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1、5000t/d水泥熟料预分解窑窑尾（低氮氧化合物排放）工艺设计摘要：水泥是社会经济发展最重要的建筑材料之一，在今后几十年甚至是上百年之内仍然是无可替代的基础材料，对人类生活文明的重要性不言而喻。以预分解窑为代表的新型干法水泥生产技术已经成为当今水泥工业发展的主导技术和最先进的工艺，它具有生产能力大、自动化程度高、产品质量高、能耗低、有害物排放量低等一系列优点。但在水泥生产过程中会放出一些有害物质，尤其是氮氧化合物，按照要求本设计采用一系列的方法，以求降低氮氧化合物的排放浓度。本设计依据当今新型干法水泥生产技术的设计要求进行，主要任务是窑尾部分的工艺设计，包括新型干法水泥生产对原料、燃料的质量要
2、求，配料方案的设计和配料计算，物料平衡计算，主辅机平衡与设备选型，储库计算和窑尾工艺设计。关键词：5000t/d； 预分解窑； 低氮排放； 工艺设计The Process Design of the Back End of Precalciner Kiln for 5000T/D Cement Clinker(Low Nitrogen Oxide Emissions)Abstract:Cement is one of the most important building materials of the social and economic development, within the
3、coming decades or even a century,Cement is still no substitute for basic materials, the importance of human civilization is self-evident.calciner kiln as the representatives has become leading technology and the most advanced technology of the cement industry. It has many advantages, such as high th
4、roughput, a high degree of auto mation, high quality products, low energy consumption, low emissions of harmful substances, etc. In the production process of cement will release a number of harmful substances,particularly nitrogen oxides,according to the requirement of this design,the design uses a
5、range of methods to reduce the concentration of nitrogen oxide .Based on the design of new dry cement production technology in todays design requirements, the main task is the back-end part of the process design, including the production of cement raw materials, fuel quality requirements, the design
6、 of ingredients and ingredients, the material balance calculation , the main auxiliary balance and equipment selection, calculation and storage back-end process design.Key words: 5000T / D, Low Nitrogen Emissions, Process Precalciner kiln, Design目 录第1章 绪论. .11.1 引言.11.2设计简介.1第2章 建厂基本资料.3 2.1设计题目.3 2
7、.2建厂条件32.3原料质量要求.32.3.1水泥原料质量要求. .32.3.2石膏和混合材质量要求.4 2.4燃料品质要求.5 2.5熟料热耗的选择.6 2.6生产方法和窑型的选择.6第3章 配料计算与物料和主机平衡.8 3.1配料计算.8 3.1.1原料原始数据.83.1.1.1原燃料化学成分.83.1.1.2原、燃料水分.83.1.1.3烟煤的工业分析.83.1.1.4烟煤的元素分析.83.1.2水泥配料方案.83.1.2.1三个率值的选择.93.1.2.2煤灰掺入量的计算.103.1.2.3干燥原料配合比试配.103.1.2.4干燥原料配合比调整.123.1.2.5生料湿原料配合比的计
8、算.143.1.2.6生料配合比最终确定.143.2物料平衡计算.153.2.1烧成车间生产能力和工厂生产能力的计算.15 3.2.2原燃料消耗定额计算.18 3.2.3全厂物料平衡表.24 3.3主机平衡与选型.24 3.3.1车间工作制度确定.24 3.3.2主机选型.25 3.3.3主机平衡表.32第4章 储库计算.334.1各种物料储存期的确定.33 4.2各种原料储存设施的计算.34 4.2.1石灰石、原煤、联合预均化堆场、石膏、矿渣预均化堆场计算.34 4.2.1.1石灰石预均化堆场计算.34 4.2.1.2原煤预均化堆场计算. .354.2.1.3联合储库计算. .364.2.1
9、.4石膏、矿渣预均化堆场计算. .36 4.3各种物料的储存设施计算.37 4.3.1生料配料站. . .37 4.3.2生料均化库. . .39 4.3.3熟料库. . .40 4.3.4熟料配料站. 404.4水泥库计算. 414.5储库一览表.42第5章 物料和热平衡计算. . 43 5.1原始资料. .43 5.2物料平衡与热平衡计算. .44 5.2.1 物料平衡计算. .44 5.2.2 热平衡计算. .50 5.3物料平衡表与热平衡表的编制. .54第6章 窑外分解系统的设计计算.56 6.1原始资料. .566.2相关参数的设定.56 6.3单位烟气的计算.58 6.4窑尾系统
10、各部位烟气量计算. .58 6.5窑尾各部位烟气量汇总表. .61 6.6分解炉设计方案选择.61 6.7分解炉结构尺寸计算. .63 6.8旋风筒设计方案选择.66 6.9旋风筒结构尺寸计算.68 6.10分解炉与旋风筒尺寸汇总表.75第7章 窑尾设备的计算及选型. . .77 7.1窑尾冷却器（喷水装置）的计算及选型. . . .77 7.2窑尾收尘器选型.77 7.3窑尾高温风机以及窑尾排风机选型.78 7.4烟囱的计算选型.78 7.5提升机及喂料装置的选型.79第8章 低NOX排放技术. . . 86第9章 烧成车间工艺布置. .88第10章 全厂工艺平面布置. .899.1全厂总平
11、面布置基本原则.899.2全厂总平面布置说明. .90结语 .91致谢. . .92参考文献. . . .93 第一章 绪论1.1引言我国氮氧化合物的排放量年增长5%-8%，如果不采取进一步的的减排措施，到2030年我国氮氧化合物排放量将达到3540吨，如此巨大的排放量讲给公众健康和生态环境带来灾难性的后果，而水泥行业对氮氧化合物的贡献仅次于电力行业与机动车尾气排放，巨第三。然而水泥作为与钢材、木材、塑料并为四大工程基础材料，其数量大、用途广、耐久性强和具备许多其它材料不可取代的性能而处于非常重要的地位，素有“建筑工业的粮食”之称,其发展对保证国家建设的顺利进行具有十分重要的作用。以此在我国水
12、泥工业的整体技术水平仍与发达的工业化国家有着明显差距，同时水泥行业排污严重的情况下，为了使我国水泥工业实现可持续发展，必须加大发展新型干法水泥生产技术和水泥产业结构调整的力度，同时通过对各种设备的改进达到低碳低氮氧化合物排放的目标。1.2 设计简介水泥工厂的设计是一项复杂的系统工程，涉及专业多，知识面广，其生产又具有连续化，各环节相互制约，故设计时，对生产技术配套设备等的选择，要选择最佳方案，统筹安排。尽量选取国内先进的工艺和设备，力求做到工艺先进，流程顺畅，设备选型合理，技术指标先进可行。毕业设计是工艺专业的学生在学完全部课程后，模拟工艺设计的基本内容而进行的一次实际的训练。它有助于培养学生
13、综合运用该学科基本理论、基本技能和专业知识，结合生产实际，提高分析和解决问题的能力，它有助于培养学生理论联系实际，注重调查研究的良好作风，提高查阅文件资料，处理数据和识图、绘图技术水平，为今后的学习和工作打下良好的基础。新型干法工艺是当代最具现代化、规模化的水泥生产方式，已被世界各国普遍采用，成为水泥生产技术的主流。通过技术攻关和科技创新，我国相继完成了7005000t/d的国产化装备系列生产线的设计，主要经济技术指标达到了20世纪90年代国际先进水平。通过不断技术创新，新型干法水泥工艺技术和装备的开发已形成10008000t/d生产线系列，10000t/d的新型干法水泥生产线也已建成，我国的
14、水泥生产已迈入新时代。我国已经成为名副其实的水泥生产大国，但总体水平不高，不是水泥工业强国，仍需要在减少资源浪费和环境污染上下大功夫，以保证水泥行业的可持续发展。因此本设计就日产5000吨水泥孰料的低氮氧化合物排放的窑尾设计具有显示现实的价值和意义。本设计是5000t/d熟料新型干法生产线窑尾（低氮氧化合物排放）部分的工艺设计，低NOx燃烧技术方法有三种：（1）空气分级燃烧：空气分级法是将燃烧用的空气分阶段送入，进行“缺氧燃烧”和“富氧燃尽”，使其避开温度过高和大过剩空气系数同时出现，降低NOx的生成。（2）燃料分级燃烧:燃料分级法是把燃料分为两股或多股燃料流，这些燃料流经过三个燃烧区发生燃烧
15、反应,把80%-85%的燃料送入主燃烧区进行富氧燃烧，余下15%-20%经主燃烧器上部送入再燃烧区，在空气系数小于1的条件下进行缺氧燃烧，主燃烧区产生的NOx被还原，从而减少NOx的排放量；为减少不完全燃烧需加空气进行燃尽。(3)烟气再循环燃烧：烟气再循环法是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉膛，或渗入一次或二次风中，降低氧浓度、火焰温度，使NOx的生成受到抑制，降低NOx的排放，将部分低温烟气直接送入炉内或与空气(一次风或与二次风)混合后送入炉内，因烟气的吸热和对氧浓度的稀释作用，会降低燃烧速度和炉内温度，因而减少了热力型NOx。 水泥行业的氮氧化合物排放控制技术有三种:(1)
16、炉内燃烧控制：如低氮燃烧器（2）选择性非催化还原（SNCR）技术,即在高温（900-1100）和没有催化剂的情况下向水泥窑中喷氨或者尿素等含有氨基的还原剂（3）选择性催化还原(SCR)技术，该法是工业上应用最广的一种脱销技术，使用适当的催化剂，在一定条件下，用氨作为还原剂，使氮氧化合物转为无害的氮气和水蒸气，该脱硝反应的温度一般为300-450，本设计采用技术较为成熟的SNCR 技术，在入旋风筒之前增设多个喷射氨水作为还原剂，使氮氧化合物在900-1100摄氏度和没有催化剂的情况下反应生成氮气和水，同时配合PYRO-JET型燃烧器和DD炉以及采用先进的实现低氮排放。 第二章 建厂基本资料2.1
17、设计题目：5000t/d水泥熟料预分解窑窑尾（低氮氧化合物排放）工艺设计2.2建厂条件：（1）建厂地点：四川省（2）当地气象资料：主导风向：西北风；最大风速：9m/s；全年最大降雨量：750mm；日最大降雨量：300mm；最大积雪：250mm；全年最高温度：40；最低温度：-14；月平均温度：最热：30；最冷：-5。（3）厂址的自然条件：厂区地形：平坦无建筑物；地耐力：200kpa。（4）矿山资源，各种原料燃料的来源、距离、数量及运输方式： 1.石灰石 附近本矿山，本厂开采，储量丰富 皮带运输进厂 2.粘土 某矿场 皮带运输进厂 3.硫酸渣 某矿场 汽车运输进厂 4.石膏 石膏厂 汽车运输进厂
18、 5.煤 某煤矿厂 火车运输进厂 6.矿渣 某矿厂 汽车运输进厂 7.电源水源：电源可靠，水源充足； 8.交通运输：交通便利，公路、铁路临近厂；9.产品供销：供销散装 60，包装 40，销往省内，销路广（5）全厂生产规模、产品各种标号: 工厂生产熟料5000 t/d，产品品种为42.5等级普通硅酸盐水泥（P.O42.5）40%和42.5等级P硅酸盐水泥60%。2.3原料质量要求：2.3.1水泥原料质量要求原料的成分和性能直接影响配料、粉磨、煅烧和熟料的质量，最终也影响水泥的质量。水泥生产所需要的原材料主要有石灰质原料，辅助原料以及校正原料，其中以碳酸钙为主要成分的称为石灰质原料，包括有石灰岩、
19、泥灰岩、白垩、贝壳等。它是水泥生产中用量最大的一种原料，一般生产1吨熟料约需1.21.3吨石灰质干原料，传统的水泥生产的辅助原料主要是粘土质原料，粘土质原料是含碱和碱土的铝硅酸盐，主要化学成分是SiO2，其次Al2O3，还有少量的Fe2O3。一般生产1吨熟料用0.30.4吨粘土质原料。天然粘土原料有黄土、粘土、页岩、泥岩等，校正原料是在石灰质原料和粘土质原料配合所得生料不能满足方案要求时，所必须掺加的以补充缺少组分的原料，我国的粘土原料以及煤灰分中一般含氧化铝较高，而氧化铁不足，结合我国的实际情况为了满足煅烧的要求，需要加入铁质校正原料。生产水泥的原料应满足以下工艺要求：(1) 化学成分必须满
20、足配料的要求，以保证能制得成分合适的熟料，否则会使配料困难，甚至无法配料；(2)有害杂质的含量应尽量少，以利于工艺操作和提高水泥的质量；(3)应有良好的工艺性能，如易磨性、易烧性、热稳定性、易混合性等。2.3.2石膏和混合材因为不同石膏溶解速度不同，缓凝作用不同。如硬石膏比二水石膏溶解度大，但溶解速度慢，掺量要适当增加。 一般硅酸盐水泥、普通水泥中石膏掺量以SO3计，掺量为1.5%2.5%。C3A含量高，石膏掺量应相应增加，反之则减少。熟料中SO3含量高时，要相应减少石膏掺量。相同矿物组成的水泥，细度增大，比表面积增大，水化加快，应适当增加石膏掺量。混合材料不同，石膏掺量不同。如混合材料为矿渣
21、时，应多掺石膏，因为石膏是矿渣的活性激发剂。水泥中碱含量高时，凝结速度加快，石膏应适当多掺。本设计中使用的天然二水石膏化学成分如下：表2-1 石膏化学成分表SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOSO3H2O石膏1.340.180.1431.750.9844.1719.69本设计的混合材采用矿渣，主要是生产42.5等级普通硅酸盐水泥和42.5等级P硅酸盐水泥，所以加入的混合材主要为消耗粒化高炉矿渣，这样不仅提高水泥强度同时提高了水泥质量，而且还减小了粒化高炉矿渣的量，降低了水泥成本。凡在高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后，即为粒化高炉矿渣，对于水泥工业中使用
22、的矿渣主要要求其CaO、MgO 、氟化物含量以及硫化物含量不超过国家标准的规定，并且要求其质量系数（CaO、MgO、Al2O3三者质量分数之和与SiO2、MnO、TiO2三者质量分数之和的比值）不小于1.2。本设计中所用的矿渣化学成分如下：表2-2 粒化高炉矿渣（铸铁矿渣）的化学成分表矿渣类型SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSMnOTiO2质量系数K铸铁矿渣38.298.140.6146.376.041.550.61 1.56注：矿渣的水分为15%2.4燃料品质要求 燃料品质不仅影响煅烧过程，而且对孰料组成选择有较大影响，我国水泥工业一般使用煤做为燃料，回转窑水泥厂一般使用烟煤，发热量
23、高的优质燃料，其火焰温度高，熟料KH值可高些，若燃料质量差，除了火焰温度低外，还会因煤灰的沉落不均匀，降低熟料质量。 (1) 水分:水分是影响煤粉制备和燃烧的不利因素之一。对于燃烧，水分越高，煤粉滞后起燃越严重，相应的热耗增大。对于粉磨，则由于流动性变差，使其运输、喂料不畅，粉磨困难，相应的煤磨的产量降低和电耗会增加。生产中对煤粉的水分应控制在2%以内，本设计中使用的烟煤水分为1.00%. (2) 挥发分：煤的固定碳和挥发分是可燃成分, 挥发分低的煤不易着火，窑内会出现较长的黑火头，高温带比较集中，形成短焰急燃，孰料中中游离氧化钙增加，强度下降，耐火衬料寿命缩短，反之，将使回转窑中黑火头缩短，
24、易造成热力分散，回转窑用燃煤要求挥发物占18%-30%，综合考虑燃料成本和技术条件，本设计中使用的烟煤挥发分为28.28.%。(3) 灰分: 煤的灰分是水泥工业用煤的主要指标之一，用煤作燃料时，煤的灰分将大部分或全部掺入孰料中，由于煤灰的掺入会使孰料饱和系数降低0.04-0.16，硅率降低0.05-0.20，铝率提高0.05-0.30，因此，理论上在配料计算中应该把煤灰作为一个原料组分考虑，如果灰分过高将导致煤的着火点后移，辐射传热效率下降;导致熟料颗粒的成分不均匀，从而影响窑热工制度的稳定和窑熟料产、质量的提高。在新型干法中灰分一般要小于28%，煤灰分过高，热值过低，不仅会降低预分解窑生产效
25、率，同时造成燃料不完全燃烧，导致预分解系统黏结堵塞，降低熟料质量严重后果。本设计中使用的烟煤灰分为20.86%。 (4) 热值: 对燃煤的热值希望越高越好，可有效地提高发热能力和煅烧温度。热值较低的煤使煅烧熟料的单位热耗增加，同时窑的单位产量降低。因此对于预分解窑一般要求煤的干燥基低位发热量大于20900kJ/kg煤。本设计使用的煤的低位发热量为24321kJ/kg煤粉的烟煤。（5）固定碳：本设计中使用燃煤的固定碳占49.86%。(6) 煤粉的细度:煤粉的细度直接影响火焰的长度及形状。国内生产、设计采用的煤粉细度，通常80m筛余为8-10%，煤粉越细比表面积越大，与空气中氧气接触的机会越多，燃
26、烧速度快，燃烧越完全，单位时间放出的热量也多，可以提高窑内火焰的温度；煤粉太粗时，黑火头长，难着火，燃烧速度慢，火力不集中，烧成温度低，太粗时也会造成煤灰的不均匀掺入。这些因素都会使熟料质量降低，窑内热工制度不稳定，操作困难。特别是当煤粉太细时，其自燃的几率也增大。我们可以通过调整煤的细度来改变火焰的的形状，以改变燃烧过程和窑的操作条件，从而保证窑的生产能力。2.5熟料热耗的选择我国的预分解窑的熟料烧成热耗一般为29503150kJ/kg熟料(水泥工艺学)，本设计选取3000kJ/kg。2.6生产方法和窑型的选择为了降低能耗，提高产量的，本次设计选用的是新型干法生产方法，窑型选择为窑外预分解窑
27、。预分解窑是最新的水泥煅烧工艺，目前在国内已经得到广泛的应用，其特点如下2(1)窑外预分解窑与其他窑型相比有许多优点：预分解窑熟料单位热耗低，单机生产能力大，并可利用窑的余热烘干物料。虽然其电耗略高，但其综合能耗低于其他窑。生产的熟料的质量得到了保证，增强了新型干法生产时，原料及燃料的适应性。与产量相同的其他窑型相比，预分解窑的设备较轻，占地面积较小，其建设投资较省。延长了窑的衬料寿命及运转周期。利于旧窑的技术改造，也有利于新窑的建造。干法厂在环境污染方面有了很大的改善。(2)预分解窑也存在以下的不足：厂内高大建筑多，对地耐力要求较高，一般25t/m2。预分解窑对原燃料中碱、氯、硫含量也有一定
28、的要求，含量高时易结皮。预分解窑对生产管理人员的素质要求较高。第三章 配料计算与物料和主机平衡3.1配料计算：3.1.1原料原始数据3.1.11原、燃料化学成分表3-1 原料的化分分析原料名称LossSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3总和石灰石42.662.420.310.1953.130.5799.28粘土 5.27 70.25 14.72 5.48 1.41 0.92 0.0699.01铁粉 34.42 11.53. 48.27 3.53 0.09.1.0298.86煤灰53.5235.34 4.46 4.79 1.19 0.0499.343.1.1.2原、燃料水分表3-2 原
29、、燃料水分表原料名称石灰石粘土铁粉煤粉 水分1%0.8%12% 1%3.1.1.3烟煤的工业分析表3-3 煤的工业分析及发热量（%）组 分WfAfVfFfQfD（kJ/kg）含量（%）1.0020.8628.2849.86243213.1.1.4烟煤的元素分析表3-4 该煤的元素分析（%）组分WyAyHySyOyNyCy含量（%）1.0020.864.290.489.171.4962.713.1.2水泥配料方案水泥的性能和质量取决于熟料的矿物组成，而熟料的矿物组成取决于熟料的组分，熟料的组分又与生料的成分密切相关。因此，适合的生料成分是水泥生产的关键。通常，一种原料的成分很难满足需要，必须将几
30、种原料按一定的比例混合，才能满足煅烧熟料所用生料成分的要求。求各种原料配合比的过程叫做配料计算，配料计算的理论依据是物料平衡，即反应物的总质量等于生成物的总质量，熟料组成确定后，即可根据所用原料进行配料计算，求出复合熟料组成的原料配合比。但是随着温度的升高，生料煅烧成孰料经历了生料干燥蒸发物理水，粘土矿物分解放出结晶水，有机物质的分解挥发，碳酸盐分解放出二氧化碳，液相出现使孰料烧成，因为有水分，二氧化碳以及某些物质逸出，所以，配料计算时要采用同意基准。3.1.2.1三个率值的选择（1）KH：石灰石饱和系数，实际上表示了数料中与百分含量的比值，也就是孰料中氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度。在实
31、际生产上硅酸盐水泥的四个主要矿物中，氧化铝和氧化铁始终为氧化钙所饱和，唯独SiO2 可能不完全被氧化钙饱和生产，KH值一般波动在0.82-0.94之间。KH值越大，则硅酸盐矿物中的比例越高，熟料强度越好，故提高KH值有利于水泥质量，但KH值过高，熟料煅烧困难，必须延长煅烧时间，否则会出现较多f-,影响水泥安定性，同时窑的产量低，热耗高，窑衬工作条件恶化。KH过低时，数料中含量增多，水泥强度发展缓慢，早期强度不高。（2）SM：硅率，表示熟料中酸性氧化物之间的关系，也表示孰料中硅酸盐矿物（氧化硅）与溶剂矿物（氧化铝、氧化铁之和）的比例关系，相应的反应了熟料的质量和易烧性。SM值一般波动在1.7-2
32、.7之间。若SM值过高，则由于高温液相量显著减少，熟料煅烧困难，回转窑不易挂窑皮，且不易形成，导致含量过多而熟料易粉化。但SM值过小，熟料因硅酸盐矿物少而强度降低，而由于液相过多，窑内易结圈，结大块，影响窑的正常操作14。（3）IM：铝率，表示熟料中Al2O3和的质量比，IM值一般波动在0.8-1.7之间。若IM值越高，含量高，煅烧过程中液相黏度大，物料不易烧成，同时会使水泥凝结过快。但IM值过低，虽然液相黏度小，对形成有利，但烧结范围窄，窑内易结大块，不利窑的操作。因此，选择率值时，要创造条件适当提高KH值，又不可过高，并选择与KH值相适应的SM值和IM值。预分解窑硅酸盐水泥熟料率值和热耗的
33、参考范围19：KH：0.860.92；SM：2.22.6; IM:1.41.8，我国预分解窑现常用率值范围为：KH：0.90-092 ；SM：2.6-2.8；IM：1.5-1.7本设计中充分考虑熟料的质量和强度以及熟料的易烧性能以及根据回转窑煅烧特点及国际先进经验，参考同类型厂家相关数据，采用“两高一中”的的配料方案设定三率值为：KH=0.890； SM=2.6 ；IM=1.6,考虑到生产波动，孰料率值控制指标可定为：KH=0.890.02； SM=2.60.1 ；IM=1.60.13.1.2.2煤灰掺入量的计算孰料中煤灰掺入量可按下式计算： 式中 q熟料的热耗（KJ/Kg熟料）； Aar所选煤的灰分（%）；S煤灰沉落率（%），本设计中选用带电收尘的预分解窑；S=100% ； Qnet,ar煤的应用基低位发热量，KJ/Kg煤，本设计所用的烟煤应用基低位发热量为24321KJ/Kg。所以：GA =300020.86%100/(24321100)100%=2.57% 3.1.2.3干燥原料配合比
