材料工艺设计概论课程设计 (c1级预热器)

课程设计说明书
日产2500吨熟料预分解窑生产线C1级预热器设计
学院：材料与化学工程学院
课程名称：材料工艺设计课程设计
学生姓名：***
专业：无机非金属材料工程
班级：材料1301班
学号： **********
指导教师：***
完成时间： 2016年12月
材料工艺设计概论课程设计任务书
一设计题目
日产2500吨水泥熟料预分解窑生产线C1预热器设计
二原始资料
1.原材料化学成分
（1）石灰石、粘土质、铁质原料（%)
表1原材料化学成分（%）
名称烧失量SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO 总和石灰石39.58 3.33 1.43 0.69 51.30 1.21 97.54 粘土 5.43 66.36 15.41 7.11 2.34 2.72 99.37 烟煤煤灰 2.45 36.12 2.72 54.03 0.72 96.04
(2)煤的工业分析成分（%）
表2煤的工业成分分析(%)
Mt Mad Aad Vad Fcad Qnetad Qnetar
7.0 1.0827.9413.3257.6655995232
（3）煤灰的化学成份（%）
表3煤灰的化学成分(%)
SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO SO3其它Σ43.42 28.99 8.35 6.12 1.06 7.10 4.96 100
（4）原、燃料水份（%）
表4原、燃料水分(%)
煤石灰石粘土铁粉
8.5 2 11 12
2.料耗及热耗
实际料耗：生产损失为2-6%（本设计选定2%）
烧成热耗：3130-3230KJ/kg熟料（本次选定3150KJ/kg熟料）
3.当地自然条件
历年平均气温：18.5℃；相对湿度：73%；
绝对最高气温：40.3℃；平均湿度：79%；
绝对最低气温：-8℃；常年主导风向：东南风；
平均气压：99660Pa。

三设计内容及设计原则
1、设计内容
日产2500吨水泥熟料预分解窑生产线C1级预热器设计。

2、设计基本原则
（1）在满足工艺要求，确保工艺畅通；
（2）充分考虑安全因素，确保安全生产。

四设计成果
1、完成设计说明书一份
（1）设计方案与设计指导思想
（2）设计计算部分
1）配料计算（率值自行拟定）；
2）生料消耗定额（理论料耗与实际料耗）计算；
3）年产熟料计算（窑年运转率自行拟定）85%；
4）要求窑尾预热器系统废气量计算
依据窑年产量、燃煤等计算系统及各级预热器需处理气体量。

5）各级预热器主要结构参数计算
依据要求各级预热器要求处理废气量及相关参数，计算各级预热器直径、排气管直径等主要结构参数。

6）计算本组设计预热器级数的其他参数：如预热器直筒高度、锥体结构参数、进口型式与高宽参数、内筒深度等。

2、绘制图纸
（1）C1级旋风预热器结构图，烧成车间平面布置图；
（2）要求：以全面、准确反映自己所设计部分的内容为准。

摘要
预分解窑是新型干法水泥生产线的而一个重要标志，是当代高新技术在水泥工业的集成。

设计的目的之一，就是在保证水泥产量和质量的前提下，提高物料的分解率，缩短物料的分解时间，降低熟料单位热耗等。

本次设计的内容是日产2500吨水泥熟料预分解窑生产线C1级预热器设计。

在设备选用上，尽量选用国内设备以便维修保养方便。

设计的内容具体为：
1.配料计算
2.物料平衡
3.预热器的参数
4.旋风筒的类型
预分解窑系统具有高效率、低能耗、自动化等优点，它是在悬浮预热器和回转窑之间，增设一个分解炉或利用窑尾烟室管道，使燃料的燃烧放热过程与生料的吸热分解过程同时在悬浮态或流化态下极其迅速地进行，因而窑系统的煅烧效率大幅度提高。

该系统目前运用技术已日趋成熟，为大多数大型水泥厂家所接受。

关键词：配料；平衡；分解；设计；预热器
目录
1 设计方案与设计指导思想 (6)
1.1设计指导思想 (6)
2 设计原始资料 (6)
3 设计计算 (6)
3.1配料计算 (7)
3.1.1单位熟料的热耗 (7)
3.1.2确定率值 (7)
3.1.3计算生料配合比 (8)
3.1.4计算湿原料的配合比 (10)
3.2原燃料消耗定额计算 (11)
3.2.1生料消耗定额计算 (11)
3.2.2消耗用煤定额计算 (12)
3.2.3 水泥熟料物料平衡表 (12)
3.3年产熟料量计算 (13)
3.3.1窑型和规格的选取 (13)
3.3.2年利用率的确定 (13)
3.3.3年产熟料量的计算 (13)
3.4 C1预热器废气量计算 (14)
3.5预热器参数 (17)
3.5.1旋风筒直径及高度 (17)
3.5.2旋风筒进风口的形式和尺寸 (18)
3.5.3排气管尺寸及插入深度 (19)
3.5.4锥体参数 (20)
总结 (21)
参考文献 (22)
1 设计方案与设计指导思想
1.1设计指导思想
①水泥厂需要用大量的矿物原料如石灰石等，因此水泥厂大都自行开采矿山，并靠近矿源建厂。

②水泥工业能耗和电耗较大，因此在水泥厂设计中要注意确保能源供应，并充分重视节约能源的问题。

③水泥厂存在粉尘和噪声两大污染。

因此，设计时必须加强收尘措施，尽
量搞好厂区绿化。

④从发展来看，水泥工业的发展逐渐趋向大型化和自动化。

因此在设计时，应尽量采用新技术、新方案并重点考虑节约能源。

从水泥厂的整体设计来说，工艺设计是主体，它的主要任务是确定工艺流程，进
行工艺设计的选型和布置。

但工厂设计是各专业共同完成的一个整体。

因此，工
业设计与其他专业的设计有着密切的联系，特别是工艺布置和土建的关系更为密切，生产设备的布置直接影响到建筑物的结构形式和尺寸。

因此，工艺人员只有
与其他人员相互配合，共同研究，才能产生较好的方案。

2 设计原始资料
（1）石灰石、粘土质、铁质原料（%)
表5原材料化学成分（%）
名称烧失量SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO 总和石灰石39.58 3.33 1.43 0.69 51.30 1.21 97.54 粘土 5.43 66.36 15.41 7.11 2.34 2.72 99.37 铁粉 2.45 36.12 2.72 54.03 0.72 96.04
（2）煤的工业分析成分（%）
表6煤的工业成分分析(%)
Mt Mad Aad Vad Fcad Qnetad Qnetar
7.0 1.0827.9413.3257.6655995232
（3）煤灰的化学成份（%）
表7煤灰的化学成分(%)
SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO SO3其它Σ43.42 28.99 8.35 6.12 1.06 7.10 4.96 100
（4）原、燃料水份（%）
表8原、燃料水分(%)
煤石灰石粘土铁粉
8.5 2 11 12
3 设计计算
3.1配料计算
3.1.1单位熟料的热耗
由任务书里可知烧成热耗：3130－3230KJ/kg熟料，根据本设计的具体内容，选定单位熟料的热耗为3150KJ。

3.1.2确定率值
对与分解窑熟料率值选取可参考表9
表9 硅酸盐水泥熟料配料率值和矿物组成建议范围
参照表格确定三个率值分别为KH=0.90，SM=2.50，IM=1.60。

3.1.3计算生料配合比
1.煤灰掺入量的计算: G A
=
netad
d 100Q S
qA a
式中：q-单位熟料热耗，KJ/kg 熟料（本次取3150KJ/kg 熟料）
-煤收到基灰分含量，% Q ar
net .-煤收到基低热值，KJ/kg 煤
S-煤灰沉落率（有收尘设备时取100），% 2.率值由上述定为KH=0.90，SM=2.50，IM=1.60。

熟料设计过程中32O Al 、32O Fe 、CaO 、2SiO 四种氧化物含量的总和，一般为97.5%。

所以设∑=97.5%。

则
ar A
=3.40%
32O Al =32O Fe IM ⨯=%4.36.1⨯=5.44%
2SiO =)e (3232O F O Al SM +=%)44.5%4.3(50.2+⨯=22.10% CaO =)l (23232SiO O A O Fe ++-∑ =97.5%-(3.4%+5.44%+22.10%) =66.56% 1.煤灰掺入量A G =3.43% 2.原材料化学组成如下表所示:
表10原材料化学成分（%）
3.设定干燥原料配合比为：石灰石83.6%,粘土10%,铁粉3%以此计算生料的化学成分，见表11
名称 烧失量 SiO 2 Al 2O 3 Fe 2O 3 CaO MgO 总和 石灰石 39.58 3.33 1.43 0.69 51.30 1.21 97.54 粘土 5.43 66.36 15.41 7.11 2.34 2.72 99.37 铁粉
2.45
36.12
2.72
54.03
0.72
96.04
表11生料生料化学成分(%)
物料配比烧失量SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 石灰石83.6 33.37 2.80 1.205 0.458 43.25 1.02 粘土10 0.570 6.968 1.618 0.721 0.246 0.086 铁粉 3 0.044 0.650 0.163 0.973 0.013 0 总计96.6 33.945 10.418 3.086 2.370 43.481 1.088 灼烧生料/ 21.04 4.46 3.25 65.04 1.18 煤灰 3.4 0 1.476 0.986 0.284 0.036 0.241 熟料100 / 22.36 5.38 3.46 65.10 1.22 根据上表数据可以算的
率值在预分解窰的率值范围内，所以干燥原料配合比：石灰石83.6% ,粘土10%，煤灰3.4%，铁粉3%可使用。

3.1.4计算湿原料的配合比
表12原、燃料水分(%)
煤石灰石粘土铁粉
8.5 2 11 12
湿石灰石=83.6%/（100%-2%）=85.31%
粘土=10%/（100%-11%）=11.23%
湿煤灰=3.4%/（100%-8.5%）=3.72%
湿铁粉=3%/（100%-12%）=3.4%
将上述质量比换算为百分比
湿石灰石=85.31/（85.31+11.23+3.72+3.4）= 82.30%
湿砂岩=11.23/（85.31+11.23+3.72+3.4）=10.83%
湿粉煤灰=3.72/（85.31+11.23+3.72+3.4）=3.59% 湿铁矿石=3.4/（85.31+11.23+3.72+3.4）=3.28%
3.2原燃料消耗定额计算
3.2.1生料消耗定额计算 由表5可知：
干生料的烧矢量：33.945% 煤灰的掺入量：3.34%
则：t K =
)100100(100-100P I S -⨯-）（ =)2
100100
(945.3310034.3-100-⨯-）（
=1.43t/t 熟料
式中：t K -干生料消耗定额，t/t 熟料 S-煤灰掺入量，% I-干生料的烧矢量，%
P-生料损失，一般取2-6%，在这里取2%。

所以，干生料消耗定额为：
石灰石消耗定额：1K =1X K t ⨯=1.43×83.6%=1.195t/t 熟料 铁粉消耗定额：2K =2X K t ⨯=1.43×3%=0.043 t/t 熟料 粘土消耗定额：3K =3X K t ⨯=1.43×10%=0.143 t/t 熟料 湿生料消耗定额为： 湿石灰石消耗定额:'1K =
1002
1001
⨯-K =1.22 t/t 熟料
湿铁粉消耗定额:'
2K =
100121002
⨯-K =0.049 t/t 熟料
湿粘土消耗定额:'
3K =10011
1003⨯-K =0.161 t/t 熟料
3.2.2消耗用煤定额计算
由公式：f K =
)100(q 100P Q -=)
2100(252323150
100-⨯⨯=0.127 t/t 熟料
式中：f K -烘干消耗用煤消耗定额，t/t 熟料
q-单位熟料烧成热耗，KJ/Kg 干煤 Q-煤的应用基低位热量，KJ/Kg 干煤 P-煤的生产损失，取2% 3.2.3 水泥熟料物料平衡表
表13 物料平衡表
物料名称
配比
/%
水
分
/%
消耗定额（㎏/t ）
物料平衡（带2%生产损失）/t
干基
湿基
干基
湿基
h
d
y
h
d
y
石灰石 83.6 2 1195 1220 124.48 2987 1090255 127.08 3050 1113250 铁粉 3 12 43 49 4.48 107.5 39237 5.1 122.5 44712 粘土 10 11 143 161 14.90 357.5 130487 16.77 402.5 146912
生料 1381 143.86 3452 1260202 熟料 104.2 2500 912500 烧成用煤
8.5
124
127
12.92
310
113150
13.27
318.5
116246
备注：烧成热耗=3150KJ/Kg,燃料热值=25232KJ/Kg ，窑运转率为85%。

3.3年产熟料量计算
3.3.1窑型和规格的选取
窑规格定为为Φ4×60窑型，产量为2500t/d 实际熟料小时产量：
h Q =51861.05185.237743.0L D =51861.05185.260437743.0⨯⨯
=103.6 t/h
熟料日产量：d Q =24h Q =24×103.6=2486.4 t/d
经计算标定的窑熟料日产量达不到2500t/d 的要求，但现在回转窑的实际生产能力已提高，可达到2500-2800t/d 。

故可取2600t/d 。

故根据计算可得，标定窑的台时产量为108.3t/h 。

3.3.2年利用率的确定
窑的台数选择为一台，即n=1,
窑的年利用率η=0.85（η85.0≥） 3.3.3年产熟料量的计算
熟料年产量：y Q =8760×η×d Q =8760×0.85×108.3 =806401.8 t/y
3.4 C1预热器废气量计算
预热器的主要功能是充分利用回转窑和分解炉排出的废气余热加热生料，所以预热器的废气来源主要是燃料燃烧放出的废气及生料分解产生的废气和漏入的气体量。

由前面的计算数据可知： 熟料煤耗量：f K =0.127
生料的额定消耗量：K=1.43kg/kg 熟料 查阅相关资料，预分解窑相关数据如下：
表14 原始参数
项目 温度/℃ 负压/pa 空气系数α 分解率/%
风速（m/s ）
窑尾 1050 350 1.02 5 分解炉
880 2000 1.05 80 7.9 5C
880 2000 1.03 95 4.8 4C
800 2800 1.05 30 4.7 3C
700 3400 1.10 10 4.7 2C 550 4000 1.15 3 4.2 1C
310
4500
1.20
3.7
空气系数1.2，漏风量5%
则：理论空气量：0V =f net K Q ⨯+⨯)5.01000
24.0(ar =0.83252Nm /kg
理论废气量：f V =f ar
net K Q ⨯+⨯)65.11000
213.0(
,=0.89212
Nm /kg
生料分解废气量：V=K ×J%×
2
CO p I =0.25262Nm /kg
1) 窑尾排出废气量
① 窑内煤燃烧产生的废气量
1V =f V ×40%=0.3568 2Nm /kg (40%为回转窑用燃料比) ② 窑尾过剩空气量
2V =（α-1）0V ×40%=0.00672Nm /kg ③ 生料分解产生的废气量 3V =V ×5%=0.01262Nm /kg
所以窑尾废气量为：窑V =1V +2V +3V =0.37612Nm /kg
化为工作态：'
窑V =窑V 窑
窑P T -101325101325273
273⨯+⨯=1.8289 3m /kg 熟料
2）分解炉内废气量
① 煤燃烧的废气量
4V =（炉内煤+窑内煤）燃烧的废气量=f V =0.89212Nm /kg ② 生料分解产生的2CO 的量
5V =生料全部分解产生的2CO 的量×（炉内分解率+窑内分解率） =V ×（80%+5%） =0.21472Nm /kg ③ 过剩空气量
6V =（α-1）0V =（1.05-1）×0.8325=0.04162Nm /kg 所以炉内废气量为：炉V =4V +5V +6V =1.14842Nm /kg ， 化为工作态：'
窑V =炉V 炉
炉P T -101325101325
273273⨯
+⨯=4.9479 3m /kg 熟料 3) C5废气量
① 出炉废气量：7V =炉V =1.14842Nm /kg ② 漏入空气量：8V =0V ×5%=0.04162Nm /kg ③ C5分解产生的2CO 量：9V =V ×5c α=0.26012Nm /kg 所以C5废气量为：5c V =7V +8V +9V =1.45012Nm /kg ， 化为工作态为： '
5c V =5c V 5
5-101325101325
273273c c P T ⨯+⨯=6.2478 3m /kg 熟料 4）C4废气量
① 来自C5的废气量：10V =5c V =1.45012Nm /kg ② 漏入空气量：11V =5c V ×5%=0.07252Nm /kg
③ C5分解产生的2CO 量：12V =V ×4c α=0.26522Nm /kg C4废气量：4c V =10V +11V +12V =1.78782Nm /kg
化为标准态为：'
4c V =4c V 4
4-101325101325
273
273c c P T ⨯+⨯=6.9781 3m /kg 熟料
5）C3废气量
C3废气量：3c V =4c V （1+5%）=1.87722Nm /kg
化为标准态为：'
3c V =3c V 3
3-101325101325
273
273c c P T ⨯+⨯=6.9226 3m /kg 熟料
6）C2废气量
C2废气量： 2c V =3c V （1+5%）=1.97112Nm /kg 化为标准态为：'
2c V =2c V 2
2-101325101325
273273c c P T ⨯
+⨯=6.1863 3m /kg 熟料 7）C1废气量
C1废气量：1c V =2c V （1+5%）=2.06972Nm /kg
化为标准态为：'
1c V =1c V 1
1-101325101325
273
273c c P T ⨯+⨯=4.6253 3m /kg 熟料
注解：3CaCO 在825-896.6℃时分解，所以在计算C1、C2、C3、C4的废气
量时，忽略了生料分解产生的二氧化碳气体的量。

由前面的计算可知，窑的小时产量为108.3t/h。

所以根据产量、煤耗等列出窑尾的废气量为：
表15 窑尾废气量
名称
标况
1
3-
kg
Nm
工况
1
3-
kg
m
负压/pa 温度℃
总风量/×
1
3
3
10-
⋅h
m
单位风量/
1
3-
⋅s
m
窑尾0.3761 1.8289 350 1050 223.76 62.16 分解炉 1.1484 4.9479 2000 880 579.47 160.96 C5 1.4501 6.2478 2000 880 713.10 198.03 C4 1.7878 6.9781 2800 800 702.47 195.13 C3 1.8772 6.9226 3400 700 673.31 187.03 C2 1.9711 6.1863 4000 550 601.24 167.01 C1 2.0697 4.6253 4500 310 449.51 124.86 3.5预热器参数
旋风预热器主要由旋风筒、排气管、下料管、撒料器、换热管道、内筒、锁风阀等部件组成。

预热器的主要功能是充分利用回转窑和分解炉排出的废气余热加热生料，使生料预热，及部分碳酸钙分解。

3.5.1旋风筒直径及高度
旋风筒的处理能力主要取决于通过的风量和截面风速。

各级旋风筒圆筒断面风速如下：
表16 各级旋风筒圆筒断面风速
项目 C1 C2 C3 C4 C5
圆筒断面风速（m/s ） 3-4
6≥ 6≥
5.5-6 5-5.5
所以，以C1为例，对于C1，由公式 D=2
a
Q
υπ⨯ 式中：D-旋风筒圆柱体直径，m Q-旋风筒内气体流量，m/s a υ-假想截面风速，m/s(取6m/s) 所以：D=24
14.386
.124⨯⨯
=6.31m
则：外D =D+2×0.18=6.31+2×0.18=6.67m （根据经验选择耐火砖厚度为0.18m ） 旋风筒高度
第1级旋风筒：C1 h1=0.75D=0.75*6.67=4.97m 锥体高度h2=(0.9-1.2)D ，此处取1.0所以：h2=6.67m
3.5.2旋风筒进风口的形式和尺寸
旋风筒进风口的类型一般有两种：直入式和蜗壳式。

由于蜗壳式进风口能使进、出旋风筒的内、外气流干扰小，减少了形成涡流的可能性，降低了旋风筒的阻力损失，所以一般选用蜗壳式。

而蜗壳式又分为90º切、180º切、
270º切三中主要的蜗壳形式。

由于本次设计的进风口处理的风量较大，综合考虑后，选用180º切蜗壳式旋风筒进风口。

参考有关资料，根据几何关系确定的偏心圆弧法中几个关键参数如下：
2
d
D c a f --+==2.30 2f
e =
=1.15 e D
R +=2
1=4.125m
式中：f -扩张度 e -偏心度 1R -圆弧半径
2
d
D --环形空腔宽度 2
0d
D c -≤≤
根据进风量计算进风口的横截面积F: in
Q
F ω=
㎡
式中：in ω旋风筒的进口风速，m/s 。

目前一般为17-19m/s ，这里选择18m/s 。

所以： in
Q
F ω=
=
18
86
.124=6.94㎡ 由经验可知b/a=1.5-2。

此处取1.6，则高宽分别为： b=4.11m a=2.57m
3.5.3排气管尺寸及插入深度
排气管也称出风管或者出口导管或中心风管，简称内筒或套筒。

根据经验，内筒外径与旋风筒内径之比d/D=0.6-0.7,还要注意旋风筒内的气流速度达到13-20m/s ，这样有利于上一级换热单元中粉料的分散与悬浮。

一般来说，
中间各级的内筒插入深度3h 可取（0.6-0.75）b,以降低压损。

以C1级预热器为例，选取d/D=0.6，3h =0.65b 。

所以：
d =0.6D=0.6×6.63=3.98m 3h =0.65b =0.65×4.11=2.67m 3.5.4锥体参数
旋风筒锥体部分的作用是将捕获的固体颗粒向排料口输送，并且提供旋转气体转折向上的空间。

锥角可由下式计算：
e
d D h -=
2
2tan α D d e 1.0= 式中：e d -排料口的直径，m
经计算得：e d =0.66m α=63.52º 3.5.5其他参数
下料管位置：d h 24==2×3.57=7.96m 下料管内径：M d 00192.00==0.78m 式中：M-下料管内的下料量，kg-生料/h 旋风筒的钢板厚度：002.0103
+=
D
δ=0.00795m=7.95mm 旋风筒之间连接管道的内径：πω
Q d 4'==3.26mm
总结
在这设计中充分了解了旋风预热器是新型干法水泥生产技术的核心设备，它是把生料的预热和部分分解采用悬浮预热方式来完成，以缩短回转窑长度，同时使生料与窑内炽热气流充分混合，提高热交换效率，从而达到提高整个窑系统生产效率、降低熟料烧成热耗的目的，它利用窑内堆积翻滚的高温气流，采用多级循环悬浮预热方式，使生料粉与炽热气流进行充分的热交换，完成悬浮预热和部分生料分解，为生料入窑煅烧做准备。

旋风预热器能充分利用窑内热量，降低熟料烧成热耗，减少烧成设备占地面积。

悬浮预热器是构成预分解系统的主要气固反应单元。

悬浮预热器充分利用窑尾排出的高温废气或分解炉底部燃烧产生的高温烟气，然后经最下级旋风筒收集入窑，提高系统的热效率，以降低系统热耗，提高熟料产量，是预热器的主要任务。

预热器的产生带动了经济的快速的发展，降低了能耗，提高了经济，改善了环境，间接的提高建筑行业的安全。

从设计中更深一步了解设计的重要性，是水泥生产重要部分，充分利用了窑尾的余热，利用了逐步预热的原理。

利用了废气的发电等。

悬浮时间的长短有利于物料的充分分解，风速大小对物料的控制。

温度的控制也是最关键的。

预热器的设计是必须满足产量、质量的前提下，对每级预热器的优胜劣汰下产生。

这次课程设计让我获益良多，主要是知识和体会两个方面。

首先，整个设计过程的经历让我初步接触水泥熟料预分解窑的分解炉设计理念，学习到配料计算方法，配料平衡计算，热平衡计算以及工艺尺寸的计算等一系列知识。

各种计算设计分析是我受益匪浅。

参考文献
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