飛砂料、“雪人”熟料生成原因及危害性和減緩措施（上）

陳友德，李　波，肖　磊

飛砂料、“雪人”熟料生成原因及危害性和減緩措施（上）

Causes，Harmfulness and Mitigation Measures of Powdery Clinker and"Snowman Clinker"（Ⅰ）

陳友德，李波，肖磊

預分解窯生產(chǎn)過程中，飛砂熟料（簡稱飛砂料）和“雪人”熟料（簡稱“雪人”）是生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的不正常情況，在一定程度上影響了熟料產(chǎn)量和質(zhì)量，嚴重時需停機處理，成為生產(chǎn)操作人員關注的焦點。近些年來，國內(nèi)少量生產(chǎn)廠家和研究單位對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的飛砂料、“雪人”現(xiàn)象及其危害性和采取的減緩措施進行了報道，個別文章提到“雪人”堆積熟料中含有相當數(shù)量的飛砂料，沒有見到有關飛砂料、“雪人”生成機理及二者之間的內(nèi)在聯(lián)系的探討。本文借助國外研究成果及國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的實踐和個人經(jīng)歷對飛砂料和“雪人”的生成原因及減緩措施進行探討，以引起國內(nèi)有關單位的重視，進一步加強此方面的研究，從而減緩或從根本上解決該問題。

1　飛砂料和“雪人”的危害性

1.1飛砂熟料的危害性

預分解窯生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)飛砂料，一些工廠的文章稱生產(chǎn)中熟料顆粒＜0.5～1mm時，則易出現(xiàn)飛砂料，少的低于窯產(chǎn)量的10%，多的高達20%～30%以上，個別文章估計約50%。其危害性如下：

1.1.1飛砂料對熱耗、電耗及產(chǎn)品性能的影響

飛砂料易磨性差，不利于水泥粉磨，國外資料介紹純飛砂料易磨性差，個別資料稱粉磨時較正常熟料增加電耗20%～30%，在極端的情況下，電耗幾乎增加一倍以上。

飛砂熟料形成熱高，國外資料介紹較普通熟料增加約125.4～167.2kJ/kg。

資料介紹，C3S的晶格＞60μm的水泥顆粒水化后，強度發(fā)展很慢，短期強度低。而飛砂料顆粒一般接近或＞60μm，若熟料中含有較多的飛砂料，則粉磨后的水泥強度隨其含量增加相應下降。

飛砂和“雪人”均是熟料在過高燒成溫度下形成的，必將增加燒成帶耐火磚的熱應力。此外，飛砂對襯磚造成磨蝕，“雪人”對所粘結的耐火磚產(chǎn)生熱化學侵蝕，上述情況增加受力部位耐火磚損壞，縮短耐火磚使用壽命。

1.1.2飛砂料對生產(chǎn)的影響

熟料在窯內(nèi)煅燒時，受離心力的作用，產(chǎn)生離析，大顆粒一般集中在中間，隨著顆粒直徑變小，細顆粒則集中在窯筒體一邊。當熟料從窯頭落至篦冷機篦床上時，大顆粒集中在一側，細顆粒集中在另一側，篦床橫截面中部為粗細顆粒的過渡部位。當窯速較快且窯內(nèi)細顆粒飛砂熟料較多時，細顆粒集中在一側的現(xiàn)象尤為明顯。堆積的細顆粒料層致密，通風阻力大，篦下冷風不易透過，熟料得不到冷卻，在篦床上形成一條高溫紅色熟料帶（俗稱紅河），極易損壞料層下的篦板。這種情況在第二代厚料層篦冷機、第三代可控氣流篦冷機上經(jīng)常出現(xiàn)，在第四代冷卻機上也有所呈現(xiàn)。

在篦冷機內(nèi)冷風冷卻熟料時，易將細顆粒熟料從料層上吹起，此時高溫的飛砂料隨高溫熱氣流入窯（二次風）和入三次風管（三次風）。在此過程中，未經(jīng)冷卻的飛砂料將熱量傳遞給三次風，提高了三次風溫，飛砂料進入三次風管后，因其磨蝕性強，易對三次風管內(nèi)耐火襯料和三次風閥板造成磨蝕損壞。當大量的高溫飛砂料隨三次風進入分解爐，會使爐內(nèi)物料溫度不均，加重分解爐內(nèi)物料負荷，影響入窯物料分解率的控制。此外，已煅燒成熟料的飛砂料通過分解爐再次入窯，會造成窯尾測得的入窯物料分解率數(shù)據(jù)偏高的假象。

飛砂料顆粒隨二次風入窯，再次在窯內(nèi)煅燒，易發(fā)生熟料的重結晶，再次產(chǎn)生不易粉磨的飛砂料。飛砂料過多的生產(chǎn)循環(huán)在一定程度上易造成熱工制度的混亂，同時會使窯頭火焰混濁，影響火焰溫度的正確判斷。此外，飛砂料的煅燒溫度高，也易造成窯頭護板及耐火澆注料的熱應力損壞和磨蝕。

大量出現(xiàn)飛砂料的回轉窯窯門四周的空氣較為混濁，影響環(huán)境。當燃燒器在此吸進空氣時，含有較細顆粒的飛砂料隨氣流進入燃燒器內(nèi)，易造成燃燒器內(nèi)壁磨損。

1.2“雪人”的危害性

“雪人”主要堆積在篦冷機進料口、窯門罩和燃燒器等高溫部位。當“雪人”在篦冷機進料口堆積至窯口以上高度時，必將造成熟料運行受阻，窯內(nèi)物料填充率增加，造成入窯二次風量不足，煤粉燃燒不完全，熟料質(zhì)量顯著降低。“雪人”堆積在篦板上，阻止冷風透過料層，易使過熱熔融熟料燒壞篦板造成停機事故?！把┤恕闭掣皆谀突鹨r料表面，熟料中一些堿硫化合物以及高溫的硅酸鹽化合物熔體，對耐火襯料進行滲透，從而對耐火材料造成熱、化學侵蝕，致使襯料損壞。

燃燒器前端上下部位出現(xiàn)堆“雪人”，極易造成燃燒器噴口部位受力下垂，影響火焰形狀及煤粉燃燒。若“雪人”堆積在燃燒器噴射口最前端，造成通道截面變形，必然引起煤粉噴速不均，火焰變形，上述情況對熟料質(zhì)量及耐火襯磚損壞影響較大。

2　飛砂料、“雪人”熟料的主要成分和結構

國內(nèi)外的一些生產(chǎn)廠家發(fā)表的文章均指出，飛砂料和“雪人”的熟料化學成分和同一時間生產(chǎn)的熟料成分幾乎一致，沒有多大差別，而主要差別在于與正常熟料巖相結構上的差別。

1980年，F(xiàn) MacGregor Miller在文章中指出，飛砂料主要是在熟料煅燒過程中，由于煅燒溫度過高且在高溫部位熟料形成時間偏長時，易生成粉塵狀的大晶格飛砂熟料，此類熟料不易成球。上世紀80年代FLS（史密斯）公司的本部培訓教材和來華進行技術交流的資料也闡明了這個觀點，大量的巖相分析也證實了飛砂料確系大晶格熟料的情況（見圖1）。

圖1　飛砂料（大晶格C3S）

同一篇文章中，作者指出“雪人”是表面帶熔體的大晶格粉塵熟料，由于表面帶熔體，極易黏結在高溫部位的耐火磚表面，而后顆粒之間相互黏結，形成堆積生成“雪人”。中國建筑材料科學研究院撰文指出［5］，絕大部分堆“雪人”現(xiàn)象與窯內(nèi)飛砂料過多有關?！把┤恕笔炝现蠥礦（C3S）晶體一般在20～60μm，中間相分布多的區(qū)域存在10～20μm的小晶體，部分A礦大晶體斷面呈明顯的再結晶環(huán)帶構造。B礦（C2S）主要有三種分布形態(tài)，第一種與A礦均勻分布，圓顆粒狀，尺寸10～30μm，第二種晶體尺寸在50～90μm之間，第三種也屬礦巢結構，但包裹較多的中間相，這種結構一般是由煤灰沉降不均產(chǎn)生熔融而形成，但文章未談飛砂料和“雪人”在窯內(nèi)的成因。

長時期的生產(chǎn)調(diào)試實踐證實，生產(chǎn)過程中，當較多的A礦晶體～60μm時，開始呈現(xiàn)飛砂料，隨著A礦晶格的進一步增大，則飛砂料越來越多，當A礦晶格＞～100μm時，則飛砂料極為嚴重，但并不存在飛砂料量多，結“雪人”多的關系。只是在生產(chǎn)過程中，往往出現(xiàn)入窯物料分解率低，窯料所生成的熟料中fCaO偏高時，操作人員通常增加燃料量提高燒成溫度來降低熟料中的fCaO，此種工況極易形成飛砂料。若飛砂熟料中含有低融熔溫度的熟料，在高溫狀況下易在熟料表面形成熔體，相互熔結而形成“雪人”堆積。另一種狀態(tài)是：當窯內(nèi)形成還原氣氛時，火焰因缺氧而狹長，易使窯料慢速升溫，當窯料進入最高溫度燒成帶時fCaO偏高，為此操作人員往往提高煅燒溫度來降低fCaO，此時也易形成飛砂料。此外，還原氣氛易造成一些未完全燃燒的煤粉沉積在熟料表面，在高溫下未完全燃燒的煤粉遇到新鮮空氣時在窯料表面上燃燒，致使飛砂料表面帶熔融物料。此類飛砂料與高溫的窯口、冷卻機進料口耐火磚面接觸時，則黏結在面上，而后，表面帶熔體的飛砂料相互黏結形成“雪人”。

“雪人”生成時，均伴隨著大量的飛砂熟料，為了闡明“雪人”的成因，首先要找出飛砂料的成因，飛砂料是窯內(nèi)煅燒過程中形成的，必須對窯料在窯內(nèi)煅燒過程中形成熟料的物理、化學作用作一分析，并對窯內(nèi)各帶的功能作一介紹，才能找出飛砂料在窯內(nèi)形成原因，從而找出與“雪人”形成的內(nèi)在聯(lián)系。

3　熟料在窯內(nèi)煅燒過程

多年來，水泥行業(yè)的技術研究單位和水泥制造公司對水泥窯內(nèi)各帶提出了不同的劃分概念，在回轉窯內(nèi)，出現(xiàn)了不同的分帶方法和帶的名稱。為了找出飛砂料、“雪人”熟料的形成原因，本文引用丹麥FLS公司在上世紀80年代提出的并大量出現(xiàn)在該公司有關文獻上的預分解窯內(nèi)各帶劃分的概念，內(nèi)容如下：

FLS公司的有關資料提出，窯料在預分解窯內(nèi)煅燒成熟料時，根據(jù)其物理、化學作用過程，大致分成5個帶，即分解帶、過渡帶、熔融燒成帶、最高溫度燒成帶、冷卻帶，各帶是根據(jù)其功能決定的，各帶長度因功能變化而變化，不是固定不變的，而是隨原料、燃料性能，配料率值，生料細度和窯的長徑比，窯內(nèi)工況，煙氣成分，開停窯影響等因素而變化的，現(xiàn)將各帶的主要功能介紹如下：

（1）分解帶（CZ）

預熱器、分解爐系統(tǒng)的入窯生料分解率一般均＞90%，未分解的生料在此帶加熱分解，已分解生料中的fCaO與SiO2顆粒作用生成C2S，C2S生成時要放出熱量（610kJ/kg），生料在此帶內(nèi)較快加熱分解，帶內(nèi)有少量的C2S形成。

預分解窯內(nèi)的分解帶與入窯物料分解率有關，分解率越高則此帶越短，分解率越低則此帶越長。近年來，隨著分解爐和預熱器工藝裝備技術的完善和提高，以及二次、三次風溫的增加，入窯物料的分解率越來越高，則窯內(nèi)分解帶長度越來越短。

（2）過渡帶（HZ）

物料從900℃加熱至1300℃，在此帶內(nèi)物料溫度增加很快，C2S大量生成。熟料熔體僅有少量出現(xiàn)，但溫度上升到～1300℃時，熟料熔體突然大量增加，進入熔體（熔融）燒成帶。

（3）熔體（熔融）燒成帶（LZ）

此帶內(nèi)，熟料熔體已大量生成，其數(shù)量隨時間而增多，在該帶溫度雖有增加，但熟料熔體增加的速率并不增快。在熟料熔體燒成帶內(nèi)C3S開始生成，隨著溫度增加，則C3S生成量越來越多。與此同時，熟料顆粒開始形成，顆粒尺寸和數(shù)量取決于熟料熔體的性質(zhì)和數(shù)量，顆粒在熟料中的分布和熟料在熔體燒成帶內(nèi)停留的時間等因素有關。

（4）最高溫度燒成帶（MZ）

最高溫度燒成帶在火焰的最高溫度部位，窯內(nèi)熟料煅燒溫度達到最高值，C3S數(shù)量增多直到完全生成。與此同時熟料完成結粒，在此帶內(nèi)熟料完成全部煅燒過程。

（5）冷卻帶（AZ）

此帶內(nèi)熟料開始降溫，熟料固化。近年來，隨著篦冷機、燃燒器技術的優(yōu)化，入窯二次空氣和燃燒空氣溫度越來越高，熟料離窯的溫度也越來越高，冷卻帶在窯內(nèi)長度也越來越短。

窯內(nèi)各帶氣體溫度、物料溫度、熔體數(shù)量、C3S生成率見圖2。

4　飛砂料、“雪人”形成的條件

4.1飛砂料形成的條件

圖2　預熱器、分解爐系統(tǒng)、窯內(nèi)物料溫度、煙氣溫度、熔體數(shù)量、C3S生成量

飛砂料的形成與熟料顆粒中C2S、C3S晶體生成的大小有著直接關系，也就是窯料在形成熟料過程中，在窯內(nèi)各帶停留時間有關，更與窯料的內(nèi)在性能和熟料煅燒條件有關。通常出現(xiàn)飛砂料的工況有：

4.1.1原料、生料性能

一些易燒的生料較易完成煅燒熟料的物理、化學過程，即過渡帶、熔體燒成帶相對較長，C2S在此工況下，生成的晶體較小且完善。在進入最高溫度燒成帶，不需過多熱量，因而最高溫度燒成帶較短且煅燒溫度相對較低，小晶格的C2S和CaO結合生成C3S，此工況下C3S不易生成大晶格，熟料易結粒（圖3），不易生成飛砂料。而難燒的生料在煅燒過程中，在過渡帶、熔體燒成帶停留時間較短，在最高溫度燒成帶停留時間較長，且溫度較高，在此條件下，C2S晶格較大，且易生成大晶格的C3S，此類礦物不易燒結而形成飛砂料（圖4）。

圖3　熟料結粒較好時C3S呈小晶格

圖4　不同易燒性物料在窯內(nèi)各帶的情況

4.1.2窯產(chǎn)量過高

當窯產(chǎn)量過高時易出現(xiàn)熟料欠燒。為使生產(chǎn)的熟料合格，生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)窯料在過渡帶、熔體燒成帶停留時間短些，在進入最高溫度燒成帶時，窯料分解率偏低，為降低熟料中的fCaO，操作人員往往多噴煤粉以提高熟料的煅燒溫度和延長窯料在該帶的停留時間，在高溫下，C2S晶體易增大，由此生成的C3S熟料晶體也大，從而生成飛砂熟料。

窯內(nèi)煙氣呈還原氣氛時，煤粉燃燒缺氧而不易完全燃燒，火焰形狀細長且燃燒溫度偏低，窯料在過渡帶、熔體燒成帶停留時間偏短，在進入最高溫度燒成帶時分解率偏低，不得不多噴煤粉來增加窯料煅燒溫度和延長窯料在該帶的停留時間。此工況生成的C2S晶格因溫度高且時間長而增大，所生成的C3S晶格也大，易生成飛砂熟料。

4.1.3窯內(nèi)還原煙氣

生產(chǎn)過程中，預熱器、分解爐因種種原因，效率較低，入窯物料分解率偏低，易出現(xiàn)類似難燒物料在窯內(nèi)的工況，易生成飛砂熟料。

在熟料煅燒過程中，上述各種因素都能產(chǎn)生飛砂料。在生產(chǎn)過程中，飛砂料的產(chǎn)生往往是多種因素綜合作用的結果。

4.2“雪人”形成的條件

從生產(chǎn)實踐的情況來看，窯內(nèi)形成“雪人”，除了最高溫度燒成帶長且燒成溫度過高易生成大晶格C2S、C3S結飛砂料的基本條件外，還與原燃料性能、窯內(nèi)煅燒狀況、工藝裝備等因素有關，大致如下：

4.2.1原燃料性能影響

原燃料內(nèi)含有高熔融溫度不易煅燒、不易粉磨的SiO2的成分（如含有架狀、層狀Si-O結構的結晶質(zhì)石英礦物，此類礦物不易粉磨且難煅燒），在煅燒熟料時，易形成飛砂料。若成分中同時含有一定數(shù)量低熔融溫度的化學成分，在高溫下熟料表面形成熔體，易生成“雪人”。

原燃料成分出現(xiàn)大幅波動時，當硅酸率過高時，易出現(xiàn)飛砂料，而當硅酸率偏低時，則熟料表面易出現(xiàn)熔體，在生產(chǎn)過程中，形成結“雪人”條件。

4.2.2窯內(nèi)煅燒狀況

最高溫度燒成帶溫度遠高于熟料形成溫度，且窯料在此帶煅燒時間長，易形成大晶格熟料，也易在此類熟料表面呈熔體，若窯料內(nèi)含有低熔融溫度化合物，易形成“雪人”。

窯內(nèi)煙氣呈還原氣氛，煤粉不易完全燃燒，一方面未燃燒的粉煤粒易沉積在窯料表面上，隨窯的旋轉向前運動，并隨窯內(nèi)溫度增高而逐步在窯料內(nèi)燃燒；另一方面由于煤粉沒有完全燃燒，窯內(nèi)煙氣溫度相對較低，窯料溫度增加需要的時間較長，此時窯料中已分解形成的CaO從活性很大的微孔型晶格變成對外界能量很小的立方體晶型，此類CaO的化學活性力和擴散力大幅降低，所形成的熟料溫度一般較高，在通過最高溫度燒成帶生成熟料所需的時間較長，很易生成飛砂料，由于沉積在窯料上的煤粉隨溫度增高而燃燒，易造成飛砂熟料表面呈熔體形成“雪人”。此種情況往往發(fā)生在：

當煤粉熱值低、揮發(fā)分低、灰分高、水分高且顆粒粗時，在窯內(nèi)不易燃燒而易沉積在窯料表面上；

燃燒器噴射口變形較大，噴出的煤粉很不均勻，煤粉量多時，易沉積在窯料上；

燃煤計量不準，入窯煤粉數(shù)量時多時少，或煤粉內(nèi)熱值、灰分、揮發(fā)分、水分變化較大時。

當燃料中含硫量較多時，燃燒過程中硫與氧形成SO2，與窯料中的K2O、Na2O和碳酸鈣分解后所生成的CaO作用生成K2SO4、Na2SO4和CaSO4。當窯內(nèi)呈還原氣氛時，高溫下的K2SO4、Na2SO4和CaSO4分解，所生成的SO2后逸，再次與CaO、Na2O、K2O結合生成低融熔的CaSO4、Na2SO4、K2SO4，此類物料的復合化合物熔融溫度低于窯內(nèi)煙氣溫度易在窯內(nèi)結長厚窯皮，也易結圈，會增加窯內(nèi)煙氣流通的阻力，加劇還原狀況，熟料在此工況下，易形成飛砂料。若熟料表面含有較多數(shù)量的熔融物料，則易生成“雪人”。

（未完，待續(xù)）

TQ172.622.29文獻標識碼：A

1001-6171（2015）01-0028-04

通訊地址：天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司，天津300400；

2014-12-04；編輯：呂光