熟料28d强度“夏季病”的探讨与措施

  1、问题的提出

  每年夏季高温多雨季节TS水泥厂的水泥熟料28d强度便出现下降的情况（见图1），很多企业也同样存在类似情况，不少企业将这个情况统称为熟料的“夏季病”。我们对TS水泥厂熟料“夏季病”进行了系统的分析和研究，并提出了有效的解决措施。

图1 2004~2012年熟料28d抗压强度月平均值

  2、影响因素分析

  一般而言，冬季与夏季对水泥生产产生影响的比较直接的原因主要有两方面，即大气温度和降水量，相对于夏季，冬季大气温度低、降水量少、空气湿度低；大气温度低有利于熟料冷却，对于熟料慢冷现象有极大的缓解；降水量少有利于控制原材料水分，水泥厂常见的堵料、断料等工艺事故减少，生产控制水平提高。

  据文献介绍，大气温度升高后造成熟料冷却速度变慢是“夏季病”一个比较主要的原因，而由于夏季工艺事故等影响烧成过程稳定也是一个原因。两个方面对于TS水泥厂熟料28 d强度的影响分析如下。

  2.1 大气温度对熟料质量的影响

  2.1.1 大气温度变化对熟料冷却效果的影响

  众所周知，熟料从窑口出来进入篦冷机后在高温段需要进行急冷，尤其是在出窑温度降到400 ℃范围期间，对于熟料质量有明显影响。快速的冷却一方面可以避免熟料A矿晶型由水化活性较高的γ型向活性差的β型转变，从而提高熟料水化特性；另一方面快速的冷却可以使熟料中间相以玻璃态形式固定下来，从而提高熟料易磨性能，粉磨后获得更好的水泥粒径分布，有利于强度提升。

  2.1.2 冬季与夏季熟料的岩相对比分析

  熟料取样采用的是25mm以下，总含量超过70%以上的正常结粒熟料，取样可以表征主要熟料的特性。图2和图3分别为2012年7月份和2012年12月份熟料岩相分析（配料基本相同）。

图2 2012年7月份熟料

图3 2012年12月份熟料

  通过熟料岩相来看，无论是夏季最高温度时的熟料还是冬季气温较低时的熟料，其熟料总存在有部分黑色中间相呈片状析出，都没有出现二次游离钙，B矿表面多呈现平行双晶纹，几个特征都说明无论夏季还是冬季都不存在冷却不好的现象，目前的第三代篦冷机在熟料结粒效果较好时的冷却效果是可以的。

  从另一个角度来讲，冬、夏两季气温差别最大不过50 ℃，温度波动对于出窑熟料1100 ℃高温来说较小；另一方面TS熟料生产线采用的是TC1164型篦冷机，是一款比较成熟的产品，风机供风量充分考虑了大气温度波动对于进风量的影响，无论在夏季还是冬季都可以确保实现熟料快速冷却，保证熟料质量。

  2.1.3 生产线实测

  为了进一步验证以上理论、数据分析结果，笔者组织了一次生产线实测检验。

  实测时间：2013年8月24日

  试验地点：2500 t/d生产线

  气温情况：凌晨2:00~8:00，最低气温16℃；下午13:00~16:00，最高气温26 ℃

  生产情况：窑系统生产稳定，窑当日产量为2669 t

  取样方法：

  1）2:00~8:00天气温度最低的时间段每小时取样一次共取出熟料40 kg作为低气温熟料；取样期间所有篦冷机冷却风机均保持100%的阀门开度。

  2）在13:00~15:00气温最高的时间段每小时取样一次共取出熟料40 kg，作为高气温熟料；取样期间所有篦冷机冷却风机均保持70%的阀门开度。

  检测方法：

  1）使用颚式破碎机进行破碎，经过二分器分选后按照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法 （ISO法）》进行强度试验。

  2）两个样品分别进行岩相分析、化学分析以及物理分析，化学成分以及物理分析数据见表1。

表1 不同大气温度烧熟料质量分析

  从表1可见，在生产线稳定运行的情况下，大气温度改变约10℃、冷却风机阀门70%开度相比100%开度风量减少约10%的条件下，熟料28d强度基本上没有改变；从岩相分析来看也没有出现慢冷现象，所以，我们有理由相信，熟料的“夏季病”与大气温度的变化对冷却速度的影响相关性不强。

  另外，从熟料自身的传热速率上来看，结粒过大的熟料颗粒在没有被破碎的条件下在篦冷机内部是不可能被彻底冷却好的，也就是说熟料的冷却好坏与大气温度的关系并不是很大，而与熟料的结粒大小相关性很强， 25 mm以下的正常结粒熟料在正常工作的第三代篦冷机中几乎不存在急冷效果不好的现象。但是，篦冷机高温段冷却风机的供风量大小和稳定性与窑系统二次风温度有直接关系，所以在实际生产中篦冷机高温段还是应当确保“厚料层，全风量”操作，保证热量回收效率和窑系统稳定。

  2.2 空气湿度变化对熟料28d强度的影响

  从熟料岩相上来看，冬季较冷时候生产的熟料A矿长径比和尺寸大于夏季熟料，B矿表面的交叉晶纹也多于夏季熟料，表明熟料烧成温度高于夏季熟料，烧成温度对于熟料强度的影响是最为直接和明显的。冬季与夏季的自然条件还有另一个差别就是降水量（或大气绝对湿度）差别比较大，所以我们认为可以尝试从两个方面解释这个现象：

  一方面空气中的水分会经过一次风直接进入火焰内部，空气绝对湿度增加会使一次风带入的水分增加，从而使火焰峰值温度降低。我们将2011年全年熟料28d强度日平均值进行排序后与当日对应大气绝对湿度日平均值统计结果见图4。从图4中可以看出，随着大气的绝对湿度增加，28d强度呈现明显的下降趋势。

图4 2011年全年空气绝对湿度与熟料28d强度的对应关系

  从图4可见，夏季空气的绝对湿度最高能达到30 g/m³，冬季最低仅仅为4g/m³；TS水泥厂2500t/d生产线窑头一次风机风量为88.7 m³/min，变频控制实际转速达到77.8%，折合每小时入窑工况风量为4140 m³，窑头送煤风机的风量为36.7 m³/min，工频控制，折合每小时入窑工况风量为2202 m³，粗算一下光大气水分的波动就可以实现进入着火煤粉的水分波动在2%左右。有文献说明煤粉水分每增加1%，火焰温度降低10~20 ℃^[3]，应该说大气湿度的变化对于火焰温度的影响是比较明显的，在实际操作过程也会经常看到下雨天窑内发红的情况，这时就需要增加用煤量或者调整火焰。

  另一方面，空气湿度较高、下雨较多的季节原煤水分比较高，该煤磨系统采用Φ2.8 m×8 m风扫煤磨系统，由于煤磨烘干能力有限，入磨原煤的水分发生变化会对最终煤粉的产质量有明显影响。煤粉水分增加同样会造成窑头火焰峰值温度下降。图5和图6分别为2012年煤粉水分的月平均值与熟料28 d抗压强度月平均值。

图5 2012年煤粉水分月平均值

图6 2012年熟料28d抗压强度月平均值

  从图5、图6和相关统计数据可见，雨季煤粉水分最高可达到2.8%，冬季最低可达到1.1%，最大相差接近2%，对于火焰峰值温度的影响也是比较明显的。煤粉水分较高的月份对应的熟料28d强度相对较低，如从煅烧温度的角度分析的话是非常切合的，所以有理由认为：大气湿度增加、原材料水分增加导致烧成温度降低，是造成熟料煅烧效果变差、28d强度表现不好的另一主要因素。

  2.3 分析结论

  1）冬、夏季大气温度的变化对熟料冷却速度的影响不明显，不是熟料的“夏季病”形成的主要原因。

  2）大气水分的波动或使一次风带入水分造成煤粉的水分波动在2%左右，对火焰峰值温度影响比较明显。

  3）雨季煤粉水分最高可达到2.8%，与冬季相比最大相差接近2%，对于窑内煅烧温度的影响也比较明显。

  3、改进措施

  3.1 建设原煤堆棚，提高雨季存煤能力

  在原有的露天堆场新建设了一个储量达到2000t的煤堆棚，在下雨期间杜绝运煤车进厂；原煤在储存的同时进行晾晒，在保证煤水分达到内控指标的情况下才可以经均化库均化后入磨。

  3.2 改造煤磨系统，提高系统烘干能力

  对2500t/d生产线风扫煤磨烘干系统进行改造，将Φ2.8m×8m风扫煤磨的烘干仓、粗磨仓和细磨仓的长度重新分配，增加粉磨仓的长度提高磨机粉磨能力，同时增加选粉机烘干风管，充分发挥选粉机的能力进行更大强度的烘干。改造前后煤粉指标和运行数据对比见表2。

表2 改造前后煤粉产质量指标对比

  改造完成后，煤粉细度变细，水分降低且稳定，煤粉的流动性更好，送煤风机的电流波动进而也有所降低。

  3.3 优化系统操作，提高烧成温度

  调整燃烧器使用制度，根据不同季节采用不同火焰形状，夏季多雨季节采用短粗有力的火焰，在保证窑皮的情况下使火焰加粗提高窑前温度，篦冷机采用适度厚料层操作，提高二次风温度。

  4、改进效果

  经过调整后在夏季、多雨季节熟料28d抗压强度下降的情况有所改观，降低的幅度有所减小，整体强度有所增加。见图7。

图7 2013~2014年熟料28 d抗压强度月平均值统计