也谈飞砂产生机理及预防

0　引言
　　所谓飞砂是回转窑烧成带产生大量细粒并飞扬的熟料。这种飞砂料的大小一般在1mm以下，在窑内到处飞扬[1]。飞砂料的出现，既影响熟料质量，又影响窑的操作。据报导[2]，大同水泥厂曾因飞砂料的出现被迫降低煅烧温度，从而使熟料强度下降5MPa。关于飞砂的成因，文献[1]认为，主要是SiO2含量太高、Al2O3和Fe2O3含量太低，因而液相出现太慢、液相量太少，熟料难以结粒，导致飞砂；另一原因是火焰太长，煅烧温度不够高，在料层中还存在大量不飞扬的料粒，未能结粒，待物料进入冷却带，细料粒才到处飞扬。文献[1]还提出，克服飞砂的方法，若是由于SiO2太高引起则应适当降低硅酸率；若是由于煅烧操作中火焰太长而引起，则应适当缩短火焰或缩短高温带。笔者认为，还有一种飞砂是由于粘散料引起，而粘散料的产生则是由于高温液相的表面张力太小所致。乔龄山[3]在分析飞砂形成机理时认为，“国内水泥生产者忽视了液相表面张力和结粒的问题”，“要使熟料有一定的结粒度，熟料液相应有足够的表面张力才能结成较好的颗粒”。他还指出:“硫酸盐饱和度过高降低了液相粘度和表面张力”。这些观点笔者很赞同。他所提出的表面张力太小形成的飞砂实际上是一种粘散料，这种飞砂的产生与液相量少所引起的飞砂在机理上完全不同。因此，解决这种飞砂的措施也应该完全有别于液相量少所产生的飞砂。本文在前人研究工作的基础上从硅酸盐物理化学角度讨论飞砂的成因并提出预防和解决飞砂问题的措施或途径。
1　回转窑内物料结粒的机理
　　从水泥工艺学原理看，水泥熟料是一种多矿物的集合体，是结晶细小的人造岩石。这些结晶一般都在100μm以下，即小于0.1mm。有人认为，水泥熟料中矿物晶体的平均尺寸为:阿利特65μm以下，贝利特55μm以下。出冷却机的熟料块度一般都在5～25mm，甚至更大些，是什么力量使几十微米的小晶体“粘结”成几毫米至几十毫米的熟料？答案是熟料液相，是熟料液相将这些细小的晶体“粘结”起来。因此，熟料液相的数量和性质对熟料的结粒大小起着关键作用。液相的什么性质使它对小晶体有粘结力？主要是表面张力。
　　水泥熟料的烧结是在有液相的情况下进行的。在固相反应之前，物料呈粉状。在过渡带主要是固相反应，生料中的CaO与SiO2、Al2O3、Fe2O3起化学反应生成C2S、C3A和C4AF，此外尚有一部分未起化学反应的CaO(约12%～13%)，物料呈细粒状或粉状。到了烧成带，随着煅烧温度提高，开始出现液相，其液相量大约在20%～28%。在水泥熟料烧结过程中，液相有2种作用:一是为C2S+CaO→C3S的反应提供条件，使C2S和CaO溶于液相起化学反应，生成C3S；另一作用是像“胶结剂”一样，润湿窑内物料，从而使出窑熟料块度远远大于入窑物料的粒度。
　　从硅酸盐物理化学角度看，物料烧结的主要动力是粒子的表面张力。物料烧结一种是固相与固相之间的烧结；另一种是有液相或汽相情况下的烧结。我们首先讨论有液相而不存在化学反应情况下的烧结。文献[4]认为，使粒子拉紧的毛细管力主要有2部分:一是沿液相弯曲表面的2个方向上的压力差引起的力ΔP=σ(1/ρ2-1/ρ1)，式中σ和ρ2、ρ1分别为液相弯曲面上的表面张力和半径，见图1。液相内部的压力比外部的小，颗粒在力的作用下受到压紧作用，其作用力F1=ΔP•S，式中S为液相与固体界面压力的垂直方向的投影面积，即粒子之间的凹桥强度与液相表面张力及粒子的直径成正比；另一作用力是沿液相与固体接触的周长，由液相表面张力引起的力F2。F2=Cσsin(ψ+θ)，C表示湿润周长；ψ表示取决于液相量的角；θ表示湿润边界角。拉紧颗粒的总力为F=F1+F2。从上面的公式可看出，这2种拉紧颗粒的力都与表面张力成正比。另外，存在着将2个颗粒分开的外力，此力与颗粒的质量P即与颗粒直径的三次方成正比，因此由表面张力粘结而成的颗粒强度与液相表面张力成正比，而与粒径成反比。即最终团粒的大小取决于表面张力和粒径大小。当颗粒尺寸因粘结而增大到一定程度时，颗粒不再增大。在水泥熟料煅烧过程中，若液相包围的是化学成分相同的2个粒子，则这2个粒子只能靠冷却时液相的凝固而把它们连接起来。

图1　颗粒和液相薄层烧结时它们之间作用力图解[4]
　　不过，在熟料颗粒生长时，2个化学成分不同的粒子如C2S和CaO，则表面张力的粘结可为结晶所代替。因为C2S和CaO通过溶解扩散进行化学反应而结晶出C3S，粒子由固相连接，使液相连接由固相连接所代替。如果这2个粒子间没有或有很少液相，若煅烧温度足够高，则也可在粒子内的接触处形成C3S。但由于没有液相，这些晶体只能靠堆积作用与其它C3S相结合，它们通过表面的相互接触而吸引在一起，因此易产生粉状物料。在生产中，若SM太高，液相量太少，则缺乏足够的液相将C2S和CaO相连或润湿，或IM太高，液相大量出现太迟，就易产生粉状物料，即飞砂现象。
2　飞砂产生的原因 　　
2.1　液相量不足是飞砂的主要原因
　　从上面的讨论可以看出，产生飞砂主要是液相量太少的缘故。物料在烧成带停留的时间很短，预分解窑约10～15min，湿法窑最长也不过25～30min。若没有液相，C2S和CaO粒子通过固相反应长大至1mm以上是十分困难的。其结果是，这些细粒子随窑内气体悬浮并被气体带走，即所谓飞砂。王杰曾[2]发现，飞砂料的CaO含量高，其硅酸率达3.31，说明飞砂料中液相很少，即飞砂是由液相量不足引起。液相量太大，熟料易结大块，这是众所周知的事实。反过来说，液相量少则熟料结粒小，液相量太少则熟料结粒太小，则产生飞砂。铝率太高，液相量随温度提高而增加的速度太慢，也易产生飞砂。还原气氛使Fe2O3变成FeO，也使液相量减少，从而产生飞砂。图2为Fe2O3还原成FeO对液相量的影响。从图2可见，在还原气氛下，液相量减少。

图2　熟料在氧化气氛和Fe2O3全部还原成FeO时液相量含量与温度的关系[2]
　　熟料矿物组成:C3S70%，C2S15%，C2F15%
　　很多人认为过渡带长是飞砂的原因。笔者认为，过渡带长只是现象，其根本原因在于液相量少，或液相量增加的速度太慢，不能及时产生足够的液相将C2S和C3S等晶体连结在一起或通过化学反应生成C3S而连结在一起，因此产生飞砂。
2.2　表面张力太小是产生粘散料飞砂的原因
　　粘散料的特点是烧成带物料过粘，成片状下塌滑动，很少滚动，难以结粒，产生大量飞砂。液相表面张力太小是粘散料产生的主要原因。根据V•V•提姆阿瑟夫[5]的计算，熟料平均粒径与表面张力有一个近乎线性的关系，表面张力每减少0.1N/m，熟料粒度减小10mm。图3为熟料粒径与硫酸盐化程度的关系。从图可见，当硫酸盐化程度从67%增大至140%时(硫酸盐含量从1.4%增加到2.3%)，熟料d50从6mm下降至1.5mm。根据提姆阿瑟夫的测定，硫酸盐化程度从67%增加至140%时，液相表面张力减少0.05N/m，也就是说，表面张力减少0.05N/m，熟料粒径从6mm下降至1.5mm，粒度减少了4.5mm。据此可以认为，液相表面张力太小，会使熟料粒度变细，从而产生飞砂。文献[6]认为，熟料含有镁、碱和硫中任何一种时，都会降低液相表面张力，见图4。据报导，当MgO含量增加1%时，表面张力降低0.019N/m，含4%MgO时的表面张力为0.51N/m。Na2O、K2O和SO3在熔融物中含量小于2%时，表面张力降低最剧烈。当分别加入2%的Na2O、K2O和SO3时，1450℃饱和熔融物表面张力从0.58N/m相应降低至0.46N/m、0.35N/m和0.36N/m。当继续增加这些氧化物浓度达4%时，表面张力分别降低至0.40N/m、0.320N/m和0.333N/m。而纯的Na2O和K2O的表面张力约为0.275N/m和0.150N/m。因此，在熟料中含有较多的碱和硫时，液相表面张力大幅度下降，熟料结粒细小，飞砂严重。淮海水泥厂[7]发现，当入窑生料中R2O大于1.0%时，物料难以结粒，大量飞砂产生。据介绍[2]，大同水泥厂的生料R2O>1.2%时，飞砂频繁出现；当窑灰入窑量增加时，易出现飞砂。这2种情况均是由于碱含量大，使液相表面张力降低引起的。因为窑灰中碱含量比生料的高，窑灰入窑量增加就意味着增加碱含量。珠江水泥厂[8]原来控制LSF=94、SM=2.4、IM=1.5，窑的操作较好，熟料质量高，后来希望再进一步提高熟料质量而将LSF提高到96(SM和IM不变)，结果窑煅烧状况较差，飞砂很大，窑口积“雪人”，三次风管沉降室堵塞，而熟料质量未见升高反而下降。SM和IM保持不变，意味着液相量并不减少，为什么仅提高LSF就产生飞砂，可能是LSF提高迫使提高煅烧温度。煅烧温度提高，液相量应增加，但从图5可见，表面张力的温度系数为负值，温度每提高1℃，表面张力下降2.3×10-4N/m。若提高煅烧温度50℃，表面张力将下降0.0115N/m。大同水泥厂曾采用降低煅烧温度的方法减少飞砂，收到成效。降低煅烧温度其实质是增大液相表面张力，从而使结粒变大。

图3　不同硫酸盐化程度对熟料颗粒分布的影响[5]

图41450℃饱和熔融物表面张力等温曲线[6]

图5　熟料熔融物的表面张力与温度的关系[6]
3　避免飞砂的措施 　　
3.1　配料方案必须与煅烧温度相适应
　　液相量太少和液相量的大量出现太迟是飞砂的主要原因，因此保持适当的液相量是避免飞砂的主要措施。由于液相量与熟料的化学成分和煅烧温度有关，合理的配料方案和合适的煅烧温度是十分必要的。从配料方案来看，反映液相量的率值主要是硅酸率，而液相量随温度而增加的速度与铝率有关。硅酸率太高则液相量太少，铝率太高则液相随温度提高增加速度慢，即液相大量出现的时间迟。煅烧温度高，则液相量增大，反之降低煅烧温度则液相量减少。因此配料方案必须与熟料煅烧温度相适应。如果熟料煅烧温度高，则硅酸率可高些，铝率也可高些；反之则不能。例如，国内大型预分解窑熟料硅酸率一般都在2.5以上，但对某些小型旋风预热器窑，2.5的硅酸率可能偏高。某一600t/d的五级旋风预热器窑所用的燃煤与某大型预分解窑的相同，当硅酸率为2.5时，飞砂严重，后来将硅酸率降低至2.3左右，熟料煅烧正常，强度达64MPa，产量也达到设计指标。在这里要指出2个问题，一是不同窑型煅烧温度可能不同。一般说来，大型预分解窑内煅烧温度高，旋风预热器窑煅烧温度比预分解窑低，但比湿法窑或干法中空窑的高些。因此，配料方案必须根据窑型和窑径大小而异。其次，煅烧温度与火焰温度和火焰形状有关。而影响火焰温度的主要因素有煤粉的质量(发热量、水分和细度)以及一、二次风温，特别是二次风温的高低以及一、二次风的比例。一般说来，煤的发热量高，煤粉的细度细，水分少，二次风温高且用量大，则火焰温度高。就相同质量的煤粉而言，使用三通道喷煤管由于一次风比例小，二次风比例大，火焰粗短，其火焰温度比单通道喷煤管的火焰温度高。另外，由于结构的原因，三通道喷煤管使煤粉的燃烧状况比单通道喷煤管要好，火焰粗短。此外用篦冷机冷却熟料时二次风温比单筒和多筒冷却机的高。还有一点，就是考虑硅酸率时，必须考虑一些微组分如MgO、R2O和SO3的影响，因为这些微组分都会在烧成过程中以液相出现，增加液相量并影响液相粘度以及液相表面张力。
3.2　避免用高碱高镁原料和高硫燃煤
　　降低熟料中碱和硫的含量必须避免用高碱的原料和高硫的燃料。一般说来，碱主要来自粘土质原料，也有一些是来自石灰石，因此在选择原料和燃煤时应严格控制碱和硫的含量。MgO不仅可增加液相量，降低液相粘度，还可降低液相表面张力。因此，若MgO含量太高，加上一定数量的K2O、Na2O和SO3，也可产生粘散料，形成飞砂。白鳍豚水泥有限公司[9]熟料R2O为1.0%，MgO为4.4%时，窑内飞砂严重。但适当控制R2O和MgO含量，提高窑速，提高煤的细度，飞砂现象得到改善。如果限于原材料条件，非用高碱高镁原料和高硫燃煤不可，那么应考虑这些微组分的影响，在配料方案上适当降低饱和比、提高硅酸率；在操作上避免用粗短的高温火焰，而采用较长的低温火焰。
3.3　减少窑灰入窑量
　　窑灰含碱量一般比生料的高，因此窑灰的入窑量应慎重考虑。特别是碱含量高的原料，其窑灰碱含量更高，应减少其窑灰入窑量，避免由于碱含量太高而引起粘散料类型的飞砂。对碱含量较低的窑灰，也应将其均匀掺入，即与出磨生料混合均匀后再入窑。窑灰中硫的含量也比生料的高，因此减少窑灰入窑量也将减少熟料中的硫含量。
3.4　提高煤粉质量
　　要提高煤粉质量，除了选择热值高的煤外，应特别注意煤粉的细度和水分。大同水泥厂曾发现，煤粉水分大(2.5%～3.5%)、煤粉粗(0.08mm筛余为2.5%～3.5%)时，还原气氛严重，也易产生飞砂。
　　这里必须指出，飞砂是水泥熟料煅烧过程中的一种复杂现象，目前国内对此研究较少。就目前的认识水平看，无论是产生机理还是预防措施，都有很多问题值得讨论和研究。本文所提出的飞砂产生机理和预防措施仅仅是初步的。各厂应针对本厂的具体情况采取适合本厂的工艺措施，才能减少或避免飞砂产生。
　　参考文献　　
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　　[2]　王杰曾，陆纯煊.大同水泥厂飞砂圆球形成机理及消除方法的探讨[A].第四届水泥学术会议论文选集[C].北京:中国建材工业出版社，1992:135.
　　[3]　乔龄山.飞砂料形成的机理及解决办法[J].水泥，1999，(8):19.
　　[4]　B B 季马谢夫，Б C 阿尔巴茨.波特兰水泥熟料液相的烧结过程[A].第六届国际水泥化学会议论文集[C]，第1卷:水泥熟料化学.钟白茜等译.北京:中国建筑工业出版社，1980:300.
　　[5]　S Sprung.煅烧水泥熟料时的一些技术问题起因和解决办法(内部资料).赵炳源，田明生译.
　　[6]　Ю M 布特，B B 季马谢夫，A П 奥索金.熟料形成过程的机理和熟料的结构变型[A].第六届国际水泥化学会议论文集[C]，第1卷:水泥熟料化学.北京:中国建筑工业出版社，1980:233.
　　[7]　王桂章，王士军，孙承梓.我厂SP窑窑前“飞砂”现象初探[J].水泥•石灰，1992，(3):10.
　　[8]　珠江水泥厂.日产4000吨SLC窑的运行[A].悬浮预热和预分解窑技术经验交流会论文集[C].北京:中国建材工业出版社.1992:166.
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