聲波清灰在水泥庫防粘附上的應(yīng)用研究

張忠海，張 虓，左洪川，梁文學(xué)，張 軍，王佑安（.唐山冀東裝備工程股份有限公司，河北 唐山06000；.唐山冀東水泥股份有限公司；.北京金隅琉水環(huán)?？萍加邢薰竞啠?冀東水泥(煙臺)有限責(zé)任公司）

0 前言

水泥行業(yè)成品庫結(jié)塊問題由來已久，以前的清理方式是在結(jié)塊非常嚴(yán)重后，由人工來完成。但是伴隨健康、環(huán)保、安全方面的要求越來越嚴(yán)格，如何能夠做到無人顯得尤為重要。主流的機(jī)械清庫設(shè)備清理需要在水泥庫停用后進(jìn)行操作，而且清理周期動(dòng)輒三四個(gè)月，影響較大，另外清理到最后還是無法避免人工處理。如果能夠有一種提前降低或者預(yù)防結(jié)塊的方法，就能延緩甚至不再結(jié)塊，將會是一個(gè)更好的清理思路。聲波清灰使用聲波能量來使被清理物發(fā)生波動(dòng)，從而達(dá)到清理的目標(biāo)。由于是非接觸式清庫方式，具備實(shí)時(shí)在線清理的能力，可以不受水泥庫內(nèi)料位和環(huán)境的影響，隨時(shí)根據(jù)具體的需求進(jìn)行清理。

聲波清灰設(shè)備在火電廠的研究和應(yīng)用較早，實(shí)際使用效果非常明顯。在水泥行業(yè)的研究和應(yīng)用開始較晚，本文從水泥庫集灰、結(jié)塊的受力和聲波清灰器的清灰能力、效果上進(jìn)行一些探討。

1 水泥庫內(nèi)集灰、結(jié)塊受力

水泥聚集結(jié)塊是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，一方面水泥產(chǎn)品屬于微觀顆粒物，容易發(fā)生團(tuán)聚吸附，另一方面水泥又容易發(fā)生水化形成結(jié)塊?？偟恼f它受到化學(xué)力、重力、范德華力、表面張力等的綜合作用，其中松散干灰受到范德華力的作用，水泥水化主要受化學(xué)力影響。

（1）松散干灰受力。對于松散的干灰來說，主要承受范德華力。沉積在庫壁上的顆粒與庫壁表面之間的范德華力，可以看做是球形顆粒和平面之間的范德華力，其大小可以用下式計(jì)算[1]：

其中：H—Hamakar常數(shù)，H=10-29，a—顆粒半徑，x—顆粒中心和平面之間的距離。一般亞微尺寸顆粒都容易沉積，顆粒中心和平面之間的距離取為3E-8m。

不同水泥顆粒直徑下的范德華力見表1。其它如表面張力和靜電力一般不存在于水泥庫內(nèi)的水泥顆粒上，因此不做考慮。

表1 不同顆粒直徑的范德華力

（2）水泥水化受力。普通硅酸鹽水泥熟料主要包括硅酸三鈣37%～60%、硅酸二鈣15%～37%、鋁酸三鈣7%～15%、鐵鋁酸四鈣10%～18%，這四種礦物質(zhì)都可以發(fā)生水化反應(yīng)。

其中水泥水化過程強(qiáng)度變化并不是一步到位的，初凝階段粘接強(qiáng)度較低，一旦水泥結(jié)塊最終完成，結(jié)塊強(qiáng)度3d會達(dá)到4MPa以上，常規(guī)清理方法難以清理，只能任由結(jié)塊情況不斷惡化。但是從水泥硬化的初凝期來進(jìn)行結(jié)塊的處理將會最大限度發(fā)揮聲波清灰器的實(shí)時(shí)在線清理特點(diǎn)，完成防患于未然。初凝階段水泥強(qiáng)度隨著時(shí)間變化見圖1。

圖1 砂漿、混凝土結(jié)構(gòu)形成動(dòng)力學(xué)曲線[2]

從圖1中可以看出在1h之內(nèi)，完全水化的水泥凈漿粘接強(qiáng)度只有20000Pa，所以初期的完全水化水泥與水泥庫粘接也并不強(qiáng)。

水泥庫成品含有脫硫石膏5%左右，水泥總體含水量0.4%左右（高的時(shí)候達(dá)到1%），假定水泥庫內(nèi)自身所有含水都能析出參與水化反應(yīng)，根據(jù)水泥水化反應(yīng)可知，水泥實(shí)際水化率也只能達(dá)到2.8%，所以可以估算粘接強(qiáng)度可能在560Pa左右，因此并不算很強(qiáng)，如果考慮自身重力會減弱粘結(jié)強(qiáng)度，實(shí)際的粘接強(qiáng)度可能會更小。

2 聲波的清灰能力

一般聲波清灰設(shè)備研發(fā)出來后實(shí)際能夠測出其主頻率和聲壓級大小，所以根據(jù)聲壓級可以計(jì)算出實(shí)際的有效聲壓，來對其效果進(jìn)行評價(jià)。據(jù)聲壓和平均有效聲壓級的關(guān)系式[3]：

式中：Lp—聲壓級；PA—平均有效聲壓，Pa；P0—參考聲壓，P0=2×10-5Pa。

可以結(jié)合前面的計(jì)算，水泥松散干灰只需要聲壓達(dá)到90dB就可以完成清理，而對于結(jié)塊初期一小時(shí)內(nèi)的水化物，只需要140dB就可以完成清理，所以一旦裝上聲波清灰設(shè)備，設(shè)置合理的清理頻次和時(shí)間就可以保證水泥庫不再集灰和結(jié)塊，從而達(dá)到防止水泥庫結(jié)塊的效果。

表2 多聲壓級實(shí)際有效聲壓

3 實(shí)際應(yīng)用效果

實(shí)際膜片式聲波清灰器放入水泥庫內(nèi)后，由于聲壓疊加，聲壓級可以達(dá)到150dB，所以清理效果會非常明顯。新型的聲波清灰設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用在了金隅冀東水泥的1.4萬t的水泥庫上，運(yùn)行時(shí)間超過半年多，根據(jù)現(xiàn)場觀察，集灰和結(jié)塊情況基本不再出現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用效果良好。