水泥中熟料的比例而制造浅灰色水泥。如此获得的水泥具有所需浅灰色颜色和与不具有煅烧粘土的水泥大体上一致的机械特性。
Claims (18)
1.一种用于制造具有所需色彩特征的煅烧粘土的方法(14)，其特征在于，所述方法(14)包括：
-在煅烧炉(6)中煅烧粘土的步骤(E3)，所述煅烧步骤(E3)在化学计量或氧化条件下进行，
-在与所述煅烧炉(6)分开的还原系统(7)中使所述煅烧粘土中存在的铁(III)
氧化物还原的步骤(E4)，此还原步骤(E4)通过注入还原气体(15)进行，所述还原气体(15)含有氢原子且置于与所述煅烧粘土直接接触。
2.根据权利要求1所述的方法(14)，其特征在于：
-所述还原气体(15)含有气态烃，或
-所述还原气体(15)含有二氢物或一氧化碳，或
-所述还原气体(15)含有二氢物，或
-所述还原气体(15)含有气态烃、二氢物和一氧化碳。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法(14)，其特征在于，所述还原步骤(E4)包括与还原所述铁(III)氧化物同时发生的煅烧粘土冷却操作(O1)。
4.根据权利要求3所述的方法(14)，其特征在于，在还原室(7)中进行所述冷却操作(O1)期间，所述煅烧粘土的温度降低到低于阈值温度，使得有可能防止所述煅烧粘土中所含有的所述铁(II)氧化物和/或四氧化三铁再氧化，所述阈值温度在300℃到600℃之间。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法(14)，其特征在于，所述还原步骤(E4)中注入的还原气体(15)的量对应于每摩尔存在于所述煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.01到2摩尔试剂之间的量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(14)，其特征在于，其在所述煅烧步骤(E3)与所述还原步骤(E4)之间包括中间冷却步骤(Ei)，此中间冷却步骤(Ei)使得有可能将所述煅烧粘土冷却到300℃到800℃之间的还原温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(14)，其特征在于，所述还原步骤在300℃到800℃之间的还原温度下进行。
8.根据权利要求2或取决于权利要求2的权利要求3至7中任一项所述的方法(14)，其特征在于，所述还原气体含有由n个碳原子和m个氢原子组成的气态烃CnHm。
9.根据权利要求8所述的方法(14)，其特征在于，所述还原步骤(E4)中注入的还原气体(15)的量对应于每摩尔存在于所述煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.01到1摩尔试剂之间的量。
10.根据权利要求2或取决于权利要求2的权利要求3至7中任一项所述的方法(14)，其特征在于，所述还原气体为二氢物。
11.根据权利要求10所述的方法(14)，其特征在于，所述还原步骤(E4)中注入的还原气体(15)的量对应于每摩尔存在于所述煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.2到2摩尔试剂之间的量。
12.根据权利要求2或取决于权利要求2的权利要求3至7中任一项所述的方法(14)，其特征在于，所述还原气体(15)含有二氢物与一氧化碳的混合物。
13.根据权利要求12所述的方法(14)，其特征在于，所述还原步骤(E4)中注入的还原气体(15)的量对应于每摩尔存在于所述煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.2到2摩尔试剂之间的量。
14.根据权利要求2或取决于权利要求2的权利要求3至7中任一项所述的方法(14)，其特征在于，所述还原气体(15)含有气态烃CnHm、二氢物与一氧化碳的混合物。
15.根据权利要求14所述的方法(14)，其特征在于，所述还原步骤(E4)中注入的还原气体(15)的量对应于每摩尔存在于所述煅烧粘土中的铁(III)氧化物的0.05到2摩尔试剂之间的量。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法(14)，其特征在于，所述粘土含有高岭石。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法(14)，其特征在于，所述煅烧步骤(E3)中的煅烧温度低于950℃。
18.一种根据前述权利要求中任一项所述的方法(14)的用途，其用于制造用于水泥生产的煅烧粘土。
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