一種利用高鹼原料生產低鹼水泥的方法

2023-05-27 10:56:01 1

專利名稱：：一種利用高鹼原料生產低鹼水泥的方法
技術領域：
：本發明涉及一種生產水泥並處置廢棄物的方法，更具體的說，是一種利用帶懸浮預熱器和預分解爐的幹法水泥生產線和高含鹼量石灰石生產低鹼水泥，並協同處置PCB等高含氯量廢棄物的方法。
背景技術：
：在水泥生產中，生料的鹼當量對水泥產品的質量有直接的影響。生料中如果含有微量的鹼(Na，K),會改善生料的易燒性，提高生料的早期強度。但是如果生料中的鹼當量過高，造成熟料中的鹼當量超過一定的範圍，例如大於大約0.80%時，會使得熟料中的游離鈣提高，造成水泥抗壓強度和抗折強度降低，並影響建築物的使用壽命。據統計，由於鹼當量過高，造成混凝土發生鹼-骨料反應，會使得建築物的壽命縮短至正常建築物的四分之一，甚至更短。因此，使用低鹼水泥是保證建築物壽命的一個重要條件。要生產低鹼水泥，就對石灰石和其他原料，如粘土和砂巖等的鹼當量有一定要求，一般需要使用低鹼原料來生產低鹼水泥。但是在我國，有大量的高鹼當量的石灰石資源，這些石灰石由於鹼當量過高而被棄置不用，這不但浪費了大量的資源，也佔用了大量的土地。目前，國內外大都集中在利用低鹼原料生產低鹼水泥上，雖然對高鹼原料生產低鹼水泥有一定研究，但研究並不深入，技術尚不成熟，而且現有的使用高鹼原料生產低鹼水泥的工藝能耗很大，且工藝控制難度也很大。利用傳統的技術以高鹼原料生產低鹼水泥時，需要對水泥熟料的生產工藝進行一定的改造，將對水泥熟料有害的元素，如，過量的Na和K從窯系統中分離出來，以降低熟料中的鹼當量。但是這需要從系統中大量放風，通常放風量可達到系統風量的20-30%,大大增加了生產水泥熟料的能耗，同時也增大了工藝控制的難度。即便如此，使用這種方法也不一定能生產出合格的低鹼水泥。因此，該技術並沒有得到大規模的應用。一方面市場上需要大量的低鹼水泥，另一方面低鹼原料的不足，使得低鹼水泥的供應遠遠不能滿足低鹼水泥的需求。所以，現在迫切需要一種行之有效的、節能的、可以利用高鹼原料生產低鹼水泥的方法。
發明內容本發明提供一種用高鹼原料生產〗水泥的方法，其中包括步驟(1)將鹼當量大於大約0.80%的原料石灰石通過原料入窯渠道投入幹法水泥迴轉窯中；(2)在窯頭、窯頭燃料燃燒器、窯尾煙室、預分解窯或預燃爐處將含氯物質加入幹法水泥迴轉窯中，以使所述含氯物質中的氯消耗原料中的鉀；(3)在預分解窯的頂部位置開口，將此處富集的含氯煙氣引入煙塵收集系統中，收集其中的煙塵。該方法主要利用KC1在760'C的時候會由氣態轉化為固態這一特性，通過適當增加水泥窯系統C1的含量來使得游離的K與Cl結合，例如，加入足以結合高鹼原料中過量的鹼(K)的Cl,使其參加反應，然後在窯系統中適當的位置將固態KC1引出，達到降低系統中K含量的目的，從而實現利用高鹼原料生產低鹼水泥。所以收集的煙塵中含有大量的KC1,可回收作為化學物質再利用。優選所述煙塵收集系統包括混合室，其中高溫的含氯煙氣從預分解窯頂部取出後首先直接進入混合室，和冷空氣混合，使煙氣溫度快速下降。因此，煙氣中的大量鉀離子和氯離子能夠結合成為氯化鉀並快速變成固態析出。優選所用含氯物質是高含氯的廢棄物，例如富含多氯聯苯PCB的廢變壓器絕緣油等。這樣，不但用高鹼原料生產了低鹼水泥，還能夠達到協同處理高含氯廢棄物的技術效果。優選該方法中使用的含氯物質的含氯量大於大約10°/。，以減小加入物質的體積。更優選，調整加入的含氯物質的量，以摩爾計，使加入的氯的量大於(系統中鉀鈉量之和-2x硫酸根的量)，且小於系統中鉀的量，所述系統包括高鹼原料和加入的含氯物質。優選加入的含氯物質中不含有鉀、鈉和疏酸根離子。由於硫酸鈉和硫酸鉀的熔沸點高於氯化鉀，氣態鹼金屬離子優先與硫酸根離子結合，所以，為了更加有效地去除系統中的鹼金屬，可以將氯的摩爾量調整為大於系統中鉀鈉量之和與兩倍硫酸根量的差。在上述範圍內，既可以有效去除系統中的鹼金屬，又能夠不引入過量的氯，避免造成二次汙染和尾氣超標。優選地，生產出的低鹼水泥的鹼當量低於大約0.60%。在預分解窯的頂部位置取出的含氯煙氣可佔系統風量的大約1-10%。取氣位置選擇在預分解窯的頂部，是因為含氯煙氣，主要是其中的氯化鉀成分在此處達到富集，所以僅需取出佔系統風量的一小部分的煙氣，例如1-10%,即可達到降低生產系統中鹼當量和氯含量的目的，而不會影響整個水泥生產的運行，並且能耗也大大降低。更優選地，僅需在預分解窯的頂部位置取出佔系統風量大約1-4%的煙氣，即可實現上述目的，更進一步降低了能耗。取出的高溫煙氣經過處理後，溫度在大約300-450°C,這些高溫風可以用於烘乾生產水泥的原燃料或通過專門的設備進行回收，以作為其他用途的熱源。尤其是當取出的煙氣佔系統風量的大約4-10%時，可以將煙氣的熱量回收加以利用，例如用來發電、供暖、烘乾原燃料或其他用途，從而能夠進一步節省能源。圖1為說明本發明的一個實施方式的流程示意圖。具體實施例方式下面結合本發明的具體實施方式，應理解，這些實施方式都是示例性的，本發明並不限於此處所公開的實施方式，本領域技術人員可以根據此處的公開進行適當修改而不背離本發明的精神和保護範圍。如圖l所示，以高鹼原料作為生產水泥的生料，通過l進料系統進入幹法水泥迴轉窯，此幹法水泥迴轉窯為一種帶懸浮預熱器和預分解爐的幹法水泥迴轉窯。加入窯系統中的原料中鹼當量高於0.80%，一般不適合生產低鹼水泥，其中鹼當量以Na2O+0.658K2O計。根據加入的高鹼原料中的鹼當量，在窯頭、窯頭燃料燃燒器、窯尾煙室、預分解窯或預燃爐中的一處或多處用2含氯物質投加裝置(如噴槍或給料泵等投料設備)將適量含氯物質加入窯中。所加入的含氯物質的量應足以降低最終產品水泥中的鹼當量至允許的水平，例如小於約0.6%,得到低鹼水泥產品。同時，由於Na2S04和K2S04的熔沸點高於KCl,氣態鹼金屬離子優先與硫酸根離子結合，為了更有效更徹底地將鹼金屬離子從窯系統中去除，可控制加入的含氯物質的量，使其中以摩爾計的氯的量大於包括高鹼原料和含氯物質的窯系統中鈉鉀的量減去兩倍的硫酸根的量的差值，即，氯的量>(鈉鉀的量-2x硫酸根的量)。同時使其小於所述系統中鉀的量(以摩爾計)，以避免過量的氯造成的二次汙染和尾氣超標。還應控制加入的含氯物質的種類，儘量不向系統中再引入硫酸根離子和鹼離子，如鈉和鉀。含氯物質優選是高含氯廢棄物，例如多氯聯苯PCB(PCB是目前國際上關注的12種持久性有機汙染物之一，曾被廣泛應用於變壓器和電容器絕緣油、油墨添加劑、染料分散劑以及農藥延效劑等)，或生活垃圾焚燒飛灰(飛灰是城市生活垃圾焚燒過程中，在煙氣淨化系統收集的殘餘物質，其中往往含有大量的氯)、農藥DDT和六六六等。在利用高鹼原料生產低鹼水泥的同時還處置了高含氯的廢棄物，更進一步實現了本發明環保的技術效果。加入窯系統中的高含氯物質可以是液態，也可以是固態，優選氯含量在IO%以上。加入的含氯物質與高鹼原料中的鹼的反應方程式如下加入PCB時mK20+(29-0.5m)O2+2C12H10—mClm+2mKCl+24CO2+(10-m)H2O(1)加入其他含氯有機物時zK20+(2x+0.5y-0.5z)O2+2CxHyClz+2zKCl+2xC02+yH20(2)zK20+(2x+0.5y-0.5z-r)O2+2CxHyClzOr^2zKCl+2xC02+yH20(3)如上述化學式所述，加入的含氯物質進入窯中與巳經參與到水泥生產中的高鹼原料反應，高鹼原料中的K與加入的含氯物質中的CI結合，由於窯中溫度較高，KC1以氣態形式在水泥系統的煙氣中於預分解窯的頂部(此處的煙氣溫度大約900-1000°C)位置富集。如圖1所示，在3預分解窯頂部位置開口，將此處富集的含氯煙氣引入4混合室中，在4混合室中將煙氣冷卻至760。C以下，優選700。C以下，利用KC1在760。C的時候會由氣態轉化為固態這一特性，將KC1冷卻至固態析出，收集含KC1的灰，回收其中的化學物質。煙塵收集系統可包括冷卻系統和除塵系統。冷卻系統可包括沉降室、混合室等本領域已知的各種可以快速降溫的裝置，例如，取出的含氯煙氣先進入混合室中與冷空氣混合，溫度快速下降，KC1成固態析出；沉降下來的煙塵由螺旋輸送器送至儲灰倉中。除塵系統可包括旋風收塵器、袋式收塵器和電收塵器等本領域已知的各種可用於收集煙塵的裝置。收集的煙塵可以通過管道運輸至專門的存儲裝置中，煙塵中的鉀鈉含量較高，可以回收之後用來作為化學工業原料使用。如圖l所示，含氯煙氣在4混合室中降溫，KC1冷卻至固態析出，沉降下來的煙塵由螺旋輸送器送至8儲灰倉中。同時，6旋風除塵器和7袋式除塵器中收集的煙塵也通過螺旋輸送器送至8儲灰倉中。8儲灰倉中的KC1可以回收進行綜合利用。取出的含氯煙氣由於溫度較高，可以將其熱量回收利用。當取出的煙氣量為系統風量的約1-4%時，可以將降溫除塵並回收煙塵之後的煙氣用於水泥生產原燃料的烘乾，也可以通過總排放系統排入大氣。例如，圖1中所示，經6旋風除塵器除塵之後剩餘的熱風送去烘乾原燃料。當取出的煙氣的量為系統風量的約4-10%時，在4混合室中收集含KC1的煙塵時和/或集煙塵後可以使用5換熱器，將引出的煙氣中的熱量儲存或者通過熱媒轉移至其他系統中使用，例如餘熱發電系統，還可以將餘熱用於供暖。除塵後的煙氣還可以送去原燃料製備系統中用於烘乾原燃料。換熱器得到的熱量可以通過介質如水或導熱油進一步送至可利用餘熱的系統中，例如供暖裝置或餘熱發電裝置。在水泥窯系統中，窯內氣體的溫度從前到後逐漸降低，物料溫度從前到後逐漸升高。例如，預分解窯頂部的溫度低於預分解窯底部的溫度。但是從水泥窯系統的內部煙氣含氯量來看，富集的地方在預分解窯的頂部。所以，本發明從收集氯化鉀的角度出發，取出煙氣的地方選擇在預分解窯頂部以達到去除其中多餘的鹼的目的。收集氯化鉀之餘，剩餘有熱量的話可以回收利用。也就是說，對於餘熱的回收不是本發明的主要目的，而僅僅是可以附帶得到的一個技術效果。而且在回收剩餘熱量的實施方式中，混合室應安裝在換熱器之前，也就是說，高溫煙氣先經混合室降溫除去大部分煙塵之後，再進入換熱器，將剩餘熱量回收。這是因為，如果先進入換熱器，雖然更充分地回收了熱量，但是大量沉積的含KC1的煙塵很容易堵塞換熱器，造成設備的損壞，增加生產的成本。另外，在預分解系統中鹼、氯、硫等揮發性物質循環富集，在分解預熱系統冷卻融結而容易引起的結皮堵塞，在本發明的技術方案中，通過放風，不但可以排除其中高濃度的KC1,還可以排除易冷卻融結引起結皮的有害物質。總而言之，本發明與傳統的生產低鹼水泥的技術相比有以下優點1.可以利用高鹼原料生產低鹼水泥，同時解決了高鹼原料大量閒置不用帶來的佔地等環境問題；2.能耗低，對水泥窯影響較小。由於本發明所需要從窯系統取出的熱風量很少，僅佔系統總風量的1-10%,甚至更少，1-4%,大大低於傳統技術中需要的抽出風量的20-30%,減小了能耗，並且氯的加入使過量的鹼的去除更加有效；3.不增加水泥窯的工藝控制難度。從水泥窯中取出的風量越小，對整個水泥工藝影響的就越小。因此，本方法與傳統的方法相比，工藝控制難度大大降低；4.在利用高鹼原料生產低鹼水泥的同時還可以協同處置廢棄物，並增加水泥窯處置廢棄物的種類。由於C1會對水泥窯系統產生不利的影響，如，造成系統堵塞，影響產品性能。因此，一般的水泥窯系統不能處置含Cl量較高的廢棄物。而本發明所提供的方法，使得C1起到一個"催化劑"的作用，因此既不會對水泥窯系統和水泥產品本身產生不利影響，又為高含氯廢棄物的處置提供了一個新的方法；5.解決烘乾原燃料熱量不足的問題。傳統技術中，水泥窯協同處置廢棄物以後，會造成烘乾原燃料的熱風含水量升高，影響烘乾效果。在本發明的優選實施方式中，可以利用抽出煙氣所攜帶的熱量烘乾原燃材料，甚至可以將回收的熱量用於發電、取暖等；6.—定程度上降低了結皮的形成，延長了設備的使用時間，從另一個角度上降低了生產成本。下面以PCB和飛灰為例，示例性_說明本發明。實施例1某水泥廠生產線日產水泥熟料3000噸(消耗熱生料3000噸左右，生料4500噸左右)(使用帶懸浮預熱器和預分解窯的幹法水泥迴轉窯)，在向水泥窯中額外添加Cl元素前原料與水泥產品的元素含量見下表1和表2。表1入窯熱生料中各元素含量(％)Si02A1203Fe203CaOMgOK20Na20p2o5Clso316.194.993.0269.722.41.720.220.1240.5110.62表2水泥中各元素含量(％)Si02A1203Fe203CaOMgOK20Na20so323.487.873.1657.062.531.160.142.53在本條件下，水泥產品的鹼當量為0.14%+0.658x1.16%=0.90328%,大於0.60%，不符合低鹼水泥的要求。計算得出加入的氯的量應大於14.7噸，小於38.97p屯，見下式(4)和(5)。通過窯頭向窯系統中加入PCB30噸，C1含量6(T/。。通過放風系統從預分解窯頂部位置將系統風量的2%抽出，並對抽出的煙氣進行處理，收集起其中的KCL加入PCB以後，生產出的水泥產品各元素含量見表3。3000x[35.5(1.72%+94x2+0.22°/0+62><2-2x0.62%+80)—0.511%]=14.7p屯(4)3000x35.5x1.72%+94x2=38.97噸(5)表3添加Cl以後水泥中各元素含量(％)tableseeoriginaldocumentpage11加入PCB後生產的水泥產品的鹼當量為0.13%+0.658x0.63%=0.54454%,小於0.60%,符合低鹼水泥的要求。實施例2某水泥廠生產線日產水泥熟料3000噸(帶懸浮預熱器和預分解窯的幹法水泥迴轉窯)，在向水泥窯中額外添加Cl元素前原料與水泥產品的元素含量如表4、表5所示。表4入窯熱生料中各元素含量(％)tableseeoriginaldocumentpage11表5水泥中各元素含量(％)tableseeoriginaldocumentpage11計算得出加入的氯的量應大於19.07噸，小於41.24噸見下式(6)和(7)。通過窯頭向窯系統中每小時投加飛灰7.5噸，Cl含量12%。並通過本發明提供的裝置將系統風量的10%抽出，熱煙氣先經過混合室降溫後進入換熱器，將換熱器中導熱油加熱，導熱油再為其他的需熱設備提供熱量。從換熱器出來後的煙氣經過旋風收塵器除塵，並收集含有KC1的粉塵。一部分氣體用於烘乾製備水泥原燃料，其他的其他進入袋式除塵器淨化處理後達標排放。加入飛灰以後，生產出的水泥產品各元素含量如表6所示。3000x[35.5(1.82%+94x2+0.27o/o+65x2—2x0.65%+80)-0.51l0/o]=l9.07p屯(6)3000x35.5x1.82%+94x2=41.24p屯(7)表6添加Cl以後水泥中各元素含量(％)tableseeoriginaldocumentpage12加入飛灰後生產的水泥產品的鹼當量為0.12%+0.658x0.60%、=0.5148%，小於0.60%,符合低鹼水泥的要求。雖然在此已經結合具體實施例描述了本發明，但應理解的是本發明並不限於這些公開的實施方式，相反，本發明所要求保護的範圍涵蓋包括在權利要求書的精神和範圍內的各種改變和等同物。權利要求1、一種用高鹼原料生產低鹼水泥的方法，其中包括步驟(1)將鹼當量大於約0.80％的原料石灰石通過原料入窯渠道投入幹法水泥迴轉窯中；(2)在窯頭、窯頭燃料燃燒器、窯尾煙室、預分解窯或預燃爐中的一處或多處將含氯物質加入幹法水泥迴轉窯中，以使所述含氯物質中的氯消耗原料中的鉀；(3)在預分解窯的頂部位置開口，將此處富集的含氯煙氣引入煙塵收集系統中，收集其中的煙塵。2、如權利要求l所述的方法，其中所述煙塵收集系統包括混合室，所述含氯煙氣首先進入混合室中與冷空氣混合，以使所述含氯煙氣溫度快速下降。3、如權利要求1或2所述的方法，其中所述含氯物質為高含氯廢棄物。4、如權利要求1~3中任一項所述的方法，其中所述含氯物質的含氯量大於約10%。5、如權利要求1~4中任一項所述的方法，其中，調整加入的所述含氯物質的量，以摩爾計，使加入的氯的量大於(系統中鉀鈉量之和-2x硫酸根的量)，且小於系統中鉀的量，所述系統包括所述高鹼原料和加入的含氯物質。6、如權利要求1~5中任一項所述的方法，其中所述低鹼水泥的鹼當量低於約0.60%。7、如權利要求1~5中任一項所述的方法，其中在預分解窯的頂部位置取出的含氯煙氣佔系統風量的大約1-10%。8、如權利要求7所述的方法，其中在預分解窯的頂部位置取出的含氯煙氣佔系統風量的大約1-4%。9、如權利要求7所述的方法，其中在預分解窯的頂部位置取出的含氯煙氣佔系統風量的大約4-10%時，進一步包括將取出的含氯煙氣中的熱量通過換熱器回收利用。10、如權利要求9所述的方法，其中所述回收利用包括用所述熱量發電、供暖以及烘乾製備水泥的原燃料。全文摘要本發明提供一種利用高鹼原料生產低鹼水泥的方法，包括將鹼當量大於約0.80％的原料石灰石通過正常的原料入窯渠道投入幹法水泥迴轉窯中；在窯頭、窯頭燃料燃燒器、窯尾煙室、預分解窯或預燃爐處將含氯物質加入幹法水泥迴轉窯中；在預分解窯的頂部位置開口，將此處富集的含氯煙氣引入煙塵收集系統中，收集其中的煙塵。本發明利用鹼金屬離子、氯離子和硫酸根離子在高溫共存條件下相互影響熔點溫度的特殊性質，在生產過程中加入含氯物，通過控制入水泥窯的鹼金屬離子、氯離子和硫酸根離子的比例，使廢棄物中的氯與原料中的鹼反應，從而達到降低水泥中的鹼和處理高氯廢棄物的雙重效果。文檔編號C01D3/04GK101607797SQ200910157480公開日2009年12月23日申請日期2009年7月30日優先權日2009年7月30日發明者餘志輝,孫偉艦,渠永峰,熊運貴,趙啟剛申請人:北京金隅紅樹林環保技術有限責任公司;北京新北水水泥有限責任公司