[发明专利]制备硫硅钙石-贝利特-硫铝酸钙-熟料的方法

说明书

本发明涉及硫硅钙石-贝利特-硫铝酸钙（铁酸盐）-熟料(TBC$A(F))的制备。本发明还涉及使用替代性原料来制备熟料，所述替代性原料例如基于工业副产物(主要是低品质)的原料，例如具有低的玻璃含量和/或高的游离石灰含量和/或高含量的结晶高温相的熔渣块和灰料，以及具有类似化学组成的天然存在的石材和石材玻璃。

水泥工业造成全球CO₂产量的相当大部分。近年来，全世界不断增长的水泥需求量（尤其是在发展中国家）以及用于原料、能源和CO₂证书的不断上升的成本导致熟料系数不断降低，例如通过添加石灰石粉、飞灰和粒化矿渣砂作为熟料替代材料。来自其它工业的副产物和废品的这种应用以及替代粘结剂的开发日益成为政治、科学和经济中的关注焦点。

在全世界，在热能废物处置/能量生成、钢生产、贵金属提取等中生成巨大量的在下文中被称作工业副产物的材料。根据品质/组成/应用领域，可将其部分或全部再用于各种工艺和产物中，例如作为波特兰水泥的熟料生产中的调节剂，作为混凝土添加剂以及作为沥青和混凝土的骨料等。

但是，由于各种因素，例如缺乏均匀性（化学机理和矿物学）和有害物质成分（有机物、重金属等），工业副产物的使用并非没有问题的。尤其是OPC-熟料的下降的反应性/品质或水泥的不足的体积稳定性会导致大量的此类材料每年必须以巨大的花费堆放或用作料堆材料和堆放材料。此类材料的堆放也会遇到困难，例如浸出过程可能导致污染周边地区和水域/地下水。

工业副产物的使用/处理因此构成主要挑战并且是尚未解决的问题。在将来，尽可能有效和可持续地利用资源是不可缺少的并具有全球重要性。

除替代水泥中的熟料和生料混合物中的原料外，还尝试找出其它水硬性粘结剂。这些包括硫铝酸盐水泥和含有贝利特作为主要组分的水泥。

为了简化进一步描述，使用水泥工业中常见的下列缩写：H–H₂O，C–CaO，A–Al₂O₃，F–Fe₂O₃，M–MgO，S–SiO₂和$–SO₃。

为了简化进一步描述，化合物通常以其纯形式标示，而没有明确陈述混合系列/杂质离子替代等，因为它们是技术和工业材料中常规的。本领域任何技术人员理解，在本发明中具名提及的相的组成由于被各种杂质离子替代而可变，其取决于生料的化学机理和生产类型，其中此类化合物同样被本发明的保护范围涵盖。

现有技术

在工业上，硫铝酸钙-水泥通常通过均化的细微分布的天然原料，如石灰石、铝土矿、石膏/半水合物/硬石膏、富铝粘土和SiO₂源在回转炉中在1100℃至1350℃的烧结制备并具有与波特兰水泥相比明显不同的化学机理和相成分。表1中比较了波特兰水泥(OPC)和硫铝酸盐水泥(BC$AF)中存在的相。在硫铝酸盐水泥中，不同的工业副产物，如矿渣砂和飞灰也可以添加到生料中。

硫铝酸钙-水泥的决定性的水硬活性成分是具有下列组成的化合物的（混合）晶体：3 CaO ·3 Al₂O₃ ·CaSO₄-3 CaO ·3 Fe₂O₃ ·CaSO₄（C₄A₃$-C₄F₃$；硫铝酸盐-硫铁酸盐,Ye'elimit），其在与水搅拌后并在可溶性硫酸盐和附加钙载体存在下反应形成钙矾石，3 CaO ·(Al₂O₃/Fe₂O₃) ·3 CaSO₄ ·32 H₂O以及不同的单相。形成的（水合物）相（例如钙矾石 [AF_t]、单相 [AF_m]等）可以结合并持久固定大量不同的（有害）物质，例如通过引入到水合物相的晶体结构中、积聚在颗粒表面、固定在水泥胶料中、例如作为氢氧化物/碳酸盐沉淀出来等。硫铝酸钙-水泥的另外两种水硬活性相是硅酸二钙(C₂S)和铁铝酸四钙(C₄AF)，但它们主要有助于最终强度。

表1：与BC$AF比较的OPC的化学机理和矿物学

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