TWI598321B - 水泥熟料製造系統 - Google Patents

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Description

水泥熟料製造系統
本發明是關於一種適於削減水泥熟料之燒成熱量，且可獲得高品質之水泥的水泥熟料製造系統。
本申請案是依據在2011年12月26日於日本提出申請的專利申請案2011-283114號主張優先權，在此援用其內容。
製造水泥所需的熱能大半會在熟料的燒成製程中消耗掉。因此，只要可降低熟料的燒成溫度，便可大幅降低能量成本，也可有助於CO2排出量的削減。
通常，普通波特蘭水泥(Portland cement)的熟料是將調和原料在旋轉式燒窯燒成至1450℃以上而製造。在該熟料的燒成製程中為了降低燒成溫度，以往是採用如下的手段。
(A)改變熟料的組成，使燒成時的液相量增加，即使在較低溫也容易生成熟料(非專利文獻1)。
(B)在旋轉式燒窯前段設置急速升溫爐，使投入原料快速升溫至融液反應溫度以上之後，在旋轉式燒窯內進行低溫燒成(1300至1400℃)(專利文獻1)。
(C)由於生成熟料之主要礦物的矽酸三鈣需要高溫，因此事先在熟料原料混入會形成矽酸三鈣之結晶生成之核的物質(專利文獻2)。
然而，上述(A)方法可能會因為礦物組成的變更而導致水泥的強度降低或流動性降低。上述(B)方法會因為製造設備的改造而導致成本提高。
另一方面，根據上述(C)方法，雖然有可用比過去小的熱量原單位燒成高品質的熟料的優點，但是會形成矽酸三鈣之結晶生成之核的物質必須是具有比水泥熟料之液相生成溫度(1200℃~1300℃)高的融點的物質。
並且，檢討了一種(D)在熟料原料添加螢石(氟化鈣)等的助熔劑(礦化劑)，以降低熟料之燒成溫度的方法。例如，只要添加氟源及硫源製造出普通波特蘭水泥熟料作為礦化劑，便可使燒成溫度降低100℃左右。
例如，礦化劑的氟源使用螢石或包含氟的廢棄物等，硫源使用無水石膏或硫成分高的燃料等，其與在藉由軋碎機粉碎之後會形成熟料之鋁離子源的黏土或碳灰、各種燒卻灰等混合而調整熟料原單位，藉由乾燥機乾燥之後，與形成熟料成分的乾燥黏土、石灰石、矽石及鐵原料混合而調整原料比率之後，這些的混合原料會由磨粉機粉碎並且被投入燒成燒窯。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平7-17751號公報
[專利文獻2]日本特開2006-182638號公報
[非專利文獻]
[非專利文獻1]H.F.W. Taylor: Cement chemistry (1990) p80,p93
在原料添加礦化劑並以低溫燒成熟料的情況，為了製造出高品質的水泥，必須正確地掌握混合原料中的氟量及主要成分量、熟料中的氟量、三氧化硫量及游離石灰量。測定這些的含量是使用例如依成分的如下測定方法。
(A)水泥的化學組成是利用JIS R 5204 2002：2002「水泥的螢光X射線分析方法」或是JCAS I-03「波特蘭水泥的螢光X射線分析方法」來測定。
(B)水泥中的氟量是利用使用粉末磚的螢光X射線分析、或是水泥協會標準試驗方法I-51：1981「水泥及水泥原料中的微量成分之定量方法」、或是加熱氣化吸收離子層析儀來測定。
(C)添加石膏量及半水化率是利用熱重量-示差熱分析(TG-DTA)、或是粉末X射線繞射/李特維德(Rietveld)解析來測定。
(D)游離石灰量(f.CaO)是利用水泥協會標準試驗方法I-01：1997「游離氧化鈣的定量方法」或是粉末X射線繞射/李特維德解析來測定。
上述測定方法是使用X射線繞射裝置及螢光X射線 分析裝置等，所採集的試料熔融而形成團塊，或是加壓而進行分析。在該情況，氟量的測定是使試料形成團塊時，氟會稀釋及揮發而無法正確地定量，而游離石灰量的測定是使試料形成團塊時，熟料礦物會變質而無法實現正確的定量。因此，氟量及游離石灰的定量是不使試料形成團塊，而是調製成加壓試料，並藉由利用X射線繞射的礦物成分之分析來定量游離石灰量。如此為了正確測定氟量及游離石灰量，必須使用X射線繞射及螢光X射線分析兩種分析裝置，並調製成因應測定元素之狀態的試料。
本發明提供一種針對燒成前的調和原料及燒成後的熟料，進行氟量及游離石灰量之測定所需的X射線繞射分析以及螢光X射線分析，以及可有效實施該試料調製以迅速並正確地測定氟量及游離石灰量，並製造高品質之水泥的水泥熟料製造系統。
本發明是關於具有以下構造的水泥熟料製造系統。
(1)一種水泥熟料製造系統，是具備：供應礦化劑之氟源及硫源的手段；供應熟料原料的手段；將混合了礦化劑之氟源與熟料原料的調和原料粉碎的手段；燒成已粉碎之調和原料的燒窯；將礦化劑的硫源投入燒窯的手段；以及將燃料供應至燒窯的手段者，其特徵為：設有分別採取燒成前的調和原料及燒成後的熟料，並依所採取的試料種類測定氟量、主要成分量、 及游離石灰量的試料分析系統，根據該測定量控制氟源及硫源的供應量、調和原料的供應量、以及燃料的供應量至少一個。
(2)如上述(1)的水泥熟料製造系統，其中，設有試料分析系統，該試料分析系統具有：分別採取燒成前的調和原料及燒成後的熟料的手段；使所採取的試料形成團塊的手段；對所採取的試料加壓的手段；X射線繞射裝置；以及螢光X射線分析裝置，依燒成前的調和原料與燒成後的熟料之差異進行團塊或加壓的試料調製，並依所調製的試料種類，藉由X射線繞射裝置或螢光X射線分析裝置測定氟量、主要成分量、及游離石灰量，並依該測定量控制礦化劑之氟源及硫源的供應量、調和原料的供應量、以及燃料的供應量至少一個。
(3)如上述(1)或上述(2)所記載的水泥熟料製造系統，其中，藉由試料分析系統，將燒成前的調和原料調製成團塊試料或加壓試料之後，藉由螢光X射線分析裝置測定氟量及主要成分量，另一方面，熟料被調製成加壓試料之後，藉由X射線繞射裝置測定游離石灰量，接下來針對該加壓試料，藉由螢光X射線分析裝置測定氟量及主要成分量，因應該測定量的控制信號被傳達至礦化劑之氟源及硫源的供應手段及調和原料的供應手段，並控制這些的供應量。
(4)如上述(1)~上述(3)任一項所記載的水泥熟料製造系統，其中，試料分析系統具備：供所採取的調和原料試 料及熟料試料搬入的接收部；將試料粉碎的裝置；使粉碎的試料形成團塊的裝置；對粉碎的試料加壓的裝置；X射線繞射裝置；螢光X射線分析裝置；試料搬出部；以及進行試料之出入的分配裝置，上述試料接收部、上述團塊試料調製裝置、上述加壓試料調製裝置、X射線繞射裝置、螢光X射線分析裝置、試料搬出部是配置成環狀，在該環狀排列的中央部設置有分配裝置，藉由該分配裝置，調和原料試料或熟料試料可依其種類被分配至上述各裝置並出入。
(5)如上述(1)~上述(4)任一項所記載的水泥熟料製造系統，其中，調和原料是混合了氟源及熟料原料的供應原料，該熟料原料在混合了碳灰的原料精粉添加了集塵灰。
本發明之水泥熟料製造系統是測定燒成前的調和原料及熟料的氟量及游離石灰量，並根據該測定量供應適量的礦化劑及調和原料，因此燒窯內或預熱爐內的塗料不會因為礦化劑而增加，而可降低熟料燒成溫度，且可製造高品質的水泥。
又，本發明之水泥熟料製造系統是根據熟料中的游離石灰量來控制燃料的使用量，因此可大幅削減熱能原單位及燃料成本。還可藉由減少燃料的使用量來削減CO2氣體排出量。
本發明之水泥熟料製造系統可使用包含氟化鈣的汙泥 作為礦化劑的氟源，可使用廢石膏板或含有許多硫磺的燃料等作為礦化劑的硫源，因此在降低製造成本方面相當有利，還可促進廢石膏板等的廢棄物利用。
以下，根據實施形態具體地說明本發明。
本發明之水泥熟料製造系統是具備：供應礦化劑之氟源及硫源的手段；供應熟料原料的手段；將混合了礦化劑之氟源及熟料原料的調和原料粉碎的手段；燒成已粉碎之調和原料的燒窯；將礦化劑的硫源投入燒窯的手段；以及將燃料供應至燒窯的手段者，其特徵為：設有分別採取燒成前的調和原料及燒成後的熟料，並依所採取的試料種類測定氟量、主要成分量、及游離石灰量的試料分析系統，根據該測定量控制氟源及硫源的供應量、調和原料的供應量、以及燃料的供應量至少一個。
本發明之水泥熟料製造系統設有試料分析系統，該試料分析系統例如具有：分別採取燒成前的調和原料及燒成後的熟料的手段、使所採取的試料形成團塊的手段、對所採取的試料加壓的手段、X射線繞射裝置、及螢光X射線分析裝置，依燒成前的調和原料與燒成後的熟料之差異進行團塊或加壓的試料調製，依所調製的試料種類，藉由X射線繞射裝置或螢光X射線分析裝置測定氟量、主要成分量、及游離石灰量，並依該測定量控制礦化劑之氟源及硫源的供應量、調和原料的供應量、及燃料的供應量至少 一個。
將本發明之水泥熟料製造系統之一例顯示於第1圖。圖面所示的本發明之水泥熟料製造系統設有：將本身為礦化劑之氟源的氟化鈣汙泥10粉碎的手段11；供應已粉碎之上述汙泥的手段12；供應熟料原料之黏土的手段13；使氟化鈣汙泥粉碎物與黏土的混合原料乾燥的乾燥機14；在乾燥後的混合原料添加乾燥黏土的手段15；供應熟料原料之石灰石16的手段17；供應熟料原料之矽石及鐵原料的手段18；將這些原料粉碎的手段19；將碳灰供應至已粉碎之原料的手段20；儲存已粉碎之原料與碳灰的混合物的手段21；以及將碳灰混合在被磨得細碎的混合物而作為原料精粉，並在此添加集塵灰的調和原料(供應原料)投入燒窯22的手段23。此外，燒窯22設有將廢石膏板從窯前投入的手段(省略圖示)。
再者，第1圖的水泥熟料製造系統設有試料分析系統，該試料分析系統具有：採取燒成前的調和原料的手段(省略圖示)；採取燒成後的熟料的手段(省略圖示)；將所採取的試料粉碎的手段；使粉碎的試料形成團塊的手段；對粉碎的試料加壓的手段；X射線繞射裝置、以及螢光X射線分析裝置。
將上述試料分析系統的構造例顯示於第2圖。第2圖當中，設有供所採取的調和原料試料搬入的接收部30；供所採取的熟料試料搬入的接收部31；將這些試料粉碎的手段(粉碎機)32；使粉碎的試料形成團塊的裝置33；對 粉碎的試料加壓的裝置34；螢光X射線分析裝置35；X射線繞射裝置36；試料的搬出部37；以及使試料在各裝置出入的分配裝置38。
試料接收部30及31、粉碎機32、成團裝置33、加壓裝置34、螢光X射線分析裝置35、X射線繞射裝置36、試料搬出部37是配置成環狀，在該環狀排列的中央部設置有分配裝置38。該分配裝置38具有旋轉自如的臂部40以及在該臂部前端的夾具41。
被搬入試料接收部30、31的試料由分配裝置38的夾具41抓住，在臂部40旋轉而將試料裝入粉碎機32之後，夾具41打開並留下試料，臂部40回到待機位置。試料由粉碎機32磨得細碎之後，臂部40再度旋轉至粉碎機32，由夾具41抓住試料，粉碎的試料為調和原料試料時，就將試料裝入成團裝置33或加壓裝置34。粉碎的試料為熟料試料時，就將試料裝入加壓裝置34。將試料裝入這些試料調製裝置之後留下試料，臂部40旋轉並回到待機位置。
試料依其種類被調製成團塊試料或加壓試料之後，由分配裝置38取出試料，臂部40旋轉而將試料搬入螢光X射線分析裝置35或X射線繞射裝置36。搬入後，夾具41打開，將試料留在這些分析裝置，臂部40回到待機位置。
在螢光X射線繞射裝置35或X射線繞射裝置36當中分析過目標成分之後，臂部40再度旋轉並抓住試料， 將試料送入搬出部37，留下試料，臂部回到待機位置。結束分析的試料從搬出部37被取出至外部。
將利用上述試料分析系統分析氟量、三氧化硫量、主要成分量、及游離石灰量的步驟例顯示於第3圖。如圖面所示，所採取的燒成前的調和原料被粉碎之後，被調製成用來測定氟量及氯量的加壓試料。或是被調製成用來測定主要成分量及三氧化硫的團塊試料。這些團塊試料及加壓試料被裝入螢光X射線分析裝置35，並測定氟量或三氧化硫量、及主要成分量。
另一方面，所採取的熟料試料被粉碎之後，由加壓裝置34調製成加壓試料。該加壓試料被裝入X射線繞射裝置36，並根據礦物成分測定礦物組成及游離石灰量。接下來，該加壓試料被裝入螢光X射線分析裝置35，測定氟量或三氧化硫量及主要成分量。
如此，根據上述試料分析系統，可依所採取的試料種類及測定元素的種類，調製成團塊試料或加壓試料。具體而言，關於燒成前的調和原料是被調製成團塊試料及加壓試料兩者，由團塊試料測定三氧化硫量、主要成分量，由加壓試料測定氟量。因此，由於不稀釋微量的氟來調製試料，因此不會揮發，而可進行正確的定量。
又，熟料試料是被調製成加壓試料並直接測定游離石灰量，因此熟料礦物不會變質，而可測定正確的游離石灰量及礦物組成。再者，可使用該加壓試料測定氟量或三氧化硫量以及主要成分量。
上述試料分析系統當中，從試料之出入到分析後之搬出這一連串操作可藉由自動控制電路連續地進行。此外，三氧化硫、氟量及主要成分量可依據螢光X射線分析方法(團塊法或粉末磚法)，游離石灰量(f.CaO)可依據使用粉末X射線繞射的檢量線法或內標準法或是李特維德(Rietveld)解析法來測定。
因應所測定的氟量或三氧化硫量、及主要成分量的控制信號被傳達至礦化劑之氟源及硫源的供應手段、調和原料的供應手段、以及燃料供應手段，並控制這些的供應量。
關於本發明之水泥熟料製造系統，上述例子是採取燒成前的調和原料加以分析的例子，但是可針對調和原料的熟料原料或原料精粉分別採取這些來測定氟量、三氧化硫量及主要成分量。本發明之水泥熟料製造系統亦包含這種樣態。
[產業上的利用可能性]
本發明之水泥熟料製造系統是測定燒成前的調和原料及熟料的氟量及游離石灰量，並根據該測定量供應適量的礦化劑及調和原料，因此燒窯內或預熱爐內的塗料不會因為礦化劑而增加，可降低熟料燒成溫度，且可適用於高品質水泥之製造。
10‧‧‧氟化鈣汙泥
11‧‧‧粉碎手段(軋碎機)
12,13‧‧‧供應手段(料斗)
14‧‧‧乾燥機(烘乾機)
15‧‧‧供應手段(料斗)
16‧‧‧石灰石
17‧‧‧供應手段
18‧‧‧供應手段
19‧‧‧粉碎手段(RM)
20‧‧‧供應手段
21‧‧‧儲存手段
22‧‧‧燒窯
23‧‧‧投入手段
30,31‧‧‧試料接收部
32‧‧‧粉碎裝置
33‧‧‧成團裝置
31‧‧‧加壓裝置
35‧‧‧螢光X射線分析裝置
36‧‧‧X射線繞射裝置
37‧‧‧搬出部
39‧‧‧分配裝置
40‧‧‧臂部
41‧‧‧夾具
第1圖是本發明之水泥熟料製造系統之一例的概念圖。
第2圖是針對本發明之水泥熟料製造系統顯示出試料分析系統之一例的概念圖。
第3圖是利用試料分析系統的分析例的處理步驟圖。
10‧‧‧氟化鈣汙泥
11‧‧‧粉碎手段(軋碎機)
12‧‧‧供應手段(料斗)
13‧‧‧供應手段(料斗)
14‧‧‧乾燥機(烘乾機)
15‧‧‧供應手段(料斗)
16‧‧‧石灰石
17‧‧‧供應手段
18‧‧‧供應手段
19‧‧‧粉碎手段(RM)
20‧‧‧供應手段
21‧‧‧儲存手段
22‧‧‧燒窯
23‧‧‧投入手段

Claims (4)

  1. 一種水泥熟料製造系統，是具備：供應礦化劑之氟源及硫源的手段；供應熟料原料的手段；將混合了礦化劑之氟源與熟料原料的調和原料粉碎的手段；燒成已粉碎之調和原料的燒窯；將礦化劑的硫源投入燒窯的手段；將燃料供應至燒窯，並藉由燒成而生成熟料的手段；以及試料分析系統，其特徵為：前述試料分析系統具有：採取燒成前的前述調和原料並粉碎之手段、將粉碎的前述調和原料調製成團塊試料或加壓試料之手段、採取前述熟料並粉碎之手段、將粉碎的前述熟料調製成加壓試料之手段，對於前述調和原料的團塊試料係測定三氧化硫量及主要成分量，對於前述調和原料的加壓試料係測定氟量，對於前述熟料的加壓試料係測定游離石灰量、氟量、三氧化硫量及主要成分量，前述試料分析系統進一步具有：依前述調和原料的團塊試料、前述調和原料的加壓試料、以及前述熟料的加壓試料的種類，測定三氧化硫量、氟量、主要成分量、及游離石灰量的X射線繞射裝置或螢光X射線分析裝置， 根據前述試料分析系統的測定量控制氟源及硫源的供應量、調和原料的供應量、以及燃料的供應量至少一個。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的水泥熟料製造系統，其中，藉由前述試料分析系統，將前述調和原料的團塊試料之三氧化硫量及主要成分量、以及前述調和原料的加壓試料之氟量藉由前述螢光X射線分析裝置作測定，前述熟料的加壓試料之游離石灰量係藉由前述X射線繞射裝置作測定，接著前述熟料的加壓試料之三氧化硫量、氟量及主要成分量係藉由前述螢光X射線分析裝置作測定，因應前述試料分析系統的測定量的控制信號被傳達至礦化劑之氟源及硫源的供應手段、調和原料的供應手段、及燃料供給手段，並控制氟源及硫源的供應量、調和原料的供應量、以及燃料的供應量至少一個。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載的水泥熟料製造系統，其中，前述試料分析系統具備：供所採取的前述調和原料及前述熟料搬入的接收部；將前述接收部的調和原料或熟料粉碎的粉碎裝置；使粉碎的調和原料形成團塊的試料調製裝置；對粉碎的調和原料或熟料加壓的試料調製裝置；前述X射線繞射裝置；前述螢光X射線分析裝置； 試料搬出部；以及進行試料之出入的分配裝置，前述試料接收部、前述團塊試料調製裝置、前述加壓試料調製裝置、前述X射線繞射裝置、前述螢光X射線分析裝置、前述試料搬出部是配置成環狀，在該環狀排列的中央部設置有前述分配裝置，前述分配裝置係具有能夠旋轉自如的臂部，被搬入前述接收部的前述調和原料或前述熟料，係藉由前述分配裝置的臂部被裝入前述粉碎裝置，前述臂部回到待機位置，前述調和原料或前述熟料受到粉碎，粉碎的試料為前述調和原料時，藉由前述臂部搬入前述團塊試料調製裝置，所調製的前述團塊試料係藉由前述臂部被搬入前述螢光X射線分析裝置而三氧化硫量及主要成分量受到測定，並且，粉碎的試料為前述調和原料時，藉由前述臂部搬入前述加壓試料調製裝置，所調製的前述加壓試料係藉由前述臂部被搬入前述螢光X射線分析裝置而氟量受到測定，另一方面，粉碎的試料為前述熟料時，藉由前述臂部搬入前述加壓試料調製裝置，所調製的前述熟料的加壓試料係藉由前述臂部被搬入前述X射線繞射裝置而游離石灰量受到測定，並且，藉由前述臂部被搬入前述螢光X射線分析裝置而氟量、三氧化硫量、及主要成分量受到測定。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載的水泥熟料 製造系統，其中，前述調和原料是混合了氟源及熟料原料的供應原料，前述熟料原料在混合了碳灰的原料精粉添加了集塵灰。
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