RU2022103194A - Технологический процесс получения оксида кальция или портландцемента общего назначения из кальцийсодержащих горных пород и минералов - Google Patents

Claims (133)

1. Способ производства цементного материала, при этом способ включает стадии:

первого введения кальцийсодержащего исходного материала в реакцию с первой кислотой для производства водной первой кальциевой соли;

второго введения водной первой кальциевой соли в реакцию со второй кислотой для производства твердой второй кальциевой соли; где вторая кислота является отличной от первой кислоты, а вторая кальциевая соль является отличной от первой кальциевой соли; и

термической обработки одной или нескольких кальциевых солей для производства первого цементного материала.

2. Способ по п. 1, где одна или несколько кальциевых солей представляют собой вторую кальциевую соль.

3. Способ по п. 1 или 2, где во время стадии второго введения в реакцию реакция между первой кальциевой солью и второй кислотой регенерирует первую кислоту.

4. Способ по любому одному из пп. 1-3, характеризующийся суммарной реакцией, свободной от кислотообразующего газообразного продукта.

5. Способ по любому одному из пп. 1-4, включающий получение твердой второй кальциевой соли, характеризующейся степенью чистоты, большей или равной в сопоставлении со степенью чистоты 90 мас.%.

6. Способ по любому одному из пп. 1-5, включающий стадию первого разделения после стадии первого введения в реакцию и до стадии второго введения в реакцию; при этом стадия первого разделения включает отделение первой водной фракции от первой твердой фракции; где первая водная фракция содержит водную первую кальциевую соль, а первая твердая фракция содержит один или несколько твердых субпродуктов, полученных во время стадии первого введения в реакцию.

7. Способ по любому одному из пп. 1-6, включающий стадию второго разделения после стадии второго введения в реакцию и до стадии термической обработки; при этом стадия второго разделения включает отделение второй твердой фракции от второй водной фракции; где вторая твердая фракция содержит твердую вторую кальциевую соль, а вторая водная фракция содержит один или несколько водных субпродуктов, полученных во время стадии второго введения в реакцию.

8. Способ по п. 7, где твердая фракция характеризуется сухой массой, по меньшей мере, 90 мас.% при расчете на сухую массу которой представляют собой вторую кальциевую соль.

9. Способ по любому одному из пп. 1-8, включающий стадию регенерации второй кислоты; где стадия регенерации второй кислоты включает превращение одного или нескольких газообразных продуктов стадии термической обработки во вторую кислоту.

10. Способ по п. 9, где стадия регенерации второй кислоты представляет собой неэлектрохимический технологический процесс, осуществленный в соответствии с формулой FX1A:

SO₂+1/2O₂+H₂O → H₂SO₄ (FX1A),

где SO₂ в FX1A представляет собой газообразный продукт стадии термической обработки;

кислоту H₂SO₄, наработанную на FX1A, используют в качестве, по меньшей мере, доли второй кислоты во время стадии второго введения в реакцию.

11. Способ по п. 9, где стадия регенерации второй кислоты представляет собой неэлектрохимический технологический процесс, осуществленный в соответствии с формулой FX1B:

SO₂+H₂O → H₂SO₃ (FX1B),

где SO₂ в FX1B представляет собой газообразный продукт стадии термической обработки;

кислоту H₂SO₃, наработанную на FX1B, используют в качестве, по меньшей мере, доли второй кислоты во время стадии второго введения в реакцию.

12. Способ по п. 9, где стадия регенерации второй кислоты включает (i) электрохимическое окисление диоксида серы с образованием серной кислоты и (ii) получение газообразного водорода в результате реакции восстановления; и где стадию регенерации второй кислоты проводят в соответствии с формулой FX2:

SO₂+2H₂O → H₂SO₄+H₂ (FX2);

где SO₂ в FX2 представляет собой газообразный продукт стадии термической обработки;

кислоту H₂SO₄, наработанную на FX2, используют в качестве, по меньшей мере, доли второй кислоты во время стадии второго введения в реакцию.

13. Способ по п. 12, где стадия термической обработки включает использование энергии, выработанной в результате окисления газообразного водорода, полученного как следствие регенерации второй кислоты.

14. Способ по п. 12, где электрохимическое окисление диоксида серы включает использование энергии, выработанной как следствие стадии регенерации второй кислоты.

15. Способ по любому из пп. 1-14, где во время стадии второго введения в реакцию реакция между первой кальциевой солью и второй кислотой регенерирует первую кислоту в соответствии с формулой FX3:

CaCl_{2 (водн.)} + H₂SO₄ → CaSO_{4 (тв.)} + 2HCl (FX3);

где первая кальциевая соль представляет собой CaCl₂;

первая кислота представляет собой HCl;

вторая кислота представляет собой H₂SO₄; а

вторая кальциевая соль представляет собой CaSO₄.

16. Способ по любому одному из пп. 1-15, где кальцийсодержащий исходный материал содержит, по меньшей мере, 1 мас.% Са при расчете на сухую массу.

17. Способ по любому одному из пп. 1-16, где кальцийсодержащий исходный материал содержит, по меньшей мере, один материал многокомпонентного оксида металла, характеризующийся композицией, содержащей Са и, по меньшей мере, один другой металлический элемент, выбираемый из группы, состоящей из Al, Si, Fe, Mn и Mg.

18. Способ по п. 17, где композиция, по меньшей мере, одного многокомпонентного оксида металла содержит менее, чем или ровно 55 мас.% Са при расчете на сухую массу.

19. Способ по любому одному из пп. 1-18, где кальцийсодержащий исходный материал содержит, по меньшей мере, одного представителя, выбираемого из природных горной породы или минерала.

20. Способ по любому одному из пп. 17-18, где, по меньшей мере, один материал многокомпонентного оксида металла является, по меньшей мере, одним представителем, выбираемым из природных горной породы или минерала.

21. Способ по любому одному из пп. 19-20, где, по меньшей мере, один представитель природной горной породы или минерала включает базальт, апатиты вулканического происхождения, волластонит, анортозит, монтмориллонит, бентонит, кальцийсодержащий полевой шпат, анортит, диопсид, пироксен, пироксенит, мафурит, камафурит, клинопироксен, колеманит, гроссуляр, авгит, пижонит, маргарит, кальциевый серпентин, гранат, шеелит, скарн, известняк, природный гипс, апатит, фтороапатит, или любую комбинацию из них.

22. Способ по любому одному из пп. 1-21, где кальцийсодержащий исходный материал включает цемент, бетон, портландцемент, зольную пыль, шлак или любую комбинацию из них.

23. Способ по любому одному из пп. 1-22, где первая кислота является хлористо-водородной кислотой.

24. Способ по любому одному из пп. 1-23, где вторая кислота является серной кислотой и/или сернистой кислотой.

25. Способ по любому одному из пп. 1-24, где водная первая кальциевая соль представляет собой хлорид кальция.

26. Способ по любому одному из пп. 1-25, где твердая вторая кальциевая соль представляет собой сульфат кальция и/или сульфит кальция.

27. Способ по любому одному из пп. 1-26, где первый цементный материал представляет собой оксид кальция.

28. Способ по любому одному из пп. 1-27, где кислотообразующий газообразный продукт представляет собой SO₂ и/или СО₂.

29. Способ по любому одному из пп. 1-28, где стадия первого введения в реакцию включает введение кальцийсодержащего исходного материала в реакцию с хлористо-водородной кислотой для получения, по меньшей мере, водного хлорида кальция, водного хлорида алюминия и твердого кремнезема.

30. Способ по п. 29, где стадия первого разделения включает отделение первой водной фракции, содержащей водный хлорид кальция и водный хлорид алюминия, от первой твердой фракции, содержащей твердый кремнезем.

31. Способ по п. 30, где стадия второго введения в реакцию включает введение в реакцию, по меньшей мере, водного хлорида кальция, водного хлорида алюминия и серной кислоты для получения, по меньшей мере, твердого сульфата кальция, водного сульфата алюминия и хлористо-водородной кислоты.

32. Способ по п. 31, где стадия термической обработки включает нагревание сульфата кальция для получения оксида кальция.

33. Способ по любому одному из пп. 1-32, включающий стадию получения композитного цементного материала; где: (i) стадия термической обработки включает стадию получения композитного цементного материала, а первый цементный материал является композитным цементным материалом, или (ii) стадию получения композитного материала проводят при использовании первого цементного материала, полученного во время стадии термической обработки.

34. Способ по п. 33, где стадия получения композитного цементного материала включает нагревание второй кальциевой соли и/или первого цементного материала совместно с одной или несколькими добавками.

35. Способ по любому одному из пп. 33-34, где стадию получения композитного цементного материала проводят одновременно со стадией термической обработки.

36. Способ по любому одному из пп. 33-35, где стадию получения композитного цементного материала проводят впоследствии после стадии термической обработки.

37. Способ по любому одному из пп. 33-36, где композитный цементный материал представляет собой портландцемент общего назначения и/или портландцементный клинкер, и/или первый цементный материал представляет собой оксид кальция.

38. Способ по любому одному из пп. 34-37, включающий получение одной или нескольких добавок из кальцийсодержащего исходного материала.

39. Способ по любому одному из пп. 34-38, где одна или несколько добавок представляют собой один или несколько субпродуктов стадии первого введения в реакцию и/или получаются из одного или нескольких субпродуктов стадии первого введения в реакцию и/или представляют собой один или несколько субпродуктов стадии второго введения в реакцию и/или получаются из одного или нескольких субпродуктов стадии второго введения в реакцию.

40. Способ по любому одному из пп. 34-39, где объединенная композиция одной или нескольких добавок содержит Al и Si.

41. Способ по любому одному из пп. 34-40, где одна или несколько добавок представляют собой, по меньшей мере, Al₂O₃ и SiO₂.

42. Способ по любому одному из пп. 1-41, включающий получение и выделение кремнезема, относящегося к сорту тонкой кремнеземной пыли, нанокремнезема и/или микрокремнезема из кальцийсодержащего исходного материала.

43. Способ по любому одному из пп. 1-42, включающий получение и выделение глинозема из кальцийсодержащего исходного материала.

44. Способ по п. 43, где стадия первого введения в реакцию включает введение кальцийсодержащего исходного материала в реакцию с хлористо-водородной кислотой для получения, по меньшей мере, водного хлорида алюминия; где способ, кроме того, включает:

осаждение хлорида алюминия в присутствии хлористо-водородной кислоты;

введение осажденного хлорида алюминия в реакцию с серной кислотой для получения твердого сульфата алюминия;

нагревание сульфата алюминия и/или хлорида алюминия для получения глинозема.

45. Способ по п. 44, где реакция для осажденного хлорида алюминия приводит к получению хлористо-водородной кислоты.

46. Способ по п. 44 или 45, где стадия второго введения в реакцию включает стадию введения в реакцию для осажденного хлорида алюминия.

47. Способ по любому одному из пп. 44-46, где стадия термической обработки включает стадию нагревания сульфата алюминия и/или хлорида алюминия.

48. Способ по любому одному из пп. 1-47, включающий получение и выделение оксида железа из кальцийсодержащего исходного материала.

49. Способ по п. 48, где стадия получения и выделения оксида железа включает:

получение водного раствора, содержащего водные сульфат железа и/или хлорид железа и факультативно образованные из, по меньшей мере, одного другого металла магния соль серной кислоты и/или соль хлористо-водородной кислоты, полученные в качестве субпродуктов во время стадии второго введения в реакцию; где водный раствор свободен от кальциевой соли и свободен от алюминиевой соли;

высушивание водного раствора для получения твердого сульфата железа и/или твердого хлорида железа и факультативно образованной из, по меньшей мере, одного другого металла соли серной кислоты;

нагревание твердого сульфата железа и факультативно образованной из, по меньшей мере, одного другого металла соли серной кислоты для получения нерастворимого в воде оксида железа; и

необязательно, растворение образованной из, по меньшей мере, одного другого металла соли серной кислоты для выделения нерастворимого в воде оксида железа.

50. Способ по любому одному из пп. 1-49, включающий, кроме того, стадию получения первой кислоты; где: (i) стадия первого введения в реакцию включает стадию получения первой кислоты, и стадия получения первой кислоты протекает одновременно со стадией первого введения в реакцию, или (ii) стадию получения первой кислоты проводят отдельно от стадии первого введения в реакцию.

51. Способ по любому одному из пп. 1-50, включающий, кроме того, стадию получения второй кислоты; где: (i) стадия второго введения в реакцию включает стадию получения второй кислоты, и стадия получения второй кислоты протекает одновременно со стадией второго введения в реакцию, или (ii) стадию получения второй кислоты проводят отдельно от стадии второго введения в реакцию.

52. Способ по п. 51, где стадия получения второй кислоты включает введение SO₂ в реакцию с водой для получения H₂SO₃ и/или H₂SO₄; где вторая кислота представляет собой H₂SO₃ и/или H₂SO₄.

53. Способ по п. 52, где вторая кислота представляет собой H₂SO₃ и/или H₂SO₄, и где вторая кальциевая соль представляет собой, соответственно, CaSO₃ и/или CaSO₄.

54. Способ по любому одному из пп. 1-53, где первая кислота и/или вторая кислота являются кислотой в объеме.

55. Способ по любому одному из пп. 1-53, где стадия получения первой кислоты включает получение градиента значения рН в результате электролиза воды; где первую кислоту получают в результате электролиза воды.

56. Способ по любому одному из пп. 1-53, где стадия получения второй кислоты включает получение градиента значения рН в результате электролиза воды; где вторую кислоту получают в результате электролиза воды.

57. Способ по п. 10, где стадия регенерации второй кислоты, соответствующая формуле FX1A, проводится при температуре, выбираемой из диапазона от 400°С до 600°С, является экзотермической и проводится в присутствии катализатора.

58. Способ по любому одному из пп. 1-57, где способ характеризуется суммарной энергией, выбираемой из диапазона от - 2 до +2 ГДж при расчете на одну метрическую тонну произведенного цементного материала.

59. Способ по любому одному из пп. 1-58, где стадия первого введения в реакцию является экзотермической.

60. Способ по любому одному из пп. 1-59, где стадия регенерации второй кислоты является экзотермической.

61. Способ по любому одному из пп. 1-60, где стадию первого введения в реакцию проводят при температуре, составляющей, по меньшей мере, 50°С.

62. Способ по любому одному из пп. 1-61, где стадию термической обработки проводят при температуре, выбираемой из диапазона от 1100°С до 1800°С.

63. Способ по любому одному из пп. 1-61, где стадию термической обработки проводят в присутствии химического восстановителя и проводят при температуре, выбираемой из диапазона от 800°С до 1200°С.

64. Способ по любому одному из пп. 1-62, включающий, кроме того, стадию ионного обмена; где стадия ионного обмена включает обмен одного или нескольких анионов первой кальциевой соли и/или второй кальциевой соли на один или несколько гидроксильных анионов для получения третьей кальциевой соли.

65. Способ по п. 64, где стадия ионного обмена включает введение первой кальциевой соли и/или второй кальциевой соли в реакцию с хелатообразователем для получения соединения кальций-хелатор и введение соединения кальций-хелатор в реакцию с основанием для получения третьей кальциевой соли.

66. Способ по п. 64 или 65, где стадия ионного обмена включает введение первой кальциевой соли и/или второй кальциевой соли в реакцию с основанием для получения третьей кальциевой соли.

67. Способ по любому одному из пп. 64-66, где стадия ионного обмена включает использование ионообменной мембраны для проведения обмена одного или нескольких анионов первой кальциевой соли и/или второй кальциевой соли на один или несколько гидроксильных анионов для получения третьей кальциевой соли.

68. Способ по любому одному из пп. 64-67, где одна или несколько кальциевых солей стадии термической обработки представляют собой третью кальциевую соль.

69. Способ по любому одному из пп. 64-68, где третья кальциевая соль представляет собой Са(ОН)₂.

70. Способ производства цементного материала в результате восстановительного термического разложения, при этом способ включает стадии:

введения кальцийсодержащего материала в реакцию с газообразным химическим восстановителем для производства метана и цементного материала.

71. Способ по п. 70, где кальцийсодержащий материал содержит CaCO₃, CaSO₄, CaS, кальциевую соль или любую их комбинацию.

72. Способ по п. 70, где кальцийсодержащий материал представляет собой CaCO₃, CaSO₄, CaS или любую их комбинацию.

73. Способ по любому одному из пп. 70-72, где газообразный химический восстановитель представляет собой газообразный водород или газ, который содержит газообразный водород.

74. Способ по любому одному из пп. 70-73, где цементный материал представляет собой СаО, или цементный материал содержит СаО.

75. Способ по любому одному из пп. 70-74, где молярное соотношение для кальцийсодержащего материала при его введении в реакцию с газообразным химическим восстановителем составляет 1:4 или 1:2.

76. Способ по любому одному из пп. 70-75, где введение в реакцию проводят в присутствии воды.

77. Способ по любому одному из пп. 70-75, где введение в реакцию проводят в отсутствие воды.

78. Способ по любому одному из пп. 70-77, где во время стадии введения в реакцию производят газообразный кислород, воду или комбинацию из газообразного кислорода и воды.

79. Способ по любому одному из пп. 70-78, включающий, кроме того, стадию разложения метана для производства газообразного водорода и одного или нескольких углеродистых материалов.

80. Способ по любому одному из пп. 70-79, где способ не включает получения СО₂.

81. Способ по любому одному из пп. 70-80, где стадия введения в реакцию характеризуется низшей теплотворной способностью (НТС), составляющей 720 кДж/моль и менее, и высшей теплотворной способностью (ВТС), составляющей 800 кДж/моль и менее.

82. Способ по любому одному из пп. 70-81, где стадию введения в реакцию проводят при температуре, составляющей, по меньшей мере, 700°С.

83. Способ производства цементного материала, при этом способ включает стадии:

первого введения кальцийсодержащего исходного материала в реакцию с первой кислотой для производства первой водной фракции, содержащей водную первую кальциевую соль, и первую твердую фракцию, содержащую один или несколько твердых субпродуктов; где:

кальцийсодержащий исходный материал демонстрирует химический состав, содержащий множество металлических элементов, включающих, по меньшей мере, Са и Si;

один или несколько твердых субпродуктов содержат кремниевую соль;

первого отделения первой водной фракции от первой твердой фракции; и

обработки первой кальциевой соли для производства первого цементного материала.

84. Способ по п. 83, где стадия обработки включает термическую обработку первой кальциевой соли в присутствии воды для производства первого цементного материала.

85. Способ по п. 84, где термическая обработка первой кальциевой соли регенерирует первую кислоту.

86. Способ по любому одному из пп. 83-85, где стадия обработки включает стадию ионного обмена; где стадия ионного обмена включает обмен одного или нескольких анионов первой кальциевой соли на один или несколько гидроксильных анионов для получения третьей кальциевой соли.

87. Способ по п. 86, где стадия ионного обмена включает введение первой кальциевой соли в реакцию с хелатообразователем для получения соединения кальций-хелатор и введение соединения кальций-хелатор в реакцию с основанием для получения третьей кальциевой соли.

88. Способ по п. 86 или 87, где стадия ионного обмена включает введение первой кальциевой соли в реакцию с основанием для получения третьей кальциевой соли.

89. Способ по любому одному из пп. 86-88, где стадия ионного обмена включает использование ионообменной мембраны для проведения обмена одного или нескольких анионов первой кальциевой соли на гидроксильные анионы для получения третьей кальциевой соли.

90. Способ по любому одному из пп. 86-89, где третья кальциевая соль представляет собой Са(ОН)₂.

91. Способ по любому одному из пп. 86-90, где стадия обработки включает термическую обработку третьей кальциевой соли для производства первого цементного материала.

92. Способ по любому одному из пп. 83-91, где первая кислота представляет собой хлористый водород.

93. Способ по любому одному из пп. 83-92, где один или несколько твердых субпродуктов содержат SiO₂.

94. Способ по любому одному из пп. 83-93, где кальцийсодержащий исходный материал содержит, по меньшей мере, одного представителя, выбираемого из природных горной породы или минерала.

95. Способ по любому одному из пп. 49-69, где стадия получения и выделения оксида железа, кроме того, включает: использование SO₂ для осаждения MgSO₃; отделение водной железной соли от твердой магниевой соли; высушивание водного раствора для получения твердого сульфата или хлорида железа и необязательно образованной из, по меньшей мере, одного другого металла соли серной кислоты; нагревание твердого сульфата железа и необязательно образованной из, по меньшей мере, одного другого металла соли серной кислоты для получения нерастворимого в воде оксида железа; и необязательно растворение образованной из, по меньшей мере, одного другого металла соли серной кислоты для выделения нерастворимого в воде оксида железа.

96. Способ по любому одному из пп. 1-69, где стадия первого введения в реакцию включает введение кальцийсодержащего исходного материала в реакцию с хлористо-водородной кислотой для получения, по меньшей мере, водного хлорида кальция, водного хлорида алюминия, водного хлорида железа, водного хлорида магния и твердого кремнезема.

97. Способ по п. 96, где стадия первого разделения включает отделение первой водной фракции, содержащей водный хлорид кальция и водный хлорид алюминия, от первой твердой фракции, содержащей твердый кремнезем.

98. Способ по любому одному из пп. 96-97, где стадия второго введения в реакцию включает введение в реакцию, по меньшей мере, водного хлорида кальция и серной кислоты для получения, по меньшей мере, твердого сульфата кальция, твердого сульфата кальция и хлористо-водородной кислоты.

99. Способ по любому одному из пп. 96-98, где стадия термической обработки включает нагревание сульфата кальция для получения оксида кальция.

100. Способ по любому одному из пп. 1-69 и 95-99, включающий получение и выделение хлорида алюминия и получение металлического алюминия в результате электроосаждения хлорида алюминия.

101. Способ по п. 100, где получение и выделение хлорида алюминия включает совместное получение газообразного хлора; при этом способ, кроме того, включает введение газообразного хлора в реакцию с водородом для регенерации хлористо-водородной кислоты.

102. Способ по любому одному из пп. 1-69 и 95-99, включающий получение и выделение сульфата железа и получение металлического железа в результате электроосаждения сульфата железа.

103. Способ по п. 102, включающий, кроме того, регенерацию серной кислоты.