利用电石渣生产水泥工艺设计(完稿)

学号：

河北联合大学成人教育

毕业论文（设计说明书）

论文题目：利用电石渣生产水泥工艺设计学院：河北联合大学继续教育学院

专业：

班级：

姓名：张裕源

指导教师：

2012 年 9 月 4 日

河北联合大学成人教育毕业论文（设计说

明书）

利用电石渣生产水泥工艺设计

学院：河北联合大学继续教育学院

专业：

班级：

姓名：

指导教师：

2012 年 9 月 4 日

摘要

水泥是一种重要的基本建设物质，水泥不但大量应用于工业与民用建筑，还广泛应用于交通、水利、农林以及海港等工程，水泥工业具有广阔的前景。

本文设计内蒙古某公司年产200万吨电石渣制水泥项目，本项目使用内蒙古某氯碱公司生产聚氯乙烯所产生的废料电石渣，解决了电石渣占用大量的土地，污染环境的问题。本文对该水泥企业各工艺流程进行设计并依据化工原理对水泥厂各系统化工反应及物料配比进行设计，并说明利用电石渣生产水泥各个化工参数的控制及调整。

结果表明，该项目充分利用内蒙古地区丰富的煤电优势、石灰石资源，利用附近工厂的电石渣，处理了环境污染，同时变废为宝，取得较好的经济效益。该项目技术可靠，装置布置合理，经济效益显著，建设该项目是可行的。

关键词：水泥，电石渣，化工设计，工艺设计

目录

1 前言 (6)

2 硅酸盐水泥的技术指标 (6)

2.1制造水泥的组分材料 (6)

2.2硅酸盐水泥的标号 (7)

2.3硅酸盐水泥的技术指标（品质指标） (7)

2.4硅酸盐熟料的组成 (9)

2.4.1硅酸盐熟料的化学成分 (9)

2.4.2熟料的矿物组成 (10)

2.4.3熟料的率值 (11)

3 产品概述 (12)

3.1设计目的 (12)

3.2设计规模 (13)

3.2.1原料路线确定的原则 (13)

3.2.2原料配比 (14)

4 水泥生产工艺及流程图 (17)

4.1生料工段 (19)

4.2烧成工段 (20)

4.2.1工艺流程 (20)

4.2.2烧成计算 (22)

4.3成品工段 (24)

5 厂房布置及水电气要求 (25)

5.1厂区规划 (25)

5.2排除雨水方式 (26)

5.3公用工程管网 (26)

5.4生产班制及企业管理体制及组织机构设置 (27)

6 研究结论 (27)

6.1 综合评价 (27)

6.2 存在问题及解决方案 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

1 前言

水泥是一种重要的基本建设物质。我国是世界上最大的水泥生产国，2011 年水泥产量 20.6 亿吨，水泥产量占全球 50%以上。水泥是建筑工业三大基本材料之一，可广泛用于民用、工业、农业、水利、交通和军事等工程，虽然制造水泥能耗较大，但它与砂、石等材料制成的混凝土却是一种低能耗的建筑材料。例如，在相同的荷载的条件下，混凝土柱的能耗仅为钢柱的七分之一、砖柱的四分之一。

据预测，到 2012 年乃至更长的时期内，水泥仍然是主要的建筑材料。水泥有很多优点：水泥浆有很好的可塑性，可制成各种形状和尺寸的混凝土构件；适应性强，可用于海上、地下或干热、严寒地区以及耐侵蚀、防辐射等特殊要求的工程；耐久性好，水泥混凝土既没有钢材的生锈问题，也没有木材的腐朽等特点，更没有塑料制品的老化、污染等问题。因此，水泥不但大量应用于工业与民用建筑，还广泛应用于交通、水利、农林以及海港等工程，宇航工业、核工业以及其他新型工业的建设也需要各种无机非金属材料，其中最为基本的都是以水泥基为主的新型复合材料。因此，水泥工业具有广阔的前景。

2 硅酸盐水泥的技术指标

2.1 制造水泥的组分材料

1、硅酸盐水泥熟料：凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物称为硅酸盐水泥熟料（简称熟料）。

2、石膏：包括天然石膏和工业副产石膏，质量必须符合国家标准。

3、活性混合材：指具有火山灰性或潜在水硬性的混合材料。如高炉矿渣、火山灰和粉煤灰等。

4、非活性混合材：指活性指标不符合标准要求的潜在水硬性或火山灰性的水泥混合材料，如砂岩或石灰石。

5、窑灰：从水泥回转窑窑尾废气中收集下的粉尘。

6、助磨剂：水泥粉磨时允许加入起助磨作用而不损害水泥性能的助磨剂。其加入量不得超过水泥质量的0.5%。

2.2 硅酸盐水泥的标号

国家标准中把硅酸盐水泥的标号设置为325、325R；425、425R；525、525R；625、625R；725、725R几等。标号是根据水泥28天抗压强值确定的。

2.3 硅酸盐水泥的技术指标（品质指标）

1、化学指标：是保证水泥质量和性能的重要依据

（1）氧化镁含量：在水泥熟料中，常含有少量与其他矿物结合的游离氧化镁，它是高温时形成的方镁石，它水化为氢氧化镁的速度很慢，常在水泥硬化以后才开始水化，在水化时产生体积膨胀，可导致水泥石结构产生裂缝甚至破坏，因此，它是引起水泥安定性不良的原因之一。国家标准（GB175-2007）规定，水泥中氧化镁的含量不得超过5%。如果水泥经压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6%。

主要是在生产时为调节凝结时间加入（2）三氧化硫含量：水泥中的S0

3

石膏而带来的，也可能是煅烧熟料时加入石膏矿化剂而带入熟料的。适量石膏虽能改善水泥性能（如提高水泥强度、降低收缩性、改善抗冻耐蚀和抗渗性等），但石膏超过一定含量后，水泥性能会变差，甚至引起硬化水泥石膨

的含量必须加以限制。现行国家标准规胀，导致结构破坏。因此水泥中S0

3

的含量不得超过3.5%。

定，水泥中S0

3

4、烧失量：水泥煅烧不佳或受潮后，均会导致烧失量增加。烧失量测定是以水泥试样在950-1000℃下灼烧15-20min，冷至室温称量。如此反复灼烧直至恒重，按下式计算烧失量：

X?＝（m

0-m

1

）/m

×100

式中：X?——烧失量，%

m

——灼烧前试样质量，g

m

1

——灼烧后试样质量，g

2、物理指标

（1）细度：水泥细度是表示水泥磨细后的程度或水泥分散度的指标。它对水泥的水化硬化速度、水泥需水量、和易性、放热速率及强度都有影响。水泥细度可用筛析法和比表面积法表示。现行标准规定，普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥，在0.08mm方孔筛上筛余量不得超过10%；硅酸盐水泥比表面积不少于300cm2/g。

（2）凝结时间：是指水泥从加水开始，到水泥浆失去可塑性所需的时间。凝结时间分为初凝时间和终凝时间。

初凝时间是从水泥加水开始到水泥浆失去可塑性所需的时间；终凝时间是从水泥加水开始到水泥浆完全失去塑性的时间。我国标准规定，采用凝结时间测定仪来测定，硅酸盐水泥初凝时间不得早于45分钟，终凝时间不得迟于360分钟（6小时）；普通硅酸盐水泥初凝时间不得早于45分钟，终凝时间不得迟于10小时。

（3）安定性：安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。水泥与水拌制成的水泥浆体，在凝结硬化过程中，一般都会发生体积变化。如果这种体积变化是在凝结硬化过程中，则对建筑的质量并没有什么影响。但是如果混凝土硬化后，由于水泥中某些有害成分的作用，在水泥石内部产了剧烈的、不均匀的体积变化时，在建筑物内部产生破坏应力，导致建设物

强度降低，甚至会引起建筑物开裂，崩塌等严重事故。

水泥体积安定性不良的原因在于：水泥熟料中游离CaO、MgO含量过多或掺入的石膏含量过多。熟料中的游离CaO、MgO经过高温煅烧后均呈“过烧”状态，水化十分缓慢。在水泥已经硬化后才进行水化，体积膨胀引起不均匀的体积变化，使水泥石开裂。石膏含量过多时，在水泥硬化后，它还会与固体的水化铝酸钙反应，生成高硫型水化硫铝酸钙，体积约增大1.5倍，引起水泥石开裂。

安定性的检验方法：

①沸煮法：（不常用）主要用来检验由游离CaO引起的体积变化。

②试饼法。

③雷氏法：用雷氏夹测定，试件两指针尖端距离增加的平均值≤5mm时，安定性合格。

④压蒸法：主要用来检验由游离MgO引起的体积变化。

（4）强度：强度是水泥技术中最基本的指标，它直接反映了水泥的质量水平和使用价值。国际上都采用砂浆法作为水泥强度的标准检验方法。我国亦采用水泥胶砂来评定水泥强度。

我国现行标准（GB177-1999）规定，以1∶3的水泥和ISO标准砂，按规定的水灰比0.50，用标准制作方法制成4cm×4cm×16cm的标准试件。在标准养护条件下，达到规定龄期（3d、28d）时，测定其抗折和抗压强度，按国家标准规定的最低强度值来评定其所属的强度等级。

为提高水泥的早期强度，我国现行标准将水泥分为普通型和早强型（R）。早强型水泥的3d抗压强度较同强度等级的普通型强度提高10-24%，可达28d 抗压强度的50%。道路水泥多用早强水泥。

2.4 硅酸盐熟料的组成

2.4.1硅酸盐熟料的化学成分

水泥的质量主要决定熟料的质量。优质的熟料应该具有合适的矿物组成和岩相结构。因此控制熟料的化学成分，是水泥生产的中心环节之一。

硅酸盐水泥熟料的主要化学组成为氧化钙（CaO），一般范围为62-67%；

二氧化硅（SiO

2），一般范围为20-24%；三氧化二铝（Al

2

O

3

）一般范围为4-7%；

三氧化二铁（Fe

2O

3

），一般范围为2.5-6.0%。这四种氧化物组成通常在熟料

中占95%以上，同时含有5%以下的少数氧化物，如氧化镁（MgO）、硫酐（SO

3

）、

氧化钛（TiO

2）、氧化磷（P

2

O

5

）以及碱（K

2

O、Na

2

O）等。

这四种氧化物构成水泥熟料的最主要的化学成分。它们在水泥熟料生产中是按一定含量和一定比例进行配比生产的。配比不恰当，都会直接影响到熟料的质量进而影响到水泥的质量。如熟料中若CaO含量过高，则CaO不能充分与硅酸性氧化物化合，部分呈现游离状态存在于熟料中，成“死烧状态”。这种“死烧状态”的氧化钙，其水化作用非常缓慢，常发生在水泥凝结硬化过程之后的水泥石中，致使水泥石膨胀变形、破裂。如氧化铝和氧化铁，它们是熟料烧成过程中产生液相的主要氧化物，如果它们的含量过高，则产生的液相量过多，使物料易结大块而影响操作；如果含量过低，则产生液相量过少，使烧成困难，熟料易于“粉化”。所以在熟料生产中化验人员要对原料进行认真分析计算，作出科学合理的配料方案，指导熟料生产。

2.4.2 熟料的矿物组成

原料中CaO、SiO

2、Al

2

O

3

和Fe

2

O

3

，这四种氧化物，经过高温煅烧后发生

化合反应。

硅酸盐矿物：硅酸二钙（2CaO·SiO

2），简写为C

2

S和硅酸三钙（3CaO·SiO

2

），

可简写为C

3

S，合计占75%左右。

熔剂矿物：铝酸三钙(3CaO·Al

2O

3

)，可简写为C

3

A、铁铝酸四钙

(4CaO·Al

2O

3

·Fe

2

O

3

)简写为C

4

AF，合计占22%左右。

另外还有少量的游离氧化钙（f-CaO）、方镁石、含碱矿物（RO

2

）以及玻璃体等。

从以上熟料的矿物组成中可以看出，在水泥熟料中，CaO、SiO

2、Al

2

O

3

、

Fe

2O

3

这四种氧化物，不是以单独的氧物形式存在，而是经过高温煅烧后，两

种或两种以上的氧化物反应生成的多种矿物集合体，其结晶细小，通常为30-60μm。因此水泥熟料是一种多矿物组成的结晶细小的人造岩石。

2.4.3熟料的率值

硅酸盐水泥熟料中各氧化物不是以单独状态存在，而是由两种或两种以上的氧化物合成的多矿物集合体。因此，在水泥生产中不仅要控制各氧化物的含量，还要控制多氧化物之间的比例，即率值。这样更能表示出水泥的性质及对煅烧的影响。

（1）水硬率

表示水泥熟料中氧化钙与酸性氧化物（SiO

2、Al

2

O

3

、 Fe

2

O

3

）之和的质量

百分数的比值，用HM或m表示。

计算公式如下：HM（m）=CaO/（SiO

2+ Al

2

O

3

+ Fe

2

O

3

）

通常波动值在1.8－2.4之间。

（2）硅率

表示熟料中氧化硅含量与氧化铝、氧化铁之和的质量比。也表示熟料中硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例。用SM或n表示：计算公式如下：

SM(n)= SiO

2/（Al

2

O

3

+ Fe

2

O

3

）

通常硅酸盐水泥熟料的硅率在1.7－2.7之间。

（3）铝率

铝率又称铁率或铝氧率。表示熟料中氧化铝和氧化铁含量的质量比，液表示熟料溶剂矿物中铝酸三钙与铁铝四钙的比例，用IM或者p表示。计算公式如下：

IM(p)= Al

2O

3

/ Fe

2

O

3

通常硅酸盐水泥熟料的铝率在0.9－1.7之间。（4）石灰饱和系数KH值

为熟料中全部氧化硅生成硅酸钙（C

2S和C

3

S）所需的氧化钙含量与全部

氧化硅生成硅酸三钙所需氧化钙含量的比值，也即表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和形成硅酸三钙的程度。计算公式为：

KH=（CaO–1.65Al

2O

3

-0.35Fe

2

O

3

）/2.8SiO

2

为使熟料顺利形成，不出现过量游离石灰，通常KH值控制在0.82－0.96之间。

3 产品概述

3.1 设计目的

为解决内蒙古某氯碱公司年产60万聚氯乙烯所产生的大约每年130万吨的废料电石渣（含水份），实现资源的综合利用，并根据国家（氯碱行业（烧碱、聚氯乙烯）准入条件）的规定，特配套建设电石渣生产水泥项目。电石法聚氯乙烯每生产1吨聚氯乙烯就要产生1.5～1.9吨固态的氢氧化钙，不仅需要占用大量的土地，还会造成水源污染。生产聚氯乙烯所产生的废料电石渣，正是生产水泥所需要的主要原料，本项目建成后，一个完全按照“资源—生产—产品—消费—废弃物—再资源化”模式进行生产的新型水泥生产企业将正式诞生，每年可节省石灰石原料142.18 万吨，对电石渣的综合利用将达到最大化。本工程建设具有如下有利条件：

采用的工艺技术成熟、可靠。

原材料成本低。

厂址周边运输条件优越，水、电供应充足。

项目建设符合国家节能降耗综合利用废料，保护环境政策。

3.2 设计规模

内蒙古某公司年产200万吨电石渣制水泥项目使用内蒙古某氯碱公司生产聚氯乙烯所产生的废料电石渣，解决了电石渣占用大量的土地，污染环境的问题。该项目可以充分利用内蒙古地区丰富的煤电优势，为项目提供价格较为低廉的原料，通过采用新型干法电石渣生产水泥工艺，建成废渣制水泥生产线，该项目建成后将按“资源—生产—产品—消费—废弃物—再资源化”模式，形成较为完整的产业链，符合循环经济发展的要求。该项目的建设对提高和扩展企业的技术水平和规模效益，进一步提高企业的经济效益和抗风险能力。该项目的建设可促进本地区基础化工产业的发展。同时也带动西部地区的繁荣发展，因而建设该项目意义重大。

该项目的工艺技术先进、可靠，全部设备的制造可以立足于国内，节省项目投资费用。

本项目在正常生产情况下每年废气排放量902517万立方米；由于本项目废水成分简单经处理后可全部用于厂区绿化和其它生产用水。装置总平面布置充分考虑规划用地，实现装置集中布置，运输顺畅。本项目总投资50116万元，正常年份销售收入53704万元，投资利润率25.77%，税前投资回收期5年，有较强的抗风险能力。

本项目产品：30%P.C 32.5型复合硅酸盐水泥，70%P.O42.5型普通硅酸盐水泥。

3.3 原料方案

3.3.1 原料路线确定的原则

水泥行业是消耗资源和能源的产业，它所用的石灰石、硅质原料即粘土或砂石岩是不可再生资源，而且往往会占用大量农田和山林，它所消耗的煤炭也属国家最重要的一次性能源，每吨水泥需要消耗 1t石灰石，200kg粘土，消耗煤炭230kg，电100kWh。由于水泥的主要成分是硅酸盐矿物质，水泥业可消化利用许多其他工业产生的废旧废料如粉煤灰等，把它们作为生产原料或改造成调节性材料，也可利用煤矸石、矿渣、粉煤灰、磷石膏、赤泥、铬渣、铜渣、电石渣以及某些低品位矿石、尾矿等工业废渣，研究开发城市建筑垃圾、生活垃圾等利用途径，拓宽水泥生产的原料来源，节约传统的资源和能源消耗，以达到在保护环境的同时，实现资源的综合利用。本项目为以生产废料电石渣为原料，解决环境污染，同时取得较好的经济效益。

3.3.2原料配比

本项目的配料方案设计为：采用电石渣、石灰石、粘土、砂页岩、铜矿渣五组份配料。

配料设计所用原、燃料化学成分见表 3－1、表 3－2。

表3-1 煤工业分析数据

表3-2 配料所用原燃料化学成分

根据电石渣生产水泥的特点，参考新型干法水泥厂的实际生产情况，本项目熟料率值设定为：

KH=0.91±0.01 n=2.6±0.1 p=1.6±0.1

待工厂投产后，可根据进厂原、燃料实际成分和回转窑煅烧熟料的反应状况，及时调整熟料率值。

原料配合比（干基）、生料与熟料化学成分、熟料率值、熟料矿物组成见表3-3、3-4、3-5

表3-3原料配比表（干基）(%)

表3-4 生料的化学成分 (%)

表4－5 2500t/d石灰石、电石渣共同配料物料平衡表

注：1、燃料低位热值：21750J/kg(5259kcal/kg）；2、熟料热耗：3135kJ/kg.cl；

4 、水泥生产工艺及流程图

4.1生料工段

1、石灰石及电石渣的预均化

石灰石或者电石渣由胶带式输送机输从矿山送入厂区预均化堆场。经带式输送机送至预均化堆场中心的石灰石或电石渣，由悬臂堆料皮带机进行连续人字形堆料，由刮板取料机横切取料。预均化后的石灰石及电石渣从堆场中心漏斗卸出，经带式输送机输送至石灰石配料库或电石渣配料库。堆场内下部设有备用卸料坑，当堆场检修或取料机发生故障时，可由此旁路暂时卸料。

圆形预均化堆场石灰石及电石渣储存量为72000吨，储存期 9.2天。

2、辅料预均化

生料配料用铜矿渣、粘土、砂页岩等生产辅助原料由汽车运输进厂，用装载机送入辅助原料堆棚。由取料机取出的物料经带式输送机分别送入原料配料站的三座配料库中。

3 原煤破碎及预均化

原煤通过汽车运输入厂，计量后卸入堆棚，并由装载机分别喂入原煤仓，经过皮带称按比例搭配后，经锤式破碎机破碎的原煤通过皮带机输送至原煤预均化堆场内贮存。设置一座矩型预均化堆场对原煤实施预均化。在预均化堆场内，原煤由侧悬臂堆料机进行布料。均化后的原煤由一台桥式刮板取料机取料，取出的物料经带式输送机送入原煤仓中。

4 原料配料

原料配料站共设五个配料库，分别储存电石渣、石灰石、粘土、砂页岩及铜矿渣。为确保原料库卸料顺畅（尤其是在雨季时节），后3种原料库库内均贴聚脂衬板，库底均采用板喂机强制卸料，长且宽的出料口可避免库内原料结拱。参与配料的原料分别由库底调速板喂机、电子皮带秤按设定配比卸出。为保证立磨的安全运转，在入磨带式输送机上设有除铁器和金属探测