c1级预热器课程设计解析

课程设计说明书
日产2500吨水泥熟料预分解窑生产线C1级预热器设计
院、部：材料与化学工程学院
课程名称：材料工艺设计概论
学生姓名：**
指导教师：***
专业：无机非金属材料工程
班级：材料1301
完成时间：201 6年12月
目录
设计任务书 (3)
摘要 (4)
引言 (5)
1.配料计算 (8)
1.1、原始数据 (8)
1.2、标定熟料化学成分 (8)
1.3、生料配合量计算 (9)
1.4、率值检验 (10)
2、生料消耗定额计算 (11)
2.1、实际消耗定额计算 (2)
2.2、各物料的湿消耗定额 (3)
2.3、烧成用干煤消耗定额 (4)
3、年产熟料计算 (5)
3.1、窑尺寸标定 (6)
3.2、熟料日产量 (1)
3.3、熟料年产量 (2)
3.4、窑台数 (3)
4、窑尾预热器系统废气量 (1)
4.1、窑尾排出废气量 (2)
4.2、分解炉内废气量 (3)
4.3、 C5废气量 (4)
4.4、 C4废气量 (5)
4.5、 C3废气量 (1)
4.6、 C2废气量 (2)
4.7、 C1废气量 (3)
任务书
一、设计题目
日产2500吨水泥熟料预分解窑生产线C1级预热器设计。

二、原始资料
1、原材料化学成份
（1）石灰质、粘土质、铁质原料（%）
（2）煤的工业分析（%）及发热量
（3）煤灰的化学成份（%）
2、料耗及热耗
实际料耗：生产损失为2－6%（具体自行拟定）；
烧成热耗：3100－3170KJ/kg熟料（具体自行拟定）；
3、原、燃料水份（%）
4、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）；
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）C3级旋风预热器结构图，1号图1－2张；
（2）要求：以全面、准确反映自己所设计部分的内容为准。

五、时间与进度安排
1、设计时间：2周。

2、进度安排
（1）资料与文献查阅，2－3天；
（2）设计计算与选型，3－4天（两项合计时间1周）；
（3）绘图与设计文件整理，1周。

六、分组安排与要求
1、设计班级与分组安排
（1）设计班级：材料卓越1301班，共30人；
（2）分5组，每6人一组。

2、要求
（1）本任务书设计人员为6人，但每人须独立完成第四项设计成果要求的工作；
（2）计算时，各人“自行拟定”参数在本组中不得完全相同，即要求独立完成计算；
（3）各人图纸不得完全相同。

湖南工学院材料教研室
指导教师：袁龙华
2016年12月9日
1、配料计算
1.1原始数据
表 1 石灰质、粘土质、铁质原料（%）
表2 煤的工业分析（%）及发热量
表3 煤灰的化学成份（%）
表4 煤的热值
1.2根据熟料率值，估算熟料化学成分
在预热分解窑中，率值的范围分别为KH=0.86-0.92,SM=2.2-2.8,IM=1.3-1.9。

在此处KH取0.86；SM取2.2；IM取1.3。

∑=97.1%
Fe
2O
3
=∑/(2.8KH+1)(IM+1)SM+2.65IM+1.35=4.41%
Al
2O
3
=IM*Fe
2
O
3
=5.73%
SiO
2=SM(Al
2
O
3
+ Fe
2
O
3
)=22.31%
CaO=∑-( Fe
2O
3
- Al
2
O
3
- SiO
2
)=67.55%
煤灰掺入量G
a
（S取100%）
G
a
=P* Aad*S/100* Qnetad
=3110*27.94*100/100*23285.89
=3.73%
G
a
---------------熟料中煤灰掺入量（%）
Aad--------------煤的空气干燥基灰分含量（%）
P----------------煤耗（Kg/Kg-熟料）(此处取3110) S----------------煤灰沉落率（%），可选100% Qnetad-----------煤的热值（KJ/Kg）
1.3生料配合量计算
表5 化学成分表（%）
由上表可知：干石灰石的质量为131kg；粘土的质量为24.5kg；铁粉的质量为0.87kg。

所以，各生料配合比为：
石灰石=131/（131+0.87+24.5）=83.77%
粘土=24.5/（131+0.87+24.5）=15.67%
铁粉=0.87/（131+0.87+24.5）=0.56%
表6 生料配比表如下
表7 生料化学成分表(单位：%)
表8 熟料化学成分表
1.4率值验算：
KH=CaO-1.1 Al
2O
3
-0.7Fe
2
O
3
/2.8 SiO
2
=63.4-1.1*6.21-0.7*3.16/2.8*21.19=0.91
SM=SiO
2/Al
2
O
3
+Fe
2
O
3
=21.19/6.21+3.16=2.2
IM=Al
2O
3
/Fe
2
O
3
=6.21/3.16=1.9
经计算发现KH、SM、IM都在范围内，因此配料符合要求。

2、生料消耗定额计算
2.1实际消耗：生产损失 2%--6%（此次设计中取3%）
考虑煤灰掺入量时，1t熟料的干生料理论消耗量
K
T
=(100-S)/(100-I)
式中：
K
T
----------干生料理论消耗量（t/t熟料）
I-----------干生料烧失量（%）
S-----------煤灰掺入量，以熟料百分数表示（%）
根据之前的计算可知
I=34.02
S=3.73
K
T
=(100-3.73)/(100-34.02)=1.459(t/t熟料)
考虑煤灰掺入量时，1t熟料的干生料消耗定额
K
生=100K
T
/（100-P
生
）
式中：
K
生
-----------干生料消耗定额（t/t熟料）
P
生
-----------生料的生产损失
K
生
=100*1.459/（100-3）=1.5（t/t熟料）各干原料消耗定额
K
原= K
生
*X
式中
K
原
-----------某种干原料的消耗定额X------------干生料中该原料的配合比
K
石灰石
=1.5*83.77%=1.257（t/t熟料）
K
粘土
=1.5*15.67%=0.23（t/t熟料）
K
铁粉
=1.5*0.56%=0.008（t/t熟料）
2.2各物料的湿消耗定额
K
湿=100K
干
/(100-W
O
)
式中：
K
湿、K
干
-------分别代表湿、干物料的消耗定额（t/t熟料）
W
O
-------------该湿物料的天然水分（%）
W
O
=（83.77*1.8+15.67*11.5+0.56*11.5）/100=3.34
K
湿生
=100*1.5/（100-8.5）=1.55（t/t熟料）
K
湿石灰石
=100*1.257/(100-2)=1.28（t/t熟料）
K
湿铁粉
=100*0.008/（100-12）=0.009（t/t熟料）
K
湿粘土
=100*0.23/(100-11)=0.26（t/t熟料）
湿原料质量百分比
石灰石： 1.28/1.55=82.58%
铁粉： 0.009/1.55=0.58%
粘土： 0.26/1.55=16.84%
燃料消耗定额
2.3烧成用干煤消耗定额：
K
f =100q/[Q(100-P
F
)]
式中 K
f
——烧成用干煤消耗定额（t/t熟料）；
q——熟料烧成消耗（kJ/kg熟料）；
Q——干煤低位热值（kJ/kg干煤）；
P
F
——煤的生产损失（％），一般取1％,
其中Q=100（Q y+25W y）/(100-W y)=100×(23285.89+25×8.7)/(100-8.7)=25743.03（KJ/Kg 干煤）
K
f
=(100×3110)/[25743.03×(100-1)]=0.122（t/t熟料）
烧成用湿煤消耗定额：
K
f =100K
f
/(100-W
)=(100×0.122)/(100-8.7)=0.1336（t/t熟料）
3、年产熟料计算
3.1根据要求产量窑的尺寸
直径 D=4.3m
D
i
=D-2σ=4.3-2*0.22=3.86
M
1
=11.3943D2.6388L0.4806=2924.14t/d
M
2
=5.19164D2.75677L0.56286=2954.58t/d
M
平均
=2939.36t/d > 2500t/d 3.2熟料日产量
Q
d
=2939.36t/d
Q
h = Q
d
/24=2939.36/24=122.47t/d
3.3熟料年产量
Q
Y =365ηQ
d
其中85%<=η<=90%.此处取86%
Q
Y
=365*85%*2939.36=922665.1t/d
3.4窑台数
n= 1
窑尾预热器系统废气量
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=0.122
生料的额定消耗量：K=1.55kg/kg熟料
查阅相关资料，预分解窑相关数据如下：
表9 原始参数
空气系数1.2，漏风量5% 则：理论空气量：0V =f arnet
K Q ⨯+⨯)5.0100024.0(=0.7428
理论废气量：f V =f ar
net K Q ⨯+⨯)65.11000
213.0(
,=0.8560
生料分解废气量：V=K ×J%×2
CO p I =0.2738
4.1、窑尾排出废气量
① 窑内煤燃烧产生的废气量
1V =f V ×40%=0.3424 (40%为回转窑用燃料比)
② 窑尾过剩空气量
2V =（α-1）0V ×40%=0.0059 ③ 生料分解产生的废气量 3V =V ×5%=0.01369
所以窑尾废气量为：窑V =1V +2V +3V =0.3620 化为工作态： '
窑V =窑V 窑
窑P T -101325101325
273273⨯
+⨯
=1.76033m /kg 熟料 4.2、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 =0.8560 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%） =0.2327 ③ 过剩空气量
6V =（α-1）0
V =（1.05-1）×0.7428=0.037
所以炉内废气量为：炉V =4V +5V +6V =1.1257， 化为工作态： '
窑V =炉V 炉
炉P T -101325101325
273273⨯
+⨯=4.8501 3m /kg 熟料 4.3、 C5废气量
① 出炉废气量：7V =炉V =1.1257 ② 漏入空气量：8V =0V ×5%=0.0371 ③ C5分解产生的2CO 量：9V =V ×5c α=0.2820
所以C5废气量为：5c V =7V +8V +9V =1.4448， 化为工作态为：
'
5c V =5c V 5
5-101325101325273273c c P T ⨯+⨯
=6.225 3m /kg 熟料 4.4、C4废气量
① 来自C5的废气量：10V =5c V =1.4448 ② 漏入空气量：11V =5c V ×5%=0.0722
C4废气量：4c V =10V +11V +12V =1.5710 化为标准态为： '
4c V =4c V 4
4-101325101325
273273c c P T ⨯+⨯
=6.1319 3m /kg 熟料 4.5、C3废气量
C3废气量：3c V =4c V （1+5%）=1.6496 化为标准态为：
'
3c V =3c V 3
3-101325101325
273273c c P T ⨯+⨯
=6.0833 3m /kg 熟料 4.6、C2废气量
C2废气量： 2c V =3c V （1+5%）=1.7321 化为标准态为：
'
2c V =2c V 2
2-101325101325
273273c c P T ⨯+⨯
=5.4362 3m /kg 熟料 4.7、C1废气量
C2废气量：1c V =2c V （1+5%）=1.8187 化为标准态为： '
1c V =1c V 1
1-101325101325
273273c c P T ⨯+⨯
=4.0644 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。

表10 窑尾废气量
5、C1预热器主要结构参数设计 5.1、旋风筒直径和高度
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11 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 D=2a
Q
υ
π⨯
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)
Q=138.27m/s; a
υ=4m/s
所以:D=
4
27
.
138
2
⨯
π
=6.63
旋风筒高度
第三级旋风筒：C1 h
1
=0.75D=0.75*6.63=4.97m
椎体高度h
2
=(0.9-1.2)D，此处取1.0所以：h
2
=6.63m
锥角根据
式中：de——排料口的直径（m）；统一取de=1m α3=66.99
5.2、旋风筒进风口尺寸
（1）进风口横截面积（w的取值范围在17-19，此处取18）
根据F=
in
ω
v
可以算的F
3
=11.50㎡
（2）旋风筒进风口高、宽一般取b/a =1~2 ；旋风筒尺寸为： b3=4.15m , a3=2.77m 5.3内筒尺寸
（1）内筒外径d =(0.5~0.6)D ；此处取0.6D=3.99m 插入深度3h =（0.6-0.75）b, 3h =0.70b =0.70×4.15=2.905m （2）下料管位置：h 4=2d=7.98m
（3）下料管内径：d 0=0.00192M =1.09m
式中：M-下料管内的下料量，kg-生料/h （4）旋风筒的钢板厚度
δ=
3
10D
+0.002=8.63mm （5）旋风筒连接管道的内径
d=w
v
4
式中：V ——管道内气体的流量（m3/s ）；ω——管道内气体的流速（m/s ）；一般在10~20，取ω=15m/s d=4.187m
综合考虑后，选择180°蜗壳式旋风筒进风口。

其尺寸：扩张度f=a+c-(D-d)/2 ；偏心度e=f/2 偏心圆半径R1=e+D/2。

其中c 在0 ~(D-d)/2内
f=2.7;e=1.35;R1=4.665
表12 旋风筒结构尺寸表。