CN117795279A - 提供还原水泥材料的设备与方法 - Google Patents

Abstract

一种提供还原水泥材料的制造设备，包括加热装置、还原装置和冷却装置。还原装置具有包括气体密封并与加热装置连接的第一端，从而来自加热装置的加热水泥材料可以被送至还原装置的第一端，而基本上没有任何来自加热装置的气体进入还原装置。还原装置具有与冷却装置连接的第二端，从而在还原装置中形成的还原水泥材料被提供给冷却装置。还原装置还具有配置为从第一端输送至第二端的水泥材料的输送装置，并配置为接收还原剂或还原剂前体。

Description

提供还原水泥材料的设备与方法

背景技术

在水泥行业的绿色转型期间，尝试减少水泥生产的环境影响是可取的。这样做的一种方式是通过用补充水泥材料(SCM)替代部分熟料来最小化水泥生料(cement meal)中的熟料量，这种补充水泥材料不需要像水泥熟料那样大量的能源，并且排放更少的二氧化碳。一种首选的SCM是具有水泥性质的煅烧黏土。

使用煅烧黏土有两个主要驱动因素。第一个是世界某些地区黏土的可获得性以及石灰石的缺乏，这使得利用当地可获得的黏土储量生产水泥变得非常有吸引力。另一个则是显著降低水泥生产总体二氧化碳排放的巨大潜力，使水泥生产商能够提供碳足迹更低的水泥。随着二氧化碳配额价格的增加和绿色议程，二氧化碳方面预计将在西方世界扮演重要角色。

使用煅烧黏土的一个挑战是当黏土在氧气存在的条件下暴露于高温时会发生红色化。这是由于黏土中的铁化合物在氧气存在下被氧化为氧化铁所致。为了赋予黏土水泥性质，需要通过加热至活化温度(通常在600℃-900℃范围内)来活化。在黏土煅烧系统中，黏土暴露于高温和过量氧气以燃烧燃料，这使得黏土变红。大多数客户在将活化黏土与熟料混合以生产水泥时，都不希望出现红色，因为市场需求是灰色水泥而非红色水泥。

存在几种不同的技术来避免黏土的微红色化。在EP3218320B1中，黏土被加热至600至1050℃的活化温度，并在还原条件下避免铁的氧化，之后在还原条件下冷却黏土。

在US8906155 BB中，黏土可以在氧化条件下煅烧，之后在还原条件下进行热处理。随后，还原后的黏土在还原条件下第一步骤冷却以获得稳定的还原黏土化合物，然后进一步冷却。

在白水泥的生产中出现了类似的挑战和解决方案。为了避免水泥熟料的着色，至少要将Cr₂O₃、Mn₂O₃和Fe₂O₃等化合物的含量与灰色水泥熟料相比保持在低水平。

因此，白水泥生产需要一个“漂白”和“淬火”过程。“漂白”包括在还原条件下将第二火焰引导到熟料床上，以将Fe(III)还原为Fe(II)。随后，为了防止铁的再氧化，执行“淬火”。这包括在几秒钟内迅速将熟料温度从1200℃降低到600℃以下。这通常涉及将其投入水中并迅速用螺钉移除或使其通过水喷雾帘。

在还原条件下进行的冷却步骤通常是通过在水中淬火或喷水来置换氧气并添加如油这样的碳源来提供还原条件。

使用水进行淬火过程导致相对较差的能源效率，因为与正常熟料制造不同，熟料的显热没有被回收。

因此，希望提供一个处理和装置，其中可以控制/改变煅烧黏土的颜色，并且同时允许一处理，其中电力消耗和因此二氧化碳排放减少。

发明内容

鉴于此背景，本发明的目的之一是提供一种装置，通过该装置可以缓解现有技术的一些缺点。在发明的第一个方面，通过制造设备实现了这些及其他目标，该装置用于提供还原水泥材料，包括：

加热装置，其配置用于将水泥材料前体加热至活化温度或高于活化温度以形成水泥材料；

还原装置，其配置用于容纳水泥材料并允许还原所述水泥材料；

冷却装置，其配置用于冷却还原水泥材料，使得至少一部分水泥材料保持在其还原状态；

其中，还原装置包括：

第一端，其连接至加热装置，包括气体密封装置，从而来自的加热装置加热水泥材料可以被送到还原装置的第一端，而没有任何来自加热装置的气体进入还原装置；

第二端，其连接至冷却装置，从而通过还原装置的还原水泥材料被送至冷却装置；

配置用于将水泥材料从第一端输送至第二端的输送装置；

并且，还原装置还配置用于接收还原剂或还原剂前体，由此在还原装置中实现并维持还原气氛。

通过在还原装置的第一端设置包括气体密封的制造设备，可以将还原装置与上游处理设备分离。因此，处理气体不能从加热装置流到还原装置。还原装置中的还原气氛可能包括可燃气体，如一氧化碳和/或碳氢化合物混合物，以及非含碳还原剂，如氢气或氨气。通过设置气体密封，可以避免可燃气体流入加热装置并点燃。密封因此提供了更大的处理控制并且也作为一项安全措施。还原气氛的保留时间和还原潜能(reducing potential)可以被控制至更大程度，这提供了更大的还原剂利用率，因此需要较少的还原剂或还原剂前体。通过拥有加热装置(用于热处理或煅烧水泥材料)与还原装置(用于还原碳质材料)分离的制造设备，相比如果两个处理步骤集成到同一设备中，允许还原装置可以有更小的体积。这额外地有助于降低还原剂的使用量。

加热装置可能适用于将水泥材料前体/原料转化为具有所需水泥性质的材料。在一个或多个实施例中，加热装置可能是一个煅烧器或窑。

水泥材料可以是通过活化适当材料(例如，通过加热至适当的活化温度)获得的SCM，从而获得所需的水泥性质，并可用作水泥熟料的部分替代品。

水泥材料也可以可选地是在还原条件下处理经历变色成为白色的水泥熟料。这种水泥熟料的组合物对于本领域技术人员而言是众所周知的，通常与灰色水泥熟料相比，其过渡元素的含量较低。

所谓的水泥材料前体是指尚未经过热处理以提供水泥性质的水泥材料。

所谓的“还原”水泥材料是指经过热处理以获得所需水泥性质并之后被还原至较低氧化状态的水泥材料。还原水泥材料的例子包括具有灰色外观的煅烧黏土或具有白色外观的水泥熟料。

活化温度这一术语用于定义水泥材料可能从水泥材料前体形成的温度。活化温度取决于要形成的水泥材料的类型，例如水泥熟料或SCM。

还原温度这一术语用于定义水泥材料适合进行还原反应的温度，即金属离子(通常是铁)被还原到较低氧化状态的温度。反应通常发生在特定温度区间内，并且随着温度的增加速度变快。还原温度取决于水泥材料的类型、待还原的化合物，以及还原剂的性质。还原温度通常低于反应温度。这通常是水泥材料反应活跃且反应率适当的温度区间。对于给定的水泥材料和还原剂，本领域技术人员将知道还原温度。在低于还原温度的温度下，本领域技术人员会认为水泥材料是稳定的。

用于黏土化合物的活化温度可在500℃至1100℃之间，优选地在700℃至900℃之间，更优选地在800℃至850℃之间。

用于白水泥熟料的活化温度可在1300℃至1500℃之间，优选地在1350℃至1450℃之间。

用于活化黏土化合物的还原温度可在200℃至1000℃之间，优选地400℃至900℃，优选地750℃至850℃。

用于白水泥熟料的还原温度可在500℃至1200℃之间，优选地在600℃至1000℃之间，更优选地在800℃至900℃之间。

根据还原剂的类型，本领域技术人员将能够确定进行化学反应以获得所需还原水泥材料的适宜温度区间。

冷却装置最好包括适用于热回收的冷却手段。适宜的冷却手段可能是气体淬火，例如空气淬火。为了增加热回收，优选不采用水淬火冷却。适宜的冷却装置可能是气体悬浮预热器，如旋风分离器或流化床冷却器。优选地，冷却装置包括多个冷却级，例如从一到五个级。优选地，冷却装置配置为在氧化条件下冷却还原水泥材料，但冷却速率足够快，以将水泥材料冷却至低于还原温度以维持至少一部分水泥材料处于还原氧化状态。冷却速率可能从每秒25℃至1000℃，优选地每秒100℃至300℃。根据水泥材料的类型、水泥材料的组成和所需的颜色，优选将还原水泥材料冷却至低于500℃的温度，如350℃。煅烧黏土通常应淬火至350℃以基本保持所需的颜色。对于白水泥，优选地将还原的白水泥熟料冷却至低于800℃的温度，如600℃。

输送装置配置用于将水泥材料从第一端输送至第二端。优选地，输送装置也适用于在还原装置中混合水泥材料，以提供水泥材料与还原剂之间更好的接触。输送装置可能是机械输送装置，如包括叶片的旋转轴、拖链或螺旋输送机。替代地，输送装置可能是非机械输送装置，如流化床或气滑槽，其中利用气体或液体使水泥材料流化。气体可直接使颗粒流化，而液体应被选择使得其沸点低于处理温度，以便在提供给还原装置时蒸发。适宜液体的一个实例可以是水。

在一个或多个实施例中，制造设备另外地包括位于还原装置第二端的气体密封装置，并且其中第二端连接到冷却装置，以便通过还原装置的还原水泥材料被送至冷却器，而几乎没有任何来自还原装置的气体进入冷却装置。

通过在第二端设置气体密封，还原装置中的还原气氛完全与上游和下游处理隔离。这也防止了在可能存在氧气的冷却器中，还原气氛中的可燃气体点燃。相反，包括已用还原剂的过量气体可以通过专用的气体出口从还原装置中移除。优选地，气体出口的设置和方向使得水泥材料不能进入气体出口。过量气体可以被添加到加热装置中的优选位置，至少部分回收到还原装置中或用作其他处理中的气态燃料。

在一个或多个实施例中，还原装置配置为容纳颗粒形式的水泥材料，且输送装置适用于将颗粒水泥材料从第一端输送至第二端，同时颗粒水泥材料处于密集相。所谓密集相，是指颗粒悬浮在密集悬浮态中，没有任何实质性的颗粒夹带，通常具有超过完全脱气状态下同一材料密度25％的体积密度。密集相颗粒材料的特点是基本上没有被夹带，即固体颗粒的竖直速度低于悬浮气体的上升速度。所谓密集相，是指颗粒不在气体中悬浮(非夹带流动)。

在一个或多个实施例中，还原装置配置有流化装置。流化装置提供了在还原装置中材料的优秀混合。

为了确保良好的流化，优选水泥材料以1-5000μm的颗粒大小形式存在。在一个或多个实施例中，制造设备包括研磨装置，适用于将水泥材料研磨至1至500μm的颗粒尺寸。

在一个或多个实施例中，流化装置配置为通过气体或液体的脉冲来流化。气体脉冲利用较少的气体实现颗粒的流化。因此，将需要更少的气体进行热交换和清洁。与恒定气流相比，脉冲流化因此提供了更节约成本和更环保的流化。脉冲以0.1至10Hz的频率和0.5至7bar的压力提供。

通过为还原装置提供流化装置，允许气体密封采用环形密封的形式。通过使颗粒水泥材料表现为流体，允许水泥材料在被流化的同时通过环形密封流动，但基本上阻止任何来自加热装置的处理气体进入还原装置。可选地，气体密封装置可以是螺旋送料器。

还原剂可以通过位于第一端的气体密封作为前体引入还原装置。所谓还原剂前体，是指转化成实际还原剂的组分。一个例子可能是固体煤，在还原室中通过与加热的水泥材料接触转化成一氧化碳。还原剂可以选自包括煤、废料燃料、石油产品、石油焦、生物质、含碳气体、氢气、氨以及氨形成前体(如尿素等)的列表中。

在一个或多个实施例中，还原装置包括还原剂入口，其适用于提供固体、液体或气体的还原剂或还原剂前体。还原剂入口可以位于还原装置中，使得水泥材料在从第一端传输至第二端的过程中与还原剂接触。

在一个或多个实施例中，还原装置被配置为环形密封。例如，还原装置可能具有U形、V形、W形或其他形状，这些形状阻止气体从第一端流向第二端，而环形密封包含流化的颗粒材料。在环形密封配置中，还原装置的第一端和第二端通过在使用过程中填充流化颗粒材料的密封部分分隔，以防止气体从第一端流向第二端。流化颗粒材料由于进入第一端的颗粒材料的重量而从第一端流向第二端，这迫使材料通过环形密封并向第二端移动。

根据另一个方面，本发明涉及一种制造还原水泥材料的方法。该方法包括以下步骤：

提供包含过渡元素并具有活化温度的水泥材料前体；

在氧化条件下加热水泥材料前体至高于活化温度以形成水泥材料；

将水泥材料提供给还原装置，而基本上不提供来自加热步骤的任何处理气体，并保持水泥材料的温度在还原温度或高于还原温度；

向还原装置提供还原剂或还原剂前体，并使水泥材料与还原剂接触以提供还原水泥材料；

在氧化条件下冷却还原水泥材料至低于还原温度以提供冷却的还原水泥材料。

包含过渡元素的水泥材料可以是白水泥熟料或包含铁、锰、钒、铬或其他过渡元素氧化物的活化黏土，这些氧化物在从氧化状态到还原状态下经历颜色变化。

将水泥材料提供给还原步骤是在加热处理水泥材料前体的步骤之后进行的。即，这些步骤分别在不同的处理设备中进行。

在氧化条件下冷却最好是通过空气淬火或至少部分通过与冷却的固体混合进行。冷却速率影响水泥材料的最终颜色，因为如果反应不够快，一些还原的水泥材料可能会氧化。所谓的还原水泥材料是指经过还原反应的水泥材料。在氧化条件下冷却时，一些还原水泥材料可能会重新氧化，但冷却的还原水泥材料应具有比热处理水泥材料更低的平均氧化状态。在特定应用中，这提供了与氧化水泥材料不同的颜色。根据优选颜色控制，至少50w/w％的还原水泥材料处于比热处理水泥材料更低的氧化等级可能是足够的并且优选地的，优选60w/w％，优选70w/w％，优选80w/w％，优选90w/w％，优选95w/w％。

在一个或多个实施例中，将还原水泥材料提供给冷却装置时，几乎没有任何还原剂，其中还原水泥材料接受冷却步骤。

在一个或多个实施例中，来自还原装置的过量气体提供给加热步骤。过量气体可能是提供给还原装置的还原剂、在还原装置中形成的气体(如一氧化碳)、部分氧化的碳氢化合物、水(蒸汽)。通过拥有一个与其他过程步骤的处理气体中基本上隔离的还原装置，过量气体不会被例如空气稀释，因此可以在加热步骤中作为燃料利用。过量气体的例子包括：一氧化碳和部分氧化的碳氢化合物。

在一个或多个实施例中，提供作为颗粒材料的水泥材料，并且在还原装置中使水泥材料流化。这提供了水泥材料的良好混合性，因此水泥材料与还原剂之间的接触良好。

在一个或多个实施例中，还原水泥材料是白水泥熟料。

在一个或多个实施例中，还原水泥材料是具有灰色外观的煅烧黏土。

进一步的目前优选实施例和进一步的优点将从以下详细描述和附属的从属权利要求中显现。

附图说明

本发明将通过目前优选实施例的非限制性示例以及参考示意图更详细地描述，其中：

图1示出了根据发明的实施例的包括还原装置的制造设备的总体图；

图2示出了根据发明的实施例的还原装置的示意图；

图3示出了根据发明的另一个实施例的还原装置的示意图。

具体实施方式

图1展示了一种制造还原水泥材料的制造设备1。以含化合物或熟料前体(石灰石、硅砂/沙子、铝源，如高岭土黏土)黏土矿物形式的水泥材料前体被提供给破碎机5，通过利用热处理气体进行干燥和缩小尺寸。然后，前体材料被提供给过滤器装置12，进一步进入以料斗13形式的计量装置。从料斗13，前体材料可以通过物料提升机14以期望的量加入到热解处理系统中(pyro process system)。然后，前体材料被提供给作为预热旋风分离器2的加热装置，或者替代地提供给煅烧器3。从预热旋风分离器2，预热前体材料可以被加入到煅烧器3的不同位置，以调节并提供所需的温度分布。煅烧器3在氧化条件下运行，前体材料被活化(反应)以形成氧化的水泥材料。然后，氧化水泥材料被提供给旋风分离器6，在那里它可能被重新循环到煅烧器以控制煅烧器的温度，或者提供给还原装置4，在还原装置中氧化水泥材料被还原到更低的氧化状态。然后，还原的水泥材料被提供给三级冷却旋风分离器7a、7b、7c形式的冷却装置，其中还原的水泥材料通过空气淬火冷却到低于还原温度的温度，从而提供具有平均氧化层级低于氧化水泥材料的稳定水泥材料。最终产品可通过物料出口8从最低冷却旋风分离器阶段移除。环境空气通过气体进口9加入，并以逆流方式提供给固体材料。环境空气在接触冷却旋风分离器7a、7b、7c中的热还原水泥材料时加热。在气体被加入到煅烧器3之前，可以使用热气体发生器10为空气提供额外的热能。

现转向图2，展示了一个更详细的还原装置40的实施例。还原装置40有第一端41，其具有以环形密封装置43形式的气体密封，形成为大体U形。第一端41包括入口42，连接到加热装置，以便来自加热装置的加热水泥材料可以被送到反应器的第一端。来自加热装置3的任何气体都无法通过环形密封装置，来自加热装置3的处理气体无法进入还原区45。沿着还原装置40的下表面设置了多个流化装置，流化装置是喷嘴形式，用于注入流体50，从而流化水泥材料。在所示的实施例中，还原剂与流体50b一起注入，形成包含流化水泥材料和还原剂的粉末柱44。已用或过量的还原剂包含在出口气体102中，并可以通过气体出口46移除，并且可以可选地提供给煅烧器中的燃烧器。气体出口46可包括气体分析装置，以分析出口气体中还原剂的含量，并因此调节添加到还原装置40的还原剂量。还原区45在第一端41和第二端51之间被隔离，因此配置用于提供并维持还原气氛。第二端51具有以环形密封装置49形式的气体密封，其形成大体U形。由于流化还原水泥材料的物料柱48，出口气体102无法通过环形密封装置49流向冷却装置7。通过出口52移除还原水泥材料101。流化流体50可以是不同类型的气体或液体。提供为50a、50b、50c和50d的流体可以是相同流体或不同流体。作为示例，流体50a可以是空气，而气体50c和50d可以是惰性气体，如N₂。可以将包含还原剂的气体作为流体50b提供。可选地可以提供液体，使得液体在处理环境中蒸发并提供蒸汽作为流化气体。通过提供流化流体并流化水泥材料，水泥材料被输送通过还原装置40。第一物料柱47的重量迫使水泥通过还原装置40。

现转向图3，展示了还原装置80的另一个实施例。还原装置80按照与还原装置40相同的原理工作，但不提供用于流化水泥材料的气体。还原装置80包括配置用于接收和容纳水泥材料及还原气氛的还原容器81。入口82位于还原装置80的第一端。以螺旋送料器83形式的气体密封提供水泥材料到还原容器81，几乎不提供来自加热装置的任何处理气体。

物料出口90位于还原装置80的第二端。物料出口90通过螺旋送料器84与还原容器81隔离，螺旋送料器也提供了从第一端到第二端的水泥材料99的运输和混合。还原装置80配置用于通过入口85接收还原剂或还原剂前体。包含已用还原剂(spend reducing agent)的出口气体通过气体出口86从还原容器81移除。

Claims (16)

1.一种提供还原水泥材料的制造设备，该制造设备包括：

加热装置，其配置为将水泥材料前体加热至活化温度或高于活化温度；

还原装置，其配置为容纳水泥材料并还原所述水泥材料；

冷却装置，其配置为冷却还原水泥材料，使得水泥材料至少部分保持在其还原状态；

其中，

所述还原装置包括：

第一端，其连接到加热装置，并包括气体密封装置，从而来自所述加热装置的加热水泥材料能被送至还原装置的所述第一端，而基本没有任何来自加热装置的气体进入还原装置；

第二端，其连接到冷却装置，从而通过还原装置的还原水泥材料被提供给冷却装置；

配置为将水泥材料从第一端输送至第二端的输送装置；

并且其中还原装置进一步配置为接收还原剂或还原剂前体，从而在还原装置中实现并维持还原气氛。

2.根据权利要求1所述的提供还原水泥材料的制造设备，其中所述第二端连接到冷却装置并包括气体密封装置，从而通过还原装置的还原水泥材料被提供给冷却器，而基本没有来自还原装置的任何气体进入冷却装置。

3.根据权利要求1或2所述的提供还原水泥材料的制造设备，其中还原装置和输送装置配置为容纳粉末形式的水泥材料，并且其中水泥材料以密集相从第一端输送至第二端。

4.根据前述权利要求中任一项所述的提供还原水泥材料的制造设备，其中还原装置进一步配置有流化装置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的提供还原水泥材料的制造设备，其中流化装置配置为通过气体或液体脉冲来流化。

6.根据前述权利要求中任一项所述的提供还原水泥材料的制造设备，其中气体密封装置为环形密封。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的提供还原水泥材料的制造设备，其中还原装置配置为环形密封。

8.根据前述权利要求中任一项所述的提供还原水泥材料的制造设备，进一步包括气体出口，用于从还原装置中移除含有已用还原剂的过量气体，且可选地，将过量气体提供给加热装置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的提供还原水泥材料的制造设备，其中冷却装置配置为在氧化条件下冷却，优选通过空气淬火。

10.根据前述权利要求中任一项所述的提供还原水泥材料的制造设备，其中冷却装置包括多个冷却级，如从一到五个级。

11.一种制造还原水泥材料的方法，该方法包括以下步骤：

提供包含过渡元素并具有活化温度的水泥材料前体；

在氧化条件下加热水泥材料前体至活化温度或高于活化温度，以形成水泥材料；

将水泥材料提供给还原装置，而基本没有提供来自加热步骤的任何处理气体，并保持水泥材料的温度高于还原温度；

将还原剂或还原剂前体提供给还原装置，并使加热的水泥材料与还原剂接触，以提供还原水泥材料；

在氧化条件下冷却还原水泥材料至低于还原温度，以提供冷却的还原水泥材料。

12.根据权利要求11所述的方法，其中还原水泥材料被提供给冷却装置，而基本没有任何还原剂。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中在还原装置中产生的任何过量气体被提供给加热步骤。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中水泥材料以粉末形式被提供，并且在还原装置中使水泥材料流化。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中水泥材料为白水泥熟料，优选为粉碎或研磨的白水泥熟料。

16.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中水泥材料为热活化的含化合物的黏土矿物。