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1、工厂工艺设计概论,本课程的地位与作用,本课程面向基本学制为四年的本科生，是材料科学与工程专业的专业任选课之一。其与无机结构材料、无机功能材料、粉体工程与设备、薄膜技术、纳米材料与技术、材料专业计算机应用等专业选修课共同构成材料科学与工程专业新型无机材料方向的专业知识体系。,课程教学目的与要求,本课程的教学目的是使学生掌握工厂总平面布置的原则和方法，工厂工艺设计的原则、程序、工艺平衡计算及主要生产车间的工艺设计和工艺布置，了解整个工厂设计的程序和内容以及土建、电气、环境保护、卫生工程和技术经济等其它专业知识，为从事材料的生产工艺研究和工艺设计打下基础。,各章主要教学内容,第1章 硅酸盐工厂基本建
2、设前期工作（3学时）本章应了解硅酸盐工厂的基本建设程序，内容和任务。第2章 工厂总平面布置（3学时）本章应初步掌握工厂总平面图设计的内容、步骤和方法。第3章 工艺设计的原则、程序及工艺平衡计算（4学时）本章应掌握工艺设计的基本原则，物料平衡、主机平衡、储库平衡三大平衡计算的方法。了解工艺设计的程序。,第4章 生产车间工艺流程的选择、设备选型及工艺布置（4学时）本章应掌握工艺流程选择、设备选型的基本方法，车间工艺布置的依据，厂房平面布置、立面布置和设备布置的内容和遵循的原则及重点考虑的问题。第5章 生产车间工艺设计（14学时）本章应掌握每个主要生产车间系统选择和设备选型计算的方法，以及车间布置的
3、注意事项，了解系统发展的趋势，对整个工厂重点车间的工艺设计有一个较全面的理解。,第6章水泥包装、散装和发送（2学时）第7章工艺设计所需的其他专业知识（2学时）本章应了解与工艺设计配套的其它专业知识，以保证工艺设计的合理化和全面化。,重点与难点,重点：掌握矿点的选择，影响厂址选择的主要因素，风向玫瑰图的意义和具体应用，总平面设计的基本原则，工艺设计的基本原则，物料平衡计算，主机平衡计算，储库平衡计算，工艺流程选择、设备选型的基本方法，车间工艺布置的原则及重点考虑的问题，生产车间系统的选型计算，车间工艺布置。难点：风向玫瑰图的具体应用，总平面设计的基本原则，物料平衡计算，主机平衡计算，储库平衡计算
4、，车间工艺布置重点考虑的问题。,考核方式,本课程采用闭卷和平时考核（包括作业和课堂讨论）相结合的方式，闭卷考核成绩占80%，平时考核成绩占20%。,教材与主要参考书,教材金容容.水泥厂工艺设计概论武汉:武汉工业大学出版社，1993年.主要参考书1 吴晓东.陶瓷厂工艺设计概论.武汉:武汉理工大学出版社，1992年.2 杨保泉.玻璃厂工艺设计概论.武汉:武汉理工大学出版社，1989年.3 于润如，严生.水泥厂工艺设计.北京:中国建材工业出版社，1995年.4 同济大学，南京化工学院.水泥生产机械设备.北京:中国建筑工业出版社，1995年.5 张浩楠.中国现代水泥技术及装备.天津:天津科学技术出版社
5、，1991年.6 曹文聪，杨树森.普通硅酸盐工艺学.武汉:武汉工业大学出版社，1996年.,概述,中国水泥工业的发展历史,中国水泥生产技术水平随着时代的进步而不断提高，由低到高大致分为立窑、湿法回转窑、日产2000吨熟料预分解窑新型干法和日产5000吨熟料预分解窑新型干法等4个层次。,中国水泥史上设备国产化的进程中有4个里程碑：昆明水泥厂(后改名云南水泥有限公司)是国产设备建设立窑厂的里程碑；湘乡水泥厂(后改名韶峰水泥集团有限公司)是国产设备建设湿法回转窑厂的里程碑；江西水泥厂(后改名江西万年青水泥股份有限公司)是国产设备建设日产2000吨熟料预分解窑新型干法厂的里程碑；安徽海螺集团有限责任公
6、司是国产设备建设日产5000吨熟料预分解窑新型干法厂的里程碑，中国水泥工业现代化步伐从此大大加快。,评价一个国家水泥工业综合水平的主要技术指标,水泥总产量人均水泥消耗量综合能耗资源消耗技术先进性、装备大型化程度、装备的可靠性年运转率、污染排放标准、环保性消纳废渣的能力、燃料替代率、科技创新技术开发、经营管理模式,世界水泥生产技术的发展趋势,发展大型新型干法水泥生产技术和装备：效率高、能耗低、单位投资小、生产成本较低、生产率高、效益上升、污染物单位排放少。如破碎机、生料磨、水泥窑、冷却机、水泥磨生产工艺节能化低热耗 国际先进国家（2800kJ/kg熟料），一般2980kJ/kg熟料，全国平均52
7、50kJ/kg熟料，新型干法窑平均3550kJ/kg熟料 国内新型干法窑平均：耗煤3040元/t水泥 耗电7080元/t水泥,零消耗（电）：纯低温余热发电技术环保：零污染、零排放（窑尾CO2的处理及应用）零消耗（燃料）：可燃物替代利废：工业废渣废料生产水泥，达到环保和降低生产成本的双重效果。总之，节能、减排、环保、发展循环经济。中国水泥工业将逐步纳入节能型、环保型和资源型的运行轨道。,水泥生产新技术,利用工业废渣和城市垃圾配料生产水泥；利用低品位原料（CaO45%）和使用粘土的代用品配料；在新型干法烧成系统中采用低挥发份煤和无烟煤；水泥厂中低温余热发电技术，可由煅烧熟料废热发电30kWh/t
8、熟料以上 高温高浓度袋收尘器和电收尘器；用水泥回转窑处理工业有毒有害物质；超细水泥的制备和细掺合物（矿渣或粉煤灰）的应用。,采用低压损的六级旋风预热器改进分解炉结构或采取各种措施提高物料在炉中的停留时间，两支承长径比达11左右的短窑，已经在工业生产中显示出其优势性 当前另一种取消大齿圈传动的由托辊支持点直接进行传动的窑已经问世，使回转窑运行更平稳、耐火砖的使用寿命更长。新型的多通道燃烧器“可控气流”式的第三代篦式冷却机的研制和应用 现代的辊式磨、辊压机和辊筒磨三种新型挤压粉磨装备显示了巨大的节能潜力,2010年19月份全国水泥产量134,879.40万吨，同比增长15.95%，基本保持稳定，所
9、有地区同比增速全部下降，其中东北地区下降最大，为5.76%，但西南地区仍保持增速最快。地区中，海南、甘肃、青海增速均在35%以上，海南和四川突破了50%的增速，尤其是海南，超过了57%，是增速最快的省；产量大省江苏、山东、四川的累计水泥产量均超过9,000万吨，分别为11,647.36 万吨、10,869.83万吨、9,347.71 万吨。,“中国水泥工业节能减排和替代原燃料利用综合项目”能效与排放评估,将对我国大中型水泥企业进行现场能效与排放评估，拟用三种国际通用工具：水泥行业CO2排放统计工具（CSI工具）、对标和节能工具（BEST工具）和工艺热耗评估工具（PHAST工具）对能效与排放进行
10、量化评估、对标与诊断,皮带长廊,石灰石均化库,华润水泥福龙有限公司25000t/d熟料生产线,混合材库,混合材均化堆场,预热器,窑,熟料库,磅房,山水集团亿龙水泥项目,水泥厂设计的内容,总论原料与燃料生产工艺总图运输电气与生产过程自动化建筑及结构给排水供热、通风及空调节约与合理利用资源环境保护职业安全卫生组织机构及劳动定员经济评价,第一章 工厂基本建设前期工作,一、基本建设程序基本建设程序是基本建设中各项工作进行的顺序。水泥工业基本建设不管是新建、扩建、还是改建工程，都是非常复杂的，其技术要求都很高，特别是一些大、中型水泥生产线，其工艺系统复杂，自动化程度高，工程的综合性非常强，因此，整个基本
11、建设工作必须按照一定的程序有计划、有步骤的进行，确保基建工作的顺利进行，并取得预期的投资效果。,国家有关部门对水泥工业基本建设工作进行了阶段划分，并规定了每个阶段的主要工作内容,水泥工业基本建设工作阶段的划分,1.确定矿山资源因水泥厂的矿山资源为原料，所以必须具有资源才能建厂。所以，必须按照长期建设规划，资源地质单位要提前找矿，提出推荐矿点的意见，经主管部门组织、研究选定进一步勘探的矿点（注：矿山附近有无建厂的条件），提出储量勘探工业技术要求和储量要求，资源地质单位据此进行详细的勘探，并提出详细报告。经审查批准，矿山资源才能确定下来。,2.项目建议书的编制阐明项目建设的必要性。落实建厂条件、资
12、金并作出效益估计，对建厂规模、生产方法作出选择。3.可行性研究（计划任务书）建议书审批后可进行此工作。主要任务是：论证该项目在技术、经济方面的可行性、合理性，并在可行性研究的最后确定工厂的厂址。,4.初步设计 厂址批准后，对厂区、矿区进行工程地质、水文地质勘探、测量，并落实电源、交通运输等方面的具体技术条件，然后根据可行性研究的要求，开展初步设计工作。5.施工图设计初步设计批准后，即全面开展施工图设计，并安排设备材料的订货和施工计划的编制，进行施工前的准备。,6.施工和安装工程列入国家年度计划后，即可按施工图设计内容进行施工和安装。7.竣工验收工厂建成后，必须经过试生产、竣工验收，最后交付生产
13、使用。,二、矿山资源和原料工作水泥工业以石灰石、粘土等矿山资源为原料，因此必须拥有储量、质量均符合要求的石灰石、粘土矿山才能建水泥厂。1.矿点的选择水泥是石灰石质原料、粘土质原料以及校正原料经配料粉磨、煅烧、粉磨制得的，所以在勘探原料时要注意配套找矿，以保证配料计算符合预定要求（水泥熟料的三大率值）后才能使用。石灰石质原料的用量大于粘土质原料，理论上应以石灰石矿山勘探为主，,但在实际资源勘探时，有时粘土质原料的选择会变得更重要，因为：第一，粘土质原料赋存条件变化大，质量不够稳定，常因有害成分（K2O，Na2O，Cl）的超量或质量波动太大而影响配料使用。第二，与农业争地问题。因此一定要注意资源配
14、套。还要特别注意的是：矿山附近有无建厂的场地。,2.原料工业性能试验和配料矿点选好后，需由设计部门的原料专业工作者对原料、燃料进行性能试验，为工艺专业人员提供一些必要的资料。大致内容如下：1、根据试验提供部分设计参数。如理论料耗、热耗、原料的易磨性、易烧性等。对特殊工艺还需作一些特殊试验，如：湿法生产时，有时需作易淘性、料浆可泵性试验；新型干法生产，应作原料中碱挥发试验。2、负责提出产品方案和配料方案，以便工艺专业人员编制物料平衡表。3、提出矿山质量搭配要求，以充分利用矿山资源。,3.水泥工业原料矿床质量要求 主要是原料配合后能满足熟料的三大率值和矿物组成要求，并控制有害成分不超标。在实际生产
15、和矿山开采中，常以原料中具有代表性的一种或两种化学组成作为该原料的质量指标，并相应控制有害成分指标。水泥原料的质量指标一般为：石灰石质原料：CaO48；MgO3.0；K2ONa2O1.0；SO31.0；石英及燧石4.0粘土质原料：一类，硅酸率2.73.5，铝率1.53.5；二类，硅酸率2.02.7，3.54.0，铝率不限；MgO3.0；K2ONa2O4.0；SO32.0,注：硅酸率又称硅率SM，表示原料中SiO2的百分含量与Fe2O3和Al2O3百分含量之比。铝率IM又称铁率，表示原料中Al2O3的百分含量与Fe2O3的百分含量之比。硅质校正原料：硅酸率4；K2ONa2O4.0；MgO3.0；
16、SO32.0铁质校正原料：Fe2O3 40%铝质校正原料：Al2O3 30对于新型干法窑系统，生料和燃料中有害成分需符合下列要求：原料中（碱）K2ONa2O1.0；（氯）Cl0.015；硫、碱摩尔比SO3/(K2O1/2Na2O)1.0；燃料中SO33.0。,4.矿山储量的分级及储量要求分A、B、C、D四级。A级储量是编采掘计划的依据。B级储量是设计首期开采计划的依据。C级是设计依据的主要储量。D级是作远景规划的依据。水泥厂要求的储量熟料年产量每吨熟料所需原料地质储量矿山服务年限1吨熟料大约需2吨石灰石，0.4吨粘土。服务年限：大（100万吨熟料/年）、中厂（2080万吨熟料/年）50年，小厂
17、（510万吨熟料/年）30年。根据测得的储量可初步确定工厂规模。,三、生产方法的选择生产方法实际就是煅烧系统。煅烧系统分为两大类：立窑、回转窑。目前，国际上明显趋向新型干法生产中的预分解窑生产。因：单机产量大，热耗低，可余热利用烘干物料；预均化技术保证了熟料的质量；旁路放风等新技术改进了此方法对原料和燃料的适应性；收尘设备及技术的发展大大改善了环境污染；与同产量的其它窑型比，设备质量较轻，占地面积较小，基建投资较省。日本全采用预分解窑。在我国，有关部门已明确指示，大、中厂尽量采用新型干法窑；小厂应采用成套地技术先进的机立窑，或小型新型干法窑。坚决阻止中空干法窑。,四、项目建议书项目建议书是开展
18、可行性研究的重要依据。根据国民经济的长远规划、地区规划和行业规划的要求，在矿点选择报告、原料资源详查报告和销售市场预测的基础上，阐述建设的必要性和理由，拟定工厂的生产规模和生产方法，落实建厂的条件，取得有关部门的意性书，对建设资金的来源和筹措方式有初步落实方案，进行初步的经济效果和社会效益的估计。,项目建议书的内容：项目来由项目名称项目提出的依据和必要性建厂规模、产品方案和生产方法的初步设想建厂条件（原燃料资源、交通运输、电源、水源、建设场地、环境保护）建设项目进度按排设想工厂区域位置图附件（各类意向书和文件）最后报有关部门评估、审批,五、厂址选择,在进行厂址选择时，必须考虑以下因素：1、厂址
19、在矿山和附近城镇间，靠近城镇。厂址由原来的靠近原料矿山逐渐向城镇郊区靠近，因而工厂也由原来的小社会浓缩成专门的生产基地。大大减轻了企业的负担和基建投资，但增加了原料的运输费用并给环境带来一定的影响。2、靠近铁路接轨车站。对于大中型水泥厂，年运输量都达几十万吨，因此应力求靠近国家铁路干线以缩短工厂专用线长度。,3、在有水运条件的地区，应考虑水运、建码头的可能性。厂址最好靠近主航道的一侧。4、尽量靠近水源。对湿法生产更是如此。5、应靠近电力网。水泥厂是耗电量很大的企业（80130KW.h/t水泥）6、厂址应有足够的建厂场地。尽可能利用荒郊野地。7、厂址地形。最好宽阔平坦，并稍带倾斜，以利简化工厂竖
20、向布置和平整场地土石方量，并利于排水。坡度12较好，矿山、厂区、住宅区尽量布置在铁路、公路、河流同一侧。,8、工程地质条件。应有良好的工程地质条件，土壤深度在1.52米处的地耐力最好在200KP以上。厂址下避免有矿藏、活断层、溶洞、滑坡等。9、水文地质条件。应有良好的水文地质条件，因有较深坑和地下工程，地下水位应在地表下5米为好。不应处在水库、堤坝附近的下流。10、雨水、污水排出便利。11、地震 6级以上需考虑防震措施，9级以上不宜建厂。,12、大件设备的运输 因窑、磨等单件质量和长度可能超过火车单节车厢运载能力或高度超过隧道等的净空高度。因此在选厂址时必须落实大件设备的运输问题。13、合理确定工人村建设场地 对临近城镇的厂不需工人村，对离城镇较远的矿山，工人村一般在城镇和厂区间，尽量靠厂。工厂在工人村和城镇的下风侧。,
