专利名称：硅酸铝脱羟基处理的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及无机颗粒的处理。具体地说，本发明涉及硅酸铝-特别是可包含于粘土中-脱羟基处理的方法，以使它具有或提高其作为加入到水泥、混凝土或其它基质中的添加剂或者添加物(白榴火山灰型(àcaractère pouzzolanique))的反应活性。
业已公知，将硅酸铝以偏高岭土的形式加入到水泥、灰浆或混凝土组合物中，作为可与通过水泥的水合作用释放出的氧化钙反应的添加剂，特别是加至玻璃纤维增强水泥中，其中随着水泥熟化释放出的氧化钙对增强性能产生有害影响。
反应活性形式的硅酸铝可以由一般来自粘土质原料的高岭土或高岭石通过热煅烧处理来制取。该脱羟基吸热反应如下(≈-418J/g)根据起始粘土的性质，该方法在大约500℃-650℃下进行。
工业上实施该处理需要满足两个条件彻底处理粘土质材料以将所有的高岭土都转变为偏高岭土，被处理的材料的温度不要达到偏高岭土的降解温度，所述偏高岭土可在大约900℃(吸热反应过程中)下转变为不反应的结晶形式，例如模来石和方英石。
公知的工业技术之一中，将颗粒形式的粘土在平板炉中处理，其中，被燃烧炉加热到给定温度的每个级(stage)包括板和刮板(brasracleurs)，其中板上沉积了厚厚一层粘土，刮板确保粘土暴露于每个级的温度下所需时间，并引导已处理的物质由一个板到达下一个板。一般来讲，这些设备设定温度梯度，它按照粘土循环的方向在板上由500℃增加到750℃。为了达到这样的温度，燃烧炉将壁局部加热至高得多的温度，燃烧炉组件，特别是承受高应力的壁和臂(bras)需要用热稳定性高的耐火材料制成，和/或需要带有冷却系统。此外，材料在炉子中的停留时间非常长，需要非常高的能量消耗，并且最终，由于颗粒之间的摩擦产生的细颗粒被燃烧气体夹带，因此需要从烟尘中除去灰尘的处理步骤。
在另一个被称作“闪煅烧”(calcination flash)的公知的技术中，粘土颗粒经受相当大的温度梯度，以使之几乎瞬间达到处理温度。实际上，将粘土颗粒置于温度可高达900℃-1000℃或更高的环境中很短时间，结果热交换使颗粒达到所需要的500-600℃。根据某一实施方式，煅烧炉包括一封闭空间，其中安装了实现所需温度的燃烧炉。这种燃烧炉存在下述危险，即颗粒可能与燃烧炉的火焰接触并超过所需的处理温度。另一种闪煅烧炉，特别是US-A-6139313中所述的那种，包括一利用环形气流的处理室，其中通过将燃料注入到在处理室上游产生的热气流中而形成温度非常高的等离子体。炉子的重要组件再次暴露于非常高的温度下，这就需要复杂的冷却设备。
本发明的目的是提供一种通过煅烧的改进处理方法，该方法具有令人满意的转化率而不需要复杂的设备或昂贵的材料。
根据本发明，该目的是通过硅酸铝的脱羟基处理方法实现的，其中将含有硅酸铝的颗粒置于至少500℃的温度下，该方法的特征在于，颗粒是干粉形式，干粉在600-850℃的气流中输送，输送时间足以达到所需要的脱羟基程度。
本发明揭示，含有硅酸铝的材料，当细碎成粉末形式时，在输送气体中令人惊讶地快速反应，其中输送气体温度却大大低于“闪煅烧处理”的常用温度，因此本发明提供了一种在能源需求方面以及用于制备处理设备的材料方面都更为经济的脱羟基热处理方法。
为了提供具体参考，干粉的粒度一般小于或等于100μm，即形成干粉的所有颗粒，其大小特征为大小(直径或表观直径)小于或等于100μm。优选的是，它基本上由大小小于或等于80μm的颗粒组成。它有利地含有至少60wt％(重量百分比)大小小于20μm的颗粒，并且优选少量(例如小于或等于5％)颗粒的大小大于40μm(95％的颗粒大小小于40μm)。
有利地是，粉末按照下述方法由含有硅酸铝的水合基体浆料(ptede base hydratée)形成将基体浆料减小为碎片，并将基体浆料的碎片在500℃-800℃的热气中通过机械作用解聚(desagglomere)。
根据本发明，意外地发现，在高于或等于500℃的热气中进行的研磨、磨粉、捏合或类似操作的简单机械操作(所述温度对于干燥水合材料来说是可以预计(envisager)的)，使之不但可以蒸发水合基体浆料中的水分，而且可以进一步引发硅酸铝结合水的分离，形成偏高岭土。该操作是通过用热气输送粉末产物进行的，热气的温度(500℃-850℃)被精确限定，一方面充分进行反应(温度和输送时间)另一方面不形成在氧化钙中稳定的结晶产物(温度上限)。
本发明预计的机械作用优选是适合分离构成基体浆料无机物的颗粒的作用，以得到具有“天然”颗粒分布的干物质。这就是本文中为什么使用术语“解聚”的原因。同样，当用于本发明时，术语“研磨”包括任何“轻度”作用，特别是例如磨擦，并不限于适合通过破坏成分颗粒来降低颗粒大小的操作。
为了避免偏高岭土随后转变为非反应形式，用在解聚步骤中的热气的温度选择为低于800℃，但是希望尽可能的高以快速干燥水合基体浆料。该温度可以根据水含量和原料的内在特性而选择在一定范围内，这与其组成以及所用的采石场或来源有关。可以通过将原料进行差示热分析(DTA)来测试高岭土转变为偏高岭土的准确温度，偏高岭土转变峰一般在500和550或600℃。热气的温度可以有利地选择为600-750℃，特别是650-700℃。该温度是指混合并加入粘土质颗粒之后的气体温度。尽管该温度应当尽可能的高(850-900℃)，但是有益的是，供应的热气的温度尽可能接近转变温度，同时还要低于转变为模来石反应所对应的阈值。
本发明解聚步骤的条件容许基本除去水合基质浆料中存在的水。一般来讲，如果开始时基体浆料的水含量低于30wt％，特别是15-30wt％，解聚的干粉中残留水含量一般为0-1wt％。
有利地是，解聚是通过在研磨组件之间用力推动浆料碎片和热气。这在浆料和热气之间产生最大的接触表面积，这促进了热交换并使之几乎瞬间干燥。
依靠这些干燥条件，基体浆料的物质变为具有其构成颗粒大小的粉末。一般，干粉的颗粒大小小于或等于100μm，优选小于或等于80μm。有利地是含有至少60wt％大小小于20μm的颗粒，及少量(例如小于或等于5％)大小大于40μm的颗粒。
根据所用的原料，特别是天然物质例如粘土时，解聚步骤之后是分离粗颗粒例如沙子的步骤，特别是使用旋流除尘器，之后，收集准备进行热处理的干粉。
根据所用的原料，能够得到含有硅酸铝的干粉，所述硅酸铝在研磨-干燥操作中可能部分脱羟基化。脱羟基的程度能够通过在“Chapelle”测试中的反应性进行估算，该测试评估可以被矿物潜在消耗的CaO的量，由此限定无机添加剂(mineral addition)的硬凝反应性(pouzzolanate)。由R.Largent在Bulletin de Liaison desLaboratoires des Ponts et Chaussees[Journal of theLaboratories of the French higher educational institute forcivil engineering]No.93(1978年1-2月)63-64中描述的该测试中，无机物和石灰的水悬浮液在接近沸点下接触16个小时。冷却后，测试没有反应的石灰的量。将该结果用“g/g无机物”表示。
为了在Chapelle测试中达到至少大约0.7-0.8的高脱羟基度，本发明提供了热处理步骤，它是在600-850℃下的热气流中输送干粉，输送时间足以达到所需要的脱羟基度，而颗粒温度没有达到矿物转变为模来石的温度区域。
通过对DTA曲线的分析，可确定和准确定量反应温度(最小和最大温度)和高岭土转变为偏高岭土动力学特性，并可用于确定本发明粉末高岭土的温度-输送时间的匹配。热气的温度决定(通过DTA的结果)高岭土转变为偏高岭土所需要的输送(气体和粉末之间的接触)时间。例如，当研究高岭土时，600℃下达到80％脱羟基度所需要的输送时间是13秒，而在大约800℃下有利的减少为0.1秒。值得注意的是，初级高岭土颗粒当在稀气流中的热处理条件与在DTA/GTA型测试设备(其中样品是被放在小容器中)中所处的条件明显不同。这种几何排列也由于设备的坩埚中存在的相对湿度而改变，其中的湿度大于稀气流中的湿度。
进行热处理的粉末可以在解聚之后直接处理，只要解聚是在热处理的现场进行的，或者在现场中间储存步骤之后或者在用于制备粉末的单个设备中进行热处理。
上述前一种情况，可以在粉末离开解聚步骤之后用热气流回收，然后输送粉末通过剩余的热处理，为了将气体温度升高到600-850℃，其间任选以辅助热气流或其它加热方式提供辅助热。
上述后一种情况，将粉末引入温度为600℃-850℃的第二热气流中。
任何一种其他实施方式中，热气的温度都可以在输送干粉过程中有利地进行控制。通过控制可以在气体和粉末上加一温度梯度，或者反过来，可以保持输送干粉过程中热气温度恒定。
处理结束时，脱羟基的干粉可用多种方式收集，特别是用过滤的方法收集。
本发明还涉及硅酸铝脱羟基处理的设备，其特征在于它包括供以温度为600-850℃热气流的管道、用于将含有硅酸铝的干粉引入到管道中的装置，和用于在该管道中输送干粉的装置。
根据其它特征-该设备包括将含有硅酸铝的水合基体浆料粉碎成碎片的装置、在500℃-800℃热气存在下通过机械作用解聚基体浆料碎片的研磨机-干燥机，和用于在研磨机-干燥机下游收集干粉的装置；-研磨机-干燥机包括带有研磨组件(organes de broyage)的研磨区域和供热气在所述研磨区域中通过的通道；-研磨组件包括至少一对平行盘，盘带有从相对表面突出的指状物，热气通道是盘的指状物之间的空间；-该设备包括在研磨机-干燥机出口位置上的分离装置，例如旋流除尘器(cyclone)；-该设备包括在研磨机-干燥机和管道之间的中间储存装置；-管道是通过燃烧炉提供热气，其中燃烧炉的火焰包括在管道之外；-管道上安装有外部加热装置，例如加热电阻和/或加热夹套；-加热装置包括至少一个气体入口，所述气体通过在设备壁上燃烧可维持壁温接近800℃；-设备包括下游处的通过过滤收集粉末的装置。
本发明的其它细节和特征将在下面例示性实施方式的详细说明中出现，本发明提供了下面的附图，其中-
图1表示本发明设备的简图；-图2表示用于构成部分图1装置的研磨机-干燥机的简要截面图；-图3详细表示了图2中研磨机-干燥机的研磨组件。
该实施例中，本发明方法被用于处理高岭土粘土，以将硫酸铝转变为偏高岭土。
为此，可以使用图1中的设备。应当指出，图1是简图，组件没有按比例表示，并且该图也决不限制本发明，特别是关于物质循环管线的不同位置、配置或定向的排列。
该装置基本上包括粘土储料斗1、粉碎机2、研磨机-干燥机3、任选的分离旋流除尘器4、任选的储料容器5、输送管道6、冷凝站7和粉末收集过滤器8。
料斗1中的粘土是从采石场采掘出的形式，一般是水合基体浆料块的形式，其大小可大到几乎10厘米。原始状态中，水含量例如为15-30wt％。
粉碎机2将尺寸大小降低了的基体浆料碎片，特别是几个厘米大小的碎片，例如通过输送螺杆的方式，输送到研磨机-干燥机3中。
研磨机-干燥机3供以在9处由燃烧炉10和风扇11产生的热气流，该气流通过管道12输送到研磨机-干燥机中。调整燃烧炉10的火焰，使管道12中热气流的温度为500-800℃，优选600-750℃，特别是650-700℃。
在管道12即将连至研磨机-干燥机3之前，将基体浆料的碎片输送到13处的热气流中，其输送速率例如通过螺杆的旋转调整。
参考图2和3将更加清楚地理解解聚步骤，其中图2和3分别表示，从图1下部分的部分装置的管道轴的垂直截面看上去，能够用于本发明的研磨机-干燥机的类型；和在分解透视图中看到的这种研磨机-干燥机的细节。这种研磨机-干燥机是买到的，特别是可由CMI-HANREZ购得。
这种研磨机基本上由带有向内旋转的轴15的封闭空间14组成，该轴15通过简要表示的装置16驱动，并且它带有至少一个盘17，该盘17上带有至少从盘17的一个表面上突出出来的至少一系列指状物18，这些指状物18优选在盘17的周围环形排列。封闭空间包括两个与盘17平行的盘形壁19、20，并且在与盘17表面相对的壁表面上带有至少一系列指状物21、22，这些指状物在盘19、20的周围环形排列。这些系列指状物同心排列，它们的长度选择成能够在两个相邻系列的指状物之间形成通道(chicanes)。
操作过程中，盘17的旋转驱动基体浆料的碎片23向封闭空间14的周围移动。在盘17的第一表面上，碎片通过指状物18和22之间形成的通道，然后沿着封闭空间14的周围通过盘17的另一个表面，在盘17另一个表面上，它们通过指状物18和21之间形成的通道。靠得非常近的研磨指状物之间的路线的作用是捏合或粉碎粘土浆料。
热气流24通过相同的路线，该路线用箭头表示，它包围并穿过基体浆料的碎片，热气和浆料之间的热交换表面积相当大。这样大的交换面积容许粘土中水合水非常快、几乎瞬间蒸发，其中的粘土通过摩擦逐渐地分离成越来越小的颗粒。
在盘形壁19中，安装有隔板25，该隔板25容许小颗粒离开密闭空间14，而大颗粒返回到通道以继续进行摩擦解聚。因此，可以调节设备以在隔板25的下游收集粉末26，其颗粒分布是粘土小薄片(lamelle)的自然大小粒度。一般，粉末26的大小小于100μm，甚至可以包括至少95％大小小于40μm的颗粒。
该阶段中，粉末一般不再含有超过0-1wt％的水。根据Chapelle测试，具有与初始阶段基本上没有变化的石灰反应性，一般小于0.5g/1g。
解聚操作过程中被冷却的粉末26和气流27(其温度降低到100℃，但是需要保持在高于露点的温度)通过管道28回收，管通28可连至旋流除尘器，以根据颗粒大小任选地将粉末中的颗粒分开，例如除去大小大于100或40μm的沙砾或聚集颗粒。
通过气流27输送的粉末26可储存在5中，而输送气体排出，或者直接送入后续的热处理阶段。
图1中，从储仓5中取出粉末并通过管道29，例如在载体气流中，进入输送管道6，其中循环有由燃烧炉31制成的气流30，所述燃烧炉位于管道6的上游，其位置使燃烧炉的火焰不能延伸到粉末引入的区域。调整燃烧炉31的火焰以使导管6中热气流30的温度为约600-850℃，优选约600-800℃。在这里，热气可以是燃烧气体，但是也可以是通过任何公知方式加热的其它气体、空气等。
为了尽可能维持管道中的热平衡，粉末可以通过热气流输送到管道29中。
例如为沿着管道施加温度梯度或者反过来维持温度在小的波动范围内，管道6可以配备控制和调节气体温度的装置。由于高岭土脱羟基反应是吸热反应，降低处理气体的温度并由此降低颗粒的温度，因此管道6中有利地安装加热装置。
因此，图1中所示管道安装有加热夹套32，该夹套32是其间循环有加热流体特别是燃烧气体的双层套管。作为变化形式或补充，可以使用电加热装置。
由于脱羟基反应是吸热反应，因此从热效率方面考虑，可能有利的是向气流输送的颗粒中输入热量。尤其是，该能量输入可以由电辐射或者由燃料的气体或液体燃烧来提供(如果使用的是气体，那么将在与壁接触时自发点燃)。
管道有利地带有外绝热层(图中没有示出)以抵消热损失。
管道6按照能够使粉末中的颗粒流化的任何公知方法设置，优选是垂直的，其大小要使粉末与气流30有充足的停留时间。这种大小特别取决于被处理的材料，其颗粒大小决定流化速度，所述流化速率是气流30用于输送粉末通过所有管道的最小速度。作为示例说明，用于处理粘土的气体30的速率可为约10m/s。
管道中粉末的停留时间一般取决于所需要的脱羟基度和气体30的温度，因此它将由本领域技术人员根据实际情况进行调整。在800℃0.1-0.2s的停留时间通常就足以显著增加Chapelle测试中的反应性，有利的是至少增加0.1g，特别是约0.7g-0.8g。
高岭土粘土离开研磨机-干燥机时，根据Chapelle测试，结合石灰的反应性已经达到例如约0.5g，如果用该高岭土粘土作原料，则可以证明，管道6中的处理可以提高脱羟基度，增加粉末的反应性。管道6中的处理可以用于使开始反应性非常低的材料产生反应性。
因此，另一个测试中，将起始Chapelle反应性非常低(约45mgCaO/g)的高岭土粉末(购自SOKA，商标名称为SIALITE)在800℃的气体中，以10m/s的速率通过1.7m长的管道进行处理，脱羟基度达到Chapelle反应性为307mg/g材料，对于5.1m长的管道，反应性达到0.7g/g干材料。
离开管道时，粉末26和气体30仍处于高温，这就需要在分离粉末的操作之前进行冷却。这就是该设备在与管道6的出口相邻处、用于分离脱羟基粉末的过滤器8的上游安装热交换器7的原因。
可以安装可再加热的热气体循环管道，以提高设备的热效率和能效。
尽管本发明是参考处理高岭土粘土进行更详细的描述的，但是本发明一般适用于处理含有硅酸铝的任何材料。
权利要求
1.硅酸铝脱羟基处理的方法，其中将含有硅酸铝的颗粒置于至少500℃的温度，其特征在于，颗粒是干粉形式，并且干粉(26)在600-850℃的气流(30)中输送，输送时间足以达到所需要的脱羟基程度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于粉末是由含有硅酸铝的水合基体浆料按下述方法形成的-将基体浆料减小为碎片(23)，-将基体浆料的碎片(23)在500℃-800℃的热气(24)存在下通过机械作用(于3处)解聚，以形成干粉(26)。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于基体浆料的水含量小于30wt％，干粉的残留水含量为约0-1wt％。
4.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于干粉的颗粒大小小于或等于100μm，优选小于或等于80μm。
5.根据权利要求2-4中任一项的方法，其特征在于解聚是通过将浆料碎片(23)和热气(24)在研磨组件(18，21，22)之间推动进行的。
6.根据权利要求2-5中任一项的方法，其特征在于解聚步骤之后，进行分离粗颗粒(在4处)的步骤，随后收集干粉。
7.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于干粉先储存(于5处)，然后在热气流中输送(在6中)。
8.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于输送干粉过程中控制热气的温度。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于热气的温度在输送干粉过程中基本上保持恒定。
10.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于脱羟基干粉冷却后通过过滤收集。
11.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于处理过的干粉的Chapelle反应性至少为0.7g/g。
12.硅酸铝脱羟基处理的设备，其特征在于它包括供以温度为600-850℃热气流(30)的管道(6)、用于将含有硅酸铝的干粉引入到管道(6)中的装置，以及用于在该管道中输送干粉的装置(31)。
13.根据权利要求12的设备，其特征在于它包括将含有硅酸铝的水合基体浆料粉碎成碎片(23)的装置(2)、在500℃-800℃热气(24)存在下通过机械作用解聚基体浆料碎片(23)的研磨机-干燥机(3)，和用于在研磨机-干燥机下游收集干粉(26)的装置(28，8)。
14.根据权利要求13的设备，其特征在于研磨机-干燥机(2)包括带有研磨组件(18，21，22)的研磨区域和供热气在所述研磨区域中通过的通道。
15.根据权利要求14的设备，其特征在于研磨组件包括至少两个平行盘(17，19，20)，该盘上带有从相对表面突出的指状物(18，21，22)，热气通道是盘的指状物(18，21，22)之间的空间。
16.根据权利要求12-15中任一项的设备，其特征在于它包括在研磨机-干燥机(3)出口位置上的分离装置(4)，例如旋流除尘器。
17.根据权利要求12-16中任一项的设备，其特征在于它包括在研磨机-干燥机(3)和管道(6)之间的中间储存装置(5)。
18.根据权利要求12-17中任一项的设备，其特征在于管道(6)是通过燃烧炉(31)提供热气(30)，其中燃烧炉的火焰包括在管道之外。
19.根据权利要求12-17中任一项的设备，其特征在于管道(6)上安装有外部加热装置，例如加热电阻和/或加热夹套(32)。
20.根据权利要求12-18中任一项的设备，其特征在于它包括下游处的用于通过过滤收集粉末的装置(8)。
21.根据权利要求19的设备，其特征在于外部加热装置由电辐射或燃料的气相或液相燃烧构成。
全文摘要
本发明涉及硅酸铝脱羟基处理的方法和设备，其中含有硅酸铝的颗粒置于至少500℃的温度。颗粒是干粉形式，干粉(26)任选在600－850℃的气流(30)中输送，输送时间足以达到所需要的脱羟基度。粉末可由水合基体浆料通过下述方法制成将基体浆料减小成碎片(23)，在500－800℃的热气(24)中通过机械作用(在3处)解聚碎片(23)，以形成干粉(26)。
文档编号B01J6/00GK1503764SQ02808580
公开日2004年6月9日 申请日期2002年2月6日 优先权日2001年2月20日
发明者G·卡多雷特, G 卡多雷特 申请人:圣戈班建筑材料股份有限公司