專利名稱：煤燃燒產(chǎn)物水泥及其相關生產(chǎn)方法
、》;^然燒產(chǎn)物水泥及其相關生產(chǎn)方法本申請要求2007年4月25日提交的美國臨時申請US60/914021 的優(yōu)先權權益并且將其全文引入作為參考。技術領域本申請的技術領域涉及由低價值的礦物質(zhì)和采礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng) 業(yè)和市政的副產(chǎn)物生產(chǎn)得到的低成本水泥。更具體的，本申請涉及 由煤燃燒產(chǎn)物例如粉煤灰所形成的水泥，其足以作為波特蘭水泥的 實用替代品。
背景技術：
長期以來，建筑業(yè)的特征在于其對波特蘭水泥的重要依賴性， 一種追溯到兩個世紀前的材料，通過技術上原始的生產(chǎn)工藝來制備。 波特蘭水泥的生產(chǎn)消耗大量能源，運用大量非再生資源，并且是世 界溫室氣體排放的主要來源。盡管在運用副產(chǎn)物和低成本原材料， 例如粉煤灰、爐渣、硅粉、沸石和火山灰部分地替代波特蘭水泥已 經(jīng)取得顯著進步，世界范圍的建筑業(yè)仍然極大地依賴于波特蘭水泥 以滿足基礎結構和建筑的需要。結合主要的波特蘭水泥在經(jīng)濟高速 發(fā)展地區(qū)如中國的擴大產(chǎn)能，和波特蘭水泥工業(yè)上極少量的效率增 長，這在未來的數(shù)十年轉化為增加的環(huán)境代價，尤其考慮到二氧化 碳的釋放和非再生資源的利用。盡管已經(jīng)致力于發(fā)展波特蘭水泥的 替換品，仍相對缺乏可在工程和經(jīng)濟上替換波特蘭水泥而同時顯著 減少對環(huán)境負擔的替代技術。同時，存在多種低價值的礦物質(zhì)和礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和市政的 副產(chǎn)物，例如煤灰和其它來自煤燃燒電廠、雙重燃燒電廠和垃圾轉 化為能源的發(fā)電廠的副產(chǎn)物(CFPPs, DFPPs和W伍PPs)，可被用于水泥生產(chǎn)，但遠遠未被充分使用。CFPPs， DFPPs和WtEPPs燃燒煤、 石油和/或生物質(zhì)燃料并制造大量的無機副產(chǎn)物，例如粉煤灰、爐底 灰和鍋爐渣，當是CFPPs時統(tǒng)一稱為煤燃燒產(chǎn)物(CCPs)。在世界 范圍內(nèi)煤都是電廠應用的主要燃料，2005年僅在美國的CFPPs就產(chǎn) 生大約123，000,000噸的CCPs，其中大部分以垃圾掩埋法丟棄。CCPs 成為 一 類未被充分利用的低價值副產(chǎn)物，并可能用于制造廉價水泥。 任何一種CFPP產(chǎn)生的CCPs的類型和數(shù)量取決于該CFPP的年限和 結構、用作燃料的煤的種類，用于燃燒煤的具體燃燒條件和CCPs 的收集方式。粉煤灰在CFPPs中尤其經(jīng)常通過煙道氣大量回收。需要更多的可以由廉價原材料生產(chǎn)的可供使用的水泥，其具有 與波特蘭水泥相當或更好的性能和成本效益。盡管已經(jīng)通過加入例 如粉煤灰、爐渣、硅粉、沸石和火山灰的材料來制備降低成本水泥 作為部分波特蘭水泥的替代品，但對波特蘭水泥的持續(xù)依賴性使得 僅表現(xiàn)出有限的經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)勢。同樣的，盡管基于磷酸鎂鉀、磷 酸鐵、磷酸鋁和磷酸鹽化粉煤灰的多種磷酸鹽水泥已經(jīng)被提倡(例 如，美國專利第4328037號，在此全部引入作為參考)，這些產(chǎn)品 的生產(chǎn)需要利用昂貴的非再生資源并要求大規(guī)模的工藝鏈和能量輸 入供其生產(chǎn)。因此，迫切需要廉價水泥，其最大程度地利用低價值 的礦物質(zhì)和礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和市政的副產(chǎn)物，并且其生產(chǎn)只導致 最小化的經(jīng)濟和環(huán)境負擔。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供廉價副產(chǎn)物水泥和其生產(chǎn)方法?？梢灾苽湓醋訡CPs 和其他礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和市政副產(chǎn)物以及低1"介值礦物質(zhì)的多種水 泥，從而最大程度地利用廉價原材料，而且這只需要最簡單的工藝 步驟。因此根據(jù)本發(fā)明的原理提供高度可用并具有相對較低環(huán)境影 響的水泥。本發(fā)明的多個方面可以分別理解或如下面所述4皮此結合。本發(fā)明的一個方面是提供水泥生產(chǎn)工藝，該工藝引入CCPs，后 者在CFPPs中以兆噸規(guī)模產(chǎn)生否則以垃圾掩埋法丟棄，而在本發(fā)明5中被設法轉變?yōu)榻?jīng)濟和環(huán)境上有益的膠結性材料。
本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案通過聯(lián)合粉煤灰、爐底灰和/或鍋 爐渣與一種副產(chǎn)物反應物(此后稱之為"副產(chǎn)物反應物")生產(chǎn)CCP 水泥，其中副產(chǎn)物反應物可由礦業(yè)、石油、天然氣、煤和/或生物質(zhì) 原料通過合適的工藝步驟(圖1 )得到-，該副產(chǎn)物反應物在下面舉
例說明但并不僅限于(a)磷酸，多磷酸，焦磷酸，單、二、三或 多膦酸，單、二、三或多次膦酸，磷酸鹽，膦酸鹽或亞膦酸鹽-官
能團低聚物、預聚合物或聚合物，它們的單、二、三或多烷基和/或 芳基酯，和/或它們的金屬鹽、烷基銨鹽或芳基銨，和/或(b)硫酸， 單、二、三或多^ 黃酸，單、二、三或多亞磺酸，碌u酸鹽、磺酸鹽和/ 或亞磺酸鹽-官能團低聚物、預聚合物或聚合物，它們的單、二、 三或多烷基和/或芳基酯，和/或它們的金屬鹽、烷基銨鹽或芳基銨鹽， 和/或(c)單、二、三或多元羧酸，羧基-官能團低聚物、預聚合物 或聚合物，它們的單、二、三或多烷基和/或芳基酯，和/或它們的金 屬鹽、烷基銨鹽或芳基銨鹽；(d)單、二、三或多羥基羧酸，羧基 -和羥基-官能團低聚物、預聚合物或聚合物，它們的單、二、三 或多烷基和/或芳基酯，和/或它們的金屬鹽、烷基銨鹽或芳基銨鹽； (e)金屬氧化物、金屬氫氧化物、金屬碳酸鹽、金屬羥基碳酸鹽、 硼酸鹽、金屬硅酸鹽、金屬亞錫酸鹽、金屬錫酸鹽、金屬鴒酸鹽、 金屬鉬酸鹽、金屬鴒鉬酸鹽、金屬鉬鴒酸鹽、金屬磷鵠酸鹽、金屬 磷鉬酸鹽、金屬磷鉬鵠酸鹽、金屬多金屬氧酸鹽、金屬鋁酸鹽、金 屬鋁硅酸鹽、金屬硅鵠酸鹽、金屬鎢硅酸鹽、金屬硅鉬酸鹽、金屬 鉬硅酸鹽、金屬鉬硅鴒酸鹽、金屬亞錳酸鹽、金屬錳酸鹽、金屬鈦 酸鹽、金屬鋯酸鹽、金屬鐵酸鹽、金屬高鐵酸鹽或其組合；(f)沸 水，亞臨界或超臨界水。聯(lián)合工藝包括將成分物理混合和/或在控制 條件下化學反應，提供一種產(chǎn)物，該產(chǎn)物本身包括一種單一成分的 水泥，或可選的，聯(lián)合更多相同或其他的各種未經(jīng)處理的粉煤灰、 爐底灰和/或鍋爐渣以提供一種膠凝產(chǎn)物。
本發(fā)明的其它優(yōu)選的實施方案提供CCP水泥或其它緣自副產(chǎn)物
6和/或低價值礦物質(zhì)的水泥，其中加入的副產(chǎn)物和/或低價值礦物質(zhì)包
括但不限于(a)包含4丐、鎂、鋁、鐵、鈦和/或二氧化>5圭的礦物質(zhì)， 例如菱鎂礦、水鎂石、白云石、白云石質(zhì)灰?guī)r、石灰石、磷灰石、 纟失鋁氧石、紅柱石、三水鋁礦、勃姆石、水鋁石、藍晶石、富鋁紅 柱石、硅線石、諷土、氧化鋁水合物、氫氧化鋁、鈦鐵礦、金紅石、 板鈦礦、銳鈦礦、鉤鈦礦、赤鐵礦、褐鐵礦、針鐵礦、^磁鐵礦、隕 鐵、高嶺石組、蒙脫石和伊利石粘土礦物例如高嶺石、殺又永石、斑 脫土和蒙脫土、硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物質(zhì)例如蛭石、亞氯酸鹽、云 母、頁巖、滑石、蛇紋石、泥石、長石、硅灰石、沸石、火山灰(volcanic ash)、火山灰(pozzolans)和石少，和/或(b)包含鈣、4美、鋁、纟失、 鈦和/或二氧化硅的化合物，例如氧化鎂、含鎂石灰、氫氧化鎂、石 灰、氬氧化鈣、氧化鋁水合物和氫氧化鋁，和/或(c)副產(chǎn)物來自采 礦、礦石和金屬加工業(yè),例如廢石和上覆層、廢礦石、廢棄的脈石、 漂浮淤泥、礦山尾礦、酸滲濾液、酸排出物、紅泥、磷石膏、鋁酸 鈣、煅燒爐渣滓、高溫分解渣滓、酸再生法垃圾、堿再生法垃圾、 電解泥、陽極爐爐渣、耗盡的火磚、爐渣、硅粉、和廢水處理淤泥， 和/或(d)來自煤炭氣化、煤炭液化和原油煉制業(yè)的副產(chǎn)物，例如廢 頁巖、焦炭、氣化器灰燼、液化器灰燼、轉窯水泥飛灰、分離器淤 泥、漂浮淤泥和塘泥，和/或(e)藥物和精細化學的副產(chǎn)物例如氧化 鋁水合物、氬氧化鋁、硼酸、硼酸鹽、二氧化硅、硅酸、廢催化劑、 廢催化劑載體、沸石、分子篩、和有機硅氧烷，和/或(f)生物技術 業(yè)、食品、飼料、木材和農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)品，例如生物質(zhì)和木質(zhì)素，和/ 或(g)源自生物質(zhì)的灰燼例如谷糠灰、甘蔗蔗渣灰塵、谷粒灰燼和 木灰，和/或(h)混合物，包括那些與波特蘭水泥業(yè)具有共性的混合 物?？梢岳斫獾氖歉鶕?jù)申請的可選實施方案，當相對于CCPs或其他 的副產(chǎn)品組分以更大數(shù)量存在時，任何或每一種前述的添加劑都可 以組成水泥的物質(zhì)或材料組分。
本發(fā)明另 一個優(yōu)選的實施方案提供一種水泥生產(chǎn)工藝，包括以 副產(chǎn)物反應物處理CCPs。有多種CCPs可供選擇，例如粉煤灰(F或c級或未分級的)，爐底灰和/或鍋爐渣。副產(chǎn)物反應物包括^旦不 限于(a)磷酸，多磷酸，焦磷酸，單、二、三或多膦酸，單、二、 三或多次膦酸，磷酸鹽、膦酸鹽或亞膦酸鹽-官能團低聚物、預聚 合物或聚合物，它們的單、二、三或多烷基和/或芳基酯，和/或它們 的金屬鹽、烷基銨鹽或芳基銨鹽，和/或(b)硫酸，單、二、三或多 磺酸，單、二、三或多亞磺酸，硫酸鹽、磺酸鹽和/或亞磺酸鹽-官
能團低聚物、預聚合物或聚合物，它們的單、二、三或多烷基和/或 芳基酯，和/或它們的金屬鹽、烷基銨鹽或芳基銨鹽，和/或(c)單、 二、三或多元羧酸，羧基-官能團低聚物、預聚合物或聚合物，它 們的單、二、三或多烷基和/或芳基酯，和/或它們的金屬鹽、烷基銨 鹽或芳基銨鹽，(d)單、二、三或多羥基羧酸，羧基-和羥基-官 能團低聚物、預聚合物或聚合物，它們的單、二、三或多烷基和/或 芳基酯，和/或它們的金屬鹽、烷基銨鹽或芳基銨鹽；(e)金屬氧化 物、金屬氫氧化物、金屬碳酸鹽、金屬羥基碳酸鹽、硼酸鹽、金屬 硅酸鹽、金屬亞錫酸鹽、金屬錫酸鹽、金屬鎢酸鹽、金屬鉬酸鹽、 金屬鎢鉬酸鹽、金屬鉬鴿酸鹽、金屬磷鎢酸鹽、金屬磷鉬酸鹽、金 屬磷鉬鵠酸鹽、金屬多金屬氧酸鹽、金屬鋁酸鹽、金屬鋁硅酸鹽、 金屬硅鎢酸鹽、金屬鎢硅酸鹽、金屬硅鉬酸鹽、金屬鉬硅酸鹽、金 屬鉬硅鴒酸鹽、金屬亞錳酸鹽、金屬錳酸鹽、金屬鈦酸鹽、金屬鋯 酸鹽、金屬鐵酸鹽、金屬高鐵酸鹽或其組合；(f)沸水，亞臨界或 超臨界水。CCPs可以可控制地與 一種或多種選擇的副產(chǎn)物反應物反 應，有或沒有其它的添加劑。對CCPs的這一處理優(yōu)選包括與副產(chǎn)物 反應物在干燥狀態(tài)下物理混合，和/或組分以溶液、懸浮液、漿糊或 顆粒的形式在大氣環(huán)境下或升高的溫度和/或壓力下、在適當?shù)幕瘜W 反應器中的可控反應。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選的實施方案，CCP水泥或其它緣自礦 業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和/或市政的副產(chǎn)物和/或低價值礦物質(zhì)的水泥，可以 利用粉煤灰、爐底灰和/或鍋爐渣，單獨或合理地與其它礦業(yè)、工業(yè)、 農(nóng)業(yè)和/或市政的副產(chǎn)物和/或低價值礦物質(zhì)聯(lián)合。多種礦業(yè)、工業(yè)，農(nóng)業(yè)和/或市政的副產(chǎn)物和/或低價值礦物質(zhì)可在CCPs與副產(chǎn)物反應 物反應期間或之后加入，包括但不限于(a)包含鈣、鎂、鋁、鐵、 鈦和/或二氧化石圭的礦物質(zhì)，例如菱4美礦、水4美石、白云石、白云石 質(zhì)灰?guī)r、石灰石、磷灰石、鐵鋁氧石、紅柱石、三水鋁礦、勃姆石、 水鋁石、藍晶石、富鋁紅柱石、硅線石、礬土、氧化鋁水合物、氫 氧化鋁、鈦鐵礦、金紅石、板鈦礦、銳鈦礦、鈣鈦礦、赤鐵礦、褐 鐵礦、針鐵礦、磁鐵礦、隕鐵、高嶺石組、蒙脫石和伊利石粘土礦 物例如高嶺石、敘永石、斑脫土和蒙脫土、硅酸鹽和鋁石圭酸鹽礦物 質(zhì)例如蛭石、亞氯酸鹽、云母、頁巖、滑石、蛇紋石、泥石、長石、 硅灰石、沸石、火山灰、火山灰和沙，和/或(b)化合物，其包含4丐、 鎂、鋁、鐵、鈦和/或二氧化硅，例如氧化鎂、含鎂石灰、氫氧化鎂、 石灰、氫氧化鈣、氧化鋁水合物和氫氧化鋁，和/或(c)副產(chǎn)物，其 來自采礦、礦石和金屬加工業(yè)，例如廢石和上覆層、廢礦石、廢棄的 脈石、漂浮淤泥、礦山尾礦、酸滲濾液、酸排出物、紅泥、磷石膏、 鋁酸鈣、煅燒爐渣滓、高溫分解渣滓、酸再生法垃圾、堿再生法垃 圾、電解泥、陽極爐爐渣、耗盡的火磚、爐渣、硅粉、和廢水處理 淤泥，和/或(d)來自煤炭氣化、煤炭液化和原油煉制業(yè)的副產(chǎn)物， 例如廢頁巖、焦炭、氣化器灰燼、液化器灰燼、轉窯水泥飛灰、分 離器淤泥、漂浮淤泥和塘泥，和/或(e)藥物和精細化工業(yè)的副產(chǎn)物 例如氧化鋁水合物、氬氧化鋁、硼酸、硼酸鹽、二氧化》圭、硅酸、 廢催化劑、廢催化劑載體、沸石、分子篩、和有機硅氧烷，和/或(f) 生物技術、食品、祠料、木材和農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)品，例如生物質(zhì)和木質(zhì) 素，和/或(g)源自生物質(zhì)的灰燼例如谷糠灰、甘蔗蔗渣灰塵、谷粒 灰燼和木灰。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，根據(jù)加入原料的物理化學 性質(zhì)和反應產(chǎn)物所需要的物理化學性質(zhì)，可選范圍或所需比例的副 產(chǎn)物反應物可用于精密控制隨后的反應。
本發(fā)明的另一方面提供CCP水泥或其它源自礦業(yè)、工業(yè)，農(nóng)業(yè) 和/或市政的副產(chǎn)物，和/或低價值礦物質(zhì)的水泥，其通過包含所選的 副產(chǎn)物反應物和CCPs和/或其它礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和/或市iE支的副產(chǎn)物和/或低價值礦物質(zhì)的反應而生產(chǎn)。這些組分可以在高度控制下的 環(huán)境下形成，其中相應的物理化學條件可以控制。本發(fā)明提供的優(yōu)
選的CCP水泥包括緣自火力發(fā)電站(CFPP)的粉煤灰、爐底灰和/ 或鍋爐渣，沒有摻雜另外的粉煤灰。另外，可以優(yōu)選利用不昂貴的 低級副產(chǎn)物反應物的聯(lián)合，例如"褐色，，磷的、農(nóng)業(yè)級的過磷酸鹽、 煤羧酸類、木質(zhì)素磺酸鹽、木質(zhì)素羧化物、羧曱基纖維素、琥珀酸、 蘋果酸、馬來酸、戊二酸、酒石酸、聚(丙烯酸)、聚(丙烯酸-共 -衣康酸)、聚(丙烯酸-共-馬來酸)和聚(苯乙烯磺酸)、鋁酸鈉、 硅酸鈉、氫氧化鉀、碳酸鉀和沸水。根據(jù)本發(fā)明這些和其它優(yōu)選用 于生產(chǎn)CCP或其它副產(chǎn)物水泥的反應可在多種混合及溫度可控的容 器中實施，例如間歇、分批、半連續(xù)或連續(xù)的轉筒化學反應器、攪 拌槽、攪拌葉、齒輪、捏合、葉片、雙螺旋槳、流化床或擠壓機類 型的設備，在大氣或升溫環(huán)境下操作。
在本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案中，CCPs和副產(chǎn)物反應物可以在 熱水、沸水、亞臨界水或超臨界水存在下混合和/或反應。懸浮液、 漿液、漿糊或粒狀的反應產(chǎn)品通過在大氣或升溫下操作的轉筒、葉 片、托盤、閃蒸或流化床類型的干燥器可以干燥到指定的含水零。 因此，可以提供多種干燥產(chǎn)物或干燥的反應后副產(chǎn)物。
為了某些應用，更優(yōu)選將反應的副產(chǎn)物進一步細碎為微粒物質(zhì)。 例如，為了提供更均一和性能更好的產(chǎn)品，反應的副產(chǎn)物可以通過 器械例如spheronizer、球磨機、棒磨機、搗碎機、錘磨才幾、離心磨 礦機或者圓盤式粉碎機細碎或者研磨成顆粒狀或者細粉。可運用這 些和其他的機械裝置以提供所需粒徑特征的產(chǎn)物。
在本發(fā)明的可選實施方案中，反應的副產(chǎn)物可另外結合(未處 理的)粉煤灰(F, C或U)、爐底灰和/或鍋爐渣，和/或礦業(yè)、工 業(yè)、農(nóng)業(yè)和/或市政的副產(chǎn)物，和/或低價值礦物質(zhì)的水泥，其包括但 不僅限于(a)包含鈣、鎂、鋁、鐵、鈦和/或二氧化硅的礦物質(zhì)， 例如菱鎂礦、水4美石、白云石、白云石質(zhì)灰?guī)r、石灰石、磷灰石、 纟失鋁氧石、紅柱石、三水鋁礦、勃姆石、水鋁石、藍晶石、富鋁紅柱石、硅線石、石凡土、氧化鋁水合物、氬氧化鋁、4太鐵礦、金紅石、 板鈦礦、銳鈦礦、鈣鈦礦、赤鐵礦、褐鐵礦、針鐵礦、磁鐵礦、隕 鐵、高嶺石組、蒙脫石和伊利石粘土礦物例如高嶺石、4又永石、斑 脫土和蒙脫土、硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物質(zhì)例如蛭石、亞氯酸鹽、云 母、頁巖、滑石、蛇紋石、泥石、長石、硅灰石、沸石、火山灰、 火山灰和砂，和/或(b)包含鈣、鎂、鋁、鐵、鈦和/或二氧化硅的 化合物，例如氧化鎂、含鎂石灰、氫氧化鎂、石灰、氫氧化鈣、氧 化鋁水合物和氬氧化鋁，和/或(C)來自采礦、礦石和金屬加工業(yè)的 副產(chǎn)物,例如廢石和上覆層、廢礦石、廢棄的脈石、漂浮淤泥、礦山 尾礦、酸滲濾液、酸排出物、紅泥、磷石膏、鋁酸釣、煅燒爐渣滓、 高溫分解渣滓、酸再生法垃圾、堿再生法垃圾、電解泥、陽極爐爐 渣、耗盡的火磚、爐渣、硅粉、和廢水處理淤泥，和/或(d)來自煤 炭氣化、煤炭液化和原油煉制業(yè)的副產(chǎn)物,例如廢頁巖、焦炭、氣化 器灰燼、液化器灰燼、轉窯水泥飛灰、分離器淤泥、漂浮淤泥和塘
泥，和/或(e)藥物和精細化工業(yè)的副產(chǎn)物例如氧化鋁水合物、氬氧 化鋁、硼酸、硼酸鹽、二氧化硅、硅酸、廢催化劑、廢催化劑載體、 沸石、分子篩、和有機硅氧烷，和/或(f)生物技術、食品、飼料、 木材和農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)品，例如生物質(zhì)和木質(zhì)素，和/或(g)源自生物質(zhì) 的灰燼例如谷糠灰、甘蔗蔗渣灰塵、谷?；覡a和木灰，和/或(h)混 合物，包括那些與波特蘭水泥業(yè)具有共性的混合物，通過干混合、 熱處理、擠壓和/或粉碎操作，以提供最終的水泥產(chǎn)品以投入市場。
本發(fā)明的另一個方面提供利用CFPPs副產(chǎn)物材料的水泥。這些 材料包括粉煤灰、爐底灰和/或鍋爐渣和其他來自煤燃燒過程的廉價 副產(chǎn)物。這里描述的目的在于，可以理解這樣的副產(chǎn)物可以有多種 來源，尤其是來自CFPPs。 一個優(yōu)選的實施方案包括就地的或CFPP 附近的副產(chǎn)物與反應物的組合。水泥組合物可以在同一工廠或電廠 聯(lián)產(chǎn)，其中工廠或電廠與邊界內(nèi)或指定建筑物內(nèi)的一個或多個副產(chǎn) 物流在接近的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的有一個實施方案中，CCP水泥通過物理混合和/或化學反應混合的一種或多種CCPs、有或沒有其他的礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè) 和/或市政的副產(chǎn)物和/或低價值礦物質(zhì)、以及一種或多種副產(chǎn)物反應 物的混合物而提供。得到的產(chǎn)物可被壓碎或者研磨為粒狀的混合物 或者細粉從而得到一種產(chǎn)品，該產(chǎn)品在有或者沒有另外的CCPs、添 加劑和/或礦質(zhì)骨料(例如沙或者砂礫)存在下與水混合，這樣提供高 強度CCP水泥漿、灰泥或者混凝土。本發(fā)明優(yōu)選的實施方案提供具 有合適性質(zhì)的CCP水泥，其性質(zhì)使其適用于波特蘭水泥可以使用的 地方。根據(jù)本發(fā)明的這一實施方案提供的CCP水泥可以源自和引入 廣泛的CCPs,有或沒有添加劑，并較之同波特蘭水泥結合的水泥具 有更大的體積?？蛇x的，本發(fā)明的實施方案提供通過以下方法制備 的水泥組合物 一種或多種包括CCPs的原料同副產(chǎn)物反應物物理聯(lián) 合和/或化學反應，其中有或沒有礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和/或市政的副產(chǎn) 物和/或低價值礦物質(zhì)。該產(chǎn)物可與另外的未處理或未反應的粉煤灰 結合。所得到的CCP水泥可與沙和/或礫石混合以制備灰泥或混凝土 混合物以用于與波特蘭水泥類似的應用。
結合下面的描述和附圖可以進一步理解本發(fā)明的目的和優(yōu)點。 盡管下面的描述可能包括具體的實施方案細節(jié)，但這些不應被視為 是對本發(fā)明的限制而只是優(yōu)選的說明性的實施方案。對于本發(fā)明的 每 一 個方面，為本領域技術人員所熟知的是許多變化都是可行的。 在本發(fā)明的范圍之內(nèi)可以有大量的變化和修改而不背離本發(fā)明的精 神。


圖1所示的圖表為副產(chǎn)物同副產(chǎn)物反應物和低價值礦物質(zhì)形成 的副產(chǎn)物水泥如CCP水泥。
引入?yún)⒖?br> 在本文中提到的所有出版物和專利申請都被同 一程度地引入作 為參考，如同每一個單獨的出版物或專利申請被具體地和獨立地指出被引作參考。
具體實施例方式
本發(fā)明提供足夠使用的廉價水泥及其相關的生產(chǎn)方法。這些水
泥可利用一種或多種CCPs或其他礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和/或市政的副 產(chǎn)物和/或低價值礦物質(zhì)。此外， 一種或多種礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和/ 或市政的副產(chǎn)物和/或低價值礦物質(zhì)可與多種副產(chǎn)物反應物在可控條 件下物理混合和/或化學反應。通過選擇性控制混合和/或化學反應的 條件，可提供高度一致的CCP水泥或其他副產(chǎn)物水泥，并且可以重 復生產(chǎn)。根據(jù)現(xiàn)有材料和所需性能特征可以更好地利用廣泛的CCPs 和工業(yè)副產(chǎn)物以提供不同種類的對環(huán)境無害的水泥，以替代波特蘭水泥。
煤燃燒產(chǎn)物以及其它副產(chǎn)物和低價值礦物質(zhì)
根據(jù)本發(fā)明可選擇來自其它工業(yè)的多種CCPs和副產(chǎn)物用于水 泥及其生產(chǎn)方法。例如，可以選擇一種或多種CCPs的混合物，例如 ASTMC級粉煤灰、ASTMF級粉煤灰、未分級的粉煤灰，爐底灰和 /或鍋爐渣，與一種或多種其它的礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和/或市政的副產(chǎn) 物和/或低價值礦物質(zhì)結合。本發(fā)明描述多個方面的目的在于，可以 理解CCPs包括煤和其多種易燃形式及其燃燒副產(chǎn)物。
在一個優(yōu)選的實施方案中，選擇CCP從而使得其中各成分的含 量是(a) CaO,含量為0-40%w/w,和/或(b) MgO,含量為0 -15%w/w,和/或(c)Al203,含量為10_30%w/w,和/或(d)Fe203， 含量為5-25%w/w,和/或(e) Si02，含量為20- 60%w/w，和/或 (f) ( A1203 + Fe203 ) / CaO比例為2 - 30,和/或(g ) (A1203 + Fe203)/(CaO + MgO)比例為1-30,和/或(h) (A1203 + Fe203 + Si02)/(CaO + MgO)比例為1.5-30。
本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案可引入選定等級的粉煤灰，例如F 級粉煤灰，以用于提供本文所期望的CCP水泥。在本發(fā)明一個可選 的實施方案中，CCP組合物可以源自煤燃燒產(chǎn)物的混合物，包括粉煤灰C、粉煤灰F、未分級的粉煤灰、爐底灰和/或鍋爐渣，以及一 種或多種其它的礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和/或市政的副產(chǎn)物，和/或低<介值 礦物質(zhì)，如在下面和本文其它處所描述的。
本發(fā)明可選的實施方案提供水泥，其由其它礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè) 和/或市政的副產(chǎn)物，和/或低價值礦物質(zhì)組成。這些包括礦物質(zhì)、加 工的礦物質(zhì)和礦業(yè)、礦石加工、金屬津f煉、石化、并奇細化工、藥物、 農(nóng)用化學、生物技術、食品、飼料、能源工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林學和市政 的副產(chǎn)品?？梢岳斫獾氖潜疚闹械乃嗫砂ǔ朔勖夯业钠渌?料，包括但不限于(a)包含鈣、鎂、鋁、鐵、鈦和/或二氧化硅的礦 物質(zhì)，例如菱鎂礦、水鎂石、白云石、白云石質(zhì)灰?guī)r、石灰石、磷 灰石、4失鋁氧石、紅柱石、三水鋁礦、勃姆石、水鋁石、藍晶石、 富鋁紅柱石、硅線石、諷土、氧化鋁水合物、氫氧化鋁、鈦鐵礦、 金紅石、^反鈥礦、銳鈦礦、鉤鈥礦、赤鐵礦、褐鐵礦、針鐵礦、i茲 鐵礦、隕鐵、高呤石組、蒙脫石和伊利石粘土礦物例如高呤石、敘 永石、斑脫土和蒙脫土、硅酸鹽和鋁>5圭酸鹽礦物質(zhì)例如蛭石、亞氯 酸鹽、云母、頁巖、滑石、蛇紋石、泥石、長石、硅灰石、沸石、 火山灰、火山灰和砂，和/或(b)包含鈣、鎂、鋁、鐵、鈦和/或二 氧化硅的化合物，例如氧化鎂、含鎂石灰、氫氧化鎂、石灰、氬氧 化釣、氧化鋁水合物和氬氧化鋁，和/或(c)來自采礦和礦石和金屬 加工業(yè)的副產(chǎn)物，例如廢石和上覆層、廢礦石、廢棄的脈石、漂浮淤 泥、礦山尾礦、酸滲濾液、酸排出物、紅泥、磷石膏、鋁酸鉤、煅 燒爐渣滓、高溫分解渣滓、酸再生法垃圾、堿再生法垃圾、電解泥、 陽極爐爐渣、耗盡的火磚、爐渣、硅粉、和廢水處理淤泥，和/或(d) 來自煤炭氣化、煤炭液化和原油煉制業(yè)副產(chǎn)物，例如廢頁巖、焦炭、 氣化器灰燼、液化器灰燼、轉窯水泥飛灰、分離器淤泥、漂浮淤泥 和塘泥，和/或(e )藥物和精細化學工業(yè)的副產(chǎn)物例如氧化鋁水合物、 氬氧化鋁、硼酸、硼酸鹽、二氧化硅、硅酸、廢催化劑、廢催化劑 載體、沸石、分子篩、和有機硅氧烷，和/或(f)生物技術、食品、 飼料、木材和農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)品，例如生物質(zhì)和木質(zhì)素，和/或(g)源自生物質(zhì)的灰燼例如谷糠灰、甘蔗蔗渣灰塵、谷?；覡a和木灰。
在本發(fā)明的可選實施方案中，除了 CCPs之外，多種副產(chǎn)物組合
物可源自一種或多種礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和/或市政的副產(chǎn)物，和/或低
價值礦物質(zhì)的混合物。 副產(chǎn)物反應物
根據(jù)本發(fā)明另 一 種用于水泥生產(chǎn)的材料組分包括副產(chǎn)物反應 物。優(yōu)選可控地與多種副產(chǎn)物或組分反應的反應物。例如，才艮據(jù)本 發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案所提供的CCP水泥可由副產(chǎn)物反應物組
成，后者與一種或多種CCPs或CCP組合物反應。其他種類的副產(chǎn)
副產(chǎn)物反應物可從由礦物質(zhì)、石油、天然氣、煤和/或生物質(zhì)原 料通過合適的工藝步驟(圖1 )得到。例如，低分子量、低聚的和聚 合的單、二和多羧酸和磺酸及其鹽可由煤通過化學和/或生物學工藝
生產(chǎn)。同樣的，低分子量、單、二和多羧酸以及羧酸官能團聚合物 及其相應的酯，以及類似的膦酸、次膦酸、磺酸和亞磺酸及其鹽、
和磷酸酯、膦酸酯、亞膦酸鹽、硫酸酯、亞碌u酸鹽、磺酸鹽和亞磺
酸鹽酯可由石油和天然氣通過化學和/或生物工藝生產(chǎn)得到。同樣的， 纖維素、半纖維素和木質(zhì)素衍生的單、二和多羧酸以及羧酸功能聚 合物和相應的酯，以及類似的膦酸、次膦酸、磺酸、亞磺酸及其鹽、 和磷酸酯、膦酸酯、亞膦酸鹽、硫酸酯、亞硫酸鹽、磺酸鹽和亞磺 酸鹽酯可由生物質(zhì)通過化學和/或生物工藝得到?？梢允褂枚喾N副產(chǎn)
物反應物，包括(a)磷酸，多磷酸，焦磷酸，單、二、三或多膦酸， 單、二、三或多次膦酸，磷酸鹽、膦酸鹽或亞膦酸鹽-官能團低聚 物、預聚合物或聚合物，它們的單、二、三或多烷基和/或芳基酯， 和/或它們的金屬鹽、烷基銨鹽或芳基銨鹽，和/或(b)硫酸，單、 二、三或多磺酸，單、二、三或多亞磺酸，硫酸鹽、磺酸鹽和/或亞 磺酸鹽-官能團低聚物、預聚合物或聚合物，它們的單、二、三或 多烷基和/或芳基酯，和/或它們的金屬鹽、烷基銨鹽或芳基銨鹽，和 /或(c)單、二、三或多元羧酸，羧基-官能團低聚物、預聚合物或聚合物，它們的單、二、三或多烷基和/或芳基酯，和/或它們的金屬 鹽、烷基銨鹽或芳基銨鹽，或上述一種或多種的混合物。在本發(fā)明
一個優(yōu)選的實施方案中，副產(chǎn)物是包含15-75% w/wP20s的磷酸，和 /或包含20-50% w/w P205的金屬二氫磷酸鹽和/或金屬磷酸氫鹽(其 中金屬是Ca、 Mg、 Al或Fe)。本發(fā)明另 一個優(yōu)選的實施方案引入 副產(chǎn)物反應物，后者是基本純的或未加工的磷酸，其中包含15-75% w/w的P205,和/或純的或未加工的金屬二氫磷酸鹽和/或純的或未加 工的金屬磷酸氫鹽(其中金屬是Ca、 Mg、 Al或Fe )，其中包含20-50% w/w的P205。本發(fā)明另一個優(yōu)選的實施方案引入的副產(chǎn)物反應物是 植酸，和/或單、二、三烷基、三芳基或混合的單、二、三和/或多磷 酸酯，包含10-100%w/w的副產(chǎn)物反應物，和/或金屬(其中金屬 是Ca、 Mg、 Al或Fe)或烷基銨和/或芳基銨或其鹽的混合物。本發(fā) 明另一個優(yōu)選的實施方案引入的副產(chǎn)物反應物是單、二、三或多羧 酸或單、二、三或多磺酸，例如琥珀酸、酒石酸、馬來酸、蘋果酸、
富馬酸、戊二酸、衣康酸、辛二酸、草酸、檸檬酸、抗壞血酸、苯 均四酸、木質(zhì)素磺酸、木質(zhì)素羧酸、木質(zhì)素乙酸、羧甲基纖維素、 羧基丙基纖維素、聚(丙烯酸)、聚(丙烯酸-共-衣康酸)、聚(丙 烯酸-共-馬來酸)、聚(苯乙烯磺酸)、其他的丙烯酸、曱基丙烯酸、 馬來酸、衣康酸、馬來酸酐、衣康酸酐和/或苯乙烯磺酸，其中包含 低聚物、預聚合物或聚合物，包含10-100%w/w的副產(chǎn)物反應物，和 /或單、二、三或多烷基和/或多芳基和/或其酯的混合物，和/或金屬
(其中金屬是Ca、 Mg、 Al或Fe)或烷基銨和/或芳基銨或其鹽的混 合物。本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施方案引入的副產(chǎn)物反應物是基本純 的或粗的氫氧化鈉、氬氧化鉀、氬氧化鋰、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸 鋰、鋁酸鈉、《圭酸鈉或其混合物。
本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案包括多種源自副產(chǎn)物反應物的水 泥，副產(chǎn)物反應物包括一些上面所列出的，以提供酸-石咸水泥、堿 性硅酸鹽水泥或其它類型的水硬性水泥。這些酸-;咸水泥包括可能 摻入磷酸鹽反應物的磷酸鹽水泥。例如，濃縮的磷酸水溶液，例如商業(yè)級的85%的H3P04可與CCPs或本文的其它副產(chǎn)物反應。盡管 對于本發(fā)明的 一些實施方案不是優(yōu)選的，可使用進一 步濃縮的磷酸， 如包含70到100wt.。/。H3PO4的磷酸反應物，在其它可選的實施方 案中，包含大約80到90wt.。/。的H3P04。
這里所選擇的磷酸鹽反應物可進一步包括其它的P205材料資
源?？梢岳斫獾氖切g語"P205材料"可以描述任何包含磷元素的原 料。這些物質(zhì)中的磷含量通常以P205來測定和表達，因此術語"P205 材料"的應用是直觀的。根據(jù)本發(fā)明所用的這樣的材料可選自多種 工業(yè)和農(nóng)業(yè)化學品和廢棄物。 一些適宜的P20s原料的例子包括多種 酸性的含磷化合物及含磷酸，例如正磷酸、焦磷酸以及其它多磷酸 和它們的鹽。其它可選的P205材料可進一步包括磷酸鋁溶液、磷酸 銨溶液、磷酸4丐溶液、源于金屬拋光工藝的浸亮磷酸、來自農(nóng)用化 學品工藝的廢棄磷酸、源于鋼鐵酸洗以抑制腐蝕的鋼鐵磷化的淤渣 酸、源于P20s廢液處理而產(chǎn)生的好U化砷淤渣酸，和任何以上所述液 體的混合?？梢允褂玫燃壪鄬Σ患兊牧姿?，例如那些由低級磷酸巖 石所生產(chǎn)的磷酸，由此這樣廉價的磷酸鹽反應物可以使得這樣的水 泥更具商業(yè)吸引力。
可選的，這些和其它的反應物可與本文的副產(chǎn)物或副產(chǎn)物組合 物相結合，包括源自礦物質(zhì)、礦物質(zhì)加工業(yè)、金屬加工業(yè)和能源工 業(yè)的添加劑，以形成可用于本發(fā)明所提供的水泥組合物的產(chǎn)品。
反應控制和CCP水泥組合物
根據(jù)本發(fā)明的多個方面，使選擇的副產(chǎn)物反應物與CCPs/CCP
組合物通過受控的物理結合和/或發(fā)生化學反應而制備多種反應副產(chǎn) 物。物理結合和/或化學反應的化學組成和條件可以調(diào)節(jié)，例如成分
的w/w比例，結合和/或反應的方式，以及采用的設備類型和工藝條件。
副產(chǎn)物反應物和CCPs/CCP組合物的百分數(shù)和比例 例如，本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案提供源自反應副產(chǎn)物的CCP 水泥，，反應副產(chǎn)物通過包括向CCPs或CCP成分的10-80% w/w漿液或懸浮液中控制加入20- 90%w/w的反應物水溶液或純反應物的 反應得到。在本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案中，反應可包括加入20-90% w/w的磷酸鹽反應物水溶液或磷酸鹽反應物固體到所選擇的 CCPs或CCP組合物的10-80% w/w漿液或懸浮液中。反應混合物維 持在20- 200。C并以0- 600rpm攪拌1 -20小時。
在本發(fā)明的一個可選的實施方案中，反應可包括向20 - 90% w/w 的反應物水溶液或純反應物中控制地加入0-80%w/w的所選擇 CCPs或CCP組合物的漿液或懸浮液。反應混合物維持在20 - 200 °C并以0 - 600rpm攪拌1 - 20小時。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，反應可包括將10-80。/。w/w的所 選擇CCPs或CCP組合物的漿液或懸浮液和20 - 90% w/w的反應物 水溶液或純反應物控制地加入到水中或20- 90%w/w的反應物 水溶液或10 - 80% w/w的所選擇CCPs或CCP組合物的漿液或懸浮 液，或其混合物中。反應混合物維持在20- 20(TC并以0- 600rpm攪 4半1 - 20小時。
在另一個可選的實施方案中，反應可包括將一種或多種純的反 應物與選4奪的CCPs或CCP組合物混合，有或沒有水加入，加熱混 合物到20 - 200。C持續(xù)15分鐘到20小時。
在另一個可選的實施方案中，反應可包括將一種或多種純的反 應物混合物和選才奪的CCPs或CCP組合物進行反應性混合和/或才齊壓 加工，有或沒有水加入，在20-400。C持續(xù)5分鐘到4小時。
在又一個可選擇的實施方案中，反應包括用水加熱所選l奪的 CCPs或CCP組合物，有或沒有一種或多種反應物加入，在亞臨界 或超臨界條件下、在40(TC的溫度和250巴的壓力下保持1分鐘- 1 小時。
反應物和選擇的CCPs或CCP組合物的比例可根據(jù)具體的應用 而變化。例如，在本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案中，反應物和選擇的 CCPs或CCP組合物的比例控制在，相對于存在于所選擇的CCPs或 CCP組合物中的每摩爾當量的鈉、鉀、4美、鈣、鍶、鋇、鋁、鈦、鐵、錳和/或硅，使用總量0.2-IO摩爾當量的反應物。 維持反應條件的組合比率副產(chǎn)物反應物和/或CCPs或CCP組合物的組合比率也可以根據(jù) 具體的應用而變化。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案中，副產(chǎn)物反 應物和/或選擇的CCPs或CCP組合物和/或水或其懸浮液或漿液的加 入比率可控制如下(a)反應混合物的溫度維持在40-400°C,和/ 或，(b)將反應混合物保持在1 - 300巴的壓力，和/或；(c)反應 混合物的pH為2 - 10,和/或，(d)反應混合物的固體含量維持在 10-90%w/w,和/或，(e)反應混合物的粘度為1 - 100， 000, 000 cSt，和/或(f)沖立徑在0.5-5mm。混合/干燥/粉碎根據(jù)本發(fā)明，運用多種加工設備和加工條件，通過前述的物理 結合和/或反應可制備得到具有合適物化性質(zhì)的反應副產(chǎn)物用于水 泥。在本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案中，任何前述的物理結合和/或反 應可以在轉筒、攪拌桶、刮片、流化床、槳式或圓盤反應器、或捏 合才幾/寺齊壓才幾中單批、分批、半連續(xù)地或連續(xù)地實施?？蛇x地，進一 步地反應可以在轉筒、槳式或圓盤反應器、或捏合機/擠壓機中實施。在另一個實施方案中，反應的副產(chǎn)物被加入轉筒、攪料槳、托 盤、流化床、閃蒸或噴霧干燥器，且產(chǎn)物干燥到含水量為1-10% w/w,溫度為50- 200。C,滯留時間為0.1 -30分鐘。在又一個可選的實施方案中，反應的副產(chǎn)物被加入轉筒干燥器、 槳式或盤式烘燥機，且產(chǎn)物干燥到含水量為50- 100%w/w，溫度為 50- 200°C，滯留時間為0.1 - 30分鐘，且這一部分干燥的產(chǎn)物隨后 加入閃蒸或流化床干燥器，產(chǎn)物進一步干燥到含水量為1 - 10%w/w, 溫度為50 - 200°C,滯留時間為1-15分鐘。步處理以獲得基本干的粒狀或粉末狀材料，稱之為反應副產(chǎn)物。根 據(jù)本發(fā)明上述何實施方案制備的反應副產(chǎn)物可以送入粉碎機、 spheronizer、球磨機、棒磨機、搗磨機、錘磨機、離心或空氣分級器19粉碎機中。產(chǎn)物的粒徑可減小到所需尺寸，且在一個優(yōu)選的實施方案中，粒徑可減少到0.02-3mm，溫度為20- 200。C?？刂婆c副產(chǎn)物反應物的物理結合和/或反應根據(jù)本發(fā)明的另 一個方面，可以控制副產(chǎn)物反應物和選擇的 CCPs或CCP組合物間的反應。前述反應可產(chǎn)生多種結果，包括現(xiàn) 有元素例如鈉、鉀、4美、鈣、鍶、鋇、鋁、鈥、4失、錳和/或石圭的部 分或全部溶解。此外，形成的產(chǎn)物可包含金屬鹽混合物和/或復合物， 其混合化合物、金屬硅鹽、未反應的含金屬組分、二氧化硅和/或未 加規(guī)定的礦石組分。通過控制多種反應和制備條件，可提供許多有 用的產(chǎn)物組合物，這些組合物可以不斷地由更多種和更大量的CCPs 和CCP組合物一致地再生產(chǎn)。例如，本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案提供調(diào)節(jié)反應的方法，通過 改變下列一種或多種條件來進行調(diào)節(jié)(a)酸性或磷酸鹽反應物的 濃度；(b)選擇的CCPs或CCP組合物的種類；(c)用于使選擇 的CCPs或CCP組合物漿化或懸浮的水的量；(d)反應混合物的溫 度；(e)所用反應器的種類；(f)攪拌或混合的種類和速率；(g) 反應中保持的壓力；(h)副產(chǎn)物反應物的性質(zhì)；(i)副產(chǎn)物反應物 和/或選擇的CCPs或CCP組合物的加入速度；和(j)反應持續(xù)時間。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，反應程度也可控制。例如，可 通過考慮和改變下列一種或多種條件的組合來達到本發(fā)明任何實施 例的特定反應程度(a)選擇的CCPs或CCP組合物的溶解度；(b) 從選擇的CCPs或CCP組合物提取出的金屬、金屬硅酸鹽和/或二氧 化硅的數(shù)量，尤其考慮Na、 K、 Mg、 Ca、 Ba、 Al、 Fe和Si; (c) 反應的pH分布；(d)反應的放熱量分布和/或溫度分布；(e)反 應混合物的粘度；(f)攪拌或振蕩的類型和速率；(g)反應的持續(xù) 時間；和(h)用于進行反應的反應器類型。本文所得的反應副產(chǎn)物的化學和物理性質(zhì)也可通過考慮和改變 下列一種或多種非限制性因素的組合來控制(a)粒徑分布；(b) 表面積；(c)真實和/或松密度；(d)硬度和/或可磨細度指標；(e)水中的溶解度；(f)水溶液或懸浮液的pH值；(g)在水中溶解或 懸浮的吸熱量或放熱量；(h)水溶液或懸浮液的粘度；(i)在水中 懸浮的沉淀速率和程度；(j)滴定法測得的酸值或堿值；(g)與酸 性、石咸性或中性物質(zhì)的反應性和/或凝結行為(setting behavior);和 (k)與水的自凝結行為。上述反應副產(chǎn)物的任何化學和物理性質(zhì)可通過考慮和改變下列 一種或多種非限制型因素的組合來進一步控制(a)酸性反應物與 選擇的CCPs或CCP組合物的反應條件；(b)用于干燥工藝的設備 種類；(c)干燥的溫度、速率、程度和階段；(d)用于研磨干燥 產(chǎn)物的設備種類；和(e)研磨的溫度、持續(xù)時間、程度和階段。CCP水泥/膠結性材料本發(fā)明的另 一個方面提供CCP膠結性材料，其中包含本文提供 的任意的反應副產(chǎn)物。反應副產(chǎn)物可用作單 一 組分的膠結性材料。 通過只加入水，或水與那些與波特蘭水泥業(yè)具有共性的混合物和/或 細骨料和/或粗骨料的結合，其可以經(jīng)過凝結和固化形成適于建筑、 建筑材料或廢物封裝應用的水泥漿料、灰泥或混凝土。其它優(yōu)選的實施方案包括將這里的產(chǎn)物與其它的水泥形成組分 結合，后者包括但不限于(a)包含鈣、鎂、鋁、鐵、鈦和/或二氧 化硅的礦物質(zhì)，例如菱鎂礦、水鎂石、白云石、白云石質(zhì)灰?guī)r、石 灰石、磷灰石、4失鋁氧石、紅柱石、三水鋁礦、勃姆石、水鋁石、 藍晶石、富鋁紅柱石、硅線石、礬土、氧化鋁水合物、氫氧化鋁、 鈦鐵礦、金紅石、板鈦礦、銳鈦礦、鈣鈦礦、赤鐵礦、褐鐵礦、針 4失礦、i茲《失礦、隕4失、高嶺石組、蒙脫石和^"利石粘土礦物例如高 嶺石、敘永石、斑脫土和蒙脫土、硅酸鹽和鋁硅g臾鹽礦物質(zhì)例如蛭 石、亞氯酸鹽、云母、頁巖、滑石、蛇紋石、泥石、長石、石圭灰石、 沸石、火山灰、火山灰和沙，和/或(b)包含鈣、鎂、鋁、鐵、鈦和 /或二氧化硅的化合物，例如氧化鎂、含鎂石灰、氫氧化鎂、石灰、 氫氧化鈣、氧化鋁水合物和氫氧化鋁，和/或(c)來自采礦和礦石和 金屬加工業(yè)的副產(chǎn)物,例如廢石和上覆層、廢礦石、廢棄的脈石、漂浮淤泥、礦山尾礦、酸滲濾液、酸排出物、紅泥、磷石膏、鋁酸鈣、 煅燒爐渣滓、高溫分解渣滓、酸再生法垃圾、堿再生法垃圾、電解 泥、陽極爐爐渣、耗盡的火磚、爐渣、硅粉、和廢水處理淤泥，和/ 或(d )來自煤炭氣化、煤炭液化和原油煉制業(yè)的副產(chǎn)物，例如廢頁巖、 焦炭、氣化器灰燼、液化器灰燼、轉窯水泥飛灰、分離器淤泥、漂浮淤泥和塘泥，和/或(e)藥物和精細化工業(yè)的副產(chǎn)物例如氧化鋁水合物、氫氧化鋁、硼酸、硼酸鹽、二氧化硅、硅酸、廢催化劑、廢 催化劑載體、沸石、分子篩、和有機硅氧烷，和/或(f)生物技術、 食品、飼料、木材和農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)品，例如生物質(zhì)和木質(zhì)素，和/或(g) 源自生物質(zhì)的灰燼例如谷糠灰、甘蔗蔗渣灰塵、谷?；覡a和木灰。 這些混合物，只加入水，或水與那些與波特蘭水泥業(yè)具有共性的混 合物和/或細骨料和/或粗骨料的結合，其可以固化形成適于建筑、建 筑材料或廢物封裝應用的水泥、灰泥或混凝土。水泥形成反應產(chǎn)物 可包含結晶和/或無定性金屬鹽或復合物、金屬硅酸鹽、金屬氧化物、 二氧化硅及其組合的混合物。本發(fā)明的另一個方面提供控制CCP水泥混合物性質(zhì)的方法?？?通過變化參數(shù)來控制這些性質(zhì)，包括但不限于下列一種或多種考慮 (a)水泥混合物與水的反應性；(b)水泥混合物在水中的粘度； (c)混合物可加工性；(d)對水的需求；(e)放熱量的發(fā)展度； (f)對延遲劑或加速劑的需求；(g)對增塑劑的需求；(h)凝結 時間；(i)混合物的固化表現(xiàn)；(k)混合物的最終表現(xiàn)；(1)固 化時間；(m)半/固化產(chǎn)品的硬度；(n)半/固化產(chǎn)品的壓縮和/或 抗張強度；(o)半/固化產(chǎn)品的彈性模量；(p)半/固化產(chǎn)品的膨脹 或收縮行為；(q)半/固化產(chǎn)品的孔隙度；(r)半/固化產(chǎn)品在空氣 和/或水中的滲透性；(s)半/固化產(chǎn)品的密度；(t)半/固化產(chǎn)品的 pH值；(u)半/固化產(chǎn)品的碳化行為；(v)半/固化產(chǎn)品在酸性、 中性、堿性條件下的可浸出性；(w)半/固化產(chǎn)品針對淡水、廢水、 海水、污水及其他與礦業(yè)、礦物質(zhì)加工、金屬加工、精細化學、藥 物、石油、聚合物、食品、飼料、農(nóng)業(yè)的、木材、能量、運輸、廢物處理和廢物處理區(qū)有關的試驗介質(zhì)的長期耐抗性；(x )半/固化產(chǎn) 品的電導性和/或電阻性；(y)半/固化產(chǎn)品對于鋼鐵、鋁或其他的 金屬、碳、塑料、陶瓷、作為增強劑或填料的復合或天然纖維(例 如黃麻、大麻纖維、亞麻、劍麻、椰纖維、竹、甘蔗和草纖維)的腐 蝕性；(z)半/固化產(chǎn)品對于鋼鐵、鋁或其他的金屬、碳、塑料、陶 瓷、作為增強劑或填料的復合或天然纖維(例如黃麻、大麻纖維、 亞麻、劍麻、椰纖維、竹、甘蔗和草纖維)的粘合和/或強化性。這里提供的水泥的上述性質(zhì)還可通過改變一種或多種下列因素 來進一步控制(a)副產(chǎn)物反應物與選擇的CCPs或CCP組合物的 反應條件、(b)用于干燥反應產(chǎn)物的設備種類和干燥條件；(c) 用于研磨干燥產(chǎn)物的設備種類和條件；和(d)用于形成水泥混合物 的其它水泥形成組分和混合物的種類和數(shù)量。本發(fā)明進一 步通過下面的實施例進行說明。實施例1粉煤灰F ( 50g )用水(20g )漿化，所得漿料經(jīng)5分鐘加入磷酸 (75g, 86%w/w的水溶液)和水(20g)的混合物中，然后在室溫 下以300rpm攪拌。觀測到反應混合物的溫度經(jīng)IO分鐘上升到359K， 隨后再攪拌IO分鐘得到觸變凝膠。凝膠轉移到玻璃蒸發(fā)皿中，將材 料在393K在空氣中干燥三天得到脆的灰色固體(109g)，標示P205 含量為43%w/w,用研缽和扦磨為粉末。得到的磷酸鹽化粉煤灰F (40g)與未分級的粉煤灰(65g)和25g水混合，形成糊狀，將糊 鑄成1 x2x2英寸的矩形模體并在50%RH室溫下固化兩天。在樣品 小的表面的抗壓強度試驗顯示在2815psi時斷裂。實施例2粉煤灰F ( 400g )用水(200g )漿化，所得漿料經(jīng)2分鐘加入磷 酸(600g, 86%w/w的水溶液)和水(400g)的混合物中，然后在 室溫下以300rpm攪拌。觀測到反應混合物的溫度經(jīng)10分鐘上升到 339K,隨后再攪拌20分鐘得到觸變凝膠。凝膠轉移到玻璃蒸發(fā)皿中，將材料在393K在空氣中千燥三天得到脆的灰色固體(770g),標示 P20s含量為49。/。w/w,用配有0.5mm篩的IKA撞擊磨將其碎成粉末。 得到的磷酸鹽化粉煤灰F ( 80g)與未分級的粉煤灰(160g) 、 ASTM 石少(200g )、硼酸(4g )和55g水混合，形成糊，將糊鑄成2x2x2 英寸的立方?jīng)_莫體，并在50%RH室溫下固化4天?？箟簭姸仍?險顯 示在3300 psi時斷裂。
反應控制和其它副產(chǎn)物水泥組合物
本發(fā)明的原理可用于上述CCP水泥之外的其它副產(chǎn)物水泥?？?以理解的是根據(jù)本發(fā)明的多個方面，通過將選擇的反應物與其它工 業(yè)副產(chǎn)物或本文所描述的其它副產(chǎn)物組合物進行可控的物理組合和/ 或化學反應可制備多種產(chǎn)物。類似的，可以調(diào)節(jié)物理組合和/或化學 反應的化學組分和條件，例如組分的w/w比例，其物理組合和/或化 學反應的方式和所用的工藝條件和設備種類。而且，任何前述生產(chǎn) 水泥組合物的前述組成和方法可以用于聯(lián)產(chǎn)或多聯(lián)產(chǎn)工藝，包括 2007年4月25日提交的美國臨時專利申請No. 60/914,026(WSGR Docket No. 34400 - 707.101)以及同時4是交的發(fā)明名稱為"conversion
of coal-fired power plants to cogenerate cement"的美國專利申請
No.l 1/758645 ( WSGR Docket No. 34400- 707.201 )，其全部內(nèi)容在 此引入作為參考。
可以理解的是，由上面所述，盡管已經(jīng)描述和說明了具體的實 施方案，仍可產(chǎn)生多種改變并已在本文中完成。不應認為本發(fā)明受 限于所提供的具體的實施方案。盡管本發(fā)明的描述參考了在前提到 的說明，優(yōu)選的實施方案的說明和描述不應看作是對本發(fā)明的限制。 此外，可以理解的是本發(fā)明的所有方面不限于具體的描述、圖或本 文提出的其它相關部分，后者取決于多種條件和變化。本發(fā)明實施 方案在形式和細節(jié)上的多種變化對本領域技術人員而言是顯然的。 因此認為本發(fā)明應該包括任何這樣的變化和等同方式。
權利要求
1、一種聯(lián)產(chǎn)煤燃燒產(chǎn)物水泥的方法，其包括以下步驟選擇用于與煤燃燒產(chǎn)物反應的副產(chǎn)物反應物；副產(chǎn)物反應物與煤燃燒產(chǎn)物進行化學反應，以在產(chǎn)生能源的燃煤電廠附近聯(lián)產(chǎn)煤燃燒產(chǎn)物水泥以減少對環(huán)境的影響，其中煤燃燒產(chǎn)物直接由燃煤電廠的至少一個抽取點收集。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中副產(chǎn)物反應物是磷酸鹽反 應物，且煤燃燒產(chǎn)物水泥是磷酸鹽水泥。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中副產(chǎn)物反應物是以下的至 少一種或多種硫酸鹽、磺酸鹽、硫酸酯、磺酸酯、硫酸鹽或磺酸 鹽JUL 。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中副產(chǎn)物反應物是以下的至 少一種或多種羧酸、羥基羧酸、羧酸酯、羥基羧酸酯、羧酸鹽或 羥基羧酸鹽。
5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中副產(chǎn)物反應物是選自下列 的至少一種堿性反應物金屬氬氧化物、碳酸鹽、硅酸鹽或鋁酸鹽。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括向煤燃燒產(chǎn)物水泥 中加入選自下列的至少一種廉價礦物質(zhì)、加工過的礦物質(zhì)、采礦 副產(chǎn)物、礦物質(zhì)加工副產(chǎn)物、金屬精煉副產(chǎn)物、石化副產(chǎn)物、精細 化工副產(chǎn)物、藥物副產(chǎn)物、農(nóng)業(yè)化學副產(chǎn)物、生物技術副產(chǎn)物、食 品副產(chǎn)物、飼料副產(chǎn)物、能源工業(yè)的副產(chǎn)物、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物、林業(yè)副 產(chǎn)物和市政副產(chǎn)物。
7. 權利要求l所述的方法，其中所述煤燃燒產(chǎn)物水泥是水硬性 水泥。
8. 權利要求l所述的方法，其中所述水硬性水泥是酸堿水泥或 石威性》圭酸鹽水泥。
9. 一種煤燃燒磷酸鹽水泥，其包括磷酸鹽反應物、來自燃煤電 廠的粉煤灰和至少 一種除粉煤灰之外的煤燃燒產(chǎn)物。
10. 根據(jù)權利要求9所述的煤燃燒磷酸鹽水泥，其中至少一種 煤燃燒產(chǎn)物來自同一燃煤電廠。
11. 根據(jù)權利要求9所述的煤燃燒磷酸鹽水泥，其中粉煤灰是 ASTM F級粉煤灰，而且至少一種煤燃燒產(chǎn)物是一種未分級的粉煤 灰。
12. 根據(jù)權利要求9所述的煤燃燒磷酸鹽水泥，其進一步包括 至少一種選自下列的添加劑礦物質(zhì)、加工過的礦物質(zhì)，采礦副產(chǎn) 物、礦物質(zhì)加工副產(chǎn)物、金屬加工副產(chǎn)物、能源副產(chǎn)物、藥物副產(chǎn) 物、精細化工副產(chǎn)物、生物技術副產(chǎn)物、食品副產(chǎn)物、伺料副產(chǎn)物、 木材副產(chǎn)物或農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物。
13. —種基于燃燒產(chǎn)物生物質(zhì)的水泥，其包括來源于生物質(zhì)資源的含有木質(zhì)素的的副產(chǎn)物反應物； 和至少一種煤燃燒產(chǎn)物。
14. 如權利要求13所述的基于燃燒產(chǎn)物生物質(zhì)的水泥，其中至 少一種煤燃燒產(chǎn)物是ASTM F級粉煤灰。
15. 如權利要求14所述的基于燃燒產(chǎn)物生物質(zhì)的水泥，還包括 一種未分級的粉煤灰。
16. 如權利要求13所述的燃燒產(chǎn)物生物質(zhì)水泥，其還包括至少 一種選自下列的添加劑礦物質(zhì)、加工過的礦物質(zhì)、采礦副產(chǎn)物、 礦物質(zhì)加工副產(chǎn)物、金屬加工副產(chǎn)物、能源副產(chǎn)物、藥物副產(chǎn)物、 精細化工副產(chǎn)物、生物技術副產(chǎn)物、食品副產(chǎn)物、飼料副產(chǎn)物、木 材副產(chǎn)物或農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物。
全文摘要
一種煤燃燒產(chǎn)物水泥組合物，它是通過利用相對廉價的工業(yè)副產(chǎn)物和低價值的礦物質(zhì)制備的?？梢蕴峁┒喾N具備高度可用性和對環(huán)境影響較小的水泥。煤燃燒副產(chǎn)物和其它由煤或燃煤電廠的煤或生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的大規(guī)模廢物，可選地與廉價礦物質(zhì)、加工過的礦物質(zhì)，和/或礦業(yè)、礦物質(zhì)加工、金屬精煉、石化、精細化工、藥物、農(nóng)業(yè)化學、生物技術、食品、飼料和能源工業(yè)的副產(chǎn)物，以及農(nóng)業(yè)和市政的副產(chǎn)品相結合，可用于提供改善的水泥和膠結性材料，較之包括波特蘭水泥在內(nèi)的傳統(tǒng)水泥，更經(jīng)濟并且對環(huán)境更為有益。
文檔編號C04B7/06GK101293746SQ20071010898
公開日2008年10月29日 申請日期2007年6月11日 優(yōu)先權日2007年4月25日
發(fā)明者I·吉爾, M·波拉特, S·比林頓 申請人:加州水泥公司