日产3000吨水泥熟料窑尾预热器与分解炉系统设计

1前言

1.1水泥产业发展概述

我国是水泥生产大国，水泥工业是我国国民经济建设的重要基础材料产业，在国民经济可持续发展中具有举足轻重的地位。随着现代化建设的持续、稳定发展，我国水泥工业正面临着更好更快地发展、完善自身、节能环保的重任[1]。

水泥生产过程中，最重要的工艺环节是将化学成分合格的生料煅烧成既定矿物组成的熟料的过程[2]。此过程所使用的设备包括旋风筒预热器、分解炉、回转窑和篦冷机等，这些设备即为构成窑尾系统的主要设备。伴随着水泥工业生产技术的发展，熟料煅烧设备经历了立窑、干法中空窑、湿法窑、立波尔窑、预热器窑以及预分解窑的变化。对于水泥工业窑炉，国内外主要研究机构均依据水泥熟料形成热、动力学机制，研究水泥窑炉工艺过程，并对各设备子系统工作机理和料气运动、换热规律进行探讨[3]。通过建立单级和多级粉体悬浮热交换器热力学理论模型和分解炉系统热稳定性理论模型，建立全系统的热效率模型，系统研究了悬浮预热器和分解炉的热效率及其影响因素、悬浮预热器系统特性组合流程、流场、温度场、浓度场的合理分布和碳酸盐分解及固液相反应动力学特性，并以此为理论指导，开发出新型干法水泥熟料生产技术装备[4]。

1.2国内外研究现状

天津水泥工业设计研究院有限公司开发的TDF分解炉，具有三喷腾和碰顶效应、湍流回流作用强、固气停留时间比大、温度场及浓度场均匀、物料分散及换热效果好、阻力系数低等特点[5]。交叉料流型预分解法在保证全系统固气比不变的前提下，可使每级预热器单体的固气比提高，从而提高系统的热效率。采用这种生产方法可提高生料入窑分解率，降低预热器出口气体温度及分解炉操作温度[6]。整个系统在相对低温下操作可以减少钾、钠、氯盐及一些低熔点矿物形成，有利于系统稳定操作，减少预热器及分解炉结皮堵塞。如西安建筑科技大学徐德龙院士团队发明的悬浮态高固气比预热分解技术[7]。以Prepol和Pyro⁃clon型炉[8]为代表的管道式分解炉，主要依靠“悬浮效应”加强气固换热，炉内湍流强度较小，一般以增大炉容为主要措施，保证分解炉的功效发挥，故其单位容积热负荷及单位容积产量相对其他炉型来说，都是比较小的。三菱公司设计的N一MFC预分解系统所用的旋风筒则采用了出口内筒加装导向叶片的方式，以减少循环气体量，从而在不降低收尘效率的前提下降低旋风筒阻力损失。由于采用了这种低阻旋风筒，其五级旋风预热器的阻力损失相当于或略低于四级旋风预热器的水平[9]。

南京化工学院近年来开发的SWP 喷旋预热器是通过轴流取代折流而使阻力损失降至普通旋风筒的三分之一左右。采用半椭圆截面结构，利用旋流板产生气流旋转，并通过加装弧形挡板使旋流空间与沉料空间分开。宇部型旋风筒的出风内筒呈靴形结构，在其进口装设导流板，从而使循环气流量及“缩流”减少，大大降低了旋风筒阻力损失[10]。天津水泥工业设计研究院在燕山水泥厂窑尾系统采用类似结构的旋风筒，使五级筒和分解炉全系统的阻力损失低于4500Pa ，达到了比较优异的指标。神户制钢公司的KoLBoc 筒为例，加装导向叶片，使旋风筒阻力损失降低了近30%，并且能适当改善分离效果[11]。为了降低阻力损失，川崎型旋风筒采用一种顶部呈锥形、进口按一定水平角倾斜下降的结构，其阻力损失仅为洪堡型旋风筒的65%左右，分离效率可以满足作为中间级旋风筒的要求[12]。

我国新型干法技术的发展已经处于比较完善的时期，但国产装备的能耗、控制水平、运转率及可靠性仍有待提高。结合我国国情来看，水泥工业无疑是重污染行业。2013年，河北省因雾霾问题压减了钢铁、水泥、玻璃等工业的产量。所以，水泥行业务必朝着节能减排的方向发展，加快产业结构调整步伐，大力推广新型干法水泥生产工艺的节能技术。

1.3本次设计的内容及特点

本次毕业设计的内容，是依据给定的建厂条件，设计日产3000吨水泥熟料的水泥厂。水泥生产工艺设计是工厂建设的基础，是设计是工厂设计的主要环节，是决定全局的关键。本次毕业设计的有以下几个任务：

第一，参照同类型厂家进行数据的选择，包括适当的率值，热耗，进行配料计算。第二，根据配料计算进行全厂工艺平衡计算，具体内容包括：根据产量计算回转窑尺寸、标定产量，然后参考同类型厂家选择回转窑窑型；进行全场物料平衡计算；根据计算出的物料平衡进行主机平衡计算，并选择出主要设备的规格和型号；根据全厂物料平衡计算出储库和堆场的尺寸。第三，根据配料计算和全厂工艺平衡计算设计全厂工艺布置和工艺流程图。第四，根据全厂工艺平衡进行重点车间的设计计算：包括烧成车间的工艺流程、窑尾系统的物料平衡计算、窑尾系统的热量平衡计算、窑尾系统的烟气平衡计算、窑尾系统预热器与分解炉的选型及尺寸确定。最后依据以上内容完成毕业设计说明书及毕业设计图纸。

水泥工业每年要消耗大量的石灰石、粘土等天然资源, 排放大量的2CO 、

2SO 及粉尘等有害物质，对环境造成污染。而粘土本身水分含量高，需要加设烘干设备，增加煤耗；铁粉的成本比较高，使用铁粉作为配合省料是一种资源的浪费[13]。所以本次设计利用砂岩和硫酸渣分别代替粘土和铁粉。一方面减小水泥生产的成本，减少煤耗和燃煤排放的污染物；另一方面，硫酸渣是工业废渣，在水

泥生产中得到了利用和处理，可以减少固体工业垃圾的排放，此做法也是按照国家节能减排的要求，走可持续发展之路[14]。

本次毕业设计，旨在让学生整合大学期间所学习的专业知识，同时参阅资料掌握国内外发展研究现状，与生产实践有机的结合起来。通过这次实际的训练，使学生进一步了解水泥生产从原料配合、工艺平衡、设备选型、堆场储库计算到熟料烧成、水泥产出的整个过程，提高学生运用知识、查阅资料、处理数据和识图、绘图技术水平，加强优化方案、统筹安排的能力；结合生产实际，提高分析和解决问题的能力。同时掌握所学专业的发展前景及就业前景，为将来的的自身发展和提升打下坚实的基础。

2 设计基础

2.1 原料化学成分

生产水泥熟料所用的原料、燃料的成分如下：

表2.1 原料与煤灰的化学成分（%）

名称 Loss

∑ 其他 石灰石 39.52 7.20 1.30 0.46 48.54 1.56 98.58 1.42 砂岩 11.52 57.61 11.50 4.64 10.60 0.88 96.75 3.25 铁铝土 9.80 30.52 37.38 15.49 1.55 0.30 95.04 4.96 硫酸渣 6.91 20.40 6.38 48.54 9.33 3.80 95.36 4.64 煤灰

50.68

29.85

4.39

7.39

2.60

94.91

5.09

2.2 原、燃料水分

生产水泥熟料所用的原料、燃料水分如下

表2.2 原、燃料的操作水分（%）

物料 石灰石 砂岩 铁铝土 硫酸渣 煤 水分

3

3.5

20

4

6

2.3 燃料的元素分析和工业分析

生产水泥熟料所用的燃料的元素及工业分析如下

表2.4 燃料的元素分析(%)

67.48

4.08

0.25

1.19

10.92

1.14

29.20

20.06

49.60

25616.00

2.4 建厂条件

2.4.1 建厂地点及自然条件

(1)建厂地点：某市郊区、靠国道 (2)厂区地形：厂区地势较平坦，

(3)交通情况：便利，附近有公路、铁路等，有利于原料、水泥等运输。

2

SiO 32O Al 3

2O Fe CaO MgO