專利名稱：水泥燒成多元固相生化復(fù)合催化劑工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水泥生產(chǎn)工藝。
催化劑技術(shù)已有二百年歷史，廣泛運用于化工、油煉、纖維塑料、化肥、橡膠等生產(chǎn)領(lǐng)域。然而化工大宗產(chǎn)品之一的水泥生產(chǎn)已有160多年的歷史，尚無人發(fā)明適用于生產(chǎn)水泥熟料的催化劑技術(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)一中國建材院水泥研究所主任高級工程師秦志剛先生所著的《立窯廠低能耗生產(chǎn)水泥》(1994年12月中國建材工業(yè)出版社)一書中《尾礦的礦化作用》一章介紹了他采用鉛、鋅、銅尾礦作“礦化劑”代替目前廣泛采用的復(fù)合(螢石、石膏)礦化劑，并稱這是“新型礦化劑”和“額外成果”。其效果顯示580大卡熱耗燒580號熟料和625大卡熱耗燒625號水泥熟料，創(chuàng)造了國內(nèi)外最低熱耗燒水泥熟料的奇跡。該文同時介紹經(jīng)國家建材局小水泥熱工測試中心測定其窯溫達到1525℃。未采用復(fù)合礦化劑新工藝之前，世界公認燒熟料需要1420℃。為了滿足這一要求，當時熟料單位熱耗一般為1400～1500大卡。實行復(fù)合礦化劑后全國立窯平均水平降至于1100±50大卡。秦先生把煤耗降至580和620大卡，已接近理論熱耗425大卡的理論值。秦先生這一研究成果的本質(zhì)是固相催化劑的功能，但這種原材料在自然界稀少，水泥生產(chǎn)廠家難于廣泛采用。而且鉛有污染和中毒的可能。
現(xiàn)有技術(shù)二據(jù)《工業(yè)催化原理》(李玉敏著，天津大學出版社1992年出版)一書介紹，鋅、銅等化學物質(zhì)是產(chǎn)生氫氣的最好催化劑，是實現(xiàn)一氧化碳氣體成倍增加熱值的化學手段。秦先生實配煤熱耗625大卡，比全國平均熱耗1100大卡下降43％，而窯溫還能達到1525℃，這就是催化劑的作用。它說明無焰燃燒傳熱快，熱效高，少污染，也給立窯水泥生產(chǎn)事業(yè)乃至整個水泥工業(yè)帶來了福音和希望。
下面從《工業(yè)催化原理》中摘錄的有關(guān)氫氣來源和一氧化碳氣體增加熱值的幾個氣化反應(yīng)式來證明本發(fā)明是科學的必然結(jié)果。該書第7頁寫道“對一氧化碳和氫氣的反應(yīng)，用不同的催化劑可得到不同的產(chǎn)物。在Ni(鎳)上得甲烷(250℃～350℃)；在Fe(鐵)、Co(鉬)上得烴類(260℃)；在Cu-ZnO-Al2O3上得甲醇(260℃)；在Cu-ZnO-Al2O3-K2O上得(CnH2n+1OH n＞2)高級醇(350℃)。(以上論述不是針對水泥生產(chǎn)而言的)煅燒水泥熟料中的氣化反應(yīng)主要是燃燒氣的生成與反應(yīng)現(xiàn)象，其反應(yīng)式是；；上述反應(yīng)歷程依靠生料球中的配料煤(C)量與不間斷的強鼓風(O2)完成燃燒歷程。
現(xiàn)有技術(shù)三提高CO氣發(fā)熱值的方法與催化機理
1、2、從反應(yīng)式可知，1摩CH4(甲烷)燃燒后放出890千焦熱而1摩CO(氣)釋放出283千焦熱(566/2)，不足CH4的三分之一。而CH4是CO(氣)與H2(氣)的化合物。反應(yīng)式如下
從反應(yīng)式可知，如果向CO(氣)提供充分的H2(氣)就可促使生成大量的CH4(氣)，使CO(氣)的燃燒質(zhì)提高4.14倍(890+283)/283)，也就是把定量摻合比的煤使用價值提高4倍多，這就大大提高了熱能的供應(yīng)量。
本發(fā)明的目的是將催化劑原理運用于水泥熟料鍛燒工藝技術(shù)的生產(chǎn)過程中，達到節(jié)能和提高質(zhì)量的目的。特別是催化劑在20～600℃低溫條件下的氣化反應(yīng)情況和鍛燒水泥熟料的關(guān)系，及其應(yīng)用的實用技術(shù)。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一、劃分三區(qū)引進催化劑原理將水泥鍛燒的化學反應(yīng)過程劃分為三個溫區(qū)1、20℃-600℃為低溫氣化催化區(qū)；2、700℃-900℃為中溫固溶礦化區(qū)；3、1000℃-1420℃為高溫化合成礦區(qū)。
二、H2(氣)的來源據(jù)《工業(yè)催化原理》文獻介紹Pb(鉛)、Zn(鋅)、Cu(銅)、Ni(鎳)、Mo(鉬)、Al2O3(鋁)、Fe2O3(鐵)、Fe3O4(磁鐵)、Mn(錳)、MgO(鎂)、SO2(硫)、K2O(鉀)、SiO-Al2O3(硅鋁膠)、Cl(氯)、Cr(鉻)、Ti(鈦)、I(碘)、F(氟)……等這些具有催化劑功能的化學元素和氧化物在水泥生產(chǎn)原燃材料中或多或少都有，即使沒有，也可以添加獲得。只要工藝技術(shù)人員掌握催化原理技術(shù)，精心組合科學配搭就可以配料出既符合催化劑原理，又符合環(huán)保雙復(fù)合要求更能實現(xiàn)熟料整體(十幾種氧化物，下同)化學平衡的理想要求，從而實現(xiàn)低能耗高強度綠色配料的科學生產(chǎn)，即三結(jié)合又統(tǒng)一的配料技術(shù)法。
三、運用催化劑原理，就地取材成本低，科學組合有規(guī)律水泥廠原燃材料中可作多元固相催化劑載體的有(按優(yōu)劣順序排列)浮石、火山灰石、銅礦渣、磁鐵礦、鎳尾礦、鉬尾礦、鋅尾礦、燒粘土、廢磚瓦、燒煤矸石、粉煤灰、稀土、活性頁巖、水碎礦渣、硫鐵廢渣、海鹽鹵渣、硬石膏、螢石、硫酸鋇等。鉛、鋅、銅、鎳尾礦好，但要防范鉛的污染和中毒。將上述含有活性SiO2和Al2O3的原材料1～3種按0.5～3％的比例配入生料中，堅持環(huán)保雙復(fù)合的方向，保持熟料整體化學平衡的格局就會出現(xiàn)無機多元固相催化劑“三結(jié)合”的配料格局。反映到窯面鍛燒過程中，就會出現(xiàn)“煤少窯溫高”的現(xiàn)象，其本質(zhì)就是催化劑的作用。
四、新能源-金屬生物化合物復(fù)合功能催化劑煅燒水泥熟料新能源就是將一切植物體包括稻草、麥桿以及一切可燃燒的農(nóng)作物的根、莖、葉和樹梢、樹葉、雜草、木屑、廢紙、廢塑料制品等可燃燒的廢物，通過飼料粉碎機制成長寬小于3厘米的細絲、細片、細粒(其中經(jīng)存放發(fā)酸后的植物體含有甲、乙、丙酸類物質(zhì)，燃燒時可放出更多的氫氣；醋精滴加水中成球效果最好，既方便又節(jié)省)，然后將這些植物燃料像外加煤一樣用圓盤喂料機或人工加入生粉運輸絞拌機內(nèi)，再輸入成球設(shè)備系統(tǒng)成球。摻含量控制在0.3～2％。這樣形成物理、化學、生物相結(jié)合的科學組合的鍛燒生料球。植物體燃料(C-O-H)為主催；無機多元固相固體表面為副催助催，主副共同催化，就可以產(chǎn)生大量的H2(氣)與CO氣體碰撞化合，在200～350℃的低溫條件下生成CH4(甲烷)或CH3OH(甲醇)以及高分子醇類物質(zhì)(CnH2n+1OH)，使CO(氣)增加熱值4倍以上。
五、多種植物體作鍛燒新能源與金屬生物化合物作復(fù)合催化劑在立窯鍛燒過程中的物理、化學、生化功能的效果分析。
(一)料球內(nèi)含有幾種可燃物體后，由于植物類燃點低(350℃±50℃)，而煤燃點高(無煙煤燃點700℃左右，立窯企業(yè)一般使用無煙煤；有煙煤550℃)，這樣就出現(xiàn)了提前150℃～250℃的燃源燃點，從而加快了升溫的速度。而燃后的植物體殘渣又是活性炭素的來源，是400℃～600℃溫區(qū)內(nèi)的最佳金屬生物化合物催化劑。因植物種類不同，其金屬生物不同，但它們基本上是活性的SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO……等物質(zhì)存在，同時也在化學平衡配料的控制之中。植物體燃料起到復(fù)合催化劑的功能，也為節(jié)能和環(huán)保事l做出雙重貢獻(二)植物體燃燒后的空間空洞孔道又無形地把強壓風引入了球料中心，這樣形成了內(nèi)外燃燒的條件和局面，增加了煤和空氣接觸面和機會，減少了還原氣氛，提高了熱力強度。這樣就克服原來由表及里的燃燒過程而造成的球體中心因通風不良而出現(xiàn)的黃料球的弊病，為提高熟料質(zhì)量提供了保障。與此同時，內(nèi)外一齊燃燒加快了鍛燒與化學反應(yīng)的進程，為提高產(chǎn)量節(jié)省能源創(chuàng)造了條件。
(三)燃燒過程所形成的空腔孔道難以合攏也為熟料中的余熱盡快散發(fā)而預(yù)熱上流空氣，降低出窯溫度使余熱充分利用，又為節(jié)煤創(chuàng)造了條件。
(四)空腔空道熟料體散熱快，則熟料必然冷卻快。不僅防止了礦物晶體變形變質(zhì)也能進一步提高熟料易磨性，增加了水泥磨機的臺時產(chǎn)量、降低能耗打下了基礎(chǔ)。開拓了節(jié)能的新途徑。
本發(fā)明下面將結(jié)合實施例作進一步詳述(一)實施配方礦渣0.5；鹽海鹵0.5；粉煤灰1；火山灰2；螢石1；煤9.5；鐵礦2.5；粘土8.2；石灰石74.8；煤值4500～5000大卡，配煤熱耗750±20大卡；外加植物燃料0.3～0.5％。KH=0.96±0.02；n=1.9±0.20；P=1.2±0.2；C3A/(F+S)=1±0.05；C8A3N/C11A7·F順其自然。
(二)配方分析(1)礦渣是三種礦石的化合物(鐵礦、焦炭、石灰石)，含有較多的微量元素，可能存在著微量的Cr、Mn、Ti、Ni以及活性的Al2O3和SO2。礦渣是玻璃體其表面在酸性的物質(zhì)氣化反應(yīng)中可生成CO與H2(見《工業(yè)催化劑原理》第七頁)是催化劑又是低溫溶劑材料礦物，是降低燒成溫度和煤耗的必用原料。
(2)海鹽鹵渣中含有微量的Cl、Na2O、K2O和活性的SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、SO3或SO2，是催化劑原料之一。
(3)粉煤灰和火山灰石含有大量的活性SiO2和Al2O3，是SiO2-Al2O3(硅鋁膠)，它們既是催化劑的來源物料，也是活性MgO、K2SO4或K2O、Na2SO4或Na2O的來源物(催化劑)，是分子篩(催化劑)的來源物。
(4)其余螢石、鐵礦、粘上、石灰石、煤都屬于一般常見物。沒有特殊之處，不必詳述。
經(jīng)濟效益評估實踐證明此配方在海南某廠實施后，熟料強度可達62.5兆帕以上，最高達69兆帕。摻5％混合材(火山灰)可生產(chǎn)625號水泥，摻10～15％混合材可生產(chǎn)525號水泥。熟料單位熱耗750±20大卡，立窯產(chǎn)量超規(guī)格設(shè)計能力；工廠綜合電耗72度/噸水泥。
附近兩個水泥廠仍采用“三率值加經(jīng)驗高氟化鈣配料”模式，其熟料質(zhì)量不差上下，但熟料熱耗高達1150～1200大卡，工廠綜合電耗92度/噸；窯產(chǎn)量只達到設(shè)計能力的55％；相距100公里的某廠其熟料熱耗高達1270大卡，工廠綜合電耗96度/噸水泥。
綜上所述，本發(fā)明一是開拓了鍛燒水泥熟料的新能源，為廢物利用和環(huán)境保護作出了貢獻，減少了煤碳的消耗和SO2污染，利國利廠。二是可使立窯群體能耗指標進一步下降，使用植物燃料并催化后，熟料熱耗可降至700大卡左右。按全國立窯平均熟料熱耗1100大卡計算，全國可節(jié)約煤炭2520萬噸，價值63億元；全國立窯噸水泥電耗95度，而本發(fā)明電耗才71度，以此計算，全國可平均節(jié)約75億度，價值達45億元，加之熟料強度提高，多摻混合材，則全國僅立窯企業(yè)群體就可節(jié)支能源費約120億元。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及采用多元固相生化復(fù)合催化劑生產(chǎn)水泥的一種制造方法，其特征是從原燃材料中選擇1～3種含有活性SiO2和Al2O3的材料按0.5～3％的比例配入生料中進行鍛燒。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是再將植物體包括稻草、麥桿、雜草、樹葉、樹屑和廢紙、廢塑料制品等可燃燒的廢物經(jīng)粉碎機制成小于3厘米的細絲、絲片、細粒，然后將這些易燃物像外加煤一樣用圓盤喂料機或人工加入生料運輸絞拌機再入成球設(shè)備，其摻合量控制在0.3～2％。
3.按照權(quán)利要求1、2所述的方法，其特征是在預(yù)加水成球時，滴加醋精于水中成球。
全文摘要
本發(fā)明涉及水泥的生產(chǎn)方法,其特征是:從原燃材料中選擇1～3種含有活性SiO
文檔編號C04B7/42GK1233601SQ9810815
公開日1999年11月3日 申請日期1998年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月27日
發(fā)明者馬中奇, 張婉玉, 馬斌, 馬玉萍, 馬艷 申請人:馬中奇, 張婉玉, 馬斌, 馬玉萍, 馬艷