飞砂料、“雪人”熟料生成原因及危害性和减缓措施（上）

陈友德，李　波，肖　磊

飞砂料、“雪人”熟料生成原因及危害性和减缓措施（上）

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

陈友德，李波，肖磊

预分解窑生产过程中，飞砂熟料（简称飞砂料）和“雪人”熟料（简称“雪人”）是生产中经常出现的不正常情况，在一定程度上影响了熟料产量和质量，严重时需停机处理，成为生产操作人员关注的焦点。近些年来，国内少量生产厂家和研究单位对生产过程中出现的飞砂料、“雪人”现象及其危害性和采取的减缓措施进行了报道，个别文章提到“雪人”堆积熟料中含有相当数量的飞砂料，没有见到有关飞砂料、“雪人”生成机理及二者之间的内在联系的探讨。本文借助国外研究成果及国内生产企业的实践和个人经历对飞砂料和“雪人”的生成原因及减缓措施进行探讨，以引起国内有关单位的重视，进一步加强此方面的研究，从而减缓或从根本上解决该问题。

1　飞砂料和“雪人”的危害性

1.1飞砂熟料的危害性

预分解窑生产过程中，经常出现飞砂料，一些工厂的文章称生产中熟料颗粒＜0.5～1mm时，则易出现飞砂料，少的低于窑产量的10%，多的高达20%～30%以上，个别文章估计约50%。其危害性如下：

1.1.1飞砂料对热耗、电耗及产品性能的影响

飞砂料易磨性差，不利于水泥粉磨，国外资料介绍纯飞砂料易磨性差，个别资料称粉磨时较正常熟料增加电耗20%～30%，在极端的情况下，电耗几乎增加一倍以上。

飞砂熟料形成热高，国外资料介绍较普通熟料增加约125.4～167.2kJ/kg。

资料介绍，C3S的晶格＞60μm的水泥颗粒水化后，强度发展很慢，短期强度低。而飞砂料颗粒一般接近或＞60μm，若熟料中含有较多的飞砂料，则粉磨后的水泥强度随其含量增加相应下降。

飞砂和“雪人”均是熟料在过高烧成温度下形成的，必将增加烧成带耐火砖的热应力。此外，飞砂对衬砖造成磨蚀，“雪人”对所粘结的耐火砖产生热化学侵蚀，上述情况增加受力部位耐火砖损坏，缩短耐火砖使用寿命。

1.1.2飞砂料对生产的影响

熟料在窑内煅烧时，受离心力的作用，产生离析，大颗粒一般集中在中间，随着颗粒直径变小，细颗粒则集中在窑筒体一边。当熟料从窑头落至篦冷机篦床上时，大颗粒集中在一侧，细颗粒集中在另一侧，篦床横截面中部为粗细颗粒的过渡部位。当窑速较快且窑内细颗粒飞砂熟料较多时，细颗粒集中在一侧的现象尤为明显。堆积的细颗粒料层致密，通风阻力大，篦下冷风不易透过，熟料得不到冷却，在篦床上形成一条高温红色熟料带（俗称红河），极易损坏料层下的篦板。这种情况在第二代厚料层篦冷机、第三代可控气流篦冷机上经常出现，在第四代冷却机上也有所呈现。

在篦冷机内冷风冷却熟料时，易将细颗粒熟料从料层上吹起，此时高温的飞砂料随高温热气流入窑（二次风）和入三次风管（三次风）。在此过程中，未经冷却的飞砂料将热量传递给三次风，提高了三次风温，飞砂料进入三次风管后，因其磨蚀性强，易对三次风管内耐火衬料和三次风阀板造成磨蚀损坏。当大量的高温飞砂料随三次风进入分解炉，会使炉内物料温度不均，加重分解炉内物料负荷，影响入窑物料分解率的控制。此外，已煅烧成熟料的飞砂料通过分解炉再次入窑，会造成窑尾测得的入窑物料分解率数据偏高的假象。

飞砂料颗粒随二次风入窑，再次在窑内煅烧，易发生熟料的重结晶，再次产生不易粉磨的飞砂料。飞砂料过多的生产循环在一定程度上易造成热工制度的混乱，同时会使窑头火焰混浊，影响火焰温度的正确判断。此外，飞砂料的煅烧温度高，也易造成窑头护板及耐火浇注料的热应力损坏和磨蚀。

大量出现飞砂料的回转窑窑门四周的空气较为混浊，影响环境。当燃烧器在此吸进空气时，含有较细颗粒的飞砂料随气流进入燃烧器内，易造成燃烧器内壁磨损。

1.2“雪人”的危害性

“雪人”主要堆积在篦冷机进料口、窑门罩和燃烧器等高温部位。当“雪人”在篦冷机进料口堆积至窑口以上高度时，必将造成熟料运行受阻，窑内物料填充率增加，造成入窑二次风量不足，煤粉燃烧不完全，熟料质量显著降低。“雪人”堆积在篦板上，阻止冷风透过料层，易使过热熔融熟料烧坏篦板造成停机事故。“雪人”粘附在耐火衬料表面，熟料中一些碱硫化合物以及高温的硅酸盐化合物熔体，对耐火衬料进行渗透，从而对耐火材料造成热、化学侵蚀，致使衬料损坏。

燃烧器前端上下部位出现堆“雪人”，极易造成燃烧器喷口部位受力下垂，影响火焰形状及煤粉燃烧。若“雪人”堆积在燃烧器喷射口最前端，造成通道截面变形，必然引起煤粉喷速不均，火焰变形，上述情况对熟料质量及耐火衬砖损坏影响较大。

2　飞砂料、“雪人”熟料的主要成分和结构

国内外的一些生产厂家发表的文章均指出，飞砂料和“雪人”的熟料化学成分和同一时间生产的熟料成分几乎一致，没有多大差别，而主要差别在于与正常熟料岩相结构上的差别。

1980年，F MacGregor Miller在文章中指出，飞砂料主要是在熟料煅烧过程中，由于煅烧温度过高且在高温部位熟料形成时间偏长时，易生成粉尘状的大晶格飞砂熟料，此类熟料不易成球。上世纪80年代FLS（史密斯）公司的本部培训教材和来华进行技术交流的资料也阐明了这个观点，大量的岩相分析也证实了飞砂料确系大晶格熟料的情况（见图1）。

图1　飞砂料（大晶格C3S）

同一篇文章中，作者指出“雪人”是表面带熔体的大晶格粉尘熟料，由于表面带熔体，极易黏结在高温部位的耐火砖表面，而后颗粒之间相互黏结，形成堆积生成“雪人”。中国建筑材料科学研究院撰文指出［5］，绝大部分堆“雪人”现象与窑内飞砂料过多有关。“雪人”熟料中A矿（C3S）晶体一般在20～60μm，中间相分布多的区域存在10～20μm的小晶体，部分A矿大晶体断面呈明显的再结晶环带构造。B矿（C2S）主要有三种分布形态，第一种与A矿均匀分布，圆颗粒状，尺寸10～30μm，第二种晶体尺寸在50～90μm之间，第三种也属矿巢结构，但包裹较多的中间相，这种结构一般是由煤灰沉降不均产生熔融而形成，但文章未谈飞砂料和“雪人”在窑内的成因。

长时期的生产调试实践证实，生产过程中，当较多的A矿晶体～60μm时，开始呈现飞砂料，随着A矿晶格的进一步增大，则飞砂料越来越多，当A矿晶格＞～100μm时，则飞砂料极为严重，但并不存在飞砂料量多，结“雪人”多的关系。只是在生产过程中，往往出现入窑物料分解率低，窑料所生成的熟料中fCaO偏高时，操作人员通常增加燃料量提高烧成温度来降低熟料中的fCaO，此种工况极易形成飞砂料。若飞砂熟料中含有低融熔温度的熟料，在高温状况下易在熟料表面形成熔体，相互熔结而形成“雪人”堆积。另一种状态是：当窑内形成还原气氛时，火焰因缺氧而狭长，易使窑料慢速升温，当窑料进入最高温度烧成带时fCaO偏高，为此操作人员往往提高煅烧温度来降低fCaO，此时也易形成飞砂料。此外，还原气氛易造成一些未完全燃烧的煤粉沉积在熟料表面，在高温下未完全燃烧的煤粉遇到新鲜空气时在窑料表面上燃烧，致使飞砂料表面带熔融物料。此类飞砂料与高温的窑口、冷却机进料口耐火砖面接触时，则黏结在面上，而后，表面带熔体的飞砂料相互黏结形成“雪人”。

“雪人”生成时，均伴随着大量的飞砂熟料，为了阐明“雪人”的成因，首先要找出飞砂料的成因，飞砂料是窑内煅烧过程中形成的，必须对窑料在窑内煅烧过程中形成熟料的物理、化学作用作一分析，并对窑内各带的功能作一介绍，才能找出飞砂料在窑内形成原因，从而找出与“雪人”形成的内在联系。

3　熟料在窑内煅烧过程

多年来，水泥行业的技术研究单位和水泥制造公司对水泥窑内各带提出了不同的划分概念，在回转窑内，出现了不同的分带方法和带的名称。为了找出飞砂料、“雪人”熟料的形成原因，本文引用丹麦FLS公司在上世纪80年代提出的并大量出现在该公司有关文献上的预分解窑内各带划分的概念，内容如下：

FLS公司的有关资料提出，窑料在预分解窑内煅烧成熟料时，根据其物理、化学作用过程，大致分成5个带，即分解带、过渡带、熔融烧成带、最高温度烧成带、冷却带，各带是根据其功能决定的，各带长度因功能变化而变化，不是固定不变的，而是随原料、燃料性能，配料率值，生料细度和窑的长径比，窑内工况，烟气成分，开停窑影响等因素而变化的，现将各带的主要功能介绍如下：

（1）分解带（CZ）

预热器、分解炉系统的入窑生料分解率一般均＞90%，未分解的生料在此带加热分解，已分解生料中的fCaO与SiO2颗粒作用生成C2S，C2S生成时要放出热量（610kJ/kg），生料在此带内较快加热分解，带内有少量的C2S形成。

预分解窑内的分解带与入窑物料分解率有关，分解率越高则此带越短，分解率越低则此带越长。近年来，随着分解炉和预热器工艺装备技术的完善和提高，以及二次、三次风温的增加，入窑物料的分解率越来越高，则窑内分解带长度越来越短。

（2）过渡带（HZ）

物料从900℃加热至1300℃，在此带内物料温度增加很快，C2S大量生成。熟料熔体仅有少量出现，但温度上升到～1300℃时，熟料熔体突然大量增加，进入熔体（熔融）烧成带。

（3）熔体（熔融）烧成带（LZ）

此带内，熟料熔体已大量生成，其数量随时间而增多，在该带温度虽有增加，但熟料熔体增加的速率并不增快。在熟料熔体烧成带内C3S开始生成，随着温度增加，则C3S生成量越来越多。与此同时，熟料颗粒开始形成，颗粒尺寸和数量取决于熟料熔体的性质和数量，颗粒在熟料中的分布和熟料在熔体烧成带内停留的时间等因素有关。

（4）最高温度烧成带（MZ）

最高温度烧成带在火焰的最高温度部位，窑内熟料煅烧温度达到最高值，C3S数量增多直到完全生成。与此同时熟料完成结粒，在此带内熟料完成全部煅烧过程。

（5）冷却带（AZ）

此带内熟料开始降温，熟料固化。近年来，随着篦冷机、燃烧器技术的优化，入窑二次空气和燃烧空气温度越来越高，熟料离窑的温度也越来越高，冷却带在窑内长度也越来越短。

窑内各带气体温度、物料温度、熔体数量、C3S生成率见图2。

4　飞砂料、“雪人”形成的条件

4.1飞砂料形成的条件

图2　预热器、分解炉系统、窑内物料温度、烟气温度、熔体数量、C3S生成量

飞砂料的形成与熟料颗粒中C2S、C3S晶体生成的大小有着直接关系，也就是窑料在形成熟料过程中，在窑内各带停留时间有关，更与窑料的内在性能和熟料煅烧条件有关。通常出现飞砂料的工况有：

4.1.1原料、生料性能

一些易烧的生料较易完成煅烧熟料的物理、化学过程，即过渡带、熔体烧成带相对较长，C2S在此工况下，生成的晶体较小且完善。在进入最高温度烧成带，不需过多热量，因而最高温度烧成带较短且煅烧温度相对较低，小晶格的C2S和CaO结合生成C3S，此工况下C3S不易生成大晶格，熟料易结粒（图3），不易生成飞砂料。而难烧的生料在煅烧过程中，在过渡带、熔体烧成带停留时间较短，在最高温度烧成带停留时间较长，且温度较高，在此条件下，C2S晶格较大，且易生成大晶格的C3S，此类矿物不易烧结而形成飞砂料（图4）。

图3　熟料结粒较好时C3S呈小晶格

图4　不同易烧性物料在窑内各带的情况

4.1.2窑产量过高

当窑产量过高时易出现熟料欠烧。为使生产的熟料合格，生产过程中易出现窑料在过渡带、熔体烧成带停留时间短些，在进入最高温度烧成带时，窑料分解率偏低，为降低熟料中的fCaO，操作人员往往多喷煤粉以提高熟料的煅烧温度和延长窑料在该带的停留时间，在高温下，C2S晶体易增大，由此生成的C3S熟料晶体也大，从而生成飞砂熟料。

窑内烟气呈还原气氛时，煤粉燃烧缺氧而不易完全燃烧，火焰形状细长且燃烧温度偏低，窑料在过渡带、熔体烧成带停留时间偏短，在进入最高温度烧成带时分解率偏低，不得不多喷煤粉来增加窑料煅烧温度和延长窑料在该带的停留时间。此工况生成的C2S晶格因温度高且时间长而增大，所生成的C3S晶格也大，易生成飞砂熟料。

4.1.3窑内还原烟气

生产过程中，预热器、分解炉因种种原因，效率较低，入窑物料分解率偏低，易出现类似难烧物料在窑内的工况，易生成飞砂熟料。

在熟料煅烧过程中，上述各种因素都能产生飞砂料。在生产过程中，飞砂料的产生往往是多种因素综合作用的结果。

4.2“雪人”形成的条件

从生产实践的情况来看，窑内形成“雪人”，除了最高温度烧成带长且烧成温度过高易生成大晶格C2S、C3S结飞砂料的基本条件外，还与原燃料性能、窑内煅烧状况、工艺装备等因素有关，大致如下：

4.2.1原燃料性能影响

原燃料内含有高熔融温度不易煅烧、不易粉磨的SiO2的成分（如含有架状、层状Si-O结构的结晶质石英矿物，此类矿物不易粉磨且难煅烧），在煅烧熟料时，易形成飞砂料。若成分中同时含有一定数量低熔融温度的化学成分，在高温下熟料表面形成熔体，易生成“雪人”。

原燃料成分出现大幅波动时，当硅酸率过高时，易出现飞砂料，而当硅酸率偏低时，则熟料表面易出现熔体，在生产过程中，形成结“雪人”条件。

4.2.2窑内煅烧状况

最高温度烧成带温度远高于熟料形成温度，且窑料在此带煅烧时间长，易形成大晶格熟料，也易在此类熟料表面呈熔体，若窑料内含有低熔融温度化合物，易形成“雪人”。

窑内烟气呈还原气氛，煤粉不易完全燃烧，一方面未燃烧的粉煤粒易沉积在窑料表面上，随窑的旋转向前运动，并随窑内温度增高而逐步在窑料内燃烧；另一方面由于煤粉没有完全燃烧，窑内烟气温度相对较低，窑料温度增加需要的时间较长，此时窑料中已分解形成的CaO从活性很大的微孔型晶格变成对外界能量很小的立方体晶型，此类CaO的化学活性力和扩散力大幅降低，所形成的熟料温度一般较高，在通过最高温度烧成带生成熟料所需的时间较长，很易生成飞砂料，由于沉积在窑料上的煤粉随温度增高而燃烧，易造成飞砂熟料表面呈熔体形成“雪人”。此种情况往往发生在：

当煤粉热值低、挥发分低、灰分高、水分高且颗粒粗时，在窑内不易燃烧而易沉积在窑料表面上；

燃烧器喷射口变形较大，喷出的煤粉很不均匀，煤粉量多时，易沉积在窑料上；

燃煤计量不准，入窑煤粉数量时多时少，或煤粉内热值、灰分、挥发分、水分变化较大时。

当燃料中含硫量较多时，燃烧过程中硫与氧形成SO2，与窑料中的K2O、Na2O和碳酸钙分解后所生成的CaO作用生成K2SO4、Na2SO4和CaSO4。当窑内呈还原气氛时，高温下的K2SO4、Na2SO4和CaSO4分解，所生成的SO2后逸，再次与CaO、Na2O、K2O结合生成低融熔的CaSO4、Na2SO4、K2SO4，此类物料的复合化合物熔融温度低于窑内烟气温度易在窑内结长厚窑皮，也易结圈，会增加窑内烟气流通的阻力，加剧还原状况，熟料在此工况下，易形成飞砂料。若熟料表面含有较多数量的熔融物料，则易生成“雪人”。

（未完，待续）

TQ172.622.29文献标识码：A

1001-6171（2015）01-0028-04

通讯地址：天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；

2014-12-04；编辑：吕光