改造燃煤电厂用于联产水泥的制作方法

专利名称：改造燃煤电厂用于联产水泥的制作方法
改造燃煤电厂用于联产水泥
本申请以2007年4月25日提交的美国临时申请US60/914026 全文作为参考。
背景技术：
用于发电的煤燃烧是导致全球变暖的主要原因，每年产生数十 亿吨的C02和其他温室气体，尽管煤燃烧和碳收集技术进一步发展， 仍预计GHG排放会显著提高。在2003年，煤占据了世界总能源消 耗的百分之二十四。在未来的20年世界煤消耗和导致的GHG几乎 会倍增，由2003年的54亿短吨到2030年的106亿吨。用于水泥生 产的煤燃烧同样是导致全球变暖的主要原因，在2007年产生超过20 亿吨的<302和其他温室气体，尽管有工业承受量，总的排放仍预计 会大量提高。例如，水泥生产的排放在过去的15年增加了超过85 %。
CFPPs和普通波特兰水泥("OPC")工业是并行和独立运作的。 CFPP工业燃烧煤产生高压蒸汽以驱动发电涡轮，而OPC工业燃烧 煤以将石灰石、粘土和焦炭转化为水泥熟料。本发明描述了将这两 种工业结合为一种的工艺和方法，通过应用CFPPs联产电能和水泥， 由此生产OPC不再需要煤燃烧。本发明可以在全球范围内显著减少 煤燃烧和其导致的温室气体。
根据美国政府，全世界可采煤总储量估计为10010亿吨-足以 维持大约180年。加上其他估算，地球上仅有大约250 - 300年的可 供经济开采的煤。如同不可再生的石油储量，煤储量也是不可再生 的，经济上切实可行的矿藏会最终耗尽。
全球每年的水泥需求超过21亿吨，并每年大约增长5%。为满 足这一需求，OPC工业每年燃烧数十亿吨煤。窑炉通常使用粉碎的煤或焦炭作为燃料，且生产大约900g的水泥消耗大约450g的煤。 因此，水泥生产窑消耗超过IO亿公吨的煤。在美国，有过400多家 的燃煤电厂。重要的是，世界面临的局面是在79个国家有超过7000 座的燃煤电厂，每年排放超过90亿吨的C02-到2012年超过310 亿吨。水泥通常是利用煤或焦炭作燃料通过在1450。C下煅烧石灰石 和粘土炭的混合物来生产。该工艺每吨水泥释放大约 一 吨二氧化碳 -半吨来自石灰石自身的煅烧，另一半来自煤或焦炭的煅烧和烧结。 世界范围的水泥生产超过25亿吨，由此产生超过25亿吨的C02,这 超过人类活动释放C02总量的7% 。考虑到用于运输的能源和排放对 陆地、水源和大气质量的有害效应，水泥生产也具有负面影响。
全球每年的电能(能源)需求超过170亿千瓦时，并且还以每 年3%增长。电能通常是在CFPPs通过燃烧煤，产生高压蒸汽以驱 动发电涡轮而产生。其他产生电的方法包括利用水坝、天然气、风 力和太阳能。全世界大约25。/。的电是通过CFPPs产生的。为满足这 一需求，CFPP工业每年要燃烧大约60—70亿的煤。此外，在未来 数年中来自CFPPs的GHG排放据估计占据全球GHG排放的大约30 %。
CFPPs产生多种煤燃烧产物("CCPs")。根据某些估算，每年 存在480MT的CCPs,中国为100MT (百万吨)，美国为83MT和 印度为80MT。这些CCPs通常一皮一见为工业废物，^旦可一皮用于其他工 业，特别是已知粉煤灰具有胶结性。目前CCPs并未被充分有效利用。 在美国，2005年的粉煤灰产生总量-一种CCP成分-是71MT,但 只有29MT的粉煤灰(41% )被用于某些具有经济效益的方面；其 余都4皮作为垃圾掩埋。29MT的粉煤灰中只有15MT (21% )用于混 凝土和混凝土工业。CCP的其他成分-如炉底灰和锅炉渣-并未为 波特兰水泥业广泛使用。本发明通过利用就地联产电能和水泥的优 势，寻求获得未被充分利用的CCPs的最大经济效用。
CFPPs有效地消耗大部分由燃烧煤产生的BTUs以产生沸水、蒸 汽、压缩空气和暖气。这些能源中的许多都被回收和循环。然而，
5仍有多达80%的能源被浪费。换言之，每磅BTUs只有大约20。/o实 际上被转换为电能。本发明通过利用就地联产电能和水泥的优势， 寻求获得未被充分利用的BTUs在沸水、低压蒸汽和压缩/暖气方面 的最大经济效用。
另外，CFPPs消耗了发电厂本身的大量地产，用于材料运输和 存储。本发明通过利用就地联产电能和水泥的优势，寻求荻得未被 充分利用的地产的最大经济效用。
另外，CFPPs消耗大量的铁路运输和水运资源。例如，通常的 CFPP每天消耗煤3 - 5"铁路运输单位"。每个铁路运输单位包括100 车皮煤，每车皮运输100吨，或是每单位10000吨。火车随后空车 返回。此外，世界范围的波特兰水泥厂每年消耗大约IO亿吨煤。相 应的，波特兰水泥厂需要石灰石。在那些石灰石开釆矿与水泥厂在 同一地区的情况下，运输负担较低。然而，很多情况下，石灰石要 通过铁路运输。本发明通过利用就地联产电能和水泥的优势，不再 需要运输煤和石灰石，从而可以寻求获得未被充分利用的运输资源 的最大经济效用。
全世界范围内都存在对更有效地利用能源的系统和工艺的需 求，以及更有效地利用热能生产所得到的副产物的需求。

发明内容
本发明提供多联产电能和水泥的系统、工艺和方法。 本发明的主要方面在于通过提高在电力工业中所消耗能源和资 源的利用效率来生产水泥这一 突破性创新。本发明的 一个方面是利 用可持续的水泥生产技术减少全球温室气体(GHG)的排放(例如 C02排放、NOx、 SOx、微粒)和所导致的气候变化。本发明的另一 个方面是同时改善电能和水泥工业的经济效益(例如资产所得利润、 投资报酬率、毛利、净利润)。
因此，世界上成批的现存燃煤电厂和新燃煤电厂可有效改造为 能够多联产电能和水泥。本发明的方面在于减少或消除水泥生产对燃烧煤的需求，从而减少来自水泥生产的GHG排放。这样水泥成为 电能生产的有效多联产副产物。进而，多联产减少或基本消除了支 持世界水泥工业的运输成本(即减少了运输到水泥厂的原材料的量)。
本发明一个优选的实施方案提供将所有现存的燃煤电厂改造为 能够联产水泥的系统、方法和工艺。经估算世界范围内存在数千个 CFPPs可以改造为联产电能和水泥。这些现存的工厂每年产生数十 亿吨的粉煤灰和其他CCPs。
世界电能需求每年增加3%。相应的，CFPPs工业宣布计划在世 界范围快速扩大其生产能力。本发明另一个优选的实施方案提供系 统、方法和工艺以将任何新的燃煤电厂改造为联产水泥。经估算现 有数百个新的CFPPs计划在世界范围内展开，它们均可被改造为联 产电能和水泥。这些.工厂投入使用后每年可产生数十亿吨的额外的 粉煤灰和其他CCPs。根据本发明的这些和其他方面，作为待建新发 电厂的设计部分，可包括额外的空间和设备以用于就地生产水泥。
对于现存CFPP和新CFPP两种情况，所产生的水泥都将是切实 可行并有保证的，其为环境上可接受的并且具备成本竟争力。这些 水泥可作为传统波特兰水泥的实用替代品。
结合随后的描述和附图可进一 步理解本发明的其他目的和优 势。尽管随后的描述可能包含本发明实施方案的具体细节，这些细 节不应理解为是对本发明范围的限制，而只是优选实施方案的说明。 对本发明的各个方面，对本领域普通技术人员而言多种变化都是可 能的。在本发明范围内可存在多种变化和修改而不背离本发明的精 神。
引入的参考文献
在本文中提到的所有出版物和专利申请都被可1入本发明中作为 参考，如同被单独具体地引入本文作为参考的每一个单独的出版物■ 或专利申请。


本发明的新特征在附加的权利要求中详细陈列。以随后实施方 案的细节描述作为参考可以更好地理解本发明的特点和优势，在这 些实施方案和附图中运用了本发明的原理。
图1图示了一般性的CFPP并指出了有价值并未被充分利用的资 源，包括煤燃烧产物例如粉煤灰、炉底灰和锅炉渣；能源密集的副 产品例如热水、蒸汽、暖气、压缩空气和电力；和物质资源例如进/ 出铁路运输、进/出水运和地产。
图2说明设计用于多联产电能和水泥的CFPP,包括在图1中所 列举的全部资源以及它们怎样与水泥多联产系统相结合，包括锅炉、 反应器、干燥器、鼓风机、机械研磨步骤；和对形成的水泥进行表 征、优化和验证的步骤。
图3是流程图和方框图，描述各种提取点用于除去能源密集的 副产品(沸水、蒸汽、暖气、压缩空气和电力)，其中(a)表示低效 率的点，其中额外的能量产生要求会加重CFPP的负担；和(b)描述 有效率的点，用微不足道的边际成本，即几乎不需要或者无需额外 的煤燃烧，得到能源密集的副产品。
图4验证了本发明固有的异质性问题，其中煤原料和CFPP的"指 紋"特征可显著影响所得到的多联产水泥的性能；并描述了引入异质 性的三种情况；和描述了用以表征、优化和验证(COV)所产生水 泥为合格的"标准水泥"(SC )的工艺区域。基于所采用的COV工艺， 每一个产生的SC根据需要可以是相同或不同的。
图5验证了显著降低了联产运输负担的三种概括性情况，其中 (a)描述了一种典型的CFPP铁路运输系统；(b)描述了典型的 OPC铁路运输系统；和(c)描述了联产水泥是如何通过低于一半的 运输成本和负担进行供应的。
图6说明本发明用于联产电能和水泥的多种实施方案。
具体实施方式
本发明提供联产能源和水泥的系统、工艺和方法。利用CCPs、
其它有价值的资源以及CFPPs有关副产物可以生产多种水泥。在本 申请中，术语"多联产(polygeneration)"包括在水泥生产中利用 热能生产的副产物。多联产包括但不仅限于联产(cogeneration ), 例如通过利用热能生产(例如CFPP电力生产)中产生的副产物生产 水泥。此外，如本文中所述，多联产包括来自一种工业过程的资源 (例如副产物)的生产，并且其本身对于其它工业过程是有用的。 而且，多联产包括综合利用来自 一种工业过程(例如联产热能/电能) 的各种资源和/或副产物实施第二种工业过程(例如生产水泥、混凝 土等)。
本发明通过优化经济效率和天然资源的使用并且减少温室气体 的方式，提供联产的热能和水泥。在本发明的多个实施方案中，联 产工艺包括通过唯一的煤燃烧生产水泥以及热能或电能。在一个实 施方案中，唯一的煤燃烧包括燃烧碳以产生热能，热能产生电能， 而电能再用于水泥生产中使用的水泥锅炉的运转。因此，CFPP通过 利用热能来产生电能、热能或其他用于或源于该工艺的产物或资源 可^f皮用于就地生产水泥。
经过估算能源工业及其CFPPs到2030年将会消耗多于100亿 吨。CFPPs的运转产生CCPs例如粉煤灰(ASTM C级、ASTM F级 和未分级的).、炉底灰、锅炉渣和洗涤器淤渣/残渣。例如，在2005 年，美国的CFPPs产生l亿2千3百万吨CCPs,包括71 ("MT") 粉煤灰，18MT炉底灰和大约18MT流化气体脱硫湿式洗涤器残渣。 大约17MT的粉煤灰被水泥工业购买(直接或间接)用于波特兰水 泥。 一些声称"绿色"或者"足够使用"的波特兰水泥通常包含大约15-20% w / w的粉煤灰，尽管已经制得包含高达90%粉煤灰的实验水泥。 然而，大多数这样的CCPs都被作为垃圾掩埋。
相应的，根据本^1明提供的成分、方法和系统可以收集用于燃 煤电厂的CCPs流以.用于就地生产CCP含量相对较高的水泥。通过 把水泥生产和电能生产结合在一起，可获得许多经济、性能和环境的益处。这些益处包括节约能源工业的成本，保护自然资源和垃圾 掩埋空间，减少温室气体排放例如C02排放。根据本发明，CFPPs 可以便利地提供副产物并与水泥制造业共享资源以提供联产系统和 工艺。
CFPPs和相关资源
图l描述了利用CFPP中的多种原材料和其他资源的多联产。来 自CFPPs并加以利用的原材料包括但不限于煤、CCPs例如各种等级 的粉煤灰、流化床燃烧的灰(FBC)、炉底灰、烟气脱硫的副产品 (FGD), FGD石膏或者锅炉渣。各种等级的粉煤灰包括ASTM F级、 ASTMC级和未分级的粉煤灰。碎煤和旋风锅炉通常产生粉煤灰、炉 底灰和矿渣。此外，基本上大量粉煤灰被锅炉烟气带走并在CFPPs 的集尘室静电式除尘器(ESPs)中被收集起来。炉底灰在灰分微粒软 化或者熔化时形成并且粘着在炉壁和锅炉管聚集成团并落到位于熔 炉底部的贮槽中。炉底灰可以被千燥或者作为浆料转运到脱水槽,在 那里先除去水，然后灰分转移到应用位点或者存储器贮存。
可以选择各种来自其他工业的CCPs和副产物用于本发明的水 泥和生产方法。例如，可以选择大量的一或多种CCPs例如ASTMC 级粉煤灰、ASTM F级粉煤灰、未分级的粉煤灰、炉底灰和/或锅炉 渣以及一种或多种其他的矿物质、工业、农业和/或城市副产物，和/
或低价值矿物质。为了描述本发明的各个方面，应该理解CCPs包括 煤和其各种燃烧形式本身以及其燃烧副产物。
本发明的一个优选的实施方案包括在所需要的CCP水泥中摻入 选定级别的粉煤灰例如F级粉煤灰。在本发明的其他实施方案中， CCP组分可以来自下组中的多种煤燃烧产物F级粉煤灰、C级粉煤 灰、未分级的粉煤灰、炉底灰和/或锅炉渣以及一种或多种其他的矿 物质、工业、农业和/或城市副产物，和/或低价值矿物质。下文或其 他地方将对其有描述。
在本发明的一个优选的实施方案中，完全不同的CFPP可被改良 和转变为联产工厂以生产电能以及均 一 可用的高性能经济水泥以替代波特兰水泥。同时，CFPP运转产生的CCPs可从工厂选择的提取
点或位点被控制或去除用于水泥生产。图l还标出了用于许多CFPPs
的多种结构和设备。
在本发明的许多实施方案中，本发明可用于联产流程图2的资 源包括利用粉煤灰、沸水、热空气、压缩气体和蒸汽，以及由煤燃 烧工厂产生的能源用于在水泥生产中所用机器的运转。
本发明的一个优选的实施方案包括生产各种源自副产物反应物 的水泥以便获得酸-碱水泥、石咸金属硅酸盐水泥或其它类型的水硬 水泥，其中副产物反应物包括上面所列举的中的几种。酸-碱水泥 包括掺入了磷酸盐反应物的磷酸盐水泥。例如，浓缩的磷酸水溶液， 例如85%级别的商购的H3P04可以和其他CCPs或其他副产物一起 反应。尽管对本发明的一些实施方案不是优选的，但是可以使用下 面的更浓缩的磷酸含有70- 100%重量的H3P04的磷酸反应物。或 者在其他的实施方案中，含有80- 90%重量的H3P04。
本发明所选#^的磷酸盐反应物还可以包括其他来源的P205物 质。应该理解术语"P205物质"包括任何含磷的物质。这些物质的
含磷量通常用P205分析和表示，因此术语"P20s物质"只是示例性
的。根据本发明的这些物质可以选自各种工业和农业化学品和废弃
物。 一些合适的P20s物质的例子包括各种酸性含磷的化合物和磷酸， 例如正磷酸、焦磷酸和其他多磷酸及其盐。其他可选择的？205物质
包括磷酸铝溶液、磷酸铵溶液、磷酸钙溶液、来自金属抛光工艺的 浸渍抛光磷酸、来自农业化学工艺的废磷酸、来自钢浸酸防腐蚀的
钢磷酸盐化淤渣酸、来自P20s废物流处理的石充化砷淤渣酸，以及上
述流体的任意组合。可以使用相对不纯的磷酸，例如这些从低等级 磷酸盐岩石中生产的磷酸，从而这些磷酸盐反应物的低成本使得所 生产的水泥更具有商业上的吸引力。
在一个实施方案中，水泥是非波特兰水泥，其中包括大量的一'
种或多种CCPs,其中包括各种级别的(F级和C级)的粉煤灰。此外，图2还阐述了水泥生产需要的特定的大量的空间/地产(例
如"覆盖区(footprint)")，另一种资源是CFPP提供用于水泥生产的物 理空间(例如棕色地块(brown-field siting))。
图5阐述了用于通常CFPP的运输设备(进/出)的利用，另一 种资源是运用这样的运输设备运进煤作为燃料和运出生产的水泥。 在一些实施方案中，联产CFPP的进/出运输是通过水运(驳船，轮 船)、铁路或卡车。在一个优选的实施方案中，图2的的进/出运输是 通过铁路。
在一些实施方案中，利用CFPPs的现有运输设备，或CFPP利 用新运输设备配置成统一的进/出运输。这些用于联产系统的运输方 式/设备包括水运、铁路、卡车或其结合。
在一个实施方案中，与传统的水泥生产相比，CFPP联产电能和 水泥，使得每吨水泥降低煤消耗达大约10, 15， 20, 25, 30, 35, 45, 50， 55, 60, 65， 70， 75， 80， 85， 90, 95到99%。
在一个实施方案中，与传统的水泥生产相比，CFPP联产电能和 水泥，使得每吨水泥降低电能源消耗达大约10, 15, 20, 25,30,35, 45, 50， 55, 60, 65, 70, 75, 80， 85, 90, 95到99%。
在另一个实施方案中，与传统的水泥生产相比，CFPP联产电能 和水泥，使得每吨水泥减少铁路运输达大约10, 15, 20, 25， 30， 35, 45, 50， 55, 60, 65， 70， 75, 80， 85， 90， 95到99%。
在一些实施方案中，本发明通过联产方法生产的水泥包含大约 5, 10， 15， 20, 25, 30, 35， 40, 45, 50， 55, 60, 65， 70， 75, 80， 85， 90， 95, 96, 97， 98, 99百分比的煤燃烧产物(CCPs)。在另一个实施方案中，通 过联产方法生产的水泥包含2到7，12到17, 15到23,22到33,32 到38, 37到44, 36到48, 47到54， 46到58, 57到64, 56到68, 67 到74, 73到88, 76到92, 82到95, 88到99百分比的CCPs。在另一 个实施方案中'，通过联产方法生产的水泥包含50到70， 60到80， 70 到90， 80到95， 90到99百分比的CCPs。另外，任何CCPs的混合物 和/或水泥的混合物都能够被应用在本发明的多联产方法中，其中包括公开在2007年4月25日提交的美国临时专利申请60/914,021 (WSGR案巻号34400.706.101 )和同 一天提交的美国专利申请 11/758608(WSGR案巻号34400.706.201),其发明题目是"煤燃烧产 物水泥及其相关的生产方法"中的。在此将其全文引入作为参考。
在本发明的一些实施方案中，最终的水泥成品包含从大约1， 2, 3， 4, 5, 6， 8, 9, 10, 11， 12, 13, 14到15%重量的磷酸盐反应物。在另一 个实施方案中，磷酸盐反应物占水泥的5到10%重量。在一些实施 方案中，磷酸盐反应物是磷酸、磷酸二氩盐(例如磷酸二氢钾)、 磷酸氢盐或其组合。
例如，磷酸二氢钾(0.392 Kg )、用烈火煅烧的氧化镁(0.261 Kg )、 F级粉煤灰(0.981 Kg)、沙子(2.376 Kg)和硼酸(13g)和水(0.325 Kg)在Hobart混合器中于室温混合10分钟。将得到的混凝土糊浇 4寿成2英寸的立方体，并在50%相对湿度、室温下^t固1天。样品 显示出3708 - 4109 psi的抗压强度。
在另外一个实施例中，三过磷酸钙(40g)、磷酸氢钾(30g)、 死烧的氧化镁(40g) 、 F级粉煤灰(lOOg)和沙子(190g)和水(60 g)使用钢刮刀混合5分钟。将得到的混凝土糊浇铸成2英寸的立方 体，并在50%相对湿度、室温下凝固4天。样品显示出2324 psi的 抗压强度。
在本发明的一些实施方案中，最终的水泥产品包括大约1-50 0/。重量的化学或矿物质添加剂。在一些实施方案中，最终的水泥成 品包含化学或矿物质添加剂从大约1， 2, 3, 4， 5, 6, 7, 8, 9， 10， 11， 12， 13， 14， 15， 16， 17， 18， 19， 20， 21， 22, 23， 24， 25， 26， 27， 28， 29， 30， 31， 32， 33， 34， 35， 36， 37， 38， 39， 40， 41， 42， 43， 44， 45， 46， 47， 48， 49或50%重量的化学或矿物质添加剂。 这样的添加剂的例子包括但不限于磷酸二氢盐、磷酸氩盐(例如磷
酸一钾)、氧化^:、含镁石灰、石灰、石灰石、铁铝氧石、氧化铝、 赤铁矿、褐铁矿、》兹铁矿、粘土、滑石、蛇紋石、硅灰石、沸石、
火山灰(volcanic ash )、火山灰(pozzolan) 、 二氧4b石圭牙口/或石圭4分禾口/或水泥混合物，制备单 一成分或者混杂的胶结产品。另外的可以用于
本发明方法和系统的添加剂的实施方案在美国临时申请US60914021 中有记载。
在本发明的另一个实施方案中，CFPP联产电能和水泥导致温室 气体减少(例如C02排放)，与未采用联产的比较，在工厂的整个周 期减少大约10, 15， 20, 25, 30, 35, 40, 45， 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80， 85, 90, 95， 99%。例如，不同于CFPPs和单独的水泥厂排放C02,利用 联产的情形只有 一 个厂排放。
在本发明的又一个实施方案中，联产通过将煤燃料运入和水泥 成品运出统一为 一个地点而减少了运输时间和成本。除了减少了运 输的经济成本，将CFPPs的运入和运出结合减少了用于运输煤/水泥 的卡车、火车或轮船的废气排放。在一个实施方案中，用于运输煤、 水泥或CCPs的卡车、火车、轮船或其任意结合的气体排放减少。
因此在本发明的一个实施方案中，本发明的联产工艺、成分组 成和系统减少了煤消耗量(例如煤燃烧)，由此在CFPP的整个周期 将水银排放减少了大约10, 20, 30, 40, 50, 60到70%。
在多个实施方案中，GHGs排放(例如C02)在1, 2, 3， 4, 5， 6, 7， 8， 9， 10, 11, 12, 13， 14, 15, 16， 17, 18, 19, 20, 21， 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28， 29， 30， 31， 32， 33, 34, 35, 36, 37, 38， 39, 40, 50年中，或CFPP联产 工厂整个周期中，减少百分之1, 2, 3, 4， 5， 6, 7， 8， 9, 10, 11, 12, 13， 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20， 25， 30, 35, 40， 45， 50, 55, 60, 65, 70, 75， 80, 85， 卯，95, 99。
在本发明的另一方面，煤消耗量的减少(例如煤燃烧)因减少 了有毒物排放而有益于环境。这些排放物包括释放到大气中的微粒 或气体排放物，以及存在于CCPs中的有毒化合物。
在一些实施方案中，与非联产相比，联产工厂的运作将未被使 用的CCPs减少了大约百分之10到30, 15到40, 20到50, 30到 60， 40到70,50到80,60到90， 70到99,较之于非联产的。众 所周知未被利用的粉煤灰可能包含剧毒和/或放射性化学物质，例如砷、铀、水银、铅和钍。(灰含量占燃煤的大约5%到15%)。这 些化学物质可能从沉淀槽泄漏到湖泊、河流、小溪、海洋或其它水 域,污染鱼及其他水生生物形式,并且使得饮用这种水或食用被污染 鱼的人或动物得重病，并殃及其胎儿或母乳喂养婴儿。由全球持续 得煤燃烧导致的长期放射性物质的积累是严重的潜在健康危害物。 水银， 一种高毒性进化神经毒素，存在于煤中，并在煤燃烧时释放 为挥发性元素水银和有机水泥化合物。这一金属随后随传统煤燃烧 工艺产生的烟释放到大气中。相应的，本发明还将更多的粉煤灰引
入到水泥成分中从而减少未用的粉煤灰和其他CCPs 。
在进一步的实施方案中，本发明的联产通过减少传统煤燃烧产
生的环境污染物和/或有害材料有益于环境，包括(a)二氧化硫，它 是一种酸性气体，是主要的大气污染物，是导致酸雨的主要原因， 导致哞喘和永久性肺损害和心脏疾病；(b)其他的硫氧化物(一氧 化硫)，(c)二氧化氮，烟雾中的主要成分，导致肺和呼吸道损害，
(d)—氧化氮， 一种对环境有害的有毒气体(消耗臭氧层，形成光 化烟雾并产生酸雨)，并与氧气反应形成二氧化氮，(e)其他的氮(氮 氧化物)，(f) 一氧化碳， 一种有毒气体，通常是燃料不完全燃烧的 产物，是主要的大气污染物，(g) 二氧化碳，(h)甲烷(CH4),也 是一种温室气体排放物，怀疑是全球变暖的原因且在煤燃烧时逸出，
(i)盐酸，(j)二氧芑， 一种有毒化合物，是致癌物质和诱变剂，(k) 挥发性有机物(VOCs)，导致烟雾、重病如哮喘和癌症并且损害植物，
(1)其他金属(锌、铊、镉、镍和铬)，(m)除了铀和钍同位素 之外的放射性金属，例如由铀和钍衰变产生的放射性产物，包括镭、 氡、补、铋和铅，(n)其他的致癌物和/或诱变剂，和(o)微粒物 质，主要的大气污染物。
使异质煤和CFPP进料归一化的步骤
本发明的一个方面提供运用CFPP和任何煤资源的系统、工艺和 方法用于联产均一的高性能水泥，并具有经济、环境和性能上的优 势。该工艺包括三个主要步骤表征(针对未燃烧的原料煤和CCPs );将产生的水泥最优化；针对认可的工业标准试验进行验证。上述表
征-优化-验证简称为"cov工艺"。
图4阐述了通过COV工艺使得异质的煤流、CFPP操作和产生 的CCP归一化的系统、工艺和方法。COV工艺解决了处理自然界的 不同成分进料煤流的问题，指出每个煤矿和同 一煤矿的不同矿脉可 能产生显著不同的煤及CCPs。相似的，我们注意到CFPP的"指紋" 或独特特征可能由相同媒源产生显著不同的CCPs。在不同的效率等 级下，即改变温度和/或煤燃烧的时间，操作CFPPs,会导致CCPs 的多样性，尤其是粉煤灰的特征。这些源自不同煤流和CFPP特征的 多样性可以是细微或粗略的。然而，为了生产均一的水泥，必须应 用COV工艺使其成为性能归一化的均一标准的水泥，标记为SC。 图2显示了存在的五种煤源(其化学成分明显不同)和五种CFPPs
(同样，其煤燃烧和CCP处理技术显著不同)，由此产生五种截然 不同的CCPs。图4显示了这五种独特的煤源、CFPPs和CCPs最终 被归一化为一种均一的水泥SC。
在图4中，煤源#1流向CFPP #A, 产生CCP #1A，然后通过 COV归一化为最终均一标准水泥(SC-a)。类似的，煤源#2流向CFPP #B,生产CCP#2B,然后通过COV归一化为最终均一标准水泥
(SC-b )。
在图4中，煤源#3和煤源#4作为混合物都流向CFPP#C，生产 CCP#3/4C，然后通过COV归一化为最终均一标准水泥(SC-c)。
在图4中，煤源#5流向CFPP #D和弁E,生产CCP #5D和CCP#5E, 然后通过COV归一化为最终均一标准水泥(SC-d)。
此外，图4显示了多达四种单独的COV工艺介入点以表征、优 化和验证产生的水泥是标准水泥(SC),从而可投入市场。该功能 保证了质量控制。
因此，本发明的COV使得SCs可根据需要生产为相同或不同的。 在多个实施方案中利用不同的COV工艺生产的大量SCs都是相同的 (例如图4，例如SC-a与SC-b相同)。在其他的实施方案中，通过一种cov工艺生产的sc较之不同cov工艺生产的sc是不同
的(例如SC-a与SC-b不同)，这是因为SCs被设计应用于不同 的水泥用途。
在多个实施方案中，水泥产品可包含变化的抗压强度、渗透性 和/或pH。例如，以PSI测得的抗压强度可以从大约1到50,25到 100， 75到300， 150到500, 250到750, 500到2000, 1000到 5000, 2500到7500, 5000到 10000, 7500到 15000, 10000到 20000, 12500到25000, 15000到30000, 20000到35000， 25000 到40000, 30000到450000， 35000到50000PSI。在一些实施方案 中，测得的水泥产品抗压强度为大约50, 100, 150, 200, 250， 300， 350, 400, 450, 500, 550, 600， 700, 800， 900, 1000, 1500, 2000， 2500, 3000, 3500， 4000， 4500, 5000， 5500, 6000， 6500， 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000 PSI。在美国临时申请US60914021中公开了其他 的水泥产品特征的实施方案。
在多个实施方案中，生产的水泥产品具有变化的渗透性，包括 不能渗透的。在一些实施方案中，水泥产品可以是基本上渗透的、 渗透的或者不能渗透的。
cov工艺可以实现对进入的煤进行精确的表征并表征煤燃烧产 物(CCPs);和对产出的水泥产品的进行优化和验证。在COV弁l 中，在可能的CCP产出上我们表征了进入的煤流并对可能的CCP产 出建立快速的校准。在COV#2中，我们表征了产生的CCP。在COV #3中，通过调整所有上述的参数，例如温度和沸腾持续时间;溶液中 磷酸浓度;溶液中持续时间；磷酸盐化粉媒灰与非磷酸盐化粉媒灰的 混合比例;加入某些矿物质和/或化学混合物；由机械手段调整产生的 水泥的粒径和形态等等，从而优化水泥。在COV弁4中，通过一套标 准化测试和在其他国家相似的测试，这些标准化测试由美国测试和 材料协会(ASTM)和美国混凝土学会(ACI)制定或由其规定变化 衍生，我们验证产生的水泥满足我们作为标准水泥的规格，即可投 力丈市场。在一些实施方案中，表征CCP包括用光学和电子显微测定法来
表征进料和输出产品以保证满足规格。在一些实施方案中，由CFPP 生产的CCPs和输出的水泥通过与所需的磷酸盐化CCP和水泥产品 特征相关的物化属性来表征，表征方法包括但不限于光学显微术、 SEM、 TEM、 XRD、 XRF、 HPLC、 IC、滴定分析、量热学、FTIR、 BET、 PSA和/或NMR。
COV工艺的另一个方面是通过调整CCPs的混合比例和选择对 应于不同性能目的的化学物质和矿物质混合物来优化最终的混合水 泥。在一些设计磷酸盐化水泥的实施方案中，优化水泥质量包括调 整磷酸盐化粉煤灰与非磷酸盐化粉煤灰的百分比；调整CCPs的混 合；调整粉煤灰混合物的pH (例如变化磷酸-水比例、加入的矿物 质、生石灰或酸性溶液)；调整用于最终混合物的可选混合物材料 的数量(包括化学的或固体/矿物质混合物，例如硼酸以及与波特兰 水泥工业具有共性的化学品或固体/矿物质混合物)，例如二氩磷酸 金属盐和金属磷酸氲盐；变化工艺参数(例如变化时间、速度、研 磨和最终混合操作)。进一步的实施方案可包括根据反应器种类控 制反应条件、操作模式、浓度、温度、pH、混合的种类和程度、加 料方式、滞留时间、压力和其他影响化学反应的变量。
在一些实施方案中， 一种或多种CCPs与一种磷酸盐混合(例如 磷酸盐、金属二氢磷酸盐和金属磷酸氢盐)以生产"磷酸盐化粉煤灰"， 将其加工用于制备水泥产品(见图2)。
在另一个实施方案中，这样的磷酸盐化粉煤灰与由CFPP收集的 未处理粉煤灰混合。
在又一个实施方案中，这样的磷酸盐粉煤灰可与未处理的粉煤 灰、炉底灰、锅炉渣或其组合进行混合。
在又一个实施方案中， 一种或多种添加剂加入一种或多种CCPs 中以生产CCP组合物，该组合物以磷酸盐化合物处理(例如磷酸)， 与沸水混合形成浆料(例如图2)。沸水可从CFPP中移出。在一个 实施方案中，这样的混合或磷酸盐粉煤灰浆料在锅炉/反应器中混合，其中锅炉/反应器利用在图2中由CFPP产生的热水/蒸汽。
在又一个实施方案中，混合的或磷酸盐粉煤灰浆料由图2的利 用CFPP所产生暖气的干燥器/风干器进行处理。
在又一个实施方案中，优化包括，基于工艺、设备和操作模式 的类型、干燥温度、滞留时间、水分含量、粒径和形状以及影响化 学反应的变量控制干燥和粉碎条件。
在一些实施方案中，优化包括对于用于将磷酸盐化CCP、未处 理CCP和/或添加剂转化为最终水泥产品的额外的热处理、研磨和/ 或粉碎操作进行控制。
进而，COV工艺可以通过多种标准测试(例如可加工性、装配 时间、抗张强度)验证所得水泥的QA/QC规格以保证产品具有较高 质量。在一个实施方案中，COV工艺允许生产较高性能的水泥产品。
在一个实施方案中，设计和建造了联产CFPP。在又一个实施方作。
因此，CFPP根据COV工艺被改型或改进为联产CFPP,其中 该工艺可以实现对CCPs的表征、优化水泥产品的加工/生产优化(例 如图2)并且验证水泥的性能等级。
COV工艺的另 一个方面是通过将优化混合水泥进行一 系列的标 准化水泥和混凝土工业测试以验证产生的水泥(例如，随时间的强 度)。验证测试的例子包括由ACI和/或ASTM ^见定的测试。然而， 本领域技术人员会认识到任何已知或发展的验证测试都可用于本发 明的COV工艺。
图6提供了本发明主要方面的总览并在这里进一步描述。本发 明的多个方面用于提供联产电能和水泥必须的材料和步骤(603, 608, 609， 610)给CFPP 602工厂，见图6。在多个实施方案中，存在于 CFPP的资源被利用并与系统结合以联产水泥。 '
另一方面，煤在CFPP锅炉中燃烧以产生热能将水加热为蒸汽从 而驱动发电涡轮。煤的燃烧产生CCPs例如粉煤灰606 (干锅炉)、炉底灰(千锅炉)和锅炉渣(湿锅炉)，该CCPS在前面有描述。进 而，除了这样产生的蒸汽，还产生热水、热空气和压缩空气(例如
607 )。
进而，CCPs 606随后流入混合器612与水610、磷酸盐反应物 608/609、添加剂611或其结合相混合。可选的，CCPs可流入混合器 而不加入任何其他化学添加剂。在多个实施方案中，使用的混合器 包括但不限于转筒、搅拌桨/条、齿轮式、流化床、叶轮、螺旋挤压 才几或其组合。在一些实施方案中，流入和/或混合由CFPP产生的电 能和/或压缩空气来驱动。
混合物随后流入反应器613，后者包括但不限于转筒、搅拌槽、 凸轮刀刃、流化床、搅拌桨、螺旋挤压机或其组合。在一些实施方 案中，反应物产物流入干燥器和/或粉碎器。用于本工艺的干燥器614 包括但不限于转筒、搅拌桨、盘式干燥器、流化床、闪蒸干燥机、 喷雾器或其结合。
在一个实施方案中，反应器产品(例如来自螺旋挤压机混合器/ 反应器的产品)流入分级器，分级器可以是振动筛分机、空气分级
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在一些实施方案中，粉碎器623包括但不限于粉碎机、滚圆机 (spheronizer)、球(棒)磨机、捣磨/锤磨机、圆盘式粉碎机、离 心机/气流粉碎分级机或其结合。
在一个实施方案中，来自粉碎器的产品流入分级器以将产品分 级，其中分级器624包括但不限于振动筛分级机、空气分级器或其 结合。
在另一个实施方案中，分级后的产品可与多种原材料或添加剂 混合并流入混合器625 (例如转筒搅拌器、搅拌桨/带形混合器、齿 轮搅拌器或其结合)。
混合的水泥产品630随后流向输出运输工具631 (例如铁路)。 在本发明的多个方面，旋流器和/或洗涤器可以被设置成通过图 3的水泥生产工艺加工CCPs的机器，其中这样的旋流器和/或洗涤器(619, 617， 615, 625， 627, 629)利用自CFPP602引入的电能、压缩空气、 蒸汽、热水、冷水或其结合(616， 618, 620, 624, 626， 628)来运作。进 而，在多种实施方案中，图3的设备、机器或运输方式由CFPP提供 的电能驱动。此外，这些设备、机器或运输工具可利用CFPP提供的 压缩空气、蒸汽、热水、冷水，必要时可使用它们的组合。
对用于多联产的CFPP操作的最低干扰(disruption)
本发明的一个方面是在CFPP中将水泥生产设备与多种入口点 相结合而不干扰CFPP的操作或明显停止CFPP的电能生产。如图2 所示，本发明的联产系统提供煤的运入(或其他材料，例如添加剂)、 CCPs的加工(有或没有掺入添加剂进行调节)，以生产水泥产品并 以同样的运输方式运出投入市场。形成多种不同的接合区域以利用 CFPP资源，例如电能、压缩空气、蒸汽、热水、冷水、热空气，但 基本不会干扰CFPP的操作。
本发明的另 一个方面是以最有效方式转化蒸汽、沸水和/或热空 气，这样其不会给CFPP增加BTU负担。许多CFPPs具有精密复杂 的加热回收和再生系统。其他的一些CFPPs则更简单并浪费热能。 不管哪种情况，本发明都减少了用于联产电能和水泥的热能、将其 最小化或完全避免了需要更多的热能。
图3阐述了一个实施例，其中用于CFPP的抽:取口可^C利用以减 少低效率并提高来自CFPP的资源抽取效率。在(a)中，低效率的 沸水、蒸汽和暖气抽取点导致了 CFPP联产电能和水泥的高负担。在 (b)中，沸水、蒸汽和热空气抽取口更为合适并更有效率的。因此， 计算得到的联产水泥和电能二者对CFPP的负担(burden)接近零 BTUs。
在本发明的多种实施方案中，计算得到的负担以BTUs百分比计 为大约0,1,2, 3,4, 5,6，7, 8，9, 10， 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18， 19,20, 21, 22, 23, 24, 25， 26， 27， 28， 29， 30, 35, 40, 45或50%。在一些实施方 案中，负担为大约0到5%， 2到10%, 4到12%, 7到15%, 6到20%。
本发明的另一个方面是减少了劳动力、时间、资金设备，并且对进行中的运转具有最小或更少的干扰。这样的减少可通过以下方
式促进在单元水平或系统水平上将现存的CFPP操作和步骤(例如 干燥、粉碎、混合和装袋)结合，但并不降低CFPP操作质量或千扰 其操作。
本发明的联产系统与现存的CFPP操作相结合以保存材料输出 (例如电能生产)，使步骤缩短和/或有效利用了 CFPP提供的有用 物质(例如电能、热水、蒸汽或压缩空气)。
在本发明的一个实施方案中，CCPs自动从CFPP中抽取出并存 贮于与CFPP同一区域的存贮器中以将运输距离和资本支出最小化。 因此，用最低的操作需求和最少的资金，缩短来自CFPP的CCPs流 出和传递到综合的联产工艺。
在另一个实施方案中，CCPs、沸水、蒸汽、压缩空气或干燥空 气的适当抽取点(tap-off point)是确定的，这些资源通过固体、液 体、气体的传送操作或其组合同联产相结合，并由合适的工艺监视 和控制机构来操纵。例如，可以在新的CFPP中设计合适的阀、泵、 控制机构、电脑SW或者QA/QC仪表，或者在现有CFPP中进行相 应的改造。
在本发明的一些实施方案中，通过与现存的CFPP相结合而不会 中断CFPP操作的机器/设备来改进/改型CFPP用于联产。
这样的机器/设备包括但不限于锅炉、混合器、浆料、储料仓或 者厢、反应器/锅炉、 一种或多种运输带、干燥元件、粉碎机或者研 磨机。当然，可以理解的是可以根据需要使用一种或多种这样的机 器/设备用于提高效率或提高产量。
在另一个实施方案中，气动或者"管道(plumbing)"系统被用于 将产生成品转运给运输工具。例如，成品可以直接运到驳船或者轮 船、批量机动轨道车或者铁轨货物集装箱、或者货拒车中。
本发明的另 一 个方面是通过改进输需求减少对环境的影响， 这种影响通过CFPP和波特兰水泥工业的生命周期分析(LCA )来测 量。例如，通常每天需要3-5个铁路单位来运输煤。每个运输单位
22包括100车皮，每车皮运输100吨，或是每单位共10000吨。本发
明的联产系统利用铁路运进运出，从而避免了另一种来源的C02排
放。同样的铁路系统可用于运送少量(重量和体积计)并非CFPPs 原有的微量(重量和体积计)物质，例如用于生产磷酸盐粉煤灰的 磷酸、金属二氢磷酸盐和/或金属磷酸氪盐或化学和矿物质混合物。 进而，该铁路系统也可将水泥产品运向市场。
因此，在一个实施方案中，联产工艺有效利用了同一铁路系统 将成品水泥到运输市场，而不需要额外的运输模式或铁路资源。
经济效益
世界范围的CFPPs都面临降低或避免C02排放的压力。本文所 述的系统、组成和方法使得CFPPs可以减少GHG排放量，较之传统 的水泥生产厂的水泥生产和CFPP的电能，通过本发明的联产工艺生 产水泥，每吨水泥就减少一吨的排放量。在一个实施方案中，通过 利用磷酸盐化粉煤灰联产水泥和电能而减少了 C02排放。在另一个 实施方案中，通过利用非磷酸盐化粉煤灰联产水泥和电能而减少了
C02排放。
尽管文中描述了优选的实施方案，对本领域技术人员显而易见 的是这些实施方案只是提供说明性的描述。对本领域技术人员而言 可能出现众多的变化、改变和替换，而并不背离本发明。应该理解 的是在实践本发明时可能存在对描述的实施方案的多种替换。随后 的权利要求限定了本发明的范围，权利要求中的方法和结构以及等 同方式都包括在发明范围内。
权利要求
1、一种联产电能和水泥的方法，包括唯一的煤燃料源的燃烧和就地混合步骤。
2、 根据权利要求1的方法，其中所述的水泥包括大约10到99 %重量的煤燃烧产物。
3、 根据权利要求1的方法/其中相对于没有所述联产，所述的 联产每年大约降低生产能源消耗和伴随的温室气体排放达10到99%。
4、 根据权利要求1的方法，其中相对于没有所述联产，所述的 联产每年大约降低运输能源消耗和伴随的温室气体排达10到99% 。
5、 根据权利要求1的方法，其中所述的联产降低用于生产一个 单位的电能和水泥必须的总煤消耗量达大约10到60%。
6、 一种系统，包括用于联产水泥的燃煤电厂(CFPP),其包括 表征、优化和验证("COV工艺")由所述CFPP产生的煤燃烧产物(CCPs)制备的水泥的工艺。
7、 根据权利要求6的系统，其中所述系统包括用于将所述CCPs 加工成水泥的反应器；并且其中所述反应器配置为接收来自所述 CFPP的液体或气体。
8、 根据权利要求6的系统，其中所述系统进一步包括一种组分 以对所述CCP在所述加工前进行预处理。
9、 根据权利要求6的系统，其中所述系统包括对组分进行研磨 以生产水泥成品。
10、 根据权利要求7、 8或9的系统，其中所述系统包括有效的 运输方式以运送所述成品，并且较之单独的水泥生产运费降低了 30 到75 % 。
11、 根据权利要求7的系统，其中所述工艺包括以磷酸处理所述 CCPs。
12、 根据权利要求l的系统，其中所述水泥是磷酸盐水泥。
13、 一种多联产电能和水泥的方法，包括燃烧唯一的煤燃料源。
14、 根据权利要求13的方法，其中所述电能是利用燃煤电厂 (CFPP)产生的热能产生的。
15、 根据权利要求13的方法，其中所述水泥是磷酸盐水泥。
16、 根据权利要求13的方法，其中所述多联产包括利用所述热 能产生的副产物来生产水泥。
17、 根据权利要求13的方法，其中所述水泥是利用所述CFPP 的特有资源生产的。
18、 根据权利要求13的方法，其中所述水泥是利用所述CFPP 产生的粉煤灰生产的。
19、 根据权利要求13、 14、 15、 16、 17或18的方法，其中所述 水泥是利用所述CFPP驱动的反应器生产的。
20、 根据权利要求19的方法，其中所述反应器适于接收来自所 述CFPP的液体或气体。
21、 一种降低能源消耗的方法，包括多联产电能和水泥从而降低 生产水泥所需要的煤耗。
22、 一种降低与燃煤电厂和水泥生产相关商品的运输成本的方 法，包括多联产电能和水泥，其中所述多联产降低了燃料运输成本， 从而降低了所述商品的运输成本。
23、 根据权利要求22所述的方法，其中所述运输包括利用铁路 或卡车运输。
24、 根据权利要求21或22的方法，其中所述水泥是磷酸盐化水泥。
全文摘要
本发明提供将全然不同的燃煤电厂改造为联产均一可用并具备经济效益的水泥的电厂的系统、工艺和方法。该联产使得同时生产电能和水泥成为可能，并因此具有显著的经济效益和环境益处，消除了主要的温室气体排放源并因此减少了影响气候变化的主要因素。
文档编号C04B7/28GK101293747SQ20071011193
公开日2008年10月29日 申请日期2007年6月11日 优先权日2007年4月25日
发明者I·吉尔, M·波拉特, S·比林顿 申请人:加州水泥公司