聲波清灰在水泥庫防粘附上的應用研究

張忠海，張 虓，左洪川，梁文學，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；.北京金隅琉水環保科技有限公司簡；.冀東水泥(煙臺)有限責任公司）

0 前言

水泥行業成品庫結塊問題由來已久，以前的清理方式是在結塊非常嚴重后，由人工來完成。但是伴隨健康、環保、安全方面的要求越來越嚴格，如何能夠做到無人顯得尤為重要。主流的機械清庫設備清理需要在水泥庫停用后進行操作，而且清理周期動輒三四個月，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防結塊的方法，就能延緩甚至不再結塊，將會是一個更好的清理思路。聲波清灰使用聲波能量來使被清理物發生波動，從而達到清理的目標。由于是非接觸式清庫方式，具備實時在線清理的能力，可以不受水泥庫內料位和環境的影響，隨時根據具體的需求進行清理。

聲波清灰設備在火電廠的研究和應用較早，實際使用效果非常明顯。在水泥行業的研究和應用開始較晚，本文從水泥庫集灰、結塊的受力和聲波清灰器的清灰能力、效果上進行一些探討。

1 水泥庫內集灰、結塊受力

水泥聚集結塊是一個復雜的物理化學過程，一方面水泥產品屬于微觀顆粒物，容易發生團聚吸附，另一方面水泥又容易發生水化形成結塊?？偟恼f它受到化學力、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算[1]：

其中：H—Hamakar常數，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%，這四種礦物質都可以發生水化反應。

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

圖1 砂漿、混凝土結構形成動力學曲線[2]

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

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（高的時候達到1%），假定水泥庫內自身所有含水都能析出參與水化反應，根據水泥水化反應可知，水泥實際水化率也只能達到2.8%，所以可以估算粘接強度可能在560Pa左右，因此并不算很強，如果考慮自身重力會減弱粘結強度，實際的粘接強度可能會更小。

2 聲波的清灰能力

一般聲波清灰設備研發出來后實際能夠測出其主頻率和聲壓級大小，所以根據聲壓級可以計算出實際的有效聲壓，來對其效果進行評價。據聲壓和平均有效聲壓級的關系式[3]：

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

可以結合前面的計算，水泥松散干灰只需要聲壓達到90dB就可以完成清理，而對于結塊初期一小時內的水化物，只需要140dB就可以完成清理，所以一旦裝上聲波清灰設備，設置合理的清理頻次和時間就可以保證水泥庫不再集灰和結塊，從而達到防止水泥庫結塊的效果。

表2 多聲壓級實際有效聲壓

3 實際應用效果

實際膜片式聲波清灰器放入水泥庫內后，由于聲壓疊加，聲壓級可以達到150dB，所以清理效果會非常明顯。新型的聲波清灰設備已經應用在了金隅冀東水泥的1.4萬t的水泥庫上，運行時間超過半年多，根據現場觀察，集灰和結塊情況基本不再出現，實際應用效果良好。