声波清灰在水泥库防粘附上的应用研究

张忠海，张 虓，左洪川，梁文学，张 军，王佑安（.唐山冀东装备工程股份有限公司，河北 唐山06000；.唐山冀东水泥股份有限公司；.北京金隅琉水环保科技有限公司简；.冀东水泥(烟台)有限责任公司）

0 前言

水泥行业成品库结块问题由来已久，以前的清理方式是在结块非常严重后，由人工来完成。但是伴随健康、环保、安全方面的要求越来越严格，如何能够做到无人显得尤为重要。主流的机械清库设备清理需要在水泥库停用后进行操作，而且清理周期动辄三四个月，影响较大，另外清理到最后还是无法避免人工处理。如果能够有一种提前降低或者预防结块的方法，就能延缓甚至不再结块，将会是一个更好的清理思路。声波清灰使用声波能量来使被清理物发生波动，从而达到清理的目标。由于是非接触式清库方式，具备实时在线清理的能力，可以不受水泥库内料位和环境的影响，随时根据具体的需求进行清理。

声波清灰设备在火电厂的研究和应用较早，实际使用效果非常明显。在水泥行业的研究和应用开始较晚，本文从水泥库集灰、结块的受力和声波清灰器的清灰能力、效果上进行一些探讨。

1 水泥库内集灰、结块受力

水泥聚集结块是一个复杂的物理化学过程，一方面水泥产品属于微观颗粒物，容易发生团聚吸附，另一方面水泥又容易发生水化形成结块。总的说它受到化学力、重力、范德华力、表面张力等的综合作用，其中松散干灰受到范德华力的作用，水泥水化主要受化学力影响。

（1）松散干灰受力。对于松散的干灰来说，主要承受范德华力。沉积在库壁上的颗粒与库壁表面之间的范德华力，可以看做是球形颗粒和平面之间的范德华力，其大小可以用下式计算[1]：

其中：H—Hamakar常数，H=10-29，a—颗粒半径，x—颗粒中心和平面之间的距离。一般亚微尺寸颗粒都容易沉积，颗粒中心和平面之间的距离取为3E-8m。

不同水泥颗粒直径下的范德华力见表1。其它如表面张力和静电力一般不存在于水泥库内的水泥颗粒上，因此不做考虑。

表1 不同颗粒直径的范德华力

（2）水泥水化受力。普通硅酸盐水泥熟料主要包括硅酸三钙37%～60%、硅酸二钙15%～37%、铝酸三钙7%～15%、铁铝酸四钙10%～18%，这四种矿物质都可以发生水化反应。

其中水泥水化过程强度变化并不是一步到位的，初凝阶段粘接强度较低，一旦水泥结块最终完成，结块强度3d会达到4MPa以上，常规清理方法难以清理，只能任由结块情况不断恶化。但是从水泥硬化的初凝期来进行结块的处理将会最大限度发挥声波清灰器的实时在线清理特点，完成防患于未然。初凝阶段水泥强度随着时间变化见图1。

图1 砂浆、混凝土结构形成动力学曲线[2]

从图1中可以看出在1h之内，完全水化的水泥净浆粘接强度只有20000Pa，所以初期的完全水化水泥与水泥库粘接也并不强。

水泥库成品含有脱硫石膏5%左右，水泥总体含水量0.4%左右（高的时候达到1%），假定水泥库内自身所有含水都能析出参与水化反应，根据水泥水化反应可知，水泥实际水化率也只能达到2.8%，所以可以估算粘接强度可能在560Pa左右，因此并不算很强，如果考虑自身重力会减弱粘结强度，实际的粘接强度可能会更小。

2 声波的清灰能力

一般声波清灰设备研发出来后实际能够测出其主频率和声压级大小，所以根据声压级可以计算出实际的有效声压，来对其效果进行评价。据声压和平均有效声压级的关系式[3]：

式中：Lp—声压级；PA—平均有效声压，Pa；P0—参考声压，P0=2×10-5Pa。

可以结合前面的计算，水泥松散干灰只需要声压达到90dB就可以完成清理，而对于结块初期一小时内的水化物，只需要140dB就可以完成清理，所以一旦装上声波清灰设备，设置合理的清理频次和时间就可以保证水泥库不再集灰和结块，从而达到防止水泥库结块的效果。

表2 多声压级实际有效声压

3 实际应用效果

实际膜片式声波清灰器放入水泥库内后，由于声压叠加，声压级可以达到150dB，所以清理效果会非常明显。新型的声波清灰设备已经应用在了金隅冀东水泥的1.4万t的水泥库上，运行时间超过半年多，根据现场观察，集灰和结块情况基本不再出现，实际应用效果良好。