一种生产水泥的方法
【专利说明】一种生产水泥的方法
[0001]本发明涉及一种生产水泥的方法，具体地，涉及一种生产硫铝酸钙水泥的方法。
[0002]化合物4Ca0.3AI2O3.S03，众所周知也为克莱因化合物(Kline’s compound)和阿利特化合物(Ye’elemite)，简写为“C4A3S”，该化合物已用作形成膨胀水泥基底多年。
[0003]通过焙烧(加热)适当量的CaO(或等量的CaCO3)、A1203(或氧化铝水合物)和硫酸钙(或二水硫酸钙、石膏或半水硫酸钙)，特别是在温度为1000°C_1200°C下，可以很容易地制得“C4A3S”。通过严格控制反应物的粒径和混合方式，在大约1300°C下加热0.5_2h理论上可以获得产率高于90%的“C4A3S”。
[0004]克莱因化合物呈晶态，立方或准立方晶系，具有天青石(方钠石)结构，少量Fe替代Al是可能的。这种化合物和水混合细磨只会出现微弱的胶凝。然而，在大约1940年左右发现克莱因化合物和石膏(二水硫酸钙)或者“活性无水石膏”(活性硫酸钙)混合可以大大提高克莱因化合物的粘结力。
[0005]在20世纪60年代，中国科学家开始研究硫铝酸钙水泥在建筑中的应用。在那时，中国有过剩的低品位铝矾土，其是氧化铝的主要来源;其主要杂质是氧化铁(及其水合物)、二氧化硅和二氧化钛。当低品位铝矾土和石灰岩、硫酸钙混合、研磨并在1300°C左右焙烧时，得到的烧结物主要包含四种矿物:硅酸二钙、克莱因化合物、无水石膏(硫酸钙)和铁酸盐。“铁酸盐”在本文中是指铁酸二钙的固溶体Ca2Fe2O5，其中70 %以上的Fe可以被Al取代。
[0006]普通娃酸盐水泥(Portland cement)中也发现含有上述两个组成相娃酸二I丐(二钙硅酸盐)和铁酸盐。然而，硫铝酸钙水泥并不是普通硅酸盐水泥的变形。普通硅酸盐水泥中的主要矿物成分是硅酸三钙“C3S”。然而，C3S和C4A3S并不化学兼容，并且这两种物质并不会在同一熟料中出现，尽管可以将两种不同类型的水泥进行物理混合。由于在其它方面的重复，中国的研究结果显示，通过改变上述四种矿物的含量，进而改变其总组成可以制得一系列好的水泥。
[0007]硫铝酸钙熟料通常可以在旋转窑中制得。其制备过程和普通硅酸盐水泥的制备过程如此相似以至于中国大多数商业性生产都在旋转窑中进行，这些旋转窑大多是从制备普通硅酸盐水泥的旋转窑变换过来的。
[0008]从窑中所得到的固态产物被叫做“熟料”，其突出特点是比普通硅酸盐水泥更软，因此通过简单研磨就可以得到高的比表面积，通常为2000-4000cmVg。对于此新一代水泥中国制定了标准。该标准确定了不同的等级，但通常的目的产物中包含大约40-50%克莱因化合物、25-30%的硅酸二钙、20-25%的铁酸盐和5%的杂质(包括未反应的反应物)。
[0009]和普通硅酸盐水泥一样，将含有水泥和粒度级配矿物骨料的干拌物(thedrymix)和水在使用地点或使用地点附近混合。像普通硅酸盐水泥一样，所得到的湿拌物能够被浇筑和栗送。需要加入缓凝剂以防止瞬间凝固和保证长时间的使用性能。这种性能也是普通硅酸盐水泥的性质，通常在最后的研磨阶段向普通硅酸盐水泥中加入一定质量分数的石膏或其它活性硫酸钙。然而，应该向硫铝酸钙水泥中加入更多的硫酸盐，最佳的加入量是实现使用性能和保证产品在凝固过程中的轻微缩聚的平衡。中国的研究是在分批试验方面调整硫酸盐:最优的添加方式通常是7-15重量％的无水石膏。中国的研究倾向于使用无水石膏而不是石膏作为更加合适的材料。
[0010]—些水泥制造商参照中国的经验并且有时以一系列和上述相似的组成而告终，尽管常常为了特定的应用调节矿物成分，例如，水泥砖。尤其是澳大利亚和欧洲一些经验主要集中在含有相对较低含量的C4A3S和较高含量的硅酸二钙的水泥。主要目的之一是(i)更多地依赖于硅酸盐水合作用来实现水泥长期强度，并且(ii)能够使用含有二氧化硅的低品位招巩土。
[0011 ]硫铝酸钙水泥广泛用作特殊水泥在煤矿开采和建筑工业中应用，例如在传统硅酸盐水泥建筑的修复材料中的应用，或者作为特别配方的应用(例如自流平砂浆和水泥砖)。
[0012]由硫铝酸钙水泥制得的混凝土有利于防止埋置钢筋的腐蚀，另外，基质(matrix)对于含盐的地下水的攻击具有优良抗性。
[0013]硫铝酸钙水泥的快速强度增长以及与普通硅酸盐水泥的物理相容性是为了特殊目的配制水泥的巨大优势。硫铝酸钙水泥的另一主要应用是控制新鲜普通硅酸盐水泥基混凝土的尺寸稳定性。在强度增加过程中混凝土倾向于缩聚。一些缩聚有利于脱膜但是过多的缩聚会导致破裂。硫铝酸钙水泥的膨胀倾向能够用于减少或者甚至消除凝固过程中缩聚现象的发生，这也是普通硅酸盐水泥凝固过程中常发生的缩聚现象。
[0014]主要限制硫铝酸钙水泥经济生产的因素包括三方面:(i)确保充足的原料供应，特别是越来越短缺的氧化铝的供应；(ii)进一步降低熟料中含有的CO2的量；以及(iii)形成合适的硫铝酸钙水泥使用的标准和业务法规，使得建筑师、承包商和工程师了解和熟悉硫铝酸钙水泥的特性。基于硫铝酸钙水泥几乎普遍的使用，普通硅酸盐水泥可以作为硫铝酸钙水泥生产的参照。使用最有效率的设备生产普通硅酸盐水泥过程中产生的CO2大约为850千克/吨水泥。可以直接替代普通硅酸盐水泥使用的硫铝酸钙水泥生产过程中，CO2的产量大约减少500千克CO2/吨。不足为奇的是，欧洲和北美的大多数先进制造商都在生产或计划生产这种水泥。
[0015]如上所述，硫铝酸钙水泥熟料主要在旋转窑中使用氧化钙或碳酸钙、铝矾土或其它氧化铝来源和硫酸钙、石膏或无水石膏而制得。此外，氧化铝来源中引入一些二氧化硅。在旋转窑中反应物通常加热至大约1200°C，额外加入的硫酸钙作为缓凝剂存在于所得的熟料周围。之后，和普通硅酸盐水泥一样储存、搬运、混合和放置。
[0016]本发明旨在提供了一种改良的生产硫铝酸钙水泥的方法。
[0017]根据本发明，因此在此提供了一种生产硫铝酸钙水泥的方法，该方法包括以下步骤:
[0018]通过硫和/或含硫化合物的燃烧提供热能；
[0019]硫和/或含硫化合物燃烧生成的硫氧化物与氧化钙和/或碳酸盐以及氧化铝和/或氧化铝水合物的混合物反应形成含硫混合物；
[0020]利用热能加热所述含硫混合物生成熟料；以及
[0021 ]将硫和/或含硫化合物燃烧生成的剩余硫氧化物和石灰反应。
[0022]因此，本发明提供了一种生产硫铝酸钙水泥的方法，该方法不完全依赖于烃类燃料燃烧提供热能，因此，相对地减少了 CO2的排放量。硫和/或含硫化合物(为了简便，下文中统称为硫)的燃烧预计减少了 100_200kg C02/tC02的排放量:仅仅将来自于原料(例如，石灰岩)脱二氧化碳作用的CO2排出。本发明提供的方法所使用的热能由硫的燃烧提供，同时，其可以作为根据烃类燃烧提供热能(例如可以使用天然气来提供额外的热能)需要的补充。
[0023]另外，本发明的方法中，将硫燃烧生成的硫氧化物从排放气体中分离出来，然后重新回到该过程中。其它的硫来源例如硫酸盐可以补充燃烧所生成的硫氧化物。
[0024]因此，本发明的方法中，热能通过硫的燃烧来提供。优选情况下，硫的燃烧部分代替化石燃料的燃烧应用到反应过程中，例如在窑或煅烧炉中。所述硫优选为硫元素，但可使用任何合适的硫来源，例如含硫原油、含硫气或硫酸钙。然而，优选使用硫元素，因为其为危险废物副产品，例如，必须进行储存的且存在火灾隐患的来自天然气净化的硫元素。硫燃烧产生的热量和烃类燃烧产生的热量相当，并且提供了足够的火焰温度，即火焰温度足