PL213023B1 - Sposób wytwarzania zuzla o wlasciwosciach spoiwa hydraulicznego - Google Patents

Description

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania żużla o właściwościach spoiwa hydraulicznego na bazie mieszanki zawierającej kamień wapienny, popiół lotny oraz dodatki, które to surowce są mieszane, topione i proszkowane.

Sposób taki znany jest z europejskiego patentu nr 0 393 731, którego jeden z wynalazców wymieniony jest także jako wynalazca w tym zgłoszeniu. Według tego sposobu surowce na bazie CaO,

SiO₂ oraz ΑΙ₂Ο₃, topione są w naczyniu w temperaturze o wartości w zakresie od 1400°C do 1550°C, dzięki czemu powstaje wytop składający się z 33-52% wagowo CaO, 9-25% wagowo Al2O3 oraz 23-45% wagowo SiO2, który to wytop po spuszczeniu schładzany jest poprzez przepuszczenie go pomiędzy walcami walcowego urządzenia chłodzącego (kalander), aż do osiągnięcia temperatury o wartości w zakresie 500-1000°C, po czym tak zestalona masa jest rozbijana i dalej ochładzana powietrzem, przy czym ogrzane powietrze chłodzące jest następnie wykorzystywane do rozgrzewania surowców. W praktyce okazało się, iż sposób taki prowadzi do otrzymania zeszklonego żużla o wysokiej zawartości CaO.

Zarówno z belgijskiego zgłoszenia patentowego nr 766 032 jak i z niemieckiego Offenlegungsschrift (opisu ogłoszeniowego) nr 2 122 027, znany jest sposób wykorzystywania pozostałości węglowych oraz węglanu wapnia, ta mieszanka jest rozgrzewana do temperatury około 1300°C, a następnie spiekana w temperaturze wynoszącej przynajmniej 1500°C, przy czym zachodzi wyprażanie i spiekanie. Spiekanie jest jednak procesem, w którym grudki/granule ulegają stopieniu na powierzchni, co sprawia, iż ulegają wzajemnemu sklejaniu. Oznacza to, że zgodnie z tym, co ujawniono w obu powyższych publikacjach patentowych, dokładnie w miejscu lub bezpośrednio powyżej miejsca wprowadzania paliwa następuje zgrzewanie, co jest wysoce niepożądane w praktyce, gdyż powoduje zgrzewanie i zapychanie się całej masy materiałów stałych już w podgrzewaczu wstępnym, co jest bardzo niekorzystne.

W wielu krajach w dalszym ciągu wytwarzany jest tradycyjny cement portlandzki, którego głównym składnikiem jest klinkier portlandzki, który wytwarzany jest w piecu szybowym. Ten pracochłonny proces produkcji, który z trudem, jeżeli w ogóle, spełnia wymagania ochrony środowiska (zapylenie) i który ma ograniczenia dotyczące jakości otrzymywanego klinkieru, nie ma zbyt wielu perspektyw, jeżeli chodzi o realizację modyfikacji, prowadzących do udoskonalenia procesu produkcji lub też do jej zwiększenia. Okazało się obecnie, iż możliwe jest przystosowanie istniejącej infrastruktury zakładu produkcyjnego, umożliwiające przejście do innego procesu produkcyjnego, dającego w rezultacie spoiwo nieorganiczne przeznaczone dla przemysłu budowlanego, które ma praktycznie identyczne właściwości co do wytrzymałości i możliwości obróbki, jak cement portlandzki.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania żużla o właściwościach spoiwa hydraulicznego.

Dzięki sposobowi według wynalazku, w trakcie trwania procesu kalcynowania, tak bardzo jak tylko jest to możliwe, zapobiega się spiekaniu surowców do postaci grudek/granul o pierwszym rozmiarze lub nawet większych.

Dzięki sposobowi według wynalazku, surowce wprowadzane są do pieca grzewczego w postaci grudek/granul o znanym składzie, który to piec grzewczy zapobiega spiekaniu grudek/granul, które zostały już wprowadzone w pożądanym składzie.

Dzięki sposobowi według wynalazku, wykorzystuje istniejącą infrastrukturę procesu wytwarzania klinkieru, w którym wykorzystywany jest piec szybowy i który dostosowuje tę infrastrukturę do wytwarzania żużla zamiast klinkieru, przy czym celem jest uzyskanie maksymalnej wydajności wypalanego produktu służącego do wytworzenia żużla.

Dzięki sposobowi według wynalazku, nie następuje zgrzewanie się grudek/granul na ich powierzchniach, zaś pomiędzy powoli poruszającymi się grudkami/granulami występują tak zwane kontakty punktowe, dzięki czemu praktycznie eliminuje się niepożądane zapychanie się masy.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób wytwarzania żużla o właściwościach spoiwa hydraulicznego realizowany w kolejnych etapach:

(1) mieszanie w pożądanym stosunku wagowym surowców, obejmujących kamień wapienny, popiół lotny oraz spoiwa, wypełniacze lub środki korekcyjne, (2) doprowadzenie zmieszanych surowców do górnej części cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła i wypalenie na produkt na dnie wspomnianego wymiennika ciepła, (3) topienie wypalonego produktu w piecu do topienia,

PL 213 023 B1 (4) studzenie stopionego produktu, (5) sproszkowanie ostudzonego stopionego produktu i wymieszanie go z popiołem lotnym oraz dowolnymi dodatkami i charakteryzuje się tym, że w etapie (1) mieszanina surowców jest granulowana z jednoczesnym dodatkiem stałego paliwa.

Korzystnie, gorące gazy pochodzące z pieca do topienia doprowadzane są do spodniej części cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła, które to gorące gazy przemieszczają się poprzez wymiennik ciepła w kierunku przeciwnym do ładunku grudek/granul poruszających się w dół.

Korzystnie, temperatura w cylindrycznym pionowym wymienniku ciepła jest tak kontrolowana, że zapobiega się wzajemnemu spiekaniu wprowadzanych grudek/granul.

Korzystnie, temperatura pieca do topienia jest wyższa niż temperatura cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła.

W takim przypadku, korzystnie, temperatura na dnie cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła wynosi od około 1100°C do około 1300°C, zaś temperatura pieca do topienia wynosi od około 1400°C do około 1550°C.

Korzystnie, w charakterze cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła wykorzystywany jest piec szybowy.

Korzystnie, w charakterze pieca do topienia wykorzystywany jest piec do topienia służący do wytwarzania wełny mineralnej lub wełny szklanej.

Korzystnie, wykorzystywane są sproszkowane surowce.

Korzystnie, w etapie proszkowania dodaje się aktywator.

Korzystnie, w etapie mieszania surowców dodaje się środek korekcyjny.

Korzystnie, w etapie proszkowania dodaje się suche naturalne pucolany, które zostały sproszkowane do rozmiarów cementu.

Korzystnie, grudki/granule uzyskane w etapie (1) tylko nieznacznie różnią się pod względem średnicy ziarna, przy czym średnica ta wynosi w szczególności od 1 do 2 cm.

Dzięki zrealizowaniu sposobu jak przedstawiono powyżej, otrzymuje się żużel o właściwościach spoiwa hydraulicznego, który po sproszkowaniu i wymieszaniu z popiołem lotnym oraz dodaniu dodatków, korzystnie aktywatora, tworzy spoiwo, które wykorzystywane jest w charakterze cementu. Wynalazek jest szczególnie przydatny do zastosowania w modyfikacji pieców szybowych cementowni.

Do wymiennika ciepła wprowadzana jest pewna ilość grudek/granul zawierających stałe paliwo, na przykład węgiel lub popiół lotny o wysokiej zawartości węgla, przy czym kompozycja każdej z grudek/granul zgodna jest już z pożądanymi właściwościami tak, że na wylocie pieca do topienia otrzymywany jest żużel o prawidłowym składzie chemicznym. W specyficznych przykładach wykonania pożądane jest zastosowanie surowców, które zostały sproszkowane, w etapie (1). W wyniku obecności stałego paliwa zawartego w grudkach/granulach, w grudce/granuli zachodzić będzie intensywna homogenna reakcja, w której efekty spiekania następować będą tylko wewnątrz grudek/granul, dzięki czemu prawie nie będzie dochodzić do zgrzewania się ich powierzchni, które to zewnętrzne zgrzewanie się mogłoby prowadzić nawet do zapychania się masy. Ze względu na to, że grudki/granule uległy całkowitemu odwęgleniu w cylindrycznym pionowym wymienniku ciepła, temperatura wytopu nie zostaje lokalnie niekorzystnie zaburzona przez pobierający energię proces dekarbonizacji. Ponadto grudki/granule nie powodują procesów separacyjnych w piecu do topienia. Pomimo, iż jako surowiec w procesie wymienia się zgodnie kamień wapienny, to oczywiste będzie dla znawców tej dziedziny, iż poza kamieniem wapiennym, w etapie (1) sposobu zastosowane mogą zostać także odpady przemysłowe o wysokiej zawartości CaO, takie jak resztki Ca(OH)2 lub CaO.

Po sproszkowaniu ostudzony stopiony produkt jest ostatecznie mieszany z zasadniczo identyczną ilością popiołu lotnego w celu otrzymania żużla o właściwościach spoiwa hydraulicznego w charakterze końcowego produktu. Sposób ma kilka zalet w porównaniu do procesów produkcji klinkieru znanych w stanie techniki. Dzięki temu, że ostudzony stopiony produkt jest produktem wysokiej jakości, popiół lotny może zostać dodany do niego w ilości aż do jego masy własnej (ostudzony stopiony produkt:popiół lotny = 50:50). W wyniku tego koszty oraz zużycie energii dla takiego produktu finalnego ulegają zmniejszeniu do wartości mniejszej niż koszty wytwarzania typowego cementu portlandzkiego. Poza tym uzyskuje się znaczne zmniejszenie zużycia kamienia wapiennego na jednostkę produktu finalnego. Prowadzi to do znacznego zmniejszenia emisji CO2 (redukcja o więcej niż 50%). Inną zaletą jest fakt, iż produkt końcowy może być wytwarzany z węglowego popiołu lotnego w charakterze alternatywnego surowca w ilości do 70%.

PL 213 023 B1

Określenie dodatki należy rozumieć jako substancje, do których należą takie środki jak spoiwa, wypełniacze oraz środki korekcyjne, za które uważa się środki, które w wyniku swojego składu chemicznego lub mineralogicznego korygują mieszankę, w szczególności mieszankę kamienia wapiennego i popiołu lotnego, w celu otrzymania zamierzonej optymalnej kompozycji oraz wytrzymałości grudek/granul surowych. Tak więc, środek korekcyjny dodawany jest do surowców w postaci kamienia wapiennego i popiołu lotnego w etapie (1) sposobu w celu otrzymania pożądanej chemicznej lub mineralogicznej kompozycji grudek/granul.

Korzystnie, gorące gazy pochodzące z pieca do topienia doprowadzane są do cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła i przechodzą przezeń w kierunku przeciwnym do kierunku ładowania grudek/granul poruszających się w dół. Taki gorący gaz powoduje osuszenie, rozgrzanie, odwęglenie oraz zapalenie składników, które są obecne w grudkach. Z punktu widzenia wydajności pożądane jest otrzymanie gorących gazów w całości lub częściowo ze spalin pieca do topienia. Należy rozumieć, iż wymiennik ciepła może być także podgrzewany za pośrednictwem innych źródeł energii, takich jak na przykład węgiel, typowe paliwa lub gaz ziemny.

Według sposobu szczególnie ważne jest, aby temperatura panująca w cylindrycznym pionowym wymienniku ciepła była tak kontrolowana, ażeby zapobiec wzajemnemu spiekaniu się grudek/granul topionych zgodnie z etapem (3) i uzyskać całkowitą dekarbonizację. Tego rodzaju dostosowanie temperatury będzie powodować niewielkie ceramiczne zgrzewanie wewnątrz grudek/granul w trakcie ich obecności i ruchu poprzez wymiennik ciepła, po czym grudki/granule te doprowadzane są do pieca do topienia, gdzie ulegać będą reakcji znanej osobom biegłym.

Ponadto, temperatura panująca na dnie cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła wynosi około 1100-1300°C, zaś temperatura pieca do topienia wynosi korzystnie około 1400-1550°C.

W zasadzie, w cylindrycznym pionowym wymienniku ciepła można wyróżnić dwa cząstkowe strumienie, to znaczy strumień grudek/granul wprowadzanych od góry i strumień gorących gazów pochodzących z pieca do topienia, wprowadzanych w dolnej części. Dzięki wysokiej temperaturze gazów pochodzących z pieca do topienia, ładunek grudek/granul, poruszających się powoli poprzez cylindryczny pionowy wymiennik ciepła, ulega rozgrzaniu przez gorące gazy płynące w kierunku przeciwnym. W celu ułatwienia przepływu strumienia gorących gazów ku górze poprzez cylindryczny pionowy wymiennik ciepła, w górnej części cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła zainstalowany jest wentylator. Dodatkową zaletą ładunku grudek/granul poruszających się w dół przez cylindryczny pionowy wymiennik ciepła jest to, iż ładunek ten pełni funkcję odpylacza. Wszelkie drobne resztkowe substancje mogą być zbierane w górnej części wymiennika ciepła przez konwencjonalne instalacje odpylające.

W jednym ze specjalnych przykładów wykonania pożądane jest zastosowanie pieca szybowego w charakterze cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła oraz pieca do topienia służącego do produkcji wełny mineralnej lub wełny szklanej w charakterze pieca do topienia.

Według sposobu kamień wapienny, popiół lotny oraz wszelkie dodatki są już obecne w pożądanych proporcjach w grudkach/granulach, które zostały uformowane, co ma korzystny wpływ na chemiczne i fizyczne procesy, jakie zachodzą w cylindrycznym pionowym wymienniku ciepła oraz w piecu do topienia.

W celu otrzymania żużla odznaczającego się doskonałymi właściwościami spoiwa hydraulicznego, korzystne jest wprowadzenie w charakterze dodatku w etapie (5) aktywatora, na przykład substancji wykazującej odczyn alkaliczny, takiej jak na przykład NaOH, Ca(OH)2 i tym podobne. Innym przydatnym dodatkiem dodawanym w etapie (5) są suche pucolany (pozzolan), które zostały sproszkowane do rozmiarów cementu.

Grudki/granule wytwarzane w etapie (I) sposobu według wynalazku w szczególności tylko w niewielkim stopniu różnią się pod względem średnicy ziarna, która to średnica wynosi korzystnie na przykład 1-2 cm, przy czym grudki/granule takie mogą być na przykład otrzymywane poprzez dodatek do surowców, to znaczy do kamienia wapiennego, popiołu lotnego oraz wszelkich innych dodatków, składnika, który prowadzi do fizycznej kohezji pomiędzy sproszkowanymi składnikami surowca. Zastosowanie grudek/granul jest szczególnie korzystne w celu zapobieżenia niepożądanym zmianom w ustalonej proporcji składników po wejściu do pieca (etap (3)).

Pomimo, iż wymienia się w popiół lotny pochodzący z zakładów spalania węgla, możliwe jest także zastosowanie innych substancji resztkowych, takich jak resztki pochodzące z pieców do spopielania, innych rodzajów popiołu lotnego, oczyszczonego śrutu staliwnego, szlamu ściekowego, szlamu z oczyszczalni ścieków, azbestu, żużli metalicznych, materiału pochodzącego z pogłębiania zbiorniPL 213 023 B1 ków wodnych oraz innych substancji zawierających zanieczyszczenia. Przy wytwarzaniu opisywanego tutaj żużla o właściwościach spoiwa hydraulicznego jest ponadto ważne, ażeby wytop nie krystalizował, ale pozostawał w swoim stanie zeszklonym, gdyż krystalizacja prowadziłaby do powstania nieprzydatnego produktu końcowego.

Claims (12)

1. Sposób wytwarzania żużla o właściwościach spoiwa hydraulicznego realizowany w kolejnych etapach:

(1) mieszanie w pożądanym stosunku wagowym surowców, obejmujących kamień wapienny, popiół lotny oraz spoiwa, wypełniacze lub środki korekcyjne, (2) doprowadzenie zmieszanych surowców do górnej części cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła i wypalenie na produkt na dnie wspomnianego wymiennika ciepła, (3) topienie wypalonego produktu w piecu do topienia, (4) studzenie stopionego produktu, (5) sproszkowanie ostudzonego stopionego produktu i wymieszanie go z popiołem lotnym oraz dowolnymi dodatkami, znamienny tym, że w etapie (1) mieszanina surowców jest granulowana z jednoczesnym dodatkiem stałego paliwa.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gorące gazy pochodzące z pieca do topienia doprowadzane są do spodniej części cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła, które to gorące gazy przemieszczają się poprzez wymiennik ciepła w kierunku przeciwnym do ładunku grudek/granul poruszających się w dół.

3. Sposób według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że temperatura w cylindrycznym pionowym wymienniku ciepła jest tak kontrolowana, że zapobiega się wzajemnemu spiekaniu wprowadzanych grudek/granul.

4. Sposób według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że temperatura pieca do topienia jest wyższa niż temperatura cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że temperatura na dnie cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła wynosi od około 1100°C do około 1300°C, zaś temperatura pieca do topienia wynosi od około 1400°C do około 1550°C.

6. Sposób według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że w charakterze cylindrycznego pionowego wymiennika ciepła wykorzystywany jest piec szybowy.

7. Sposób według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że w charakterze pieca do topienia wykorzystywany jest piec do topienia służący do wytwarzania wełny mineralnej lub wełny szklanej.

8. Sposób według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że wykorzystywane są sproszkowane surowce.

9. Sposób według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że w etapie proszkowania dodaje się aktywator.

10. Sposób według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że w etapie mieszania surowców dodaje się środek korekcyjny.

11. Sposób według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że w etapie proszkowania dodaje się suche naturalne pucolany, które zostały sproszkowane do rozmiarów cementu.

12. Sposób według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że grudki/granule uzyskane w etapie (1) tylko nieznacznie różnią się pod względem średnicy ziarna, przy czym średnica ta wynosi w szczególności od 1 do 2 cm.