由含钙岩石和矿物生产氧化钙或普通波特兰水泥的工艺制造技术

本发明专利技术的方面包括水泥材料的生产方法，包括如下步骤：将含钙起始材料与第一酸进行第一反应以产生含水的第一钙盐；将含水的第一钙盐与第二酸进行第二反应以产生固体的第二钙盐；其中第二酸不同于第一酸且第二钙盐不同于第一钙盐；和将第二钙盐热处理以产生第一水泥材料。优选地但非必要地，在第二反应步骤期间，第一钙盐和第二酸之间的反应使第一酸再生。一钙盐和第二酸之间的反应使第一酸再生。一钙盐和第二酸之间的反应使第一酸再生。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由含钙岩石和矿物生产氧化钙或普通波特兰水泥的工艺
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年8月13日提交的美国临时申请No.62/886,137、2019年10月10日提交的美国临时申请No.62/913,620、2019年11月7日提交的美国临时申请No.62/932,200和2020年5月4日提交的美国临时申请No.63/019,916的权益和优先权，所述美国临时申请各自特此在不与本文矛盾的程度上以其整体通过援引并入。

技术介绍

[0003]水泥材料(包括普通波特兰水泥(Ordinary Portland Cement))的生产技艺面临相当大的挑战、不足和/或缺陷。例如，常规的水泥生产工艺为能量密集的，产生使环境恶化的副产物例如CO2和/或SO2，和仅利用受限范围的原料(主要是简单的基于钙的材料例如碳酸钙(石灰石)或开采的硫酸钙(石膏))。本申请克服本领域中的这些和其它挑战。

技术实现思路

[0004]本文中提供水泥材料的生产方法，其具有下面的优势或特征的任意组合：与现有途径相比为较不能量密集的，其中一些实施方式为净能量中和的(平衡的，neutral)或甚至产生净能量的，使某些反应物(试剂，reagent)再生，以净反应没有SO2和/或CO2为特征，回收某些副产物(byproduct)，不包括产生CO2，可利用更宽范围的原料材料(包括更复杂材料)，产生增值副产品(side product)，和/或产生复合水泥材料。
[0005]本文中包括生产水泥材料的方法，其使用其中材料与两种不同的酸和/或以两个不同的酸反应步骤反应的双酸途径。这些途径的优势包括上述的优势和特征的全部或大多数。例如，所公开的双酸途径提供如下能力：蒸煮(浸提，digest)复杂的含钙材料(包括具有Ca和其它金属(包括准金属)元素如Si、Al的那些材料以及其它物种(species))，和甚至由那些非
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Ca金属形成增值副产品，同时还使反应物酸再生。显著地，这些方法还可没有CO2产生且可包括将SO2转化为反应物酸，由此消除或大幅减少基于CaSO4的水泥制造途径的SO2排放。
[0006]专利技术的方面包括水泥材料的生产方法，包括如下步骤：将含钙起始材料与第一酸进行第一反应以产生含水(水性，水相)的第一钙盐；将含水的第一钙盐与第二酸进行第二反应以产生固体的第二钙盐；其中第二酸不同于第一酸且第二钙盐不同于第一钙盐；和热处理一种或多种钙盐以产生第一水泥材料。优选地但非必要地，所述一种或多种钙盐为第二钙盐。优选地但非必要地，在第二反应步骤期间，第一钙盐和第二酸之间的反应使第一酸再生。优选地但非必要地，所述方法以净反应没有成酸气体产物为特征。优选地但非必要地，所述方法包括形成以纯度大于或等于90干重％纯度为特征的固体的第二钙盐。优选地但非必要地，本文中公开的所述方法的任一个包括在第一反应步骤之后且在第二反应步骤之前的第一分离步骤；第一分离步骤包括将第一含水级分与第一固体级分分离；其中第一含水级分包括含水的第一钙盐且第一固体级分包括在第一反应步骤期间形成的一种或多种固体副产物。优选地但非必要地，本文中公开的所述方法的任一个包括在第二反应步骤
之后且在热处理步骤之前的第二分离步骤；第二分离步骤包括将第二固体级分与第二含水级分分离；其中第二固体级分包括固体的第二钙盐且第二含水级分包括在第二反应步骤期间形成的一种或多种含水副产物。优选地，固体级分以干质量的至少90wt.％是第二钙盐为特征。
[0007]优选地但非必要地，本文中公开的所述方法的任一个包括第二酸再生步骤；其中第二酸再生步骤包括将热处理步骤的一种或多种气体产物转化为第二酸。任选地，第二酸再生步骤为根据式FX1A进行的非电化学过程：SO2+1/2O2+H2O
→
H2SO4(FX1A)，其中：FX1A中的SO2为热处理步骤的气体产物；FX1A中产生的H2SO4在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。任选地，第二酸再生步骤为根据式FX1B进行的非电化学过程：SO2+H2O
→
H2SO3(FX1B)，其中：FX1B中的SO2为热处理步骤的气体产物；FX1B中产生的H2SO3在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。任选地，第二酸再生步骤包括(i)将二氧化硫电化学氧化为硫酸和(ii)经由还原反应形成氢气；和其中第二酸再生步骤根据式FX2进行：SO2+2H2O
→
H2SO4+H2(FX2)；其中：FX2中的SO2为热处理步骤的气体产物；FX2中产生的H2SO4在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。任选地，热处理步骤包括使用由将作为第二酸再生的结果形成的氢气氧化而产生的能量。例如，经由所述方法产生的氢气可用于例如经由燃料电池或涡轮机驱动电化学步骤。任选地，将二氧化硫电化学氧化包括使用作为第二酸再生步骤的结果产生的能量。注意，当将H2SO4加入到包含MgCl2和CaCl2两者的溶液时，只有CaSO4会沉淀。若将H2SO3加入到MgCl2和CaCl2的溶液，则MgSO3和CaSO3两者均会沉淀。考虑到目前存在法规反对在水泥中具有Mg，因此含钙起始材料优选地具有低
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Mg含量以使沉淀的Mg材料的量最少化。
[0008]任选地，在第二反应步骤期间，第一钙盐和第二酸之间的反应根据式FX3使第一酸再生：CaCl
2(aq)
+H2SO4‑
>CaSO
4(s)
+2HCl(FX3)；其中：第一钙盐为CaCl2；第一酸为HCl；第二酸为H2SO4；和第二钙盐为CaSO4。
[0009]含钙起始材料包含Ca。含钙起始材料具有包含元素Ca的化学组成。优选地，含钙起始材料具有如下的包含元素Ca的化学组成：其中所述含钙起始材料中的Ca的重量百分比和/或摩尔百分比为至少0.001％、优选地至少0.01％、优选地至少0.1％、更优选地至少1％、进一步更优选地至少5％、甚至更优选地至少10％和还更优选地至少20％。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，含钙起始材料具有如下的包含元素Ca的化学组成：其中所述含钙起始材料中的Ca的重量百分比和/或摩尔百分比选自1％至80％、任选的1％至60％、任选的1％至55％、任选的1％至50％的范围。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，含钙起始材料包括至少一种多元金属氧化物材料，其具有包含Ca和至少一种选自Al、Si、Fe、Mn和Mg的其它金属元素的组成。任选地，所述至少一种多元金属氧化物的组成包含小于或等于55wt.％的Ca。任选地，所述至少一种多元金属氧化物的组成包含小于或等于60wt.％的Ca。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，所述至少一种多元金属氧化物材料为至少一种天然岩石或矿物。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，所述至少一种天然岩石或矿物包括玄武岩、火成磷灰石(appetite)、硅灰石、斜长石、蒙脱石、膨润土、含钙长石、钙长石、透辉石、辉石、辉石岩、橄辉钾霞岩(mafurite)、钾霞橄黄长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.水泥材料的生产方法，所述方法包括如下步骤：将含钙起始材料与第一酸进行第一反应以产生含水的第一钙盐；将含水的第一钙盐与第二酸进行第二反应以产生固体的第二钙盐；其中第二酸不同于第一酸且第二钙盐不同于第一钙盐；和热处理一种或多种钙盐以产生第一水泥材料。2.如权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种钙盐为第二钙盐。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在第二反应步骤期间，第一钙盐和第二酸之间的反应使第一酸再生。4.如权利要求1
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3任一项所述的方法，特征在于净反应没有成酸气体产物。5.如权利要求1
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4任一项所述的方法，其包括形成以纯度大于或等于90wt.％纯度为特征的固体的第二钙盐。6.如权利要求1
‑
5任一项所述的方法，其包括在第一反应步骤之后且在第二反应步骤之前的第一分离步骤；第一分离步骤包括将第一含水级分与第一固体级分分离；其中第一含水级分包括含水的第一钙盐且第一固体级分包括在第一反应步骤期间形成的一种或多种固体副产物。7.如权利要求1
‑
6任一项所述的方法，其包括在第二反应步骤之后且在热处理步骤之前的第二分离步骤；第二分离步骤包括将第二固体级分与第二含水级分分离；其中第二固体级分包括固体的第二钙盐且第二含水级分包括在第二反应步骤期间形成的一种或多种含水副产物。8.如权利要求7所述的方法，其中所述固体级分以干质量的至少90干重％是第二钙盐为特征。9.如权利要求1
‑
8任一项所述的方法，其包括第二酸再生步骤；其中第二酸再生步骤包括将热处理步骤的一种或多种气体产物转化为第二酸。10.如权利要求9所述的方法，其中第二酸再生步骤为根据式FX1A进行的非电化学过程：SO2+1/2O2+H2O
→
H2SO
4 (FX1A)；其中：FX1A中的SO2为热处理步骤的气体产物；FX1A中产生的H2SO4在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。11.如权利要求9所述的方法，其中第二酸再生步骤为根据式FX1B进行的非电化学过程：SO2+H2O
→
H2SO
3 (FX1B)；其中：FX1B中的SO2为热处理步骤的气体产物；FX1B中产生的H2SO3在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。12.如权利要求9所述的方法，其中第二酸再生步骤包括(i)将二氧化硫电化学氧化为硫酸和(ii)经由还原反应形成氢气；和其中第二酸再生步骤根据式FX2进行：SO2+2H2O
→
H2SO4+H
2 (FX2)；其中：FX2中的SO2为热处理步骤的气体产物；FX2中产生的H2SO4在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。13.如权利要求12所述的方法，其中热处理步骤包括使用由将作为第二酸再生的结果
形成的氢气氧化而产生的能量。14.如权利要求12所述的方法，其中将二氧化硫电化学氧化包括使用作为第二酸再生步骤的结果产生的能量。15.如权利要求1
‑
14任一项所述的方法，其中，在第二反应步骤期间，第一钙盐和第二酸之间的反应根据式FX3使第一酸再生：CaCl
2(aq)
+H2SO4‑
>CaSO
4(s)
+2HCl(FX3)；其中：第一钙盐为CaCl2；第一酸为HCl；第二酸为H2SO4；和第二钙盐为CaSO4。16.如权利要求1
‑
15任一项所述的方法，其中含钙起始材料具有至少1干重％的Ca。17.如权利要求1
‑
16任一项所述的方法，其中含钙起始材料包括具有包含Ca和至少一种选自Al、Si、Fe、Mn和Mg的其它金属元素的组成的至少一种多元金属氧化物材料。18.如权利要求17所述的方法，其中所述至少一种多元金属氧化物的组成包含小于或等于55干重％的Ca。19.如权利要求1
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18任一项所述的方法，其中含钙起始材料包括至少一种天然岩石或矿物。20.如权利要求17
‑
18任一项所述的方法，其中所述至少一种多元金属氧化物材料为至少一种天然岩石或矿物。21.如权利要求19
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20任一项所述的方法，其中所述至少一种天然岩石或矿物包括玄武岩、火成磷灰石、硅灰石、斜长石、蒙脱石、膨润土、含钙长石、钙长石、透辉石、辉石、辉石岩、橄辉钾霞岩、钾霞橄黄长岩、单斜辉石、硬硼钙石、钙铝榴石、普通辉石、易变辉石、珍珠云母、钙蛇纹石、石榴石、白钨矿、硅卡岩、石灰石、天然石膏、磷灰石、氟磷灰石或这些的任意组合。22.如权利要求1
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21任一项所述的方法，其中含钙起始材料包括水泥、混凝土、波特兰水泥、飞灰、熔渣或这些的任意组合。23.如权利要求1
‑
22任一项所述的方法，其中第一酸为氢氯酸。24.如权利要求1
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23任一项所述的方法，其中第二酸为硫酸和/或亚硫酸。25.如权利要求1
‑
24任一项所述的方法，其中含水的第一钙盐为氯化钙。26.如权利要求1
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25任一项所述的方法，其中固体的第二钙盐为硫酸钙和/或亚硫酸钙。27.如权利要求1
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26任一项所述的方法，其中第一水泥材料为氧化钙。28.如权利要求1
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27任一项所述的方法，其中成酸气体产物为SO2和/或CO2。29.如权利要求1
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28任一项所述的方法，其中第一反应步骤包括将含钙起始材料与氢氯酸反应以至少形成含水氯化钙、含水氯化铝和固体二氧化硅。30.如权利要求29所述的方法，其中第一分离步骤包括将包括含水氯化钙和含水氯化铝的第一含水级分与包括固体二氧化硅的第一固体级分分离。31.如权利要求30所述的方法，其中第二反应步骤包括至少将含水氯化钙、含水氯化铝和硫酸反应以至少形成固体硫酸钙、含水硫酸铝和氢氯酸。
32.如权利要求31所述的方法，其中热处理步骤包括加热硫酸钙以形成氧化钙。33.如权利要求1
‑
32任一项所述的方法，其包括形成复合水泥材料的步骤；其中：(i)热处理步骤包括形成复合水泥材料的步骤且第一水泥材料为该复合水泥材料，或(ii)形成复合材料的步骤是使用在热处理步骤期间形成的第一水泥材料进行的。34.如权利要求33所述的方法，其中形成复合水泥材料的步骤包括将第二钙盐和/或第一水泥材料与一种或多种添加剂一起加热。35.如权利要求33
‑
34任一项所述的方法，其中形成复合水泥材料的步骤是与热处理步骤同时进行的。36.如权利要求33
‑
35任一项所述的方法，其中形成复合水泥材料的步骤是在热处理步骤之后接着进行的。37.如权利要求33
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36任一项所述的方法，其中复合水泥材料为普通波特兰水泥或波特兰水泥熟料，和/或第一水泥材料为氧化钙。38.如权利要求34
‑
37任一项所述的方法，其包括由含钙起始材料形成所述一种或多种添加剂。39.如权利要求34
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38任一项所述的方法，其中所述一种或多种添加剂为第一反应步骤的一种或多种副产物和/或由第一反应步骤的一种或多种副产物形成，和/或为第二反应步骤的一种或多种副产物和/或由第二反应步骤的一种或多种副产物形成。40.如权利要求34
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39任一项所述的方法，其中所述一种或多种添加剂的组合的组成包括Al和Si。41.如权利要求34
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40任一项所述的方法，其中所述一种或多种添加剂至少为Al2O3和SiO2。42.如权利要求1
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41任一项所述的方法，其包括由含钙起始材料形成和离析硅灰级二氧化硅、纳米二氧化硅和/或微米二氧化硅。43.如权利要求1
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42任一项所述的方法，其包括由含钙起始材料形成和离析氧化铝。44.如权利要求43所述的方法，其中第一反应步骤包括将含钙起始材料与氢氯酸反应以至少形成含水氯化铝；其中所述方法进一步包括：将氯化铝在氢氯酸的存在下沉淀；将沉淀的氯化铝与硫酸反应以形成固体硫酸铝；加热硫酸铝和/或氯化铝以形成氧化铝。45.如权利要求44所述的方法，其中沉淀的氯化铝的反应形成氢氯酸。46.如权利要求44或45所述的方法，其中第二反应步骤包括将沉淀的氯化铝反应的步骤。47.如权利要求44
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46任一项所述的方法，其中热处理步骤包括加热硫酸铝和/或氯化铝步骤。48.如权利要求1
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47任一项所述的方法，其包括由含钙起始材料形成和离析氧化铁。49.如权利要求48所述的方法，其中形成和离析氧化铁的步骤包括：在第二反应步骤期间形成具有作为副产物形成的含水硫酸铁和/或氯化铁和任选的至少一种其它金属镁硫酸盐和/或氯化物盐的含水溶液；其中该含水溶液不含钙盐且不含铝盐；
将所述含水溶液干燥以形成固体硫酸铁和/或固体氯化铁和任选的至少一种其它金属硫酸盐；加热固体硫酸铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：CE芬克，HF利安德里，
申请(专利权)人：硫磺能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：