改造燃煤电厂用于联产水泥 |
|||||||
申请号 | CN200710111936.1 | 申请日 | 2007-06-11 | 公开(公告)号 | CN101293747A | 公开(公告)日 | 2008-10-29 |
申请人 | 加州水泥公司; | 发明人 | M·波拉特; I·吉尔; S·比林顿; | ||||
摘要 | 本 发明 提供将全然不同的燃 煤 电厂改造为联产均一可用并具备经济效益的 水 泥的电厂的系统、工艺和方法。该联产使得同时生产 电能 和 水泥 成为可能,并因此具有显著的经济效益和环境益处,消除了主要的 温室 气体 排放源并因此减少了影响 气候 变化 的主要因素。 | ||||||
权利要求 | 1、一种联产电能和水泥的方法,包括唯一的煤燃料源的燃烧和 就地混合步骤。 |
||||||
说明书全文 | 背景技术用于发电的煤燃烧是导致全球变暖的主要原因,每年产生数十 亿吨的CO2和其他温室气体,尽管煤燃烧和碳收集技术进一步发展, 仍预计GHG排放会显著提高。在2003年,煤占据了世界总能源消 耗的百分之二十四。在未来的20年世界煤消耗和导致的GHG几乎 会倍增,由2003年的54亿短吨到2030年的106亿吨。用于水泥生 产的煤燃烧同样是导致全球变暖的主要原因,在2007年产生超过20 亿吨的CO2和其他温室气体,尽管有工业承受量,总的排放仍预计 会大量提高。例如,水泥生产的排放在过去的15年增加了超过85 %。 CFPPs和普通波特兰水泥(“OPC”)工业是并行和独立运作的。 CFPP工业燃烧煤产生高压蒸汽以驱动发电涡轮,而OPC工业燃烧 煤以将石灰石、粘土和焦炭转化为水泥熟料。本发明描述了将这两 种工业结合为一种的工艺和方法,通过应用CFPPs联产电能和水泥, 由此生产OPC不再需要煤燃烧。本发明可以在全球范围内显著减少 煤燃烧和其导致的温室气体。 根据美国政府,全世界可采煤总储量估计为10010亿吨-足以 维持大约180年。加上其他估算,地球上仅有大约250-300年的可 供经济开采的煤。如同不可再生的石油储量,煤储量也是不可再生 的,经济上切实可行的矿藏会最终耗尽。 全球每年的水泥需求超过21亿吨,并每年大约增长5%。为满 足这一需求,OPC工业每年燃烧数十亿吨煤。窑炉通常使用粉碎的 煤或焦炭作为燃料,且生产大约900g的水泥消耗大约450g的煤。 因此,水泥生产窑消耗超过10亿公吨的煤。在美国,有过400多家 的燃煤电厂。重要的是,世界面临的局面是在79个国家有超过7000 座的燃煤电厂,每年排放超过90亿吨的CO2-到2012年超过310 亿吨。水泥通常是利用煤或焦炭作燃料通过在1450℃下煅烧石灰石 和粘土炭的混合物来生产。该工艺每吨水泥释放大约一吨二氧化碳 -半吨来自石灰石自身的煅烧,另一半来自煤或焦炭的煅烧和烧结。 世界范围的水泥生产超过25亿吨,由此产生超过25亿吨的CO2,这 超过人类活动释放CO2总量的7%。考虑到用于运输的能源和排放对 陆地、水源和大气质量的有害效应,水泥生产也具有负面影响。 全球每年的电能(能源)需求超过170亿千瓦时,并且还以每 年3%增长。电能通常是在CFPPs通过燃烧煤,产生高压蒸汽以驱 动发电涡轮而产生。其他产生电的方法包括利用水坝、天然气、风 力和太阳能。全世界大约25%的电是通过CFPPs产生的。为满足这 一需求,CFPP工业每年要燃烧大约60-70亿的煤。此外,在未来 数年中来自CFPPs的GHG排放据估计占据全球GHG排放的大约30 %。 CFPPs产生多种煤燃烧产物(“CCPs”)。根据某些估算,每年 存在480MT的CCPs,中国为100MT(百万吨),美国为83MT和 印度为80MT。这些CCPs通常被视为工业废物,但可被用于其他工 业,特别是已知粉煤灰具有胶结性。目前CCPs并未被充分有效利用。 在美国,2005年的粉煤灰产生总量-一种CCP成分-是71MT,但 只有29MT的粉煤灰(41%)被用于某些具有经济效益的方面;其 余都被作为垃圾掩埋。29MT的粉煤灰中只有15MT(21%)用于混 凝土和混凝土工业。CCP的其他成分-如炉底灰和锅炉渣-并未为 波特兰水泥业广泛使用。本发明通过利用就地联产电能和水泥的优 势,寻求获得未被充分利用的CCPs的最大经济效用。 CFPPs有效地消耗大部分由燃烧煤产生的BTUs以产生沸水、蒸 汽、压缩空气和暖气。这些能源中的许多都被回收和循环。然而, 仍有多达80%的能源被浪费。换言之,每磅BTUs只有大约20%实 际上被转换为电能。本发明通过利用就地联产电能和水泥的优势, 寻求获得未被充分利用的BTUs在沸水、低压蒸汽和压缩/暖气方面 的最大经济效用。 另外,CFPPs消耗了发电厂本身的大量地产,用于材料运输和 存储。本发明通过利用就地联产电能和水泥的优势,寻求获得未被 充分利用的地产的最大经济效用。 另外,CFPPs消耗大量的铁路运输和水运资源。例如,通常的 CFPP每天消耗煤3-5“铁路运输单位”。每个铁路运输单位包括100 车皮煤,每车皮运输100吨,或是每单位10000吨。火车随后空车 返回。此外,世界范围的波特兰水泥厂每年消耗大约10亿吨煤。相 应的,波特兰水泥厂需要石灰石。在那些石灰石开采矿与水泥厂在 同一地区的情况下,运输负担较低。然而,很多情况下,石灰石要 通过铁路运输。本发明通过利用就地联产电能和水泥的优势,不再 需要运输煤和石灰石,从而可以寻求获得未被充分利用的运输资源 的最大经济效用。 全世界范围内都存在对更有效地利用能源的系统和工艺的需 求,以及更有效地利用热能生产所得到的副产物的需求。 发明内容本发明提供多联产电能和水泥的系统、工艺和方法。 本发明的主要方面在于通过提高在电力工业中所消耗能源和资 源的利用效率来生产水泥这一突破性创新。本发明的一个方面是利 用可持续的水泥生产技术减少全球温室气体(GHG)的排放(例如 CO2排放、NOx、SOx、微粒)和所导致的气候变化。本发明的另一 个方面是同时改善电能和水泥工业的经济效益(例如资产所得利润、 投资报酬率、毛利、净利润)。 因此,世界上成批的现存燃煤电厂和新燃煤电厂可有效改造为 能够多联产电能和水泥。本发明的方面在于减少或消除水泥生产对 燃烧煤的需求,从而减少来自水泥生产的GHG排放。这样水泥成为 电能生产的有效多联产副产物。进而,多联产减少或基本消除了支 持世界水泥工业的运输成本(即减少了运输到水泥厂的原材料的量)。 本发明一个优选的实施方案提供将所有现存的燃煤电厂改造为 能够联产水泥的系统、方法和工艺。经估算世界范围内存在数千个 CFPPs可以改造为联产电能和水泥。这些现存的工厂每年产生数十 亿吨的粉煤灰和其他CCPs。 世界电能需求每年增加3%。相应的,CFPPs工业宣布计划在世 界范围快速扩大其生产能力。本发明另一个优选的实施方案提供系 统、方法和工艺以将任何新的燃煤电厂改造为联产水泥。经估算现 有数百个新的CFPPs计划在世界范围内展开,它们均可被改造为联 产电能和水泥。这些工厂投入使用后每年可产生数十亿吨的额外的 粉煤灰和其他CCPs。根据本发明的这些和其他方面,作为待建新发 电厂的设计部分,可包括额外的空间和设备以用于就地生产水泥。 对于现存CFPP和新CFPP两种情况,所产生的水泥都将是切实 可行并有保证的,其为环境上可接受的并且具备成本竞争力。这些 水泥可作为传统波特兰水泥的实用替代品。 结合随后的描述和附图可进一步理解本发明的其他目的和优 势。尽管随后的描述可能包含本发明实施方案的具体细节,这些细 节不应理解为是对本发明范围的限制,而只是优选实施方案的说明。 对本发明的各个方面,对本领域普通技术人员而言多种变化都是可 能的。在本发明范围内可存在多种变化和修改而不背离本发明的精 神。 附图说明本发明的新特征在附加的权利要求中详细陈列。以随后实施方 案的细节描述作为参考可以更好地理解本发明的特点和优势,在这 些实施方案和附图中运用了本发明的原理。 图1图示了一般性的CFPP并指出了有价值并未被充分利用的资 源,包括煤燃烧产物例如粉煤灰、炉底灰和锅炉渣;能源密集的副 产品例如热水、蒸汽、暖气、压缩空气和电力;和物质资源例如进/ 出铁路运输、进/出水运和地产。 图2说明设计用于多联产电能和水泥的CFPP,包括在图1中所 列举的全部资源以及它们怎样与水泥多联产系统相结合,包括锅炉、 反应器、干燥器、鼓风机、机械研磨步骤;和对形成的水泥进行表 征、优化和验证的步骤。 图3是流程图和方框图,描述各种提取点用于除去能源密集的 副产品(沸水、蒸汽、暖气、压缩空气和电力),其中(a)表示低效 率的点,其中额外的能量产生要求会加重CFPP的负担;和(b)描述 有效率的点,用微不足道的边际成本,即几乎不需要或者无需额外 的煤燃烧,得到能源密集的副产品。 图4验证了本发明固有的异质性问题,其中煤原料和CFPP的“指 纹”特征可显著影响所得到的多联产水泥的性能;并描述了引入异质 性的三种情况;和描述了用以表征、优化和验证(COV)所产生水 泥为合格的“标准水泥”(SC)的工艺区域。基于所采用的COV工艺, 每一个产生的SC根据需要可以是相同或不同的。 图5验证了显著降低了联产运输负担的三种概括性情况,其中 (a)描述了一种典型的CFPP铁路运输系统;(b)描述了典型的 OPC铁路运输系统;和(c)描述了联产水泥是如何通过低于一半的 运输成本和负担进行供应的。 图6说明本发明用于联产电能和水泥的多种实施方案。 具体实施方式本发明提供联产能源和水泥的系统、工艺和方法。利用CCPs、 其它有价值的资源以及CFPPs有关副产物可以生产多种水泥。在本 申请中,术语“多联产(polygeneration)”包括在水泥生产中利用 热能生产的副产物。多联产包括但不仅限于联产(cogeneration), 例如通过利用热能生产(例如CFPP电力生产)中产生的副产物生产 水泥。此外,如本文中所述,多联产包括来自一种工业过程的资源 (例如副产物)的生产,并且其本身对于其它工业过程是有用的。 而且,多联产包括综合利用来自一种工业过程(例如联产热能/电能) 的各种资源和/或副产物实施第二种工业过程(例如生产水泥、混凝 土等)。 本发明通过优化经济效率和天然资源的使用并且减少温室气体 的方式,提供联产的热能和水泥。在本发明的多个实施方案中,联 产工艺包括通过唯一的煤燃烧生产水泥以及热能或电能。在一个实 施方案中,唯一的煤燃烧包括燃烧碳以产生热能,热能产生电能, 而电能再用于水泥生产中使用的水泥锅炉的运转。因此,CFPP通过 利用热能来产生电能、热能或其他用于或源于该工艺的产物或资源 可被用于就地生产水泥。 经过估算能源工业及其CFPPs到2030年将会消耗多于100亿 吨。CFPPs的运转产生CCPs例如粉煤灰(ASTM C级、ASTM F级 和未分级的)、炉底灰、锅炉渣和洗涤器淤渣/残渣。例如,在2005 年,美国的CFPPs产生1亿2千3百万吨CCPs,包括71(“MT”) 粉煤灰,18MT炉底灰和大约18MT流化气体脱硫湿式洗涤器残渣。 大约17MT的粉煤灰被水泥工业购买(直接或间接)用于波特兰水 泥。一些声称“绿色”或者“足够使用”的波特兰水泥通常包含大约15- 20%w/w的粉煤灰,尽管已经制得包含高达90%粉煤灰的实验水泥。 然而,大多数这样的CCPs都被作为垃圾掩埋。 相应的,根据本发明提供的成分、方法和系统可以收集用于燃 煤电厂的CCPs流以用于就地生产CCP含量相对较高的水泥。通过 把水泥生产和电能生产结合在一起,可获得许多经济、性能和环境 的益处。这些益处包括节约能源工业的成本,保护自然资源和垃圾 掩埋空间,减少温室气体排放例如CO2排放。根据本发明,CFPPs 可以便利地提供副产物并与水泥制造业共享资源以提供联产系统和 工艺。 CFPPs和相关资源 图1描述了利用CFPP中的多种原材料和其他资源的多联产。来 自CFPPs并加以利用的原材料包括但不限于煤、CCPs例如各种等级 的粉煤灰、流化床燃烧的灰(FBC)、炉底灰、烟气脱硫的副产品 (FGD),FGD石膏或者锅炉渣。各种等级的粉煤灰包括ASTM F级、 ASTM C级和未分级的粉煤灰。碎煤和旋风锅炉通常产生粉煤灰、炉 底灰和矿渣。此外,基本上大量粉煤灰被锅炉烟气带走并在CFPPs 的集尘室静电式除尘器(ESPs)中被收集起来。炉底灰在灰分微粒软 化或者熔化时形成并且粘着在炉壁和锅炉管聚集成团并落到位于熔 炉底部的贮槽中。炉底灰可以被干燥或者作为浆料转运到脱水槽,在 那里先除去水,然后灰分转移到应用位点或者存储器贮存。 可以选择各种来自其他工业的CCPs和副产物用于本发明的水 泥和生产方法。例如,可以选择大量的一或多种CCPs例如ASTM C 级粉煤灰、ASTM F级粉煤灰、未分级的粉煤灰、炉底灰和/或锅炉 渣以及一种或多种其他的矿物质、工业、农业和/或城市副产物,和/ 或低价值矿物质。为了描述本发明的各个方面,应该理解CCPs包括 煤和其各种燃烧形式本身以及其燃烧副产物。 本发明的一个优选的实施方案包括在所需要的CCP水泥中掺入 选定级别的粉煤灰例如F级粉煤灰。在本发明的其他实施方案中, CCP组分可以来自下组中的多种煤燃烧产物:F级粉煤灰、C级粉煤 灰、未分级的粉煤灰、炉底灰和/或锅炉渣以及一种或多种其他的矿 物质、工业、农业和/或城市副产物,和/或低价值矿物质。下文或其 他地方将对其有描述。 在本发明的一个优选的实施方案中,完全不同的CFPP可被改良 和转变为联产工厂以生产电能以及均一可用的高性能经济水泥以替 代波特兰水泥。同时,CFPP运转产生的CCPs可从工厂选择的提取 点或位点被控制或去除用于水泥生产。图1还标出了用于许多CFPPs 的多种结构和设备。 在本发明的许多实施方案中,本发明可用于联产流程图2的资 源包括利用粉煤灰、沸水、热空气、压缩气体和蒸汽,以及由煤燃 烧工厂产生的能源用于在水泥生产中所用机器的运转。 本发明的一个优选的实施方案包括生产各种源自副产物反应物 的水泥以便获得酸-碱水泥、碱金属硅酸盐水泥或其它类型的水硬 水泥,其中副产物反应物包括上面所列举的中的几种。酸-碱水泥 包括掺入了磷酸盐反应物的磷酸盐水泥。例如,浓缩的磷酸水溶液, 例如85%级别的商购的H3PO4可以和其他CCPs或其他副产物一起 反应。尽管对本发明的一些实施方案不是优选的,但是可以使用下 面的更浓缩的磷酸:含有70-100%重量的H3PO4的磷酸反应物。或 者在其他的实施方案中,含有80-90%重量的H3PO4。 本发明所选择的磷酸盐反应物还可以包括其他来源的P2O5物 质。应该理解术语“P2O5物质”包括任何含磷的物质。这些物质的 含磷量通常用P2O5分析和表示,因此术语“P2O5物质”只是示例性 的。根据本发明的这些物质可以选自各种工业和农业化学品和废弃 物。一些合适的P2O5物质的例子包括各种酸性含磷的化合物和磷酸, 例如正磷酸、焦磷酸和其他多磷酸及其盐。其他可选择的P2O5物质 包括磷酸铝溶液、磷酸铵溶液、磷酸钙溶液、来自金属抛光工艺的 浸渍抛光磷酸、来自农业化学工艺的废磷酸、来自钢浸酸防腐蚀的 钢磷酸盐化淤渣酸、来自P2O5废物流处理的硫化砷淤渣酸,以及上 述流体的任意组合。可以使用相对不纯的磷酸,例如这些从低等级 磷酸盐岩石中生产的磷酸,从而这些磷酸盐反应物的低成本使得所 生产的水泥更具有商业上的吸引力。 在一个实施方案中,水泥是非波特兰水泥,其中包括大量的一 种或多种CCPs,其中包括各种级别的(F级和C级)的粉煤灰。 此外,图2还阐述了水泥生产需要的特定的大量的空间/地产(例 如“覆盖区(footprint)”),另一种资源是CFPP提供用于水泥生产的物 理空间(例如棕色地块(brown-field siting))。 图5阐述了用于通常CFPP的运输设备(进/出)的利用,另一 种资源是运用这样的运输设备运进煤作为燃料和运出生产的水泥。 在一些实施方案中,联产CFPP的进/出运输是通过水运(驳船,轮 船)、铁路或卡车。在一个优选的实施方案中,图2的的进/出运输是 通过铁路。 在一些实施方案中,利用CFPPs的现有运输设备,或CFPP利 用新运输设备配置成统一的进/出运输。这些用于联产系统的运输方 式/设备包括水运、铁路、卡车或其结合。 在一个实施方案中,与传统的水泥生产相比,CFPP联产电能和 水泥,使得每吨水泥降低煤消耗达大约10,15,20,25,30,35,45,50, 55,60,65,70,75,80,85,90,95到99%。 在一个实施方案中,与传统的水泥生产相比,CFPP联产电能和 水泥,使得每吨水泥降低电能源消耗达大约10,15,20,25,30,35,45, 50,55,60,65,70,75,80,85,90,95到99%。 在另一个实施方案中,与传统的水泥生产相比,CFPP联产电能 和水泥,使得每吨水泥减少铁路运输达大约10,15,20,25,30,35,45, 50,55,60,65,70,75,80,85,90,95到99%。 在一些实施方案中,本发明通过联产方法生产的水泥包含大约 5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,96, 97,98,99百分比的煤燃烧产物(CCPs)。在另一个实施方案中,通 过联产方法生产的水泥包含2到7,12到17,15到23,22到33,32 到38,37到44,36到48,47到54,46到58,57到64,56到68,67 到74,73到88,76到92,82到95,88到99百分比的CCPs。在另一 个实施方案中,通过联产方法生产的水泥包含50到70,60到80,70 到90,80到95,90到99百分比的CCPs。另外,任何CCPs的混合物 和/或水泥的混合物都能够被应用在本发明的多联产方法中,其中包 括公开在2007年4月25日提交的美国临时专利申请60/914,021 (WSGR案卷号34400.706.101)和同一天提交的美国专利申请 11/758608(WSGR案卷号34400.706.201),其发明题目是“煤燃烧产 物水泥及其相关的生产方法”中的。在此将其全文引入作为参考。 在本发明的一些实施方案中,最终的水泥成品包含从大约1,2,3, 4,5,6,8,9,10,11,12,13,14到15%重量的磷酸盐反应物。在另一 个实施方案中,磷酸盐反应物占水泥的5到10%重量。在一些实施 方案中,磷酸盐反应物是磷酸、磷酸二氢盐(例如磷酸二氢钾)、 磷酸氢盐或其组合。 例如,磷酸二氢钾(0.392Kg)、用烈火煅烧的氧化镁(0.261Kg)、 F级粉煤灰(0.981Kg)、沙子(2.376Kg)和硼酸(13g)和水(0.325 Kg)在Hobart混合器中于室温混合10分钟。将得到的混凝土糊浇 铸成2英寸的立方体,并在50%相对湿度、室温下凝固1天。样品 显示出3708-4109psi的抗压强度。 在另外一个实施例中,三过磷酸钙(40g)、磷酸氢钾(30g)、 死烧的氧化镁(40g)、F级粉煤灰(100g)和沙子(190g)和水(60 g)使用钢刮刀混合5分钟。将得到的混凝土糊浇铸成2英寸的立方 体,并在50%相对湿度、室温下凝固4天。样品显示出2324psi的 抗压强度。 在本发明的一些实施方案中,最终的水泥产品包括大约1-50 %重量的化学或矿物质添加剂。在一些实施方案中,最终的水泥成 品包含化学或矿物质添加剂从大约1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42, 43,44,45,46,47,48,49或50%重量的化学或矿物质添加剂。 这样的添加剂的例子包括但不限于磷酸二氢盐、磷酸氢盐(例如磷 酸一钾)、氧化镁、含镁石灰、石灰、石灰石、铁铝氧石、氧化铝、 赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿、粘土、滑石、蛇纹石、硅灰石、沸石、 火山灰(volcanic ash)、火山灰(pozzolan)、二氧化硅和/或硅粉和 /或水泥混合物,制备单一成分或者混杂的胶结产品。另外的可以用于 本发明方法和系统的添加剂的实施方案在美国临时申请US60914021 中有记载。 在本发明的另一个实施方案中,CFPP联产电能和水泥导致温室 气体减少(例如CO2排放),与未采用联产的比较,在工厂的整个周 期减少大约10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85, 90,95,99%。例如,不同于CFPPs和单独的水泥厂排放CO2,利用 联产的情形只有一个厂排放。 在本发明的又一个实施方案中,联产通过将煤燃料运入和水泥 成品运出统一为一个地点而减少了运输时间和成本。除了减少了运 输的经济成本,将CFPPs的运入和运出结合减少了用于运输煤/水泥 的卡车、火车或轮船的废气排放。在一个实施方案中,用于运输煤、 水泥或CCPs的卡车、火车、轮船或其任意结合的气体排放减少。 因此在本发明的一个实施方案中,本发明的联产工艺、成分组 成和系统减少了煤消耗量(例如煤燃烧),由此在CFPP的整个周期 将水银排放减少了大约10,20,30,40,50,60到70%。 在多个实施方案中,GHGs排放(例如CO2)在1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,50年中,或CFPP联产 工厂整个周期中,减少百分之1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85, 90,95,99。 在本发明的另一方面,煤消耗量的减少(例如煤燃烧)因减少 了有毒物排放而有益于环境。这些排放物包括释放到大气中的微粒 或气体排放物,以及存在于CCPs中的有毒化合物。 在一些实施方案中,与非联产相比,联产工厂的运作将未被使 用的CCPs减少了大约百分之10到30,15到40,20到50,30到 60,40到70,50到80,60到90,70到99,较之于非联产的。众 所周知未被利用的粉煤灰可能包含剧毒和/或放射性化学物质,例如 砷、铀、水银、铅和钍。(灰含量占燃煤的大约5%到15%)。这 些化学物质可能从沉淀槽泄漏到湖泊、河流、小溪、海洋或其它水 域,污染鱼及其他水生生物形式,并且使得饮用这种水或食用被污染 鱼的人或动物得重病,并殃及其胎儿或母乳喂养婴儿。由全球持续 得煤燃烧导致的长期放射性物质的积累是严重的潜在健康危害物。 水银,一种高毒性进化神经毒素,存在于煤中,并在煤燃烧时释放 为挥发性元素水银和有机水泥化合物。这一金属随后随传统煤燃烧 工艺产生的烟释放到大气中。相应的,本发明还将更多的粉煤灰引 入到水泥成分中从而减少未用的粉煤灰和其他CCPs。 在进一步的实施方案中,本发明的联产通过减少传统煤燃烧产 生的环境污染物和/或有害材料有益于环境,包括(a)二氧化硫,它 是一种酸性气体,是主要的大气污染物,是导致酸雨的主要原因, 导致哮喘和永久性肺损害和心脏疾病;(b)其他的硫氧化物(一氧 化硫),(c)二氧化氮,烟雾中的主要成分,导致肺和呼吸道损害, (d)一氧化氮,一种对环境有害的有毒气体(消耗臭氧层,形成光 化烟雾并产生酸雨),并与氧气反应形成二氧化氮,(e)其他的氮(氮 氧化物),(f)一氧化碳,一种有毒气体,通常是燃料不完全燃烧的 产物,是主要的大气污染物,(g)二氧化碳,(h)甲烷(CH4),也 是一种温室气体排放物,怀疑是全球变暖的原因且在煤燃烧时逸出, (i)盐酸,(j)二氧芑,一种有毒化合物,是致癌物质和诱变剂,(k) 挥发性有机物(VOCs),导致烟雾、重病如哮喘和癌症并且损害植物, (1)其他金属(锌、铊、镉、镍和铬),(m)除了铀和钍同位素 之外的放射性金属,例如由铀和钍衰变产生的放射性产物,包括镭、 氡、钋、铋和铅,(n)其他的致癌物和/或诱变剂,和(o)微粒物 质,主要的大气污染物。 使异质煤和CFPP进料归一化的步骤 本发明的一个方面提供运用CFPP和任何煤资源的系统、工艺和 方法用于联产均一的高性能水泥,并具有经济、环境和性能上的优 势。该工艺包括三个主要步骤:表征(针对未燃烧的原料煤和CCPs); 将产生的水泥最优化;针对认可的工业标准试验进行验证。上述表 征-优化-验证简称为“COV工艺”。 图4阐述了通过COV工艺使得异质的煤流、CFPP操作和产生 的CCP归一化的系统、工艺和方法。COV工艺解决了处理自然界的 不同成分进料煤流的问题,指出每个煤矿和同一煤矿的不同矿脉可 能产生显著不同的煤及CCPs。相似的,我们注意到CFPP的“指纹” 或独特特征可能由相同媒源产生显著不同的CCPs。在不同的效率等 级下,即改变温度和/或煤燃烧的时间,操作CFPPs,会导致CCPs 的多样性,尤其是粉煤灰的特征。这些源自不同煤流和CFPP特征的 多样性可以是细微或粗略的。然而,为了生产均一的水泥,必须应 用COV工艺使其成为性能归一化的均一标准的水泥,标记为SC。 图2显示了存在的五种煤源(其化学成分明显不同)和五种CFPPs (同样,其煤燃烧和CCP处理技术显著不同),由此产生五种截然 不同的CCPs。图4显示了这五种独特的煤源、CFPPs和CCPs最终 被归一化为一种均一的水泥SC。 在图4中,煤源#1流向CFPP#A,产生CCP#1A,然后通过 COV归一化为最终均一标准水泥(SC-a)。类似的,煤源#2流向CFPP #B,生产CCP#2B,然后通过COV归一化为最终均一标准水泥 (SC-b)。 在图4中,煤源#3和煤源#4作为混合物都流向CFPP#C,生产 CCP#3/4C,然后通过COV归一化为最终均一标准水泥(SC-c)。 在图4中,煤源#5流向CFPP#D和#E,生产CCP#5D和CCP#5E, 然后通过COV归一化为最终均一标准水泥(SC-d)。 此外,图4显示了多达四种单独的COV工艺介入点以表征、优 化和验证产生的水泥是标准水泥(SC),从而可投入市场。该功能 保证了质量控制。 因此,本发明的COV使得SCs可根据需要生产为相同或不同的。 在多个实施方案中利用不同的COV工艺生产的大量SCs都是相同的 (例如图4,例如SC-a与SC-b相同)。在其他的实施方案中, 通过一种COV工艺生产的SC较之不同COV工艺生产的SC是不同 的(例如SC-a与SC-b不同),这是因为SCs被设计应用于不同 的水泥用途。 在多个实施方案中,水泥产品可包含变化的抗压强度、渗透性 和/或pH。例如,以PSI测得的抗压强度可以从大约1到50,25到 100,75到300,150到500,250到750,500到2000,1000到 5000,2500到7500,5000到10000,7500到15000,10000到 20000,12500到25000,15000到30000,20000到35000,25000 到40000,30000到450000,35000到50000PSI。在一些实施方案 中,测得的水泥产品抗压强度为大约50,100,150,200,250,300,350, 400,450,500,550,600,700,800,900,1000,1500,2000,2500,3000, 3500,4000,4500,5000,5500,6000,6500,7000,7500,8000,8500, 9000,9500,10000PSI。在美国临时申请US60914021中公开了其他 的水泥产品特征的实施方案。 在多个实施方案中,生产的水泥产品具有变化的渗透性,包括 不能渗透的。在一些实施方案中,水泥产品可以是基本上渗透的、 渗透的或者不能渗透的。 COV工艺可以实现对进入的煤进行精确的表征并表征煤燃烧产 物(CCPs);和对产出的水泥产品的进行优化和验证。在COV#1 中,在可能的CCP产出上我们表征了进入的煤流并对可能的CCP产 出建立快速的校准。在COV#2中,我们表征了产生的CCP。在COV #3中,通过调整所有上述的参数,例如温度和沸腾持续时间;溶液中 磷酸浓度;溶液中持续时间;磷酸盐化粉媒灰与非磷酸盐化粉媒灰的 混合比例;加入某些矿物质和/或化学混合物;由机械手段调整产生的 水泥的粒径和形态等等,从而优化水泥。在COV#4中,通过一套标 准化测试和在其他国家相似的测试,这些标准化测试由美国测试和 材料协会(ASTM)和美国混凝土学会(ACI)制定或由其规定变化 衍生,我们验证产生的水泥满足我们作为标准水泥的规格,即可投 放市场。 在一些实施方案中,表征CCP包括用光学和电子显微测定法来 表征进料和输出产品以保证满足规格。在一些实施方案中,由CFPP 生产的CCPs和输出的水泥通过与所需的磷酸盐化CCP和水泥产品 特征相关的物化属性来表征,表征方法包括但不限于光学显微术、 SEM、TEM、XRD、XRF、HPLC、IC、滴定分析、量热学、FTIR、 BET、PSA和/或NMR。 COV工艺的另一个方面是通过调整CCPs的混合比例和选择对 应于不同性能目的的化学物质和矿物质混合物来优化最终的混合水 泥。在一些设计磷酸盐化水泥的实施方案中,优化水泥质量包括调 整磷酸盐化粉煤灰与非磷酸盐化粉煤灰的百分比;调整CCPs的混 合;调整粉煤灰混合物的pH(例如变化磷酸-水比例、加入的矿物 质、生石灰或酸性溶液);调整用于最终混合物的可选混合物材料 的数量(包括化学的或固体/矿物质混合物,例如硼酸以及与波特兰 水泥工业具有共性的化学品或固体/矿物质混合物),例如二氢磷酸 金属盐和金属磷酸氢盐;变化工艺参数(例如变化时间、速度、研 磨和最终混合操作)。进一步的实施方案可包括根据反应器种类控 制反应条件、操作模式、浓度、温度、pH、混合的种类和程度、加 料方式、滞留时间、压力和其他影响化学反应的变量。 在一些实施方案中,一种或多种CCPs与一种磷酸盐混合(例如 磷酸盐、金属二氢磷酸盐和金属磷酸氢盐)以生产“磷酸盐化粉煤灰”, 将其加工用于制备水泥产品(见图2)。 在另一个实施方案中,这样的磷酸盐化粉煤灰与由CFPP收集的 未处理粉煤灰混合。 在又一个实施方案中,这样的磷酸盐粉煤灰可与未处理的粉煤 灰、炉底灰、锅炉渣或其组合进行混合。 在又一个实施方案中,一种或多种添加剂加入一种或多种CCPs 中以生产CCP组合物,该组合物以磷酸盐化合物处理(例如磷酸), 与沸水混合形成浆料(例如图2)。沸水可从CFPP中移出。在一个 实施方案中,这样的混合或磷酸盐粉煤灰浆料在锅炉/反应器中混合, 其中锅炉/反应器利用在图2中由CFPP产生的热水/蒸汽。 在又一个实施方案中,混合的或磷酸盐粉煤灰浆料由图2的利 用CFPP所产生暖气的干燥器/风干器进行处理。 在又一个实施方案中,优化包括,基于工艺、设备和操作模式 的类型、干燥温度、滞留时间、水分含量、粒径和形状以及影响化 学反应的变量控制干燥和粉碎条件。 在一些实施方案中,优化包括对于用于将磷酸盐化CCP、未处 理CCP和/或添加剂转化为最终水泥产品的额外的热处理、研磨和/ 或粉碎操作进行控制。 进而,COV工艺可以通过多种标准测试(例如可加工性、装配 时间、抗张强度)验证所得水泥的QA/QC规格以保证产品具有较高 质量。在一个实施方案中,COV工艺允许生产较高性能的水泥产品。 在一个实施方案中,设计和建造了联产CFPP。在又一个实施方 案中,一个现有的CFPP被改型或改进为以本发明的联产方法进行运 作。 因此,CFPP根据COV工艺被改型或改进为联产CFPP,其中 该工艺可以实现对CCPs的表征、优化水泥产品的加工/生产优化(例 如图2)并且验证水泥的性能等级。 COV工艺的另一个方面是通过将优化混合水泥进行一系列的标 准化水泥和混凝土工业测试以验证产生的水泥(例如,随时间的强 度)。验证测试的例子包括由ACI和/或ASTM规定的测试。然而, 本领域技术人员会认识到任何已知或发展的验证测试都可用于本发 明的COV工艺。 图6提供了本发明主要方面的总览并在这里进一步描述。本发 明的多个方面用于提供联产电能和水泥必须的材料和步骤(603,608, 609,610)给CFPP 602工厂,见图6。在多个实施方案中,存在于 CFPP的资源被利用并与系统结合以联产水泥。 另一方面,煤在CFPP锅炉中燃烧以产生热能将水加热为蒸汽从 而驱动发电涡轮。煤的燃烧产生CCPs例如粉煤灰606(干锅炉)、 炉底灰(干锅炉)和锅炉渣(湿锅炉),该CCPs在前面有描述。进 而,除了这样产生的蒸汽,还产生热水、热空气和压缩空气(例如 607)。 进而,CCPs 606随后流入混合器612与水610、磷酸盐反应物 608/609、添加剂611或其结合相混合。可选的,CCPs可流入混合器 而不加入任何其他化学添加剂。在多个实施方案中,使用的混合器 包括但不限于转筒、搅拌桨/条、齿轮式、流化床、叶轮、螺旋挤压 机或其组合。在一些实施方案中,流入和/或混合由CFPP产生的电 能和/或压缩空气来驱动。 混合物随后流入反应器613,后者包括但不限于转筒、搅拌槽、 凸轮刀刃、流化床、搅拌桨、螺旋挤压机或其组合。在一些实施方 案中,反应物产物流入干燥器和/或粉碎器。用于本工艺的干燥器614 包括但不限于转筒、搅拌桨、盘式干燥器、流化床、闪蒸干燥机、 喷雾器或其结合。 在一个实施方案中,反应器产品(例如来自螺旋挤压机混合器/ 反应器的产品)流入分级器,分级器可以是振动筛分机、空气分级 器或其结合。 在一些实施方案中,粉碎器623包括但不限于粉碎机、滚圆机 (spheronizer)、球(棒)磨机、捣磨/锤磨机、圆盘式粉碎机、离 心机/气流粉碎分级机或其结合。 在一个实施方案中,来自粉碎器的产品流入分级器以将产品分 级,其中分级器624包括但不限于振动筛分级机、空气分级器或其 结合。 在另一个实施方案中,分级后的产品可与多种原材料或添加剂 混合并流入混合器625(例如转筒搅拌器、搅拌桨/带形混合器、齿 轮搅拌器或其结合)。 混合的水泥产品630随后流向输出运输工具631(例如铁路)。 在本发明的多个方面,旋流器和/或洗涤器可以被设置成通过图 3的水泥生产工艺加工CCPs的机器,其中这样的旋流器和/或洗涤器 (619,617,615,625,627,629)利用自CFPP602引入的电能、压缩空气、 蒸汽、热水、冷水或其结合(616,618,620,624,626,628)来运作。进 而,在多种实施方案中,图3的设备、机器或运输方式由CFPP提供 的电能驱动。此外,这些设备、机器或运输工具可利用CFPP提供的 压缩空气、蒸汽、热水、冷水,必要时可使用它们的组合。 对用于多联产的CFPP操作的最低干扰(disruption) 本发明的一个方面是在CFPP中将水泥生产设备与多种入口点 相结合而不干扰CFPP的操作或明显停止CFPP的电能生产。如图2 所示,本发明的联产系统提供煤的运入(或其他材料,例如添加剂)、 CCPs的加工(有或没有掺入添加剂进行调节),以生产水泥产品并 以同样的运输方式运出投入市场。形成多种不同的接合区域以利用 CFPP资源,例如电能、压缩空气、蒸汽、热水、冷水、热空气,但 基本不会干扰CFPP的操作。 本发明的另一个方面是以最有效方式转化蒸汽、沸水和/或热空 气,这样其不会给CFPP增加BTU负担。许多CFPPs具有精密复杂 的加热回收和再生系统。其他的一些CFPPs则更简单并浪费热能。 不管哪种情况,本发明都减少了用于联产电能和水泥的热能、将其 最小化或完全避免了需要更多的热能。 图3阐述了一个实施例,其中用于CFPP的抽取口可被利用以减 少低效率并提高来自CFPP的资源抽取效率。在(a)中,低效率的 沸水、蒸汽和暖气抽取点导致了CFPP联产电能和水泥的高负担。在 (b)中,沸水、蒸汽和热空气抽取口更为合适并更有效率的。因此, 计算得到的联产水泥和电能二者对CFPP的负担(burden)接近零 BTUs。 在本发明的多种实施方案中,计算得到的负担以BTUs百分比计 为大约0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,35,40,45或50%。在一些实施方 案中,负担为大约0到5%,2到10%,4到12%,7到15%,6到20%。 本发明的另一个方面是减少了劳动力、时间、资金设备,并且 对进行中的运转具有最小或更少的干扰。这样的减少可通过以下方 式促进:在单元水平或系统水平上将现存的CFPP操作和步骤(例如 干燥、粉碎、混合和装袋)结合,但并不降低CFPP操作质量或干扰 其操作。 本发明的联产系统与现存的CFPP操作相结合以保存材料输出 (例如电能生产),使步骤缩短和/或有效利用了CFPP提供的有用 物质(例如电能、热水、蒸汽或压缩空气)。 在本发明的一个实施方案中,CCPs自动从CFPP中抽取出并存 贮于与CFPP同一区域的存贮器中以将运输距离和资本支出最小化。 因此,用最低的操作需求和最少的资金,缩短来自CFPP的CCPs流 出和传递到综合的联产工艺。 在另一个实施方案中,CCPs、沸水、蒸汽、压缩空气或干燥空 气的适当抽取点(tap-off point)是确定的,这些资源通过固体、液 体、气体的传送操作或其组合同联产相结合,并由合适的工艺监视 和控制机构来操纵。例如,可以在新的CFPP中设计合适的阀、泵、 控制机构、电脑SW或者QA/QC仪表,或者在现有CFPP中进行相 应的改造。 在本发明的一些实施方案中,通过与现存的CFPP相结合而不会 中断CFPP操作的机器/设备来改进/改型CFPP用于联产。 这样的机器/设备包括但不限于锅炉、混合器、浆料、储料仓或 者厢、反应器/锅炉、一种或多种运输带、干燥元件、粉碎机或者研 磨机。当然,可以理解的是可以根据需要使用一种或多种这样的机 器/设备用于提高效率或提高产量。 在另一个实施方案中,气动或者“管道(plumbing)”系统被用于 将产生成品转运给运输工具。例如,成品可以直接运到驳船或者轮 船、批量机动轨道车或者铁轨货物集装箱、或者货柜车中。 本发明的另一个方面是通过改进运输需求减少对环境的影响, 这种影响通过CFPP和波特兰水泥工业的生命周期分析(LCA)来测 量。例如,通常每天需要3-5个铁路单位来运输煤。每个运输单位 包括100车皮,每车皮运输100吨,或是每单位共10000吨。本发 明的联产系统利用铁路运进运出,从而避免了另一种来源的CO2排 放。同样的铁路系统可用于运送少量(重量和体积计)并非CFPPs 原有的微量(重量和体积计)物质,例如用于生产磷酸盐粉煤灰的 磷酸、金属二氢磷酸盐和/或金属磷酸氢盐或化学和矿物质混合物。 进而,该铁路系统也可将水泥产品运向市场。 因此,在一个实施方案中,联产工艺有效利用了同一铁路系统 将成品水泥到运输市场,而不需要额外的运输模式或铁路资源。 经济效益 世界范围的CFPPs都面临降低或避免CO2排放的压力。本文所 述的系统、组成和方法使得CFPPs可以减少GHG排放量,较之传统 的水泥生产厂的水泥生产和CFPP的电能,通过本发明的联产工艺生 产水泥,每吨水泥就减少一吨的排放量。在一个实施方案中,通过 利用磷酸盐化粉煤灰联产水泥和电能而减少了CO2排放。在另一个 实施方案中,通过利用非磷酸盐化粉煤灰联产水泥和电能而减少了 CO2排放。 尽管文中描述了优选的实施方案,对本领域技术人员显而易见 的是这些实施方案只是提供说明性的描述。对本领域技术人员而言 可能出现众多的变化、改变和替换,而并不背离本发明。应该理解 的是在实践本发明时可能存在对描述的实施方案的多种替换。随后 的权利要求限定了本发明的范围,权利要求中的方法和结构以及等 同方式都包括在发明范围内。 本申请以2007年4月25日提交的美国临时申请US60/914026 全文作为参考。 引入的参考文献 在本文中提到的所有出版物和专利申请都被引入本发明中作为 参考,如同被单独具体地引入本文作为参考的每一个单独的出版物 或专利申请。 |