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(yù)分解窯生產(chǎn)過(guò)程中，飛砂熟料（簡(jiǎn)稱(chēng)飛砂料）和“雪人”熟料（簡(jiǎn)稱(chēng)“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(yán)重時(shí)需停機(jī)處理，成為生產(chǎn)操作人員關(guān)注的焦點(diǎn)。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)少量生產(chǎn)廠家和研究單位對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(jìn)行了報(bào)道，個(gè)別文章提到“雪人”堆積熟料中含有相當(dāng)數(shù)量的飛砂料，沒(méi)有見(jiàn)到有關(guān)飛砂料、“雪人”生成機(jī)理及二者之間的內(nèi)在聯(lián)系的探討。本文借助國(guó)外研究成果及國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)踐和個(gè)人經(jīng)歷對(duì)飛砂料和“雪人”的生成原因及減緩措施進(jìn)行探討，以引起國(guó)內(nèi)有關(guān)單位的重視，進(jìn)一步加強(qiáng)此方面的研究，從而減緩或從根本上解決該問(wèn)題。

1　飛砂料和“雪人”的危害性

1.1飛砂熟料的危害性

預(yù)分解窯生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)飛砂料，一些工廠的文章稱(chēng)生產(chǎn)中熟料顆粒＜0.5～1mm時(shí)，則易出現(xiàn)飛砂料，少的低于窯產(chǎn)量的10%，多的高達(dá)20%～30%以上，個(gè)別文章估計(jì)約50%。其危害性如下：

1.1.1飛砂料對(duì)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(guó)外資料介紹純飛砂料易磨性差，個(gè)別資料稱(chēng)粉磨時(shí)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(guó)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(qiáng)度發(fā)展很慢，短期強(qiáng)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(qiáng)度隨其含量增加相應(yīng)下降。

飛砂和“雪人”均是熟料在過(guò)高燒成溫度下形成的，必將增加燒成帶耐火磚的熱應(yīng)力。此外，飛砂對(duì)襯磚造成磨蝕，“雪人”對(duì)所粘結(jié)的耐火磚產(chǎn)生熱化學(xué)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(duì)生產(chǎn)的影響

熟料在窯內(nèi)煅燒時(shí)，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(xì)顆粒則集中在窯筒體一邊。當(dāng)熟料從窯頭落至篦冷機(jī)篦床上時(shí)，大顆粒集中在一側(cè)，細(xì)顆粒集中在另一側(cè)，篦床橫截面中部為粗細(xì)顆粒的過(guò)渡部位。當(dāng)窯速較快且窯內(nèi)細(xì)顆粒飛砂熟料較多時(shí)，細(xì)顆粒集中在一側(cè)的現(xiàn)象尤為明顯。堆積的細(xì)顆粒料層致密，通風(fēng)阻力大，篦下冷風(fēng)不易透過(guò)，熟料得不到冷卻，在篦床上形成一條高溫紅色熟料帶（俗稱(chēng)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(jī)、第三代可控氣流篦冷機(jī)上經(jīng)常出現(xiàn)，在第四代冷卻機(jī)上也有所呈現(xiàn)。

在篦冷機(jī)內(nèi)冷風(fēng)冷卻熟料時(shí)，易將細(xì)顆粒熟料從料層上吹起，此時(shí)高溫的飛砂料隨高溫?zé)釟饬魅敫G（二次風(fēng)）和入三次風(fēng)管（三次風(fēng)）。在此過(guò)程中，未經(jīng)冷卻的飛砂料將熱量傳遞給三次風(fēng)，提高了三次風(fēng)溫，飛砂料進(jìn)入三次風(fēng)管后，因其磨蝕性強(qiáng)，易對(duì)三次風(fēng)管內(nèi)耐火襯料和三次風(fēng)閥板造成磨蝕損壞。當(dāng)大量的高溫飛砂料隨三次風(fēng)進(jìn)入分解爐，會(huì)使?fàn)t內(nèi)物料溫度不均，加重分解爐內(nèi)物料負(fù)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(guò)分解爐再次入窯，會(huì)造成窯尾測(cè)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(fēng)入窯，再次在窯內(nèi)煅燒，易發(fā)生熟料的重結(jié)晶，再次產(chǎn)生不易粉磨的飛砂料。飛砂料過(guò)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(shí)會(huì)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(hù)板及耐火澆注料的熱應(yīng)力損壞和磨蝕。

大量出現(xiàn)飛砂料的回轉(zhuǎn)窯窯門(mén)四周的空氣較為混濁，影響環(huán)境。當(dāng)燃燒器在此吸進(jìn)空氣時(shí)，含有較細(xì)顆粒的飛砂料隨氣流進(jìn)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(jī)進(jìn)料口、窯門(mén)罩和燃燒器等高溫部位。當(dāng)“雪人”在篦冷機(jī)進(jìn)料口堆積至窯口以上高度時(shí)，必將造成熟料運(yùn)行受阻，窯內(nèi)物料填充率增加，造成入窯二次風(fēng)量不足，煤粉燃燒不完全，熟料質(zhì)量顯著降低?！把┤恕倍逊e在篦板上，阻止冷風(fēng)透過(guò)料層，易使過(guò)熱熔融熟料燒壞篦板造成停機(jī)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(duì)耐火襯料進(jìn)行滲透，從而對(duì)耐火材料造成熱、化學(xué)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(duì)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(jié)構(gòu)

國(guó)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(xué)成分和同一時(shí)間生產(chǎn)的熟料成分幾乎一致，沒(méi)有多大差別，而主要差別在于與正常熟料巖相結(jié)構(gòu)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(guò)程中，由于煅燒溫度過(guò)高且在高溫部位熟料形成時(shí)間偏長(zhǎng)時(shí)，易生成粉塵狀的大晶格飛砂熟料，此類(lèi)熟料不易成球。上世紀(jì)80年代FLS（史密斯）公司的本部培訓(xùn)教材和來(lái)華進(jìn)行技術(shù)交流的資料也闡明了這個(gè)觀點(diǎn)，大量的巖相分析也證實(shí)了飛砂料確系大晶格熟料的情況（見(jiàn)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(jié)在高溫部位的耐火磚表面，而后顆粒之間相互黏結(jié)，形成堆積生成“雪人”。中國(guó)建筑材料科學(xué)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(guò)多有關(guān)?！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(jié)晶環(huán)帶構(gòu)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(jié)構(gòu)，但包裹較多的中間相，這種結(jié)構(gòu)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(zhǎng)時(shí)期的生產(chǎn)調(diào)試實(shí)踐證實(shí)，生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)較多的A礦晶體～60μm時(shí)，開(kāi)始呈現(xiàn)飛砂料，隨著A礦晶格的進(jìn)一步增大，則飛砂料越來(lái)越多，當(dāng)A礦晶格＞～100μm時(shí)，則飛砂料極為嚴(yán)重，但并不存在飛砂料量多，結(jié)“雪人”多的關(guān)系。只是在生產(chǎn)過(guò)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(shí)，操作人員通常增加燃料量提高燒成溫度來(lái)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(jié)而形成“雪人”堆積。另一種狀態(tài)是：當(dāng)窯內(nèi)形成還原氣氛時(shí)，火焰因缺氧而狹長(zhǎng)，易使窯料慢速升溫，當(dāng)窯料進(jìn)入最高溫度燒成帶時(shí)fCaO偏高，為此操作人員往往提高煅燒溫度來(lái)降低fCaO，此時(shí)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(shí)在窯料表面上燃燒，致使飛砂料表面帶熔融物料。此類(lèi)飛砂料與高溫的窯口、冷卻機(jī)進(jìn)料口耐火磚面接觸時(shí)，則黏結(jié)在面上，而后，表面帶熔體的飛砂料相互黏結(jié)形成“雪人”。

“雪人”生成時(shí)，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(guò)程中形成的，必須對(duì)窯料在窯內(nèi)煅燒過(guò)程中形成熟料的物理、化學(xué)作用作一分析，并對(duì)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(guò)程

多年來(lái)，水泥行業(yè)的技術(shù)研究單位和水泥制造公司對(duì)水泥窯內(nèi)各帶提出了不同的劃分概念，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，出現(xiàn)了不同的分帶方法和帶的名稱(chēng)。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(jì)80年代提出的并大量出現(xiàn)在該公司有關(guān)文獻(xiàn)上的預(yù)分解窯內(nèi)各帶劃分的概念，內(nèi)容如下：

FLS公司的有關(guān)資料提出，窯料在預(yù)分解窯內(nèi)煅燒成熟料時(shí)，根據(jù)其物理、化學(xué)作用過(guò)程，大致分成5個(gè)帶，即分解帶、過(guò)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(zhǎng)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(xì)度和窯的長(zhǎng)徑比，窯內(nèi)工況，煙氣成分，開(kāi)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(yù)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(shí)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(yù)分解窯內(nèi)的分解帶與入窯物料分解率有關(guān)，分解率越高則此帶越短，分解率越低則此帶越長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著分解爐和預(yù)熱器工藝裝備技術(shù)的完善和提高，以及二次、三次風(fēng)溫的增加，入窯物料的分解率越來(lái)越高，則窯內(nèi)分解帶長(zhǎng)度越來(lái)越短。

（2）過(guò)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(shí)，熟料熔體突然大量增加，進(jìn)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(shí)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(kāi)始生成，隨著溫度增加，則C3S生成量越來(lái)越多。與此同時(shí)，熟料顆粒開(kāi)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(shí)間等因素有關(guān)。

（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(dá)到最高值，C3S數(shù)量增多直到完全生成。與此同時(shí)熟料完成結(jié)粒，在此帶內(nèi)熟料完成全部煅燒過(guò)程。

（5）冷卻帶（AZ）

此帶內(nèi)熟料開(kāi)始降溫，熟料固化。近年來(lái)，隨著篦冷機(jī)、燃燒器技術(shù)的優(yōu)化，入窯二次空氣和燃燒空氣溫度越來(lái)越高，熟料離窯的溫度也越來(lái)越高，冷卻帶在窯內(nèi)長(zhǎng)度也越來(lái)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(jiàn)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(yù)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(guān)系，也就是窯料在形成熟料過(guò)程中，在窯內(nèi)各帶停留時(shí)間有關(guān)，更與窯料的內(nèi)在性能和熟料煅燒條件有關(guān)。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(xué)過(guò)程，即過(guò)渡帶、熔體燒成帶相對(duì)較長(zhǎng)，C2S在此工況下，生成的晶體較小且完善。在進(jìn)入最高溫度燒成帶，不需過(guò)多熱量，因而最高溫度燒成帶較短且煅燒溫度相對(duì)較低，小晶格的C2S和CaO結(jié)合生成C3S，此工況下C3S不易生成大晶格，熟料易結(jié)粒（圖3），不易生成飛砂料。而難燒的生料在煅燒過(guò)程中，在過(guò)渡帶、熔體燒成帶停留時(shí)間較短，在最高溫度燒成帶停留時(shí)間較長(zhǎng)，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(lèi)礦物不易燒結(jié)而形成飛砂料（圖4）。

圖3　熟料結(jié)粒較好時(shí)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(guò)高

當(dāng)窯產(chǎn)量過(guò)高時(shí)易出現(xiàn)熟料欠燒。為使生產(chǎn)的熟料合格，生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)窯料在過(guò)渡帶、熔體燒成帶停留時(shí)間短些，在進(jìn)入最高溫度燒成帶時(shí)，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(zhǎng)窯料在該帶的停留時(shí)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(shí)，煤粉燃燒缺氧而不易完全燃燒，火焰形狀細(xì)長(zhǎng)且燃燒溫度偏低，窯料在過(guò)渡帶、熔體燒成帶停留時(shí)間偏短，在進(jìn)入最高溫度燒成帶時(shí)分解率偏低，不得不多噴煤粉來(lái)增加窯料煅燒溫度和延長(zhǎng)窯料在該帶的停留時(shí)間。此工況生成的C2S晶格因溫度高且時(shí)間長(zhǎng)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(guò)程中，預(yù)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(lèi)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(guò)程中，上述各種因素都能產(chǎn)生飛砂料。在生產(chǎn)過(guò)程中，飛砂料的產(chǎn)生往往是多種因素綜合作用的結(jié)果。

4.2“雪人”形成的條件

從生產(chǎn)實(shí)踐的情況來(lái)看，窯內(nèi)形成“雪人”，除了最高溫度燒成帶長(zhǎng)且燒成溫度過(guò)高易生成大晶格C2S、C3S結(jié)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(guān)，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(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)石英礦物，此類(lèi)礦物不易粉磨且難煅燒），在煅燒熟料時(shí)，易形成飛砂料。若成分中同時(shí)含有一定數(shù)量低熔融溫度的化學(xué)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(dòng)時(shí)，當(dāng)硅酸率過(guò)高時(shí)，易出現(xiàn)飛砂料，而當(dāng)硅酸率偏低時(shí)，則熟料表面易出現(xiàn)熔體，在生產(chǎn)過(guò)程中，形成結(jié)“雪人”條件。

4.2.2窯內(nèi)煅燒狀況

最高溫度燒成帶溫度遠(yuǎn)高于熟料形成溫度，且窯料在此帶煅燒時(shí)間長(zhǎng)，易形成大晶格熟料，也易在此類(lèi)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(zhuǎn)向前運(yùn)動(dòng)，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(méi)有完全燃燒，窯內(nèi)煙氣溫度相對(duì)較低，窯料溫度增加需要的時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)窯料中已分解形成的CaO從活性很大的微孔型晶格變成對(duì)外界能量很小的立方體晶型，此類(lèi)CaO的化學(xué)活性力和擴(kuò)散力大幅降低，所形成的熟料溫度一般較高，在通過(guò)最高溫度燒成帶生成熟料所需的時(shí)間較長(zhǎng)，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(dāng)煤粉熱值低、揮發(fā)分低、灰分高、水分高且顆粒粗時(shí)，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(shí)，易沉積在窯料上；

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

當(dāng)燃料中含硫量較多時(shí)，燃燒過(guò)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(dāng)窯內(nèi)呈還原氣氛時(shí)，高溫下的K2SO4、Na2SO4和CaSO4分解，所生成的SO2后逸，再次與CaO、Na2O、K2O結(jié)合生成低融熔的CaSO4、Na2SO4、K2SO4，此類(lèi)物料的復(fù)合化合物熔融溫度低于窯內(nèi)煙氣溫度易在窯內(nèi)結(jié)長(zhǎng)厚窯皮，也易結(jié)圈，會(huì)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1001-6171（2015）01-0028-04

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2014-12-04；編輯：呂光