包含CaO的微粒或粉状材料的水合方法和装置、水合产物、和水合产物的用途

本发明涉及一种包含CaO的微粒或粉状材料的水合方法。水合的产物可以用于减少窑设备如制造水泥熟料的窑设备的SO₂排放。本发明还涉及进行该方法的装置。

上述种类的方法可以从例如DK/EP 1 200 176得知。这种已知方法的主要缺点是：水合的速率慢，这可归因于这样的事实：包含CaO的生料的水合在空气和水的混合物中进行，其中水蒸气的分压处于相对低的水平。在希望实现包含于材料中的CaO的水合度为80到100％的情况下，这种已知的方法在材料粒子和水蒸气接触的过程中需要相对长的停留时间，因此需要相当大的反应体积。还已知这样的方法，其中包含CaO的材料从窑体系中取出，冷却到低于250℃的温度，并且随后当与液态水混合时进行水合。这种方法的缺点是：材料颗粒可能具有凝聚倾向，需要后续的并且昂贵的解聚或研磨这种成块材料凝聚体成为较小的单个颗粒。这种方法还有的缺点是：包含CaO的材料颗粒的水合不总是从外部且向内向颗粒的核心均匀地发生，而是经常以如此的方式发生，一些颗粒完全水合，然而其它颗粒根本没有被水合，或仅有限程度地水合。

本发明的目的是提供一种减少上述缺点的方法和装置。

根据本发明利用在引言中所述种类且特征在于以下的方法实现这个目的：以确保作为温度(℃)函数的添加的水的分压P_H2O保持在下式限定的区间内的量添加水：

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其中P_H2O是以大气压为单位的水蒸气分压，并且T是以℃为单位的温度。

由此获得，该材料颗粒不聚集成凝聚体，并且该颗粒从外部且向内均匀水合，以致于是该材料颗粒的活性表面进行与部分水合有关的水合。这是由于以下事实：液态水不会与材料颗粒接触，因为水在指定的区间内以蒸汽形式出现。

通常，Ca(OH)₂由生石灰和液态水之间的反应形成，但是根据本发明，该反应通过水蒸气来实现。通过将颗粒悬浮在水蒸气中而不是在液态水中将它们熟化，这可以防止颗粒的凝聚，因此避免后续的并且昂贵的解聚或研磨这些凝聚体成为较小的单个颗粒。

Ca(OH)₂是在水合过程中形成的。在水合过程中Ca(OH)₂的稳定性主要依赖于温度和形成的水蒸气的分压，如图1所示。水合过程应有利地在包含最大量水蒸气的气氛中进行。因此，根据本发明，优选的是：将包含CaO的材料和水引入到垂直反应器的上端，引导向下通过反应器，以同时汽化和水合，并且水合产物从反应器下端排出反应器。由于在反应器中向下引导方向的运动，不必使用空气作为材料颗粒的输送介质，并且因此，可以产生由约100％的纯水蒸气组成的气氛。水汽化所需要的热能由该材料提供。

或者，可以将包含CaO的材料引入垂直反应器的上端，并且引导向下通过后者以同时与在沿着反应器高度分布的多个位置处所引入的水进行水合，其中以蒸汽形式的任何剩余水通过反应器上端的开口排出，并且其中水合产物从反应器下端排出反应器。

水合的速率随着温度和水蒸气的分压增加而增加。然而，该温度不能超过在给定水蒸气分压下Ca(OH)₂变得不稳定的温度。在实际操作中，温度由包含CaO的材料的温度、注入的水量、和可能再循环的水合产物的支流(sub-stream)确定，其中该水合产物可以在离开反应器之后被进一步冷却。重要的是，采用这种水量，使包含CaO的材料的温度和水蒸气的分压分别保持在其中Ca(OH)₂稳定、不存在液态水和水合不停止的温度和压力范围内。根据本发明，因此优选的是：水合过程中的温度保持在大于100℃，优选大于200℃，并且最优选大于250℃的水平，并且水蒸气的分压保持在0.01到10大气压，优选在0.1到2大气压，最优选在区间0.9到1.1大气压的区间内。

随后水合产物可以用于减少气体中的SO₂含量。与这种方法有关，仅仅水合产物的外表面与包含要清除的SO₂的气体接触，并且证明以下事实：与如果限制水合在颗粒表面时所获得的SO₂减少相比较，当材料颗粒的水合彻底进行到核心时所实现的SO₂减少并没有显著提高。还已确定：表面水合的初始速率相对高，而后续的核心的水合是缓慢的过程，因为水必须从颗粒表面穿过水合产物层向内扩散到核心。根据本发明，因此优选的是使水合限制到材料颗粒的表面。因此，水合程度可以降低到70％、优选降低到小于50％。如果限制水合到材料颗粒表面，则可以使用较小的反应器，使材料颗粒具有相对短的停留时间。在水合产物用于减少设备中的SO₂(其中随后水合产物被加热到大于800℃并且因此被煅烧)的一些情况下，这例如在制造水泥的设备的情况，除非所有水合的CaO均与SO₂接触，否则由于随后在煅烧过程中进行的脱水是吸热的，这将会导致浪费能量。

本发明的方法可以有利地用于水泥制造设备。水泥制造设备包括窑体系，该窑体系通常包括旋风预热器、煅烧炉、窑、和熟料冷却器，其中将水泥生料预热、煅烧并烧成水泥熟料，该水泥熟料随后进行冷却。在这种设备或类似设备中使用本发明的方法的情况中，优选的是：将煅烧的生料形式的包含CaO的材料从水泥制造设备的煅烧炉中取出。随后，从废气运动的方向看，在形成SO₂的位置之后，立即将水合产物重新引入水泥制造设备的预热器，以吸收SO₂，同时形成硫酸钙，硫酸钙与水泥熟料一起从窑体系排出。

本发明用于包含CaO的微粒或粉状材料的水合的装置包括：含有上端和下端的垂直反应器、在反应器的上端用于一起或分别引入包含CaO的材料和水的装置、和在反应器的下端用于排出水合产物的装置。

由本发明的方法提供的产物可以恰当地用于减少窑设备如制造水泥熟料的窑设备的SO₂排放。

现在参考概略的附图，进一步详细说明本发明，其中：

图1表示组分H₂O、CaO、和Ca(OH)₂作为温度和H₂O(g)的分压的函数的相稳定性图，

图2表示使用本发明的方法的常规水泥制造设备，

图3表示本发明装置的特别优选的实施方案，和

图4表示本发明另一个装置。

在图1中，可以看到组分H₂O、CaO、或Ca(OH)₂的相稳定性图。在阴影区域，Ca(OH)₂是稳定的，并且水以蒸汽的形式存在。在图表中阴影区域的右侧，Ca(OH)₂是不稳定的，并且脱水变成CaO+H₂O。在图表中的阴影区域的左侧，水以导致材料颗粒凝聚的液态形式存在。当进行本发明的方法时，温度和分压必须保持在可由下式数学地限定的阴影区域内：

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其中P_H2O是以大气压为单位的水蒸气分压，并且T是以℃为单位的温度。

在图2中，看到一个水泥制造设备，它包括具有四个旋风级1a到1d的旋风预热器1，具有分离旋风器2a的煅烧炉2，旋转窑3和熟料冷却器4。该设备以常规的方式进行操作，在旋风器预热器的第一旋风级1a的进口管的进口8引入原材料，并且当首先通过预热器1、煅烧炉2并且随后通过旋转窑3分别以与旋转窑中的燃烧器9和煅烧炉2中的燃烧器10中产生的热废气逆流的方式进行输送时进行加热、煅烧并且烧成熟料。随后，在熟料冷却器4中冷却煅烧的熟料。

本发明的方法可以有利地用于这种设备。

根据本发明，从设备煅烧阶段取出大量热的煅烧生料，这种生料具有高含量的CaO。原则上，从这个阶段取出这种生料可以以任何适当的方式进行，例如通过使用安装在分离旋风器2a下面的分离器闸门(splitter gate)。在所示的优选实施方案中，煅烧的生料通过与分离旋风器2a平行安装的小旋风器5a取出。通过旋风器5a取出的材料的量可以通过闸门5b适当调节。然后取出的煅烧生料引导到包括具有上进口端和下出口端的垂直反应器6a的水合单元6(见图3)。如果取出的物料的支流不均匀，则可以安装用作缓冲器的中间贮仓(未显示)，以便使引导到水合单元6的物流变得平稳。一般地，当从煅烧炉阶段取出时，取出的煅烧生料的温度为800℃左右，因此，必须在它引入到中间贮仓(如果有的话)之前冷却该生料。

煅烧的包含CaO的生料的充分水合在图3进一步详细显示的水合单元6中进行。根据本发明的优选实施方案，在反应器的上端将煅烧的生料和水引入水合单元6的反应器6a。生料可以适当的方式通过进口6b引入，而水可以适当的方式通过一个或多个喷嘴6c引入，可与雾化空气混合。首先，在水合单元6的上部，注入的水将冷却所供应的生料，并且在以后的下部中，其将与CaO反应，同时形成Ca(OH)₂。在所述的实施方案中，水合单元6包括安装在反应器6a的直接延伸处的下部沉降室6d。在操作过程中，水合产物将在沉降室6d中沉降，从中其可通过出口6e取出。

没有与CaO反应的水的量、和雾化空气(如果使用)可以通过管6f取出。这个管6f可以在底部配置旋风器，用于分离悬浮在所取出空气中的灰尘。

根据本发明，水合产物可以用于减少离开旋风预热器1的废气中的SO₂。这可以通过利用适当的传输装置7从水合单元6引导水合产物并且将其与通过进口8引入预热器1的生料进料混合而进行。然而，也可以在别处引入水合产物，例如任意的旋风级，或如果有的话，在调节(conditioning)塔(未显示)中。

有时候，有利的是，将一些水合产物再循环到水合单元6。这可以通过包括用于从传输装置7中取出一些水合产物的旋风器的传输装置7a进行。如果例如要进行水合的包含CaO的材料的温度超过为蒸发CaO水合所需的水量提供热能所需的温度，这例如可以是从其中温度一般高于800℃的水泥制造设备的煅烧炉中取出包含CaO的材料的情况，有利的是将一部分水合产物再循环到水合单元6中。结果，再循环的冷却产物会降低水合单元6的温度，从而也减少将包含CaO的材料的温度维持在Ca(OH)₂稳定的温度范围内所需的水量。水合产物再循环到水合单元中使得可以不取决于注入的水量而调节水合单元6的温度，并且材料的水合程度通过循环因数改变。这也会减小湿料粘到反应器壁上并且在反应器壁上形成结块的风险。

在图4中，可以看到实现本发明的装置的另外一个实施方案。在这个实施方案中，通过进口6b将煅烧的生料引入水合单元6的反应器6a的上端。水可以利用沿着反应器的高度分布的一个或几个喷嘴6c引入，可与雾化空气混合。在水合单元6的最初上部中，注入的水会冷却所供应的生料，并且在最后下部中，其将与CaO反应，同时形成Ca(OH)₂。水合产物可以通过闸12取出。没有与CaO反应的水的量、和相应的雾化空气，可以通过开口6f取出，在所示实施例中开口6f与进口6b相同。一部分水合产物可以通过管7a再循环到进口6b。如果需要冷却再循环的产物，该装置可以并入冷却单元11。