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天津理工大学专业设计报告 题目： 专 业： 安 全 工 程 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2014年 11月 14日成绩评定与评语 指导教师： 日 期： 专业设计的主动性与平时表现（20%）独立思考能力 与解决问题能力（40%）专业设计 完成情况（40%）专业设计成绩1.研究现状1.1水泥生产研究现状水泥的生产工艺简单讲便是两磨一烧，即原料要经过采掘、破碎、磨细和混匀制成生料，生料经1450的高温烧成熟料，熟料再经破碎，与石膏或其他混合材一起磨细成为水泥。由于生料制备有干湿之别，所以将生产方法分为湿法，半干法或半湿法，干法3种。（注：我国水泥行业伴随着国民经济的持续增长,出现了一个以新型干法水泥为代表的高速增长的势头,引起了国内外同行的关注1，现在将悬浮预热和预分解窑统称为新型干法窑，或新型干法生产线，新型干法生产是今后的发展方向。）1.1.1新型干法新型干法水泥, 是以悬浮预热和预分解技术为核心,把现代科学技术和工业生产的最新成就以及IT技术等广泛应用于水泥干法生产全过程,使水泥生产具有高效、优质、节约资源、清洁生产、符合环境保护和大型化、自动化、科学管理特征的现代化水泥生产方法2。1.生产系统及生产流程图 新型干法水泥熟料生产工艺包括4个主要系统和两大生产辅助系统，其生产流程如图1所示。（1） 生料制备系统主包括原料调配、原料粉磨两大工序。 生产硅酸盐水泥的主要成分是石灰质原料和黏土质原料，有时还要根据原料品质和水泥品种，掺加校正原料以补充某些成分的不足3。（2） 生料均化系统生料均化库的任务是消除出磨生料具有的周期成分波动，使生料质量达到入窑生料的要求，完成整个生料均化系统的全部任务，从而稳定窑的热工制度, 提高窑的熟料产量和质量4。（3） 生料预热与分解系统该系统主要由旋风筒预热器、管道、分解炉部分组成. 旋风筒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盐分解。（4） 熟料烧成及冷却系统该系统由熟料烧成及熟料冷却两大工序组成。熟料烧成过程是在水泥回转窑内的烧成带的，是整个熟料生产过程的关键所在。熟料冷却系统的主要设备是冷却机，其作用是将回转窑卸出的高温熟料冷却到下游输送机、贮存库以及水泥磨所能承受的温度，同时把高温熟料显热回收进烧成系统，提高整个烧成系统的热效率5。（5） 煤粉制备辅助系统煤是水泥生产中高温煅烧熟料的必用燃料。煤的燃烧反应能力与其挥发分含量成正比，碳粒燃烧速率则与颗粒径的平方成反比。因此，要达到足够的燃烧反应能力，煤质和颗粒细度是两个重要条件，对煤进行粉磨的目的就是为满足于煤粉燃烧提供其所要求的粒度。（6） 废气处理辅助系统在整个水泥熟料生产工艺过程中，由于物料在破碎、储存、转运、配料、粉碎、均化、烧成、散装等各个环节中将产生大量的冷、热废气。如不处理，将对环境产生粉尘和化学污染(主要是粉尘污染)。现代干法水泥厂在生产的各个环节上都依据国家环保的标准要求, 进行废气处理。硅质原料石灰石校正原料煤破碎锤式破碎机储库破碎预均化堆场均化堆场配料站煤磨立式生料磨煤粉仓均化库预热器分解炉回转炉冷却机熟料库图 1 新型干法水泥熟料生产工艺流程图2.新型干法的发展方向李伟等6的研究表明，水泥熟料生产过程自动化系统,在结构上由过程控制系统( PC S)、生产执行系统(M ES)和工业多媒体监视系统3部分组成,完全适应新型干法水泥生产企业的自动化、信息化的要求。在功能设计上,综合考虑生产运行模式、工艺监控风险、设备操作习惯、检修维护规程以及工程投资等多方面因素, 将功能设计得更加科学、合理, 使整个生产过程的监控更加简单、实用、有效，是目前水泥生产行业中生产工艺的又一大进步。1.2水泥粉尘的主要尘源及其预防1.2.1水泥立窑作为水泥生产的核心，立窑逸出粉尘的多少是排出粉尘浓度能否达国标规定指标的关键。由于立窑烟气的含尘浓度、温度、湿度等波动大，且含腐蚀性气体，其温度可达50-250，露点为40-45，因此立窑除尘一直是个难题。近年来随着微机控制、闭门操作、预加水成球等技术的应用，立窑废气的含尘浓度有了很大的下降，若加强管理，除尘是可以解决的。立窑产生的粉尘，通常设计采用沉降室收集7，但沉降室总除尘效率与进气粉尘浓度和粉尘的粒径分级组成有关。进气粉尘浓度高，大粒子占的比例也较大，沉降室除尘效率也高，相反则差些，必须经过二级除尘。二级除尘可选用高压静电除尘，其除尘效率可达99%，但其初投资较高，要求的管理水平也高。采用冲击喷雾联合除尘器，其除尘效率可达96%8,也可达到要求。它的构造简单，初投资低，维护管理适中，是一种易接受的方案。1.2.2粉磨系统由于生产水泥是生料制备和水泥制成都需要粉磨，若粉磨细度、产量、通风量与气流速匹配不当，工人操作失误或输送装置密封不良，粉尘都会外泄， 磨尾废气中的粉尘浓度一般为50-150g/Nm3，有时可高达200 g/Nm3以上。磨机的工艺应选择连续磨机磨物料。有条件的窑厂应把开路磨改为闭路磨，新建的窑厂应尽可能选择闭路粉磨。由于生料磨、水泥磨工序排放的原始粉尘浓度很高，所以多选用二级除尘装置，其总效率可达99.85%。其一级除尘通常采用旋风式收尘器，收尘效率应达85%-90%，不能低于80%9 ，且必须重视收尘器排料口的密封，这对其收尘效率影响巨大，一般均用回转式窑封卸料器，并应及时检修更换。二级收尘通常用袋收尘，选择袋收尘器时，应注意适当降低布袋张力，以提高袋收尘器的运转使用寿命和收尘效率。另外,当磨机中所出气体的含尘浓度过高（大于60 g/Nm3），滤袋的负荷也会增加,这就要对清灰参数做出相应的调整，否则滤袋易破损冒灰。同时，应注意入磨物料水分的控制，以防止结弯并堵塞收尘器，特别是生料磨各种原料水分和原煤入磨水分的影响，严重时会使收尘器无法正常运转。对生料磨系统，烟气湿含量高，其露点为36-46，温度为45-60，二者相差不大，因此仅对除尘器保温是不够的，除此之外还应在磨机和外排风管上装热风炉，以提高混合烟气的温度，同时还要注意漏风,防止风温降低过快而形成结露。1.2.3烘干机烘干机是立窑水泥厂的主要尘源之一。生产水泥用的粘土、矿渣、煤粉等物料在烘干过程中随回转筒的运动不断颠簸，微细颗粒随着烘干机的热废气流外逸，含尘浓度可高达50-150 g/m3，若收尘效率不高，排放粉尘的浓度可超出标准百倍以上。在实际生产中，烘干机排出废气的水分在10%-20%左右，湿含量较高、含尘浓度高，排出气体进入收尘器的温度为110-150 ，其露点为50-70 ，因此一般采用抗结露袋式收尘器或电收尘器，其收尘效率应达99.95%以上10 。但当被烘干物料水分、温度波动大时，烘干机废气中粉尘的比电阻值随气体湿含量和温度变化而变化，电除尘器的除尘效率和工作可靠性就会受影响。为解决含尘浓度大，高比电阻粉尘对除尘性能的影响，最好采用宽间距电除尘处理烘干机烟气来满足除尘工艺要求，即加大极间距离，提高极间工作电压，适于处理浓度大、比电阻高的烟尘。1.3通风除尘系统的研究现状1.3.1通风系统的研究进展通风系统由通风动力、通风网路、通风设施、污浊气体处理设备等部分组成。（1）混合通风目前国内对混合通风的研究主要集中于室内空气流动数值计算和与通风相关的潜力分析。湖南大学刘晓波将一种混合通风系统作为研究对象，采用商用软件FLUENT对该系统进行数值模拟，得到系统中温度场及速度场11。湖南大学张国强等提出了一种新的自然通风潜力评估体系框架，运用自然通风基本理论，建立自然通风潜力评估模型，并对广州地区厂房建筑的自然通风潜力惊醒了分析和评估12。西南科技大学的段双平采用度时方法得出了预测自然通风和混合通风的潜力的计算公式13。 （2）离心式通风机李新宏、何慧伟14等对离心通风机在设计工况时的整机内部流场进行了数值模拟，捕捉到了离心通风机内部许多重要的流动现象。证实了蜗壳、叶轮间相互引起的流场不对称，并预示了叶轮内部的重要流动特征，所得到的分析结果对探讨影响离心通风机效率的原因、改进叶型设计、扩大运行工况范围等研究内容，提供了重要的理论依据颖达、王嘉冰15以三维时均N-S方程和标准K-E两方程紊流模型为基础，采用SIMPLE算法，对柜式空调器用多翼离心通风机的三维流场进行了数值模拟研究表明，多翼风机内流场具有明显的不对称性，同时还揭示了叶轮流道中的二次流现象，蜗壳出口侧进气口北部的脱流区域，以及叶轮出口的“射流一尾迹”模拟计算结果与实验接过吻和较好，证明了所采用的计算模型和数值方法的可行性。（3）轴流式通风机王军，宋文艳16结合对旋轴流式风机的特点，对其进行优化，在流动为不可压、等环量流型及进出口流速为轴向的假设下，通过基元平面叶栅理论，建立了对旋轴流式风机的优化模型，并用混合函数法进行了优化，结果表明，优化结果能为对轴流式风机轮毂参数的合理选择提供依据。王军，王建峰等17从三维非定常雷诺时均N-S方程出发，应用k-紊流模型，应用SIMPLE算法，数值模拟了对旋轴流式风机的非设计点流场，在一定程度上模拟得到了非设计点的性能。潘地林，黄家有等18通过较为详细的实验测量，研究了对旋轴流式通风机的外特性及噪音，实验结果表明，通过优化前、后叶轮的转速匹配及轴向间距（前置叶轮片弦长的49%处最优），可以获得较大范围的高效运行区（10%最高效率范围）及较低的运行噪音（7dB-10dB）。（4）通风网路沈汉年19等提出一种能够避免大量矩阵运算，适用于实际通风网络的新算法，程序简单，计算时间省。王树刚20等将通风网络中的空气流动作为一维可压缩流体的非定常流动，建立正常和非正常时期通风网络解算的统一数学模型，可以模拟正常通风和非正常时期风流状态的连续变化过程。刘兴杜21把复杂电路中三角形与星形联接等效变换原理引入复杂通风网络的研究，导出解复杂风网的等效变换公式，并运用成功。黄光球22等对Scott-Hinsley方法进行了改进，提出一种新的全回路调节方法，适用于存在固定风量分支的通风网络，可实现所有回路的调节和按需分配归零误差。王刚23等针对通风网络解算过程中最小生成树的生成过程采用传统的“破圈法”计算时间长的问题，提出应用贪心算法解算通风网络，以期缩短计算时间，提高程序运行速度。陆秋琴24等通过理论推导,获得一种适用于存在未知风阻分支的大规模复杂通风网络的解算方法，该方法可进行通风系统漏风点辨识。李晓峰25等通过对Scott-Hinsley 迭代法的深入研究，对基于复合分支的通风网络简化和参数等效变换的网络解算进行了改进。1.3.2 除尘设备及其工艺进展1.主要除尘器类型（1）袋式除尘器：除尘效率高达98%-99%，清灰强度大，维修方便，费用低结构灵活，便于回收干料不适用于含有油雾、凝结水和粉尘粘性大的含尘气体不能用于有爆炸性或带有火花的烟气。（2）静电除尘器：消耗的能量少，气流压力损失一般为10-50毫米水柱，除尘效率高达90-99.9，适用于去除粒径0.05-50微米的尘粒，可用于高温、高压场合，连续操作。运行一段时间后，除尘效果一路下降。（3）电除尘器：除尘效率基本能达到99%，利用高压电击粉尘产生电晕现象和产生火花放电而进行收尘，但运行综合费用高。（4）旋风除尘器：旋风除尘器是利用旋转的含尘气体产生的惯性离心力，将粉尘从气流中分离出来的一种干式气-固分离装置。这种除尘器主要优点：结构简单，本身无运动部件，不需要特殊的附属设备，占地面积小；操作、维护简便，压力损失中等，动力消耗不大，运转、维护费用较低；操作弹性较大，性能稳定，不受含尘气体的浓度、温度限制，对于粉尘的物理性质无特殊要求。2.除尘工艺进展（1）框架除尘设备框架通风除尘设备是利用风压技术,将正压风从框架上方的功能管道垂直向下吹,形成框架四周的风帘。框架顶端留有向上直吹的正压风,框架底端留有回风口和回风功能管道, 通过框架功能管道,喷出具有一定压力的气流,形成一个密闭的风墙。风墙较好地阻挡巷道四周的煤尘,而框架中部形成的风压不稳,明显产生向上和向下不同方向的驱动力,使得框架内部的煤尘自动移出26。梁杨宝等27采用框架通风除尘设备与喷雾装置连用的方法，以降低室内可吸入颗粒物的浓度。发现随着粉尘浓度的不断降低,喷雾降尘的效果逐渐显现, 加速了尘粒与雾粒凝结的效果28，使粉尘的沉降率提高。柴玉生等29通过框架通风除尘设备使用前后的比较实验,证明它能够降低室内可吸入颗粒物的浓度,加速可吸入性煤尘、粉尘等的沉降速度，使沉降率提高, 为各种粉尘高污染行业创造相对较好的工作环。（2）陶瓷无机膜过滤除尘器陶瓷无机膜作为一类新型的分离介质，比有机高聚物膜更具有一系列独特的优点，诸如耐高温、化学稳定性好；机械强度大、分离效率高等。但是在中国,陶瓷无机膜用于除尘机械的研究和应用还处于起步阶段30-31，到现在还存在诸多不完善的方面。田贵山等32的研究表明，陶瓷过滤器的除尘效率高，可达99 % 以上，能除去5m以上的尘粒，是高温高压煤气中清除尘粒的有效方法。陶文亮等33的研究结果表明，无机膜实验除尘装置的总除尘效率大于9.7% ，对于0.1 m 以上粉尘的分级除尘效率为10 0 %。而任祥军等34的研究实验表明: 旋风除尘器、均匀高效的静电除尘器、湿式除尘器、袋式过滤器等分离技术皆不能达到美国新资源利用的标准NSPS ，唯有多孔陶瓷膜过滤器除尘效率可以超过这一标准。Larbot A 等35曾经报道过，陶瓷膜除尘器分离效率高，除尘率一般可以超过95 %，甚至可以达到99.9995%的程度，是其他除尘收尘设备无法比拟的。在中国，陶瓷无机膜用于气固分离的研究和应用还处于起步阶段。中国科学技术大学固态化学与无机膜研究所近10 多年来，一直致力于陶瓷膜制备技术和应用基础研究，已成功地研发多种孔径和结构的多孔陶瓷膜，并解决了热粒子回收和高温烟气除尘陶瓷膜过滤器制造的关键技36。 （3）电-袋除尘器电-袋除尘器是将前级电除尘和后级袋除尘有机的串联成一体的复合式除尘器。在其前部设置的单一除尘电场可以发挥ESP在第一电场能收集80%-90%粉尘的优点37，收集烟尘尘中的大部分粉尘，使进入后部滤袋的烟气含尘量浓度大大降低，减轻了滤袋的负荷。由于电场力的存在，使粉尘在滤袋的织物纤维空隙间形成了“架桥”，粉尘间存在自由空间使得气流易于通过，阻力降低，使滤袋表面的粉尘层容易破碎，使除尘清灰变得更容易38。20世纪80年代，国外学者进行了相关的实验研究和理论分析，表明静电增强过滤除尘技术可以使袋式除尘器的压力减小，清灰效果也得到改善，除尘效率提高，运行费用降低，具有很大的潜力39。20世纪90年代我国一些学者也开始研究静电增强纤维除尘技术，对其除尘机理和除尘效率的影响因素进行了分析40。同方环境和清华大学热能系燃烧源可吸入颗粒物形成机理与脱除组（PACE）合作，进行DDH系列电袋紧密结合除尘器的开发与研究，建立了2套实验装置，对电袋紧密混合除尘器内的电流场和灰饼的过滤沉积特性等进行研究41。 （4）电除尘器利用介质阻挡放电技术可以提高电除尘器的除尘效率，该技术可以在大气压条件得到非平衡等离子态，并且在较低的温度下就可以获得化学反应所需的活性粒子42-44。KWON等45利用该技术具有可以产生高浓度正负离子的优点，成功的将其应用于细粉尘颗粒的电中和过程。同时，还成功利用该技术将细粉尘颗粒荷电，使其携带一定量稳定电荷。有些学者利用该技术能使粉尘荷电的特点，设计了DBD ESP，并对其除尘性能进行了研究46，实验结果表明，对直径0.5-0.8m粉尘的去除率高达90%。膜电除尘器（MESP）利用碳纤维或硅纤维编织膜作为收尘极板，放弃了传统的ESP中的金属收尘极板。有些学者通过实验证明，湿式MESP对粉尘的去除率高于传统的ESP47,，而且克服了传统湿式ESP收尘极板表面布水不均匀，容易形成局部粉尘干块而导致结垢的缺点，加强了极间电流的稳定性，提高了除尘效率48。（5）旋风除尘器目前国内外的研究多数侧重于对其结构进行改进以改变旋风除尘器流场的变化，或者是采用两种不同的除尘原理进行组合，再就是研究旋风除尘器各结构参数对除尘效率、压力损失的影响。国内学者的研究有：华北理工大学的张颖和高志采用 CFD 软件中的商业软件FLUENT6.1.22 分别对直切单双进口旋风分离器进行数值模拟，表明颗粒进口位置对颗粒的轨道有较大影响49，而且对直切单双切口旋风分离器的分级粒径分离效率作了对比，实验表明，直切双进口旋风分离器分离效果比直切单进口旋风分离器分离效率高5%15%；安徽工业大学建筑工程学院的钱付平和东南大学的章明耀基于边界层理论改进了旋风分离器分离效率模型50。浙江大学的易林和王灿星对旋风分离器进行两项流场的三维数值模拟，得出旋风分离器内部的流场分为两部分：螺旋通道内比较稳定的流场和通体中心区域的复合涡结构流场，计算出颗粒在入口处的初始位置对颗粒分离有比较显著的影响，以及得到不同入口速度下颗粒的分级效率曲线，显示出气体流量的增加会提高分离效率但同时导致压力损失的急剧增加51。青岛科技大学的曾伍兰，王伟文，王立新等，研制的环流式旋风除尘器，改变旋风除尘器的结构，也改变了气流的路径37。内蒙古工业大学的王清华提出了旋风分离器结构改进的发展趋势52。安徽工业大学的祝立萍对旋风除尘器的入口增加一个导流板以改变进口处的流场分布53。东华大学的赵兵涛、沈恒根和张吉光通过试验研究证明了采用双进口回转通道形式的进口可以同时显著降低旋风除尘器阻力和提高分离效率54。中国石油大学过程装备实验室的孙国刚，李双权，杨淑霞等对 PV 型分离器顶部及进口等部位的结构进行改进，提出了一种拱顶、直切入口、排气管偏心的新型旋风分离器，其分理性能优良，适合在高温、高压工况下应用55。2.目前存在的问题2.1电除尘器尾气处理问题如用于回转窑窑尾收尘时,就存在着很大的危险性,因窑尾会产生大量燃烧不完全的CO气体,若气体分析仪监测不准确,当CO聚集到一定程度时,就容易引起CO 爆炸。2.2除尘工艺问题目前，框架通风除尘设备技术还不完善，与其他设备的连用还在探讨研究中，无法投入使用，真正做到提高除尘降尘效率。陶瓷无机膜除尘在国内还是起步阶段，与国外水准还有很大差距，无法用于目前的水泥行业中的除尘降尘工作。电袋组合除尘技术，尚在探索研究过程中，APHC也是处于应用研究的初始阶段，目前都还无法达到理论上的低阻力和高风速的除尘效果。旋风除尘器没有通用的数学模型，现有的各个公式模型的提出很大程度上都是经验公式。每一个模型的提出都存在一定的假设，只是针对某一理想情况下的数学描述，其次，忽略了粉尘颗粒性能影响，在旋风除尘器内粉尘颗粒随气流做不规则的运动，在运动的过程中粉尘颗粒间会相互碰撞、凝聚从而改变颗粒原来的粒径和分散度。这两个参数对旋风除尘器性能的评价有重要影响。3. 某水泥厂的通风除尘设计流程图水泥厂的粉尘源粉尘的危害局风管的选择阻力平衡局部阻力计算通风网路选择风量风压计算通风机选型通风管道设计确定通风类型理论抽风量系统漏风影响密闭罩的设计通风系统设计除尘器选型计算除尘器选型选择滤料粉尘性质及危害特点粉尘浓度及分布情况确定断面尺寸及比摩阻 图 2 通风除尘设计流程图对该水泥厂的粉尘源进行了解，调查粉尘的危害等级，根据该水泥厂粉尘的性质，通过实际计算，选择合适的除尘器；根据该水泥厂粉尘的浓度以及分布情况，进行合理的通风设计，通过实际考察，结合厂区位置特点，选择合适的通风网路；通过实际计算，确定管道的通风阻力，并进行阻力平衡，结合管道的材质，以及粉尘的特点选择合适的管道，根据通风管道的设计原则，完成通风管道的设计；结合实际情况，选择合适的通风方式，针对粉尘的浓度，根据调查测定结果，选择适合的密闭罩，进行系统抽风量的计算，经过准确计算，在除去系统漏风影响的情况下，确定最后所需的风量和风压，根据所得数据，选择合适的通风机型，达到通风除尘的最佳效果，明显的降低车间工作场所的粉尘浓度，创造良好的工作环境，确保工作人员的身体健康。4.总结通过本次专业设计，我在许多方面都得到了充分的锻炼，而且也学习到了许多有关水泥生产的知识，还了解了一些关于通风除尘设备新进展的研究。在查找资料方面，我能够更加熟练的运用图书馆的数据库查看以前研究人员的研究成果，通过查找文献，我学到了一些先进的水泥生产工艺，并且了解了一些除尘工艺的发展方向。在知识运用方面，我发现理论知识的学习只是站在理论的角度去分析考虑问题，但到了实际的生产中，则更多的要考虑实际情况，如设备运行费用、运行管理等问题，无法处理好实际生产中的一些问题，所设计的工艺也无法得到实现投产，同时新技术的研究开发对生产也是十分重要的。参考文献1 孔详忠. 中国水泥行业规模及技术装备现状 J.中国建材, 2005( 5): 34- 38.2 陈全德. 新型干法水泥技术原理与应用M . 北京: 中国建材工业出版社, 20043 李海涛. 新型干法水泥生产技术与设备M . 北京: 化学工业出版社, 2006.4 刘志江. 新型干法水泥技术M . 北京: 中国建材工业出版社, 2005.5 熊会思. 新型干法烧成水泥熟料设备M . 北京:中国建材工业出版社，2004.6 李伟，吴波，张杰卿等.新型干法水泥熟料生产过程自动化系统的结构与功能设计J.沈阳建筑大学学报,2011,27（1）201-204.7 朱韶峰朱 俊.机立窑水泥厂粉尘防治研究J.19984(3):20-21.8 杨俊.云南水泥粉尘污染及治理探讨J.云南环境科学，1998,17（4）：11-12.9 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