生产辅助胶凝材料的方法与流程

本发明涉及一种生产辅助胶凝材料的方法，以及一种生产水泥的方法。

背景技术：

1、水泥在世界范围内被大量使用，例如作为混凝土的粘合剂。生产水泥的一种主要原料是石灰石(caco3)。天然石灰石首先在采石场被粉碎成小块，然后被运送到水泥生产地。所述小块通常在水泥生产地被研磨或磨碎成大约1至100μm的尺寸。将所得石灰石粉末与含铝原料混合，然后注入预热器中，在预热器中混合物被加热到约800℃。随后，将混合物注入回转窑中，在回转窑中温度逐渐升高到至少1450℃，由此形成水泥熟料。随着熔融物继续流出窑外，它冷却并聚集成称为熟料的小的结节状物(nodules)，粒度为1至50mm。这些熟料随后与石膏(caso4)混合，并再次研磨成细粉，即所谓的磨碎的水泥熟料。所述磨碎的水泥熟料通常具有1至100μm的平均粒度。

2、石灰石转化为cao会释放出大量的co2，通常生产每kg熟料会释放出0.8kg co2。水泥的总产量约为每年40亿吨，导致占全球co2排放约8％的co2的总排放。水泥生产也非常耗能，进一步增加了相关的co2足迹。高co2足迹是不希望的，并且已经与气候变化联系在一起。水泥需求的增加导致迫切需要增加水泥生产能力，同时减少与水泥熟料生产相关的co2排放。

3、一种在提高水泥产能的同时减少co2排放的方法是用辅助胶凝材料(scm)部分替代熟料。几种辅助胶凝材料已经过测试并商业使用。例如飞灰或研磨的粒状高炉矿渣。然而，这些辅助胶凝材料的使用受到其可用性的限制。此外，与非辅助水泥如波特兰型水泥相比，所得水泥的机械性能在任何情况下都稍差。

4、采用粘土、页岩、板岩或泥岩材料作为辅助胶凝材料的其他方法是已知的。一般来说，这样的材料是在水柱中的沉降过程中形成的天然地质材料。天然存在的粘土、页岩、板岩或泥岩矿物具有非常低的火山灰活性，火山灰活性是获得良好机械水泥性能所必需的。然而，火山灰活性可以通过热处理矿物来诱导，该处理导致了羟基的去除。传统方法通常涉及在热处理之前磨碎/研磨粘土、页岩、板岩或泥岩材料。此外，天然存在的粘土、页岩、板岩或泥岩材料沉积物在其火山灰活性矿物的量、含水量和粒度方面具有不同的质量。

5、国际专利申请pct/ep2020/081722公开了生产包含辅助胶凝材料的水泥的方法，其中该水泥可以以减少的co2排放和能量消耗生产，并且与其他取代的水泥相比，该水泥显示出磨碎的水泥熟料的高取代率，并且具有减少的不希望的变色和增加的机械性能，例如抗压强度。然而，这些方法需要至高980℃的相当高的煅烧温度，这进而增加了用这些传统方法生产水泥的生产成本。此外，所得水泥的颜色性质和机械性能(例如抗压强度)可以显著变化，并且可以进一步改进。

6、类似的考虑适用于wo2012/126696a1，其公开了一种生产用于水泥生产的熟料替代物的方法，包括以下步骤：预干燥粘土，将粘土粉碎至小于2mm的粒度，在至高1000℃的温度下煅烧粘土，在至高1000℃的温度下在还原条件下处理粘土，中间冷却和最终冷却产品。这种方法的一个主要缺点是它要求原料在非常高的温度下煅烧。此外，该方法需要在还原条件下处理粘土的步骤，以确保所得水泥具有足够的颜色，因此可进一步改进。

7、de102010061456a1公开了一种生产建筑材料组合物的方法，该建筑材料组合物作为粘合剂的一部分或作为具有粘合剂的建筑材料混合物的一部分提供，其中该方法包括以下步骤:(i)粗磨原始粘土材料，使得至少90％的颗粒具有至多100mm的粒度，和/或优选至少70％的颗粒具有至少10mm的粒度，和/或至少90％的颗粒具有至少1mm的粒度；(ii)在至高950℃的温度范围内煅烧粗磨的原始粘土材料，和(iii)磨碎煅烧的颗粒，使得90％至99％的颗粒具有小于32μm的粒度。此外，该文献公开了包含水泥的粘合剂组合物。然而，该方法无法从种类繁多的原料中生产出能够以高质量和一致质量生产的辅助胶凝材料。此外，由于煅烧温度高，能源成本相当高。高煅烧温度还可能导致材料出现不需要的变色。

8、生产辅助胶凝材料的传统方法通常在煅烧过程中使用粒度相当小的原料粉末，并且煅烧温度相当高，这与上述缺点有关。

9、在煅烧之前对粉末状原料进行预处理的一种方法在业内是众所周知的，并且涉及轻质膨胀粘土骨料(leca)的生产。科学出版物“alaa m.rashad,construction andbuilding materials 170(2018),757-775”中给出了leca材料的综述。通常，leca是由含水量高的粘土制成的。粘土在回转窑中干燥、加热和燃烧，温度约为1100至1300℃。在加热过程中，球粒内部释放气体，并在冷却过程中截留在其中，同时有机化合物被烧掉，迫使球粒膨胀，产生多孔、轻质且高抗压材料的陶瓷球粒。leca球粒膨胀五到六倍。由于在回转窑中加热时进行圆周运动，leca颗粒呈圆形。leca颗粒内部有不同大小的孔，这些孔大多是相互连通的。其他的类型具有不同的结构和几何形状。这取决于生产过程，其中烧结过程中温度升高会导致孔隙率增加。在煅烧之前产生的leca颗粒呈所谓的“结节状物”形式。然而，leca材料需要在1000℃以上的高温下煅烧，这会导致粘土矿物玻璃化。因此，leca材料不适合在水泥生产中用作辅助胶凝材料，因为这些材料在最终的水泥中不会发生火山灰反应。

10、此外，辅助胶凝材料的原料的煅烧通常可以在生产水泥的传统回转窑中进行。在这样的过程中，煅烧是通过使温度至高1000℃的热气体流过粒状原料床，同时输送和旋转颗粒来实现的。然而，由于低的气固传热系数，这样的过程也需要相当高的温度，因此从经济角度来看是不利的。此外，所得水泥显示出不希望的变色。

11、总的来说，就生产过程的能量消耗和辅助胶凝材料的性能而言，生产辅助胶凝材料的传统已知方法仍然是不够的。进而非常需要提供一种以经济和成本有效的方式大规模生产辅助胶凝材料的方法，其中辅助胶凝材料可用于生产变色减少但仍具有足够机械性能(例如抗压强度)的水泥。

技术实现思路

1、发明问题

2、鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种生产辅助胶凝材料的方法，该方法能够以低生产成本并且大规模生产高质量和一致质量的辅助胶凝材料。此外，所得的辅助胶凝材料可用于生产具有改善的颜色性质(例如减少的不希望的变色)和足够的机械性能(例如抗压强度)的水泥。

3、此外，本发明要解决的问题是提供一种生产包含磨碎的水泥熟料和辅助胶凝材料的水泥的方法，该方法可以减少co2排放和能量消耗，该方法允许高度灵活的过程和磨碎的水泥熟料的高取代率，并且该方法产生具有改善的颜色性质(例如减少的不希望的变色)和具有足够的机械性能(例如抗压强度)的水泥。

4、发明简述该问题通过根据权利要求1的生产辅助胶凝材料的方法来解决。权利要求2至13中限定了该方法的优选实施方案。此外，该问题通过根据权利要求14的生产水泥的方法来解决。权利要求15中限定了生产水泥的方法的优选实施方案。所有优选实施方案也包含组合。