预热器课程设计

1、课程设计说明书日产3200吨熟料现代化干法生产水泥厂初步设计（重点车间：预热器部分）学 院：材料与化学工程学院专业班级：无机非金属材班学生姓名：学 号：指导教师：设计时间:迄今为止，水泥是全球经济发展最重要的建筑材料之一， 并且在很长一段时 间内是难以用其他材料替代的基础经济建设材料， 对整个人类文明的延存和发展 都有极其重要的作用。在其生产过程中，生料的预热起着相当重要的作用， 而对 生料预热的设备就是悬浮预热器。悬浮预热器主要有旋风预热器及立筒预热器两种。现在立筒预热器已趋于淘 汰。预分解窑采用旋风预热器作为预热单元装备构成旋风预热器的热交换单元设备主要是旋风筒及各级旋风筒之间的连接管道（

2、亦称换热管道）。所具有的热始（或热）加热生料，使之进行预热及部分碳酸盐分解，然后进入分解炉或回转窑内继续加热分解，完成熟料烧成任务。因此它必须具备使气、固两 相能充分分散均布、迅速换热、高效分离等三个功能。只有兼备这三个功能，并 且尽力使之高效化，方可最大限度地提高换热效率（或效率），为全窑系统优质、 高效、低耗和稳定生产创造条件。关键词：3200吨熟料干法生产线；预热器；回转窑设计任务书一、设计题目日产3200吨熟料现代化干法生产水泥厂初步设计。（重点车间：预热器部分）二、设计目的此次课程设计是进入大学以来的第一次设计课程， 也是在参加了生产实习后 的一次总结。基于在学校学习的专业知识，并结

3、合本专业的发展特色而开设的一 项重要的实践学习环节。其目的在于通过课程设计的锻炼，树立正确的设计思想， 培养我们认真的科学态度和严谨求实的工作作风。在设计过程中培养我们学生学 握绘图、计算、研究等科学设计方法，提高工程设计计算，锻炼我们分析解决实 际问题的能力。三、本设计的设计任务.建设项目：日产3200吨水泥熟料生产线（重点：预热器部分）.建厂规模：日产水泥熟料3200吨.产品品种：普通硅酸盐水泥.生产方法：新型干法回转窑5.三废处理要求： 符合水泥工业污染物排放标准（GB4915-2004） 和工业企业设计卫生标准（TJ3679）的规定四、原料的原始资料（）表1.1原料与煤灰的化学成分（）

4、据 物料、.烧失量SiO2Al 2QFezQCaOMgO石灰心41.552.291.860.8450.650.7698.63砂页岩2.2989.032.382.552.180.6599.08粉煤灰2.4952.9830.295.424.60.5196.29铁矿石2.7951.396.1730.191.861.8894.28烟煤煤灰04934.097.682.391.694.76设定比例为:石灰石0.844砂页岩0.090粉煤灰-0.032铁矿石-0.035山西阳泉无烟煤，收到基元素分析的成分为Mar=8.0%, Aar=19.02%,Car=65.65%, Har=2.64%, Oar=3.1

5、9% Nar=0.99%, Sar=0.51%五、设计原理和设计内容（1）设计原理根据材料工厂设计概论和水泥生产工艺及设备上的原理对日产3200 吨熟料现代化干法生产水泥厂的预热器部分进行初步设计。（2）设计内容1）配料计算；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5）各级预热器主要结构参数计算目录1配料计算煤灰的掺入量计算干燥原料配合比率值计算计算湿原料的配合比2物料平衡计算干原料消耗定额计算 湿原料消耗定额计算制定物料平衡表 3废气量的计算窑尾排出废气量分解炉内废气量4预热器尺寸计算旋风筒直径及高度旋风筒进风口的形

6、式和尺寸排气管尺寸及插入深度锥体参数5窑尾工艺流程简介6参考文献7设计评述与体会8致谢1配料计算生料配比计算，经查阅无机非金属材料工学如下 ：表1各窑型三率值及熟料热耗表窑型KHSMIM熟料热耗(kJ/kg)预分解窑0.860.952.2 2.61.41.829203750现代立窑0.920.971.6 2.21.11.531505000干法窑0.860.892.0 2.41.01.658507520对于分解窑，KH取值为0.86-0.95 , SM为2.4-2.8 之间，IM为1.4-1.9 之 间，热耗为2920-3750KJ/Kg,用煤的干燥基低热值大于 20900 KJ/Kg。在水泥熟

7、料生产工艺中,KH取值越大,则硅酸盐矿物中的 C3S的比例越高, 熟料强度越好。硅率SM除了表示熟料的Si2O与ALQ和FeQ的比例之外，还表 示熟料中硅酸盐矿物熔剂矿物的比例关系，相应的反映了熟料的质量和易烧性。 硅率过高则高温液相量显著减少，熟料煨烧困难，C3S不易形成；硅率过低则熟料中硅酸盐矿物减少而强度降低，且液相量过多，易出现结大块、结炉瘤、结圈 等，影响操作。铝率值过大，熟料中 GA多，液相粘度大，物料难烧，不利于C3S 的形成，易引起熟料快凝，铝率过低，虽然液相粘度小，液相中质点扩散对C3S形成有利，但GAF量相对较多，窑内烧结范围窄，窑内易结大块，对煨烧不利， 不易掌握煨烧操作

8、。在熟料中掺加石膏煨烧，石膏中白硫对熟料形成有强化作用：SO能降低液相粘度，增加液相数量，有利于GS的形成，而且在烧成中可形成硫铝酸钙早强 矿物，对熟料强度是有利的。掺和的石膏，以熟料中含SO 1.5%2.5%;好。掺和石膏等矿物的熟料多采用高饱和率、高铝率和低硅铝率的配料方案。为保证顺利烧成、熟料质量和矿物组成稳定，本设计选的工艺要求为：KH=0.90 0.02 SM=2. 40. 1 IM=1. 70.1;熟料热耗q=3350kJ/kg熟料；煤灰掺入量计算因为选用新型干法窑，采用袋式收尘器。所以可知S=100%所以：熟料中的煤灰掺入量:qAaqS qAWGa= ：之：.”: 1 u=- Q

9、工浓Mi。式中：Ga-熟料中煤灰掺入量，%q单位熟料热耗，kJ/kg熟料；Qnet,ad煤的干燥基低位热值，kJ/kg煤；Qnet.ar煤的收到基低位热值，kJ/kg煤；Aar煤的收到基灰份含量，;Aad-煤的干燥基灰份含量，,可选100%Ga=(3350kJ/kg x 19.02 乂 100%/ (23684.37kJ/kg 乂 100)= 2.69%Qnet,ar=32793Car+98320Har-9100 (Oar-Sar) -2450Mar=32793X 65.65%+98320X 2.64%-9100X (3.19%-0.51%) -2450 X 8.0%=23684.37KJ/K

10、g计算干燥原料配合比设干燥原料配合比为：表2原料配合比石灰心砂页岩粉煤灰84.4%9%3.2%3.5%计算灼烧生料数值如下表：表3灼烧生料的计算烧失量SiO2Al 2QFezQCaOMgO设定比例石灰心35.072.511.570.7142.740.6484.4%砂页岩0.218.000.210.230.200.060.090粉煤灰0.081.670.960.170.150.020.032铁矿石0.101.780.211.050.060.070.035总计35.4513.962.952.1643.150.78一灼烧生料一21.624.583.3466.841.21一计算熟料化学成分由煤灰的掺入

11、量 GA=2.69%得灼烧生料的配合比为：1 2.69%=97.31%表4熟料的化学成分配合比SiO2Al 2QFezQCaOMgO灼烧生料97.3121.044.463.2565.041.18烟煤煤灰2.691.320.920.210.060.04熟料10022.365.383.4665.101.22率值计算计算率值：KH=0.88SM=2.5IM=1.6表5熟料的率值计算率值KH0.880.86 -0.95SM2.52.2 -2.6IM1.61.4 -1.8由上表可以看出，此率值是在其取值范围内，所以干燥原料配合比为: 石灰石84.4%砂页岩9.0%粉煤灰3.2%铁矿石3.5%计算湿原料配

12、合比假设各原料的含水率为：石灰石1%砂页岩8%粉煤灰7%铁矿石5%将上述质量比换算为百分比:各物料含水量及百分比见下表：表6各物料含水量及百分比湿物料名称含水率%湿原料质量配合比%湿原料质量百分比%石灰心183.4583.46砂页岩89.579.57粉煤灰73.373.37铁矿石53.603.602物料平衡计算要求设计日产3200吨熟料生产线的石灰石破碎，根据设计要求，各原料生 产损失P生设为3%;物料平衡计算以年平衡法计算。2.1干原料消耗定额计算首先计算生料烧失量生料烧失量=石灰石烧失量+砂页岩烧失量+粉煤灰烧失量+铁矿石烧失量 =84.4%X 41.55%+9%X 2.29%+3.2%X

13、 2.49% +3.5% 义 2.79% =35.0682%+ 0.2061%+0.07968%+0.09765%=35.45%干生料烧失量：35.45%煤灰的掺入量：2.69%考虑煤灰掺入时，1t熟料的干生料理论消耗量：K 干=1.508t/t 熟料则干生料消耗量：Kt=X=X =1.555 t/t式中：Kt干生料消耗定额，t/t熟料；K干一干生料的理论消耗量，t/t熟料；S煤灰掺入量，;I一干生料的烧失量，;一生产损失，参考下列数值：回转窑为 3%5%,本设计取3%湿生料消耗定额K生=1.56 (t/t 熟料) 式中Kt 干生料消耗量，t/t熟料;W生一生料的含水量，一般取0.5, %;(

14、1)各种干原料的消耗定额：石灰石消耗定额：K干石灰石=KtX 1=1.555 X 84.4%= 1.312(W砂页岩消耗定额：K干砂页岩=KtX 2=1.555 X 9%= 0.140(t/N)粉煤灰消耗定额：K干粉煤灰=KtX3= 1.555 X 3.2% =0.050(t/t)铁矿石消耗定额：K干铁矿石=KtX 4=1.555 X 3.5%=0.054(蚪)K湿石灰石100 KF石灰石100 _ W/灰石(2)各种湿原料的消耗定额：1. 312 100=1.32豆/ t孰料100 - 1K湿砂岩100 M K干砂岩100 -叫岩0. 140 100100 - 8=0. 152t / t 熟

15、料&显粉煤灰100 M K干粉煤灰100 - 0粉煤灰100父K干铁粉100 - 0铁粉100 0.050100 - 7100 0. 054100 -5=0. 054t / t 熟料=0. 057t / t 熟料烧成用干煤消耗定额：先计算煤的干燥基低位热值：QDvg=( QDvg+25Vy)=(23684.37+ X 8.0)=25961.27( Qr/KJ/Kg)则烧成用干煤消耗定额为：t/t熟料则湿煤量为:0.146t/t 熟料各物料干料时、日、年消耗量：由于设计日产3200吨熟料生产线，窑的年运转率为 85%,所以熟料的日产 量为 3200t/d ,时产量为 3200 + 24=133.

16、33t/ha石灰石干料消耗定额为1.312石灰石时消耗量：1.312 X33.33=174.93 (t/h)石灰石日消耗量：1.312 X33.33X 24=4198.30 (t/d)石灰石年消耗量：1.312 M33.33X24 乂 365 乂 85%=1302521.04 (t/y)b砂页岩干料消耗定额为0.140砂页岩时消耗量：0.140 M33.33=18.67 (t/h)砂页岩日消耗量：0.140 M33.33X 24=447.99 (t/d)砂页岩年消耗量：0.140 M33.33X 24X365 85%=138988.53 (t/y)c粉煤灰干料消耗定额为0.050粉煤灰时消耗量

17、：0.050 X33.33=6.25 (t/h)粉煤灰日消耗量：0.050 M33.33X 24=150 (t/d)粉煤灰年消耗量：0.050 M33.33X 24X 365 乂 85%=46537.5 (t/y)d铁矿石干料消耗定额为0.054铁矿石时消耗量：0.054 X33.33=6.67(t/h)铁矿石日消耗量：0.054 X33.33X 24=160.00 (t/d)铁矿石年消耗量：0.054 M33.33X 24X 365 乂 85%=49638.76 (t/y)e生料干料消耗定额为1.555生料时消耗量：1.555 X33.33=207.33 (t/h)生料日消耗量：1.555

18、X33.33X 24=4975.88 (t/d)生料年消耗量：1.555 X33.33X24X 365 乂 85%=1543765.40 (t/y)f烧成用煤干料消耗定额为0.133烧成用煤时消耗量：0.133 M33.33=17.73 (t/h)烧成用煤日消耗量：0.133 X33.33X 24=425.59 (t/d)烧成用煤年消耗量：0.133 X33.33X24X 365 X 85%=132039.10 (t/y)各物料湿料时、日、年消耗量：a石灰石湿料消耗定额1.325石灰石时消耗量：1.325 X33.33=176.67 (t/h)石灰石日消耗量：1.325 X33.33X 24=

19、4239.89 (t/d)石灰石年消耗量：1.325 M33.33X 24X 365 85%=1315427.11(t/y)b砂页岩湿料消耗定额砂页岩时消耗量:砂页岩日消耗量:砂页岩年消耗量:c粉煤灰湿料消耗定额 粉煤灰时消耗量： 粉煤灰日消耗量： 粉煤灰年消耗量：d铁矿石湿料消耗定额0.1510.151 M33.33=20.13 (t/h)0.151 X133.33X 24=483.19 (t/d)0.151 M33.33X 24X362 85%=149909.05 (t/y)0.0540.054 M33.33=7.20 (t/h)0.054 X133.33X 24=172.80 (t/d)

20、0.054 M33.33X 24X 365 85%=53609.9(t/y)0.057铁矿石时消耗量：0.057 M33.33=7.60 (t/h)铁矿石日消耗量：0.057 X33.33X24=182.40 (t/d)铁矿石年消耗量：0.057 M33.33X24X365 85%=56588.19 (t/y)e生料湿料消耗定额1.56生料时消耗量 1.56 133.33=207.99 (t/h)生料日消耗量：1.56 133.33 X 24=4991.88 (t/d)生料年消耗量：1.56 M33.33X24X365 85%=1548729.28 (t/y)f烧成用煤湿料消耗定额0.146烧

21、成用煤时消耗量：0.146 X33.33=19.47 (t/h)烧成用煤日消耗量：0.146 X33.33X 24=467.19 (t/d)烧成用煤年消耗量：0.146 M33.33X 24X365 85%=144945.17 (t/y)制定物料平衡表依据以上计算结果，综合之后得出以下物料平衡表表7物料平衡表1消耗定额物料需要量原 旦（t/t熟料）干料湿料料 、湿料时日年时日年石灰心1.3121.325174.934198.301302521.04176.674239.891315427.11砂页岩0.1400.15118.67447.99138988.5320.13483.19149909.

22、5粉煤灰0.0500.0546.2515046537.57.20172.8053609.9铁矿石0.0540.0576.67160.0049638.767.60182.4056588.19生料1.5551.56207.334975.881543765.40207.994991.881548729.28熟料1253000930750-烧成用煤0.1330.14617.73425.59132039.1019.47467.19144945.173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。

23、由前面的计算数据可知：熟料煤耗量：Kf =0.146生料的额定消耗量：K=1.56kg/kg熟料查阅相关资料，预分解窑相关数据如下：表8原始参数温度/ C负压/pa空气系数a分解率/%风速(m/s)窑尾10503501.025分解炉88020001.05807.988020001.03954.880028001.05304.770034001.10104.755040001.1534.231045001.2003.7空气系数1.2 ,漏风量5%则：理论空气量：=（0.24 父 Qnet 十 0 5） m Kf =0.903/kg1000理论废气量：=0.977/kg生料分解废气量：V=KX J

24、%x =0.262/kg窑尾排出废气量 窑内煤燃烧产生的废气量=X40%=0.3908 /kg （40%为回转窑用燃料比）窑尾过剩空气量=（“ -1 ）义 40%=0.0722/kg生料分解产生的废气量=V X5%=0.0131/kg所以窑尾废气量为：=+=0.4761/kg 化为工作态：=2.3153/kg 熟料分解炉内废气量煤燃烧的废气量：V4=(炉内煤+窑内煤)燃烧的废气量=Vf =0.977/kg 生料分解产生的CO2的量：V5=生料全部分解产生的的量 乂 (炉内分解率+窑内分解率)=VX (80%+5% )=0.2227/kg过剩空气量：=(”-1)= (1.05-1 ) X 0.9

25、03=0.0452/kg所以炉内废气量为：=+=1.2449/kg , 化为工作态：=5.3636 /kg 熟料C5废气量： 出炉废气量：=1.2449/kg 漏入空气量：=x 5%=0.0452/kgC5分解产生的量：=VX =0.2699/kg所以C5废气量为：=+=1.5600/kg ,化为工作态为：=6.7212 /kg 熟料C4废气量： 来自C5的废气量：=1.5600/kg 漏入空气量：=X 5%=0.0780/kgC4 废气量：=+=1.6380/kg化为标准态为:=6.6208 /kg 熟料C3 废气量:=(1+5% =1.7199/kg化为标准态为:=6.3427 /kg 熟

26、料C2废气量C2 废气量:=(1+5% =1.8059/kg化为标准态为:=5.6680 /kg 熟料C2 废气量：=(1+5% =1.8962/kg化为标准态为:=4.2375 /kg 熟料注解：CaCO3在825-896.6 C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。窑的小时产量为133.33t/h 。所以根据产量、煤耗等列出窑尾的废气量为:表9窑尾废气量名称标况工况负压/pa温度C总风量/单位风量/窑尾0.47602.31533501050308.7185.75分解炉1.24495.36362000880715.13198.65C51.

27、56006.72122000880896.14248.93C41.63806.62082800800882.75245.21C31.71996.34273400700845.67234.91C21.80595.66804000550755.71209.92C11.89624.23754500310564.99156.944预热器尺寸计算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。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

28、速如下：表10各级旋风筒圆筒断面风速项目C1C2C3C4C5圆筒断面风速（m/s）3-45.5-65-5.5所以，对于C2,由公式式中：D-旋风筒圆柱体直径，mQ- 旋风筒内气体流量，m/s-假想截面风速，m/s（取6m/s）20991所以：D=2x =6.68m. 314 6则：口外=口+2 0.2 =6.68+2 X0.2 =7.08m（根据经验选择耐火砖厚度为0.2m）设计C2是气固分离效率要求不是很高，所以采用低型旋风筒，即：H/D=1.5 2。（ H=h1 + h2）且 h-h2 1。所以：圆柱体高度=5.69m圆锥体高度=6.33m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

29、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、180。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。根据进风量计算进风口的横截面积 F:m2式中：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： =理竺=11.66 m218由经验可知b/a=1.52.此处取1.6,则高宽分别为：b=5.36ma=3.35m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

30、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可取(0.6-0.75 ) b,以降低压损。综合各方面因素，选取d/D=0.6 , h3=0.65bo 所以：=0.6D=0.6 X6.68 =4.01m=0.65=0.65 X5.36=3.48m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：式中：-排料口的直径，m经计算得：=0.67m=64.61 o其他参数：下料管位置：=2X 4.01

31、 =8.02m下料管内径：=0.87m式中：M-下料管内的下料量，kg-生料/h旋风筒的钢板厚度：二=-二 0.002 =0.00868m=8.68mm10旋风筒之间连接管道的内径：d= . 4Q =3.66m表11 C1C5级预热器的参数列表C1C2C3C4C5旋风筒直筒内径D(m)5.776.687.067.257.96旋风筒直外径(m)6.177.087.467.658.36旋风筒直筒高度h1 (m)5.265.696.695.487.12旋风筒圆锥体高度h 2 (m)5.856.337.436.086.41旋风筒圆锥体锥角1a (o)66.0764.6166.8561.7860.80排

32、气管外径d (m)3.464.014.244.354.78排气管插入深度h3(m)2.813.483.723.914.15旋风筒进风口横截回积F( m2)8.7211.6613.0513.6213.83旋风筒进风口高b (m)4.325.365.726.026.38旋风筒进风口宽a(m)2.73.353.583.763.54下料管位置(m)11.548.0214.1214.509.56下料管内径(m)0.870.870.870.870.87排料口直径de (m)0.580.670.710.730.80旋风筒钢板厚度(mm7.808.689.109.259.96旋风筒之间连接管道内径d （限 3

33、.163.663.873.923.985窑尾系统工艺流程简介图1窑尾系统工艺流程图窑尾系统由预分解窑、分解炉、回转窑、篦冷机组成。生料经预热器提高温度，完成预热和部分分解后，进入分解炉内进行碳酸钙分解，然后在窑 内完成烧结成熟料的任务，出窑高温熟料则在冷却中被冷却。预热器充分利用逆流和悬浮两种热交换方式提高热交换效果，如图一所示，气流方向为：窑尾烟室 一分解炉一C5一C4C3C2一C1;料流方向:C1 一 C2 C3 C4 一 C5 一分解炉一回转窑。逆流热交换主要在各级旋风筒 连接风管内进行，旋风筒主要起物料的收集作用，并通过下料管将收集的物 料喂入下一级旋风筒。参考文献1李海涛.新型干法水泥生产技术与设备M.化学工业出版社，2012.32 372陈景华，张长森，蔡树元.无机非金属材料热工过程及设备M.华 东理工大学出版社，2014.45513姜洪舟.无机非金属材料热工设备M.武汉理工大学出版社，2013.87 984刘述祖.水泥工业热工基础M.武汉工业出版社，1993.30425金容容.水泥厂工艺概论M.武汉工业