新型干法水泥生产技术与设备.docx
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新型干法水泥生产技术与设备
洛阳理工学院
课程设计说明书
课程名称：
新型干法水泥生产技术与设备
设计课题：
5000t/d水泥熟料NSP窑的设计
专业：
材料工程技术
班级：
学号：
姓名：
成绩：
指导教师（签名）：
2011年12月16日
课程设计任务书
设计课题：
5000t/d水泥熟料NSP窑的设计
一、课题内容及要求：
1.物料平衡计算
2.热平衡计算
3.窑的规格计算确定
4.主要热工技术参数计算
5.NSP窑初步设计：
工艺布置与工艺布置图（窑中）
二、课题任务及工作量
1.设计说明书（不少于1万字，打印）
2.NSP窑初步设计工艺布置图（1号图纸1张，手画）
三、课题阶段进度安排
1.第15周：
确定窑规格、物料平衡与热平衡计算、主要热工参数计算
2.第16周：
NSP窑工艺布置绘图
四、课题参考资料
李海涛.新型干法水泥生产技术与设备[M].化学工业出版社
严生.新型干法水泥厂工艺设计手册[M].中国建材工业出版社
金容容.水泥厂工艺设计概论[M].武汉理工大学出版社
2010.12.3
设计原始资料
一、物料化学成分（%）
项目
Loss
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
其他
合计
干生料
35.88
13.27
3.03
2.09
44.68
0.29
0.16
0.60
100
熟料
0
22.48
5.54
3.79
66.83
0.59
0.05
0.72
100
煤灰
0
51.60
31.79
4.16
3.62
0.68
2.20
5.95
100
二、煤的工业分析及元素分析
工业分析（%）
Qnet.arkJ/kg
Mar
F.Car
Aar
Var
1.00
44.93
25.71
28.36
23614
元素分析（收到基）（％）
C
H
O
N
S
A
W
60.10
3.96
7.91
0.97
0.35
25.71
1.00
三、热工参数
1.温度
a.入预热器生料温度：
20℃；
b.入窑回灰温度：
50℃；
c.入窑一次风温度：
20℃；
d.入窑二次风温度：
1200℃；
e.环境温度：
15℃；
f.入窑、分解炉燃料温度：
60℃；
g.入分解炉三次风温度：
900℃；
h.出窑熟料温度：
1370℃；
i.废气出预热器温度：
340℃；
j.出预热器飞灰温度：
300℃；
2.入窑风量比（％）。
一次风（K1）：
二次风（K2）：
窑头漏风（K3）＝10:
85:
5；
3.燃料比（％）。
回转窑（Ky）：
分解护（KF）＝40:
60；
4.出预热器飞灰量：
0.1kg/kg熟料；
5.出预热器飞灰烧失量：
35.20％；
6.各处过剩空气系数：
窑尾αy＝l.05；分解炉出口αL＝1.15；预热器出口αf＝1.40；
7.入窑生料用提升机输送；
8.漏风：
预热器漏风量占理论空气量的比例K4＝0.16；
分解炉及窑尾漏风（包括分解炉一次空气量），占分解炉用燃料
理论空气量的比例K6＝0.05；
9.袋收尘和增湿塔综合收尘效率为99.97％；
10.熟料形成热：
根据简易公式（6－20）计算；
11.系统表面散热损失：
460kJ/kg熟料；
12.生料水分：
0.2％；
13.窑的设计产量：
5000t/d（或208.33t/h）。
四、其它
1、年平均气温20℃2、当地气压100300Pa
相关资料及计算公式：
一、物料平衡、热平衡计算
物料平衡图
热量平衡图
一、物料平衡计算如下
（1）收入项目
燃料总消耗量mrkg/kg
其中，窑头燃料量myr=kymr;分解炉燃料量mFr=kFmr
生料消耗量，如预热器物料量
a干生料理论消耗量
mgsL=（100-mrAara）/（100-Ls）=（100-mr×1×25.71）/（100-35.88）
=1.560-0.401mr
其中，a为燃料灰分掺入量，100％，Aar为灰分量：
25.71；Ls为干生料烧失量35.88。
b出电收尘器飞损量及回灰量
mFh=mfh×（1-η）=0.10×（1-0.999）=0.0003kg/kg
其中η为电式收尘器和增湿塔的综合收尘效率
myh=mfh-mFh=0.10–0.0003=0.10kg/kg
c考虑飞损后干生料实际消耗量
mgs=mgsL+mFh×（100-Lfh）/（100-Ls）
=1.560-0.401mr+0.0001×（100-35.2）×（100-35.88）
=1.560-0.401mrkg/kg
其中Lfh为出预热器飞灰烧失量35.20％
d考虑飞损后生料实际消耗量
ms=mgs×100/（100-ws）=（1.560-0.401mr）×100/（100-0.2）
=1.563-0.402mrkg/kg
其中ws为生料水分0.2％
e入预热器物料量
入预热器物料量=ms+myh=1.563-0.402mr+0.100、
=1.663-0.402mrkg/kg
入窑系统空气量
a燃料燃烧理论空气量
V
lk=0.089Car+0.267Har+0.033Sar-0.033Oar
=0.089×60.10+0.267×3.96+0.033×0.35+0.033×7.19
=6.157m3/kg煤（标准状态）
m
lk=1.293V
lk=1.293×6.157=7.961kg/kg煤
其中Car为燃料元素分析的碳元素的含量60.10，Har为3.96，Sar为0.35，Oar为7.91，
b入窑实际干空气量
Vyk=αyV
lkm=αyV
lkKymr=1.05×6.157×0.40mr
=2.586mrm3/kg煤（标准状态）
其中αy为窑尾空气过剩系数：
1.05；ky为回转窑的燃料用量比：
0.4
同样换算成质量
m
=1.293Vyk=1.293×2.586mr=3.344mrkg/kg
其中入窑一次空气量、二次空气量及漏风量分别为：
Vyk1=k1Vyk=0.10Vyk=0.2586mrm3/kg
Vyk2=k2Vyk=0.85Vyk=2.1981mrm3/kg
Vyk3=k3Vyk=0.05Vyk=0.1293mrm3/kg
c分解炉从冷却机抽空气量
出分解炉混合室过剩空气量
V1=（αL-1）V
lkmr=（1.15–1）×6.157mr
=0.924mrm3/kg（标态）
其中αL为分解炉混合室出口过剩空气系数：
1.15
分解炉燃料燃烧所需空气量
V2=V
lkmFr=V
lkkFmr=6.157×0.60mr
=3.694mrm3/kg（标态）
其中kF为分解炉所用燃料的比例0.6
窑尾过剩空气量
V3=（αy-1）V
lkmyr=（αy-1）V
lkkymr
=（1.05–1）×6.157×0.4mr=0.123mrm3/kg（标态）
分解炉及窑尾漏入空气
V4=k6V
lkmFr=k6V
lkkFmr
=0.05×6.157×0.60mr=0.185mrm3/kg（标态）
其中k6为分解炉及窑尾漏风站分解炉用燃料量理论空气量的值：
0.05
分解炉冷却机抽空气量（VF2k）
VF2k=V1+V2–V3–V4
=0.924mr+3.694mr–0.123mr–0.185mr
=4.310mrm3/kg（标态）
换算为质量为mF2k=1.293×4.310mr=5.573mrkg/kg
d漏入空气量
预热器漏入空气量为
V5=k4V
lkmr=0.16×6.157mr=0.985mrm3/kg（标态）
其中k4为预热器漏风量占理论空气量的比值：
0.16
窑尾系统混入空气总量为
Vlok2=V4+V5=0.185mr+0.985mr=1.170mrm3/kg（标态）
全系统漏入空气总量为
Vlok=Vlok1+Vlok2=k4Vyk+Vlok2
=0.05×2.586mr+1.170mr=1.299mrm3/kg（标态）
换算成质量mlok=1.293×1.299mr=1.679mrkg/kg
（2）支出项目
熟料：
msh=1kg
出预热器废气量
a生料中物理水含量
m
=ms×ws/100=（1.563-0.402mr）×0.2/100
=0.003-0.001mrkg/kg
换算成体积V
=m
/0.804=（0.003-0.001mr）/0.804
=0.004–0.001mrm3/kg（标态）
b生料中化学水含量
m
=0.00353m
=0.00353×（1.560-0.401mr）×3.03
=0.017-0.004mrkg/kg
换算成体积Vhs=m
/0.804=（0.017-0.004mr）/0.804
=0.021–0.005mrm3/kg（标态）
c生料分解放出CO2的气体量
=44.68×44/56+0.29×44/40.3
=35.42
其中CaOS、MgOS分别为干生料中含CaO、MgO的量
而
=0.553–0.142mrkg/kg
换算成体积为：
=（0.552–0.142mr）/1.977
=0.280–0.072mrm3/kg（标态）
d燃料燃烧声称理论烟气量
V
CO2=22.4Carmr/12×100=22.4×60.10mr/1200
=1.122mrm3/kg（标态）
V
N2=22.4Narmr/28×100+0.79Vlk,mr
=0.79×6.157mr+22.4×0.97mr/2800
=4.872mrm3/kg（标态）
其中Vlk,为燃料燃烧理论空气量，Nar为燃料中氮元素的含量
V
H2O=（Har/2+War/18）×22.4mr/100
=（3.96/2+1/18）×22.4mr/100
=0.456mrm3/kg（标态）
其中Har燃料中氢元素的含量，War为燃料中水分的含量
V
SO2=22.4Sarmr/32×100=22.4×0.35mr/3200
=0.002mrm3/kg（标态）
其中Sar为燃料中所含硫元素的含量
则V
=V
CO2+V
N2+V
H2O+V
SO2
=1.122mr+4.872mr+0.456mr+0.002mr=6.452mrm3/kg（标态）
换算为质量为：
Mr=8.704mrkg/kg
e烟气中过剩空气量
V
k=（αf-1）V
lkmr=（1.40–1）×6.157mr
=2.463mrm3/kg（标态）
其中αf为预热器出口过剩空气系数：
1.40
换算成质量为：
M
=1.293×2.463mr=3.185mrkg/kg
其中又有：
VkN2=0.79V
=0.79×2.463mr=1.946mrm3/kg（标态）
换算成质量为：
M
N2=28×V
N2/22.4=1.946×28/22.4
=2.433mrkg/kg
VkO2=0.21Vk=0.21×2.463mr=0.517mrm3/kg（标态）
换算成质量为：
M
O2=32×VkN2/22.4=0.517mr×32/22.4
=0.739mrkg/kg
f总废气量为
=VCO2+VN2+VH2O+VO2+VSO2=（0.280–0.072mr+1.122mr）+（4.872mr+1.946mr）+（0.004-0.001mr+0.021-0.005mr+0.456mr）+0.517mr+0.002mr
=0.306+8.837mrm3/kg（标态）
出预热器飞灰量
m
=0.100kg/kg
二、热平衡计算如下：
（1）收入项目
燃料燃烧生成热
QrR=mrQnet,ar=23614mrkJ/kg
燃料带入显热为：
Qr=mrcrtr=mr×1.154×60=69.240mrkJ/kg
[0～60℃时，熟料的平均比热容为：
Cr=1.154kJ/kg℃]
生料带入热量
Qs=（mgsCs+mwsCw）×ts
=〔（1.560－0.401mr）×0.878＋（0.003－0.001mr）×4.182〕×20
=27.644–7.125mrkJ/kg
[0～20℃时，水的平均比热容Cw=4.182kJ/kg℃;干生料平均比热容Cs=0.878kJ/kg℃]
入窑回灰带入热量
Qyh=myhCyhtyh=0.100×0.836×50=4.180kJ/kg
[0～50℃时,回灰平均比热容Cyh=0.836kJ/kg℃]
空气带入热量
a入窑一次空气带入热量
Qy1k=Vy1kCy1kty1k=0.1VykCy1kty1k
=0.10×2.586mr×1.297×20
=6.708mrkJ/kg
[0～20℃时,空气的平均比热容Cy1k=1.297kJ/（Nm3℃）]
b入窑二次空气带入热量
Qy2k=Vy2kCy2kty2k=0.85VykCy2kty2k
=0.85×2.586mr×1.433×1200
=3779.9mrkJ/kg
[0～1200℃时,空气的平均比热容Cy2k=1.433kJ/（Nm3℃）]
c入分解炉三次风带入热量
QF3k=VF2kCF2ktF2k=4.310mr×1.398×900
=5422.8mrkJ/kg
[0～900℃时,空气平均比热容CF2k=1.398kJ/（Nm3℃）]
d系统漏风带入热量
Qlok=VlokCloktlok=1.299mr×1.296×15
=25.252mrkJ/kg
[0～15℃时,空气的平均比热容Clok=1.2965kJ/（Nm3℃）]
总收入热量
QZS=QrR+Qr+Qs+Qyh+Qy1k+Qy2k+QF3k+Qlok
=23614mr+69.240mr+1.52-0.403mr+4.180+6.71mr+3778.85mr+5422.8mr+25.262mr
=31.824+32911mrkJ/kg
（2）支出项目
熟料形成热
m
=
=（3100x25.71x1）/23614×1/100=0.03kg/kg
根据167页公式（6—20）
Qsh=109+30.04CaOk+6.48A3l2Ok+30.32MgOk–17.12SiO2K
-1.58Fe2O3K–2.238mr（30.24CaOA+30.32MgOA+1.58A3l2OA）
=109+30.04×66.83+6.48×5.54+30.32×0.59–17.12×22.48–1.58×3.79–0.03×（30.24×3.62+30.32×0.68+1.58×31.79）
=1736.9kJ/kg
蒸发生料中水分耗热量
Qss=（mws+mns）qqh=（0.003-0.001mr+0.017-0.004mr）×2380
=47.600-11.9mrkJ/kg
[20℃时,水的汽压热qh=2380kJ/kg]
废气带走的热量
Qf=（VCO2CCO2+VN2CN2+VHO2CHO2+VO2CO2+VSO2CSO2）×tf
=[（0.281+1.050mr）×1.894+6.818mr×1.317+（0.025+0.450mr）×1.545+0.517mr×1.365+0.002mr×1.946]×340
=194.140+4198.32mrkJ/kg
[0～340℃时,各气体的比热容（标准状态）：
CCO2=1.900KJ/（m3℃）,CN2=1.313KJ/（m3℃）,CHO2=1.547KJ/（m3℃）,CO2=1.364KJ/（m3℃）,CSO2=1.983KJ/（m3℃）]
出窑熟料带走热量
Qysh=1×Csh×tsh=1×1.078×1370=1476.86kJ/kg
[0～1370℃时,熟料的平均比热容为Csh=1.078kJ/（kg℃）]
出预热器飞回带走的热量
Qfh=mfhCfhtfh=0.100×0.895×340=30.430kJ/kg
[0～340℃时,飞灰平均比热容为Cfh=0.895kJ/（kg℃）]
系统表面散热损失
QB=460kJ/kg
支出总热量为：
Qzc=Qsh+Qss+Qf+Qysh+Qfh+QB
=1774.106+47.600–11.9mr+194.1+4206.77mr+1476.86+26.85+460
=3943.93+4186.42mrkJ/kg
列出热量收支平衡公式
QZS=QZC
31.824+32911mr=3945.93+4186.42mr
mr=0.1363kJ/kg
即烧成1kg/kg熟料需消耗0.1363kg燃料，求得燃料消耗量即可列出物料平衡和热平衡表，并计算一些主要热工参数（如下页）
物料平衡表单位：
kJ/kg熟料
收入项目
数量
%
支出项目
数量
%
燃料消耗量
0.136
4.26
熟料量
1
30.54
入预热器生料量
1.608
50.41
出预热器飞灰量
0.100
3.05
入窑实际干空气量
0.456
14.29
出预热器废气量
分解炉抽空气量
0.760
23.82
生料中物理水量
0.003
0.09
窑尾系统漏入空气
0.230
7.21
生料中化学水量
0.017
0.52
生料分解CO2量
0.534
16.31
燃料燃烧理论烟气量
1.186
36.22
烟气中过剩空气量
0.434
13.26
合计
3.19
100.0
合计
3.274
100.00
热量平衡表单位：
kJ/kg熟料
收入项目
数量
%
支出项目
数量
%
燃料燃烧热
3218.6
71.25
熟料形成热
11736.9
38.46
燃料显热
9.4
0.21
蒸发生料水分耗热
46.0
1.02
生料带入热
26.7
0.59
废气带出热量
766.4
16.97
回灰带入热
4.2
0.09
熟料带出热量
1476.9
32.70
入窑一次空气带入热
0.9
0.02
飞灰带出热量
30.4
0.67
入窑二次空气带入热
515.2
11.40
系统散热损失
460.00
10.18
入分解炉空气带入热
739.1
16.36
系统总漏风带入热
3.4
0.08
合计
4517.5
100.00
4516.6
100.00
熟料单位烧成热耗为
QrR=mrQnet,ar=23614×0.1363=3218.6kJ/kg
熟料烧成热效率
ηS=Qsh/QRr×100％
=1736.9/3218.6×100％=54.0％
窑的发热能力为
Qyr=MyrQnet,ar=kymrQnet,ar
=0.4×0.1363×208.33×10
×23614=26.8×10
KJ/h
（G为每小时的产量）
燃烧带衬砖断面热负荷为qA=4Qyr/（л×D2i）=1.8×10
KJ/（m2h）
三、窑的计算
1窑的规格
（1）表示方式ФD×L（m）如：
Ф5×74（m）
D—回转窑筒体直径，m;L—回转窑筒体直径长度，m
（2）回转窑规格的确定
按回转窑产量的经验公式计算要的尺寸
aG熟料=53.5Di3.14其中Di—旋窑的有效直径，m;
G熟料—窑的产量t/d
设计窑的生产能力为5000t/d
则5000=53.5Di3.14得Di=4.242m
又D=Di+2δ×10-3=4.242+2×0.23=4.70m
D—回转窑筒体直径，m;δ—耐火材料厚度230mm
bL=15.36Di
L的选取：
根据GB321《优选数和优选数系》，回转窑长度一般取整，且多为偶数
把Di带入得L=74m
设计窑的直径为4.7m（钢板厚度为50mm）
回转窑转速、斜度、及功率的确定与计算
功率N
=kDi
nL
K—系数，对于新型干法水泥窑，K=0.045∽0.048;这里取0.047；
n—窑的转速，r/min,这里取3.5；窑长L取74m
N
=451.2（kw）
技术参数计算
a熟料单位烧成热耗
QrR=mrQnet,ar=23614×0.1363=3218.6kJ/kg
b熟料烧成热效率
ηS=Qsh/QRr×100％=54.0％
c窑的发热能力为
Qyr=MyrQnet,ar=kymrQnet,ar
=
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