способ и устройство для получения цементного клинкера

Формула изобретения

1. Способ получения цементного клинкера, по которому весь цементный клинкер сначала подвергают обжигу в зоне обжига, а затем охлаждают в зоне охлаждения, в которой происходит по меньшей мере частичное охлаждение посредством подачи топлива и пара, отличающийся тем, что на первом этапе охлаждения поступающее топливо смешивают с цементным клинкером и сначала подвергают пиролизу, а полученные продукты пиролиза вступают в бурную эндотермическую реакцию с паром, так что цементный клинкер быстро охлаждается таким образом, что по меньшей мере 95%, а преимущественно вся содержащаяся в нем жидкая фаза превращается в стекло.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве топлива используют углеродистое топливо с пиролизируемым компонентом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе охлаждения для регулирования скорости охлаждения добавляют жидкое и/или газообразное топливо.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе охлаждения скорость охлаждения составляет от 600 до 6000 К/мин.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе охлаждения цементный клинкер охлаждают приблизительно на 200 К.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе охлаждения цементный клинкер быстро охлаждают приблизительно от температуры обжига порядка 1450 до 1250^oС.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе смешивания топлива с цементным клинкером одновременно происходит измельчение цементного клинкера.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что на втором этапе охлаждения происходит газификация подаваемого топлива с паром, причем при реакции газификации происходит поглощение необходимой для реакции энтальпии из цементного клинкера.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что топливные газы, образующиеся при реакции газификации, используют при обжиге цементного клинкера в зоне обжига.

10. Устройство для получения цементного клинкера в соответствии со способом по одному из пп.1 - 9, содержащее а) роторную печь (21) для обжига цементного клинкера, б) холодильник (22) для охлаждения обожженного цементного клинкера, в) устройство (33) для подачи топлива, г) устройство (34) для вдувания пара, отличающееся тем, что д) предусмотрен реактор (23), который имеет устройство (33) для подачи топлива и устройство (34) для вдувания пара, и е) реактор (23) сконструирован как часть роторной печи и вращается вместе с ней.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что реактор сконструирован как часть роторной печи (21) и имеет увеличенный диаметр.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что реактор (23) расположен непосредственно перед выходным концом роторной печи 21.

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что роторная печь (21) снабжена опорами непосредственно перед реактором (23) и сразу за ним.

14. Устройство по п.10, отличающееся тем, что реактор снабжен дополнительным устройством для ввода жидкого и/или газообразного топлива.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и устройству для получения цементного клинкера в соответствии с преамбулой пункта 1 и общей концепцией пункта 10 формулы изобретения.

Так называемый портландцементный клинкер содержит алит (C₃S) и белит (C₂S), трехкальциевый алюминат (C₃A) и четырехкальциевый алюмоферрит (C₄AF). К остальным компонентам относятся, в частности, несвязанная окись магния, а также щелочи.

Охлаждение цементного клинкера влияет на его структуру, минералогический состав и свойства получаемого при этом цемента. Скорость охлаждения клинкера оказывает влияние в основном на соотношение содержания кристаллической фазы и стекловидной фазы в клинкере. При медленном охлаждении происходит кристаллизация почти всех компонентов клинкера, тогда как быстрое охлаждение препятствует образованию кристаллов и приводит к затвердеванию так называемой жидкой фазы (2,95 Al₂O₃ + 2,2 Fe₂ + Mg + щелочи) в стекловидной форме. Содержание жидкой фазы в клинкерах из роторных печей составляет приблизительно от 20 до 28%.

Быстрое охлаждение клинкера увеличивает в основном стойкость цемента к сульфатам (магния, натрия, калия и т.п.). Свободные щелочи кристаллы MgO (периклаз) входят в стекловидную фазу. Это можно объяснить тем обстоятельством, что, из-за быстрого охлаждения клинкера, присутствующий C₃A, который отвечает за способность цемента к сульфатной стойкости, становится частью стекловидной фазы, а также несвязанные щелочи и MgO (периклаз), благодаря быстрому охлаждению клинкера, и, вследствие этого, будут оказывать сопротивление химическому воздействию сульфатов. По мере того, как несвязанная щелочь исчезает, она не будет больше химически воздействовать на двуокись кремния в конгломератах.

Цементный клинкер, который содержит по существу только алит, белит и стекло, т. е. , в котором C₃A и C₄AF связаны в стекле, может быть определен как стекловидный портландцемент. Он отличается, в частности, особой способностью проявлять стойкость к воздействию окружающей среды без снижения его прочности.

Хотя так называемый стекловидный портландцемент уже получили в лаборатории, однако, до сих пор не известен способ, который обеспечивает его производство в промышленных масштабах.

В способах охлаждения клинкера, которые известны из предшествующих технических решений, не может быть достигнута требуемая скорость охлаждения, особенно с помощью так называемых колосниковых холодильников.

Способ получения химически активного белитного цемента известен из источника DD-A-206422. В этом случае белитный клинкер из роторной печи поступает на первый этап охлаждения, при котором в пылевидном буром угле и низкотемпературном отходящем газе содержатся, в частности, двуокись углерода и пар. Это приводит к реакции газификации подаваемого топлива с паром или двуокисью углерода, причем эти реакции газификации поглощают требуемую для реакций энтальпию из цементного клинкера.

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для промышленного производства стекловидного портландцемента.

Эта цель достигается посредством отличительных особенностей пунктов 1 и 10 формулы настоящего изобретения. Согласно настоящему изобретению топливо, подаваемое на первый этап охлаждения, смешивают с цементным клинкером и сначала подвергают пиролитическому разложению. Полученные продукты пиролиза вступают в сильную эндотермическую реакцию с паром, так что цементный клинкер резко охлаждается таким образом, что по меньшей мере 95%, а преимущественно вся жидкая фаза, содержащаяся в нем, превращается в стекло.

Газообразные продукты, образующиеся при пиролизе, взаимодействуют непосредственно с паром. В результате этого цементный клинкер может быстро охлаждаться от температуры его обжига порядка 1450^oC в течение нескольких секунд. Процесс быстрого охлаждения влияет на превращение жидких компонентов клинкера C₃A и C₄AF в стекло, содержащее свободные щелочи и MgO (периклаз).

Дальнейшее охлаждение происходит через широко известную газификацию топлива с паром, которая происходит также эндотермически, однако, она протекает значительно медленнее по сравнению с реакцией газообразных продуктов пиролиза с паром.

Другие варианты и преимущества настоящего изобретения являются объектом зависимых пунктов и более подробно поясняются со ссылками на описание настоящего изобретения и чертежи, в которых: фиг. 1 представляет собой схему устройства в соответствии с настоящим изобретением и фиг. 2 представляет собой разрез по линии 11 - 11 фиг. 1.

Устройство по настоящему изобретению для получения цементного клинкера сначала описывается со ссылкой на фиг. 1 и 2. Оно состоит в основном из роторной печи 21 для обжига цементного клинкера, причем первая секция охлаждения сконструирована в виде реактора 23, а вторая секция охлаждения сконструирована, например, как колосниковый холодильник 22.

В иллюстрируемом варианте реактор 23 сконструирован как часть роторной печи 21 с увеличенным диаметром и расположен у выпускного конца печи. У роторной печи 21 на ее выпускном конце находится кожух 21a, который вместе с соединительным устройством 24 образует переходный участок от печи 21 к колосниковому холодильнику 22.

Кожух печи 21a, а также соединительное устройство 24 имеет конструкцию обычного типа. Дробилка, предпочтительно, валковая дробилка 25, которую преимущественно охлаждают внутри деминерализованной водой, расположена в соединительном устройстве 24. Здесь клинкер измельчается, например, до размера частиц 25 мм перед его пропуском в затвор роторной крыльчатки 26, которая подает клинкер в колосниковый холодильник 22. Затвор роторной крыльчатки 26 предпочтительно также охлаждается внутри деминерализованной водой. В колосниковом холодильнике 22 цементный клинкер, который уже был предварительно охлажден, в реакторе 23, подвергают дальнейшему охлаждению воздухом. Подогреваемый при этом охлаждающий воздух используется в устройстве обычным образом в качестве воздуха для сжигания как воздух 27 вторичного цикла или воздух 28 третичного цикла.

В соединительном устройстве 24 непосредственно перед затвором роторной крыльчатки 26 предусмотрено средство измерения давления 29, и через средство контроля 30 это средство измерения давления обеспечивает регулирование скорости первых двух вентиляторов 31a и 31b холодильника 22 таким образом, чтобы в области средства измерения давления 29 не происходило повышения давления.

Воздух 27 вторичного цикла, образующийся в колосниковом холодильнике 22, вводится в роторную печь 21 в области кожуха печи 21a через трубопровод 31 вторичного воздуха. Трубопровод 31 вторичного воздуха имеет конструкцию с двойными стенками и охлаждается деминерализованной водой. В середине трубопровода 31 вторичного воздуха предусмотрена дополнительная форсунка 32 для любого топлива.

Реактор в иллюстрируемом варианте имеет диаметр, приблизительно в три раза больший, чем у роторной печи 21, а ширина реактора соответствует приблизительно 1/5 его диаметра.

В иллюстрируемом варианте роторная печь 21 опирается в области реактора 23 на две опорные стойки 36 и 37 с бандажированными роликами, каждая из которых расположена в непосредственной близости перед реактором и за реактором. Если необходимо, могут быть предусмотрены дополнительные опорные стойки с бандажированными роликами в области выхода из печи. При наличии двух опорных роликовых стоек, предусмотренных перед и за реактором 23, дополнительный вес реактора 23 может быть распределен лучше. Каждая опорная роликовая стойка содержит два опорных ролика. На фиг. 1 можно видеть опорные ролики 36a, 37a опорных роликовых стоек 36, 37.

Реактор 23 содержит также устройство, имеющее конструкцию шнекового транспортера 33 для подачи топлива, в частности, углеродистого топлива. Шнековый транспортер также имеет двустенную конструкцию и охлаждается деминерализованной водой. Место подачи топлива расположено в области входа массы нагретого материала в реактор 23.

Необходимый для реактора 23 насыщенный пар полностью или частично получают из охлаждающей воды для различных частей устройства, описанных выше. Кроме того, реактор 23 имеет устройство 34 для вдувания пара в цементный клинкер, который смешивают с топливом. Это устройство располагается параллельно стенкам, ограничивающим реактор 23, и сконструировано в форме пластины, кромки которой скошены, для того чтобы обеспечить минимально возможное сопротивление клинкеру, поступающему в реактор. Предпочтительно, чтобы пар поступал в область основания реактора 23.

В нижней части реактора 23 предусмотрено также закрываемое отверстие 23a для подачи находящегося в реакторе клинкера к выходу холодильника посредством транспортирующего устройства 35, показанного пунктирными линиями, если необходима длительная остановка.

При производстве цементного клинкера с помощью описанного выше устройства, весь цементный клинкер сначала проходит обжиг в зоне обжига роторной печи 21, а затем поступает в реактор 23. Топливо, которое также подается сюда, частично углеродистое топливо с пиролизируемым компонентом, смешивается с цементным клинкером на первом этапе охлаждения и подвергается пиролизу. Конечные продукты пиролиза, такие, в частности, как деготь, легкие углеводороды с некоторым количеством CO₂ и CO, вступают в бурную эндотермическую реакцию с паром, который также подается туда. Особенно быстрое взаимодействие происходит между газообразными продуктами пиролиза и паром, при этом цементный клинкер быстро охлаждается, так, что по меньшей мере 95%, а преимущественно вся жидкая фаза, находящаяся в нем, превращается в стекло.

На этом первом этапе охлаждения цементный клинкер быстро охлаждается от температуры обжига порядка 1450^oC до приблизительно 1250^oC, причем скорость охлаждения на первом этапе охлаждения составляет приблизительно от 600 К/мин до 6000 К/мин.

В реакции между продуктами пиролиза и паром образуются такие газы, как CH₄, H₂, CO, CO₂, вплоть до C₄ углеводородов.

На втором этапе охлаждения, который происходит также в реакторе 23, главное явление заключается в газификации поступающего топлива, а также продуктов пиролиза, еще находящихся там, в присутствии пара. Эта реакция газификации также происходит эндотермически, и потребная для реакции энтальпия поглощается из цементного клинкера.

При газификации, в частности, происходят следующие реакции

C + H₂O ---> H₂ + CO

CO + H₂O ---> H₂ + CO

C + CO₂ ---> 2CO

Таким образом, в способе получения цементного клинкера по настоящему изобретению весь клинкер сначала быстро охлаждается на первом этапе охлаждения приблизительно от 1450 до 1250^oC в течение нескольких секунд. На втором этапе охлаждения происходит дальнейшее охлаждение цементного клинкера главным образом через эндотермическую газификацию. На третьем этапе охлаждения цементный клинкер, который был охлажден приблизительно до 1000 - 1100^oC поступает в колосниковый холодильник.

Количество угля или соотношение между углем и жидким или газообразным топливом, вводимыми в реактор для достаточно быстрого получения продуктов газификации через пиролиз, полностью зависит от количества топлива, потребного для предварительного обжига на выходе из устройства предварительного подогрева (перед входом в печь). Необходимый для процесса горения воздух вводят в роторную печь по воздушному трубопроводу 31 вторичного цикла. Температура вторичного воздуха составляет приблизительно 750^oC. Дополнительная форсунка 32, находящаяся в середине трубопровода 31 вторичного цикла, используется в основном, когда производят пуск роторной печи, и может также использоваться, когда образующегося в реакторе 23 топочного газа оказывается недостаточно для спекания порошкообразного сырья в клинкер в зоне спекания.

Для того, чтобы достичь возможно более полного превращения жидкой фазы в стекло, необходимо тщательное смешивание топлива с цементным клинкером и по возможности более однородная продувка. Устройство 34 для ввода пара по конструкции, как правило, должно быть стационарным. Однако для получения более эффективного места осуществления химической реакцией, его можно также разместить так, чтобы оно обладало возможностью прямого и обратного перемещения в направлении вращательного движения устройства роторная печь/реактор.

Жидкие и/или газообразные топлива на первом этапе охлаждения взаимодействуют значительно более быстро, чем твердое углеродистое топливо, поскольку последнее сначала должно быть подвергнуто расщеплению при пиролизе. Таким образом, для того, чтобы установить достаточную скорость охлаждения, можно ввести в реактор 23 дополнительное топливо в жидкой или газообразной форме. Для этого, в частности, пригодны устройства, подобные тем, которые используются для вдувания пара. Скорость охлаждения на первом этапе охлаждения может составлять от 600 К/мин до 6000 К/мин.

Надежное перемешивание подаваемого топлива с цементным клинкером в основном происходит в реакторе по настоящему изобретению. Поскольку реактор движется вместе с роторной печью, то вводимый цементный клинкер находится в постоянном движении. В предпочтительном варианте изобретения реактор может быть снабжен керамическим подъемным механизмом для подъема цементного клинкера. Это влияет даже более интенсивно на перемешивание, и, кроме того, подъем и опускание цементного клинкера приводят к его дроблению, так что происходит образование кусков цементного клинкера более однородного размера. Это в свою очередь обеспечивает однородное охлаждение цементного клинкера.

Когда производят пуск устройства роторная печь/реактор, то используют дополнительную форсунку 32, находящуюся в воздушном трубопроводе 31 вторичной циркуляции. Если отношение топливо/водород регулируют в зоне газификации реактора 23, то процессом горения можно управлять независимо от дополнительной форсунки 32, причем в этом случае потребляемое топливо, регулирование пламени и количество топлива, подаваемого в роторную печь, не зависят от количества топлива, необходимого для предварительного обжига.

При использовании описанного выше реактора 23 масса нагретого материала поступает в холодильник уже будучи предварительно охлажденной, так что все количество воздуха, потребное для использования в холодильнике, можно использовать как воздух вторичного цикла для печи или воздух третьего цикла для предварительного обжига. Количество воздуха, используемого в холодильнике 22, достаточно, и никакого избыточного количества воздуха, а также никакого тепла не должно уходить в атмосферу. Таким образом, можно сэкономить энергию от 75 до 100 ккал/кг. Кроме того, можно предусмотреть фильтры и устройства для очистки тех количеств воздуха, которые в других случаях подлежат выпуску в атмосферу. Газы (CO + H₂), образующиеся в реакторе, соответствуют вторичному воздуху с температурой 1000^oC, тогда как вторичный и третичный воздух имеют температуру приблизительно 750^oC. Таким образом, температура пламени может легко достигать температур от 2300 до 2500^oC. Процесс обжига можно контролировать значительно легче благодаря этой высокой температуре пламени. Также значительно проще можно контролировать наслоение клинкера, которое необходимо для защиты футеровки в зоне обжига.

Поскольку цементный клинкер в реакторе 23 быстро охлаждается в реакторе на 200 - 250^oC, в течение нескольких секунд, то алит и белит кристаллизуются. В стекле присутствуют только остальные компоненты, в котором в основном связаны C₃A, C₄AF, щелочи и окись магния. Такой цементный клинкер можно обозначить как стекловидный портландцемент.

Золу от топлива, используемого в реакции газификации, не следует относить к составу композиции сырья. Эта зола образует наполнитель в клинкере. Поэтому можно использовать угольные отходы и бурый уголь с высоким содержанием золы, а также угли, с высоким содержанием летучих компонентов. Топливо, подаваемое в реактор 23, не должно быть ни сухим, ни измельченным, а может подаваться в виде частиц размером от 5 до 10 мм.

Благодаря быстрому охлаждению сульфаты кальция не будут разлагаться, и поступают в клинкер в виде CaSO₄ (ангидрид).

В результате этого может уменьшаться проблема, связанная с циркуляцией серы в роторных печах, и существенно упрощается связанная с серой проблема, что приводит к возможности использования топлив с высоким содержанием серы.