CN115803303B - 提供反应性水泥成分或混凝土外加剂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提供反应性水泥成分或混凝土外加剂的方法，其包括至少下列步骤：a)再加工至少包含煤和含粘土的岩石的含碳堆；b)提取至少煅烧岩石；c)生产细粒煅烧岩石；d)提供细粒煅烧岩石以用作水泥成分或混凝土外加剂。

Description

提供反应性水泥成分或混凝土外加剂的方法

本发明涉及生产水泥或混凝土的方法。

在人口增长、城市化增强和经济进步方面的全球演变正在增加对新建筑物和基础设施的需求，并因此增加对混凝土的需求。即使是现在，混凝土也是仅次于水的基于质量计人类使用的第二常见的物质。尽管混凝土具有小于150 kgCO₂,_eq/t混凝土的低比CO₂排放，但由于使用量，其对人为CO₂排放量的5-8%负责。

混凝土的大部分排放物来自水泥熟料的生产，这是水泥的主要组分。为了生产水泥熟料，将含石灰的岩石和粘土的混合物研磨，然后煅烧；在该方法的过程中，生料中存在的石灰释放出二氧化碳（CO₂）并转化成生石灰（CaO）。在燃烧过程的稍后进程中，将已通过消除CO₂而脱酸的生料烧结以得到各种硅酸钙相以及铝酸钙和铁铝酸钙。例如从DE 102013 006 236中已知一种用于生产水泥熟料的相应复杂且能源密集型的装置和相应的方法。

在现代水泥厂中，水泥由主要天然的原材料在干法中以连续工艺生产。通常在采石场采得原材料（石灰石、粘土、任选砂和铁矿石），在粉碎机中预粉碎并输送到水泥厂。在管式磨机以及替代性的其它细磨机中，原材料一起研磨并同时干燥，以得到所谓的生料，其随后在回转炉中在大约1450℃的温度下烧制以得到熟料，其然后在冷却器中冷却至低于200℃的温度。所得灰褐色颗粒然后在球磨机以及替代性的其它细磨机中与石膏或硬石膏一起研磨以得到成品水泥。通过加入不同的外加剂，如矿渣砂、火山灰、飞灰和石灰石，可以生产具有不同化学和物理性质的水泥。

水泥是所谓的水硬性粘合剂。“水硬性”物质是指在空气和水下都硬化并稳定的那些物质。水泥与水反应以形成不溶性稳定化合物。这些化合物，即水化硅酸钙，形成细针状晶体，它们彼此交错并因此导致水泥板的高强度。这些性质意味着水泥是满足建筑行业中的高要求的粘合剂。

水泥工业必须因此大幅减少其相关排放并同时应对源自全球经济的不断增长的水泥需求。

因此本发明的目的是至少部分解决关于现有技术提到的问题。特别应提出一种更加环境无害和/或节约资源地获得水泥的进一步主要成分的方法。此外，还应提出在混凝土生产中作为混凝土外加剂的材料，用其可以降低混凝土的水泥含量。特别地，应提供获得和提供用于生产水泥或混凝土的含粘合剂的成分的方法。

通过根据独立权利要求任一项的方法和用途实现这些目的。在从属权利要求中给出有利的实施方案。应该指出，权利要求中提到的特征可以以任何技术上可行的方式彼此组合并提供进一步实施例。本说明书，尤其与附图结合，阐明了本发明并给出了本发明的进一步有利的实施方案。

通过提供反应性水泥成分或混凝土外加剂的方法对此做出贡献，所述方法包括至少下列步骤：

a) 再加工至少包含煤和含粘土的岩石的含碳堆；

b) 提取至少煅烧岩石；

c) 生产细粒煅烧岩石；

d) 提供细粒煅烧岩石以用作水泥成分或混凝土外加剂。

上述步骤可以按指定顺序进行，但这不是绝对必需的。特别地，这些步骤有可能在时间上至少部分彼此重叠，在不同的位置在时间延迟下执行和/或以不同的频率重复。

在步骤a)中，再加工含碳堆。在此，这种堆至少包含煤和含粘土的岩石。特别地，该煤是硬煤。岩石在此尤其被理解为是指主要或甚至至少基本由矿物组分组成的（固体）天然材料。岩石包含显著比例的粘土。最优选地，该堆是从硬煤矿中采掘的材料的堆积物。在这方面，“再加工”尤其包括该堆中的煤、岩石和/或外来材料的至少部分去除、重新分选、重新成层、移动和/或置换，尤其是在该堆已经长时间存在后（没有再加工）。煤和/或岩石任选以最多100 mm [毫米]的粒径存在于该堆中。

该方法尤其用于包含硬煤、煅烧和未煅烧粘土的堆。硬煤的平均比例可能高达15%。煅烧粘土是通过煤的燃尽形成的“自生”煅烧粘土。这通常或特别通过该堆中的煤在适当环境条件下的自燃进行。由于随时间任选反复发生的局部自燃，在该堆的一些部分中可能在较长时间内调节到干燥和在350-800℃的范围内的温度，这导致岩石，尤其是粘土的煅烧。

由于粒度粗到一定程度，可建议对该堆的至少一部分成分施以初步粉碎，例如粉碎到大约30至40 mm的粒度。这一过程可在步骤b)之前和/或期间执行。

在步骤b)中，提取该堆中存在的至少一部分煅烧岩石。可以实际上从该堆中仅选择性地提取煅烧岩石。但是，常规做法通常是分离出具有该堆的所有成分的一部分，随后从其中识别和分离煅烧岩石。特别地，提供和使用从堆的成分中（独立地和/或自动地）识别和提取恰好煅烧岩石的措施和/或装置。

为了随后将煅烧岩石添加到水泥中，在步骤c)中，调节煅烧岩石的细度。特别地，（存在或不存在初磨步骤）生产和/或分离出煅烧岩石，尤其是粘土的细粒部分。这可以已在调理中进行或在从堆中提取后立即进行，但是情况也可以替代性地或累积地，在进行步骤c)之前，首先加工（例如干燥和/或研磨）从堆中提取的煅烧岩石部分。“细粒”在这方面特别是指煅烧岩石的粒度小于5 mm[毫米]，尤其小于2 mm或甚至小于1 mm。可以提供粒度小于200 µm [微米]或甚至小于125 µm的煅烧岩石作为水泥中的粘合剂成分。

根据步骤d)，提供细粒煅烧岩石以用作水泥成分或混凝土外加剂。这可能意味着将这种煅烧岩石直接送到水泥的生产过程。但是，在许多情况下，水泥生产在另一地点进行，因此将所得煅烧岩石运输到那里并在稍后的时刻进行加工。

煅烧岩石尤其包含煅烧粘土。

在粘土的煅烧中，其尤其损失表面和结构水。这种水损失的后果任选是形成x射线-无定形的偏粘土（Meta-Ton）矿物。在进一步加热（500-1250℃）时，偏粘土矿物的熔融形成铝硅酸盐玻璃或任选还形成莫来石或方石英，其中莫来石和方石英的高含量在本情况中是不希望的。在从燃料堆中（选择性）提取煅烧粘土时可以考虑这些性质。

步骤b)可包括以下方法的至少一种：

- 重力分选

- 传感分选。

上述方法尤其可用于分离或选择该堆的成分。为此可建议，提供具有适于该方法的粒度的成分，即特别是将它们预先粉碎，以使粒度最大50 mm。

重力分选或密度分选尤其包括例如借助所谓的称出量测定该堆的成分的质量。特别地，这可包括传感测定重材料和轻材料的比重以及借助传感器信号分离这些成分。

传感分选优选使用生成图像和/或生成胶片的传感器，尤其是照相机实现。这可以是光学传感器。也可以使用在近红外区工作的传感器。

步骤b)和/或步骤c)可包括以下方法的至少一种：

- 静电分离

- 磁分离。

上述方法尤其可用于分离或选择该堆或提取的煅烧岩石的成分。为此可建议，提供具有适于该方法的粒度的成分，即特别是将它们预先粉碎和/或研磨，以使粒度最大5mm。

在静电分离中，最大2 mm的成分粒度是优选的。为此，可以使用具有高电压系统、喷雾电极和沉淀电极以及清洁系统的分离器。携带粒子或包含成分/外来材料的空气料流可在其中借助经受高负电压的喷雾电极电离。粒子变得带负电荷，并积聚在带正电荷的沉淀电极处。由此分离出的粒子可用清洁系统从分离器中除去。

当使用磁分离时，要分离出的岩石的铁含量应该大于1.5重量%，且粒度应该最大5mm。在最简单的情况下，材料在传送带上在磁体下方运行。磁性岩石，尤其是具有所示铁含量的煅烧粘土随后被磁体吸引并由此与非磁性材料分离。

在步骤b)之后，可以调理至少一部分岩石，其中将其至少部分粉碎或干燥。

“调理”在本文中特别是指调节（煅烧）岩石的性质，以使至少后续工艺或工艺步骤可以尽可能有效的方式执行。这可包括例如借助粉碎、研磨等调节到预定的粒度，和/或在一定体积中或在一定面积上调节温度和/或调节密度或分布，和/或调节湿含量。为此，可以一起包括高达大约120℃的温度处理。

煅烧岩石的细粒或粉状部分尤其可与水泥组合物的其它级分混合。在煅烧粘土的情况下，可以至少部分替代常规水泥组合物的尤其熟料和/或飞灰级分。替代地，可以用作混凝土外加剂。特别地，已为这些替代目的通过在此提出的方法调节煅烧岩石的性质。

在此认为，使用煅烧粘土作为水泥和/或混凝土生产的反应性添加剂变得越来越重要。原因在于粘土的煅烧在比由石灰石形成熟料明显更低的温度下进行。在这种特定情况下，煅烧已经发生，因此CO₂平衡比人工煅烧粘土的情况中有利得多。

随着不断进行的再加工和持续缺乏新建燃煤电厂和生铁需求下降，合适的飞灰和高炉矿渣的可得性降低。

由于煤被分离成贫灰分产物（燃料）和富灰分产物（尾矿），获得富灰分级分，通常将其回填到旧矿址中或填埋在堆中。由于其中的残余碳含量，许多尾矿堆已经自燃并燃烧或以不受控制的方式燃烧。堆内的热过程将并入的矿山废料部分转化成熟料或将煅烧，以致相当大量的这种堆由烧制粘土组成。这些煅烧粘土在矿物学和化学方面与波特兰水泥熟料的外加剂非常相似。此外，这些煅烧岩石与石灰石和由其制成的波特兰水泥熟料相比更CO₂中性，因为热处理几乎完全。

在修复（Sanierung）措施的过程中，尾矿堆越来越多地被固定（gesichert）、迁移（umgelagert）和复性（renaturiert）。本文所述的方法可以以环境友好的、可持续的和经济上可行的方式利用高比例的该材料[> 50%]。由待填埋的材料形成一种适销原料。这降低新填埋的比例，降低对面积的需求和运输成本，以及在运输中产生的CO₂排放。

此外，通过所述方法也可以除了煅烧岩石外分选出未燃烧的残煤，并用作化石燃料。

通过所述方法，同样可分选出其它未煅烧的成分或岩石，并送往进一步加工。例如，可以使用这些岩石作为筑路材料或再循环建筑材料。

通过所提出的方法获得的来自硬煤矿床或来自尾矿堆的烧制粘土因此可对获得水泥替代物SCM（英文：辅助粘结材料）做出相当大的贡献，因为这些粘土已被转化成熟料，并且完全不需要温度处理。

已经可以表明，在细粉碎至水泥细度（> 5000 Blaine）后，通过该方法选择性加工的“自生”煅烧尾矿在品质方面相当于或甚至优于工业煅烧粘土或目前使用的硬煤飞灰。由此获得的复合水泥因此具有在粘合剂工业中全面使用的优异潜力。

在此提出的解决方案显著减少水泥生产中的CO₂排放并降低必要的能量输入。此外，许多具有高水泥需求的发展中国家缺乏用于生产粘合剂的高品质原材料。通过这种方法获得的水泥替代物在此可对原材料供应做出有价值的贡献。从中国和印度获知，大量的尾矿堆在那里燃烧，甚至硬煤矿床也已经自燃。在此，使用该方法的潜力巨大。

在另一个方面，提出获自含碳堆的煅烧粘土用于调节水泥组合物或混凝土组合物的水硬性质的用途。

优选地，该用途使得煅烧粘土作为水泥熟料和/或飞灰和/或其它人造火山灰或天然火山灰外加剂的替代物。

此外，还提出获自含碳堆的煅烧粘土在排放减少或能耗减少下用于生产水泥组合物或混凝土组合物的用途。

可以以水泥组合物的高达25%或甚至高达40%的分数使用煅烧粘土，而不必承受与由纯熟料制成的水泥组合物相比在混凝土强度方面的显著缺点。

因此，可以替代包含常规水泥组合物的昂贵和能量密集地生产的熟料的高能量“自生”煅烧粘土。

下面通过附图阐明本发明和技术领域，附图公开了特别优选的实施例，但本发明不限于这些。附图以示意性的形式显示：

图1：用提供反应性水泥成分或混凝土外加剂的综合方法进行堆修复的概览，和

图2：用于提供反应性水泥成分或混凝土外加剂的堆部分处理的概览。

图1首先在顶部显示堆，其是该方法的起点。下面显示该方法的可能进展。从含有煤、岩石和可能外来材料的堆开始，首先是根据步骤a)的再加工。结果，可以界定三个部分：应该送往填埋的受污染部分，和可进行该方法的进一步部分的（煅烧和未煅烧的）尾矿；特别地，提取煅烧成分或岩石（步骤b)）。这些尾矿然后进一步根据步骤c)进行分类、分选和提取或进一步多样化。结果，然后一部分煅烧岩石作为粘合剂组分排出（步骤d)）。此外，不适合用于水泥/混凝土的成分可用作筑路材料，并且精选过的煤用作化石燃料。

图2可显示图1的步骤b)和c)中的差异化操作过程。据此，对于尾矿，可以实施外来材料的（重复）分选，其中排放填埋材料。然后可将剩余部分（任选重复地）温和粉碎、进行温度处理和/或干燥，以及任选此后（始终重复地）分类，以识别/核准成分或岩石的当前性质对于下游工艺的适用性，并且任选进一步调节它们。细粒或粉状部分可以例如借助静电分离和/或磁分离进行识别、分选并分配到预期最终用途。进一步的细粒级分可以例如（另外）借助密度分选进行识别、分选并分配到预期最终用途。粗粒部分同样可通过密度分选进行评估，任选在使用传感分选下，然后也对这些进行识别、分选并分配到预期最终用途。

Claims (8)

1.提供反应性水泥成分或混凝土外加剂的方法，其包括至少下列步骤：

a)再加工含碳堆，所述含碳堆至少包含煤和含粘土的岩石，其中所述含粘土的岩石包含通过煤的燃尽形成的自生煅烧粘土；

b)提取所述含碳堆中存在的至少一部分煅烧岩石；

c)生产细粒煅烧岩石；

d)提供细粒煅烧岩石以用作水泥成分或混凝土外加剂。

2.根据权利要求1的方法，其中步骤b)包括以下方法的至少一种：

-重力分选

-传感分选。

3.根据前述权利要求任一项的方法，其中至少步骤b)或步骤c)包括以下方法的至少一种：

-静电分离

-磁分离。

4.根据权利要求1的方法，其中在步骤b)之后，调理至少一部分岩石，其中将其至少部分粉碎或干燥。

5.根据权利要求3的方法，其中步骤c)中获得的煅烧岩石的分离部分在步骤d)中与水泥组合物的其它级分混合。

6.获自含碳堆的煅烧粘土用于调节水泥组合物或混凝土组合物的水硬性质的用途，其中所述煅烧粘土是通过煤的燃尽形成的自生煅烧粘土。

7.根据权利要求6的用途，其中所述煅烧粘土用作水泥熟料、飞灰或其它人造火山灰或天然火山灰外加剂的替代物。

8.获自含碳堆的煅烧粘土在排放减少下用于生产水泥组合物或混凝土组合物的用途，其中所述煅烧粘土是通过煤的燃尽形成的自生煅烧粘土。