5000td新型干法水泥厂石灰石矩形预均化堆场工艺设计.docx

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5000td新型干法水泥厂石灰石矩形预均化堆场工艺设计

唐山学院

毕业设计

设计题目：

5000t/d新型干法水泥厂石灰石矩形预均化堆场工艺设计

系别：

环境与化学工程系

班级：

09无机非金属材料工程1班

姓名：

指导教师：

刘臻

2013年6月6日

5000t/d新型干法水泥厂石灰石矩形预均化堆场工艺设计

摘要

本设计是5000t/d新型干法水泥厂全厂及石灰石矩形预均化堆场的工艺设计。

依据任务书中的地形图确定全厂工艺布置，绘制出全厂的工艺布置图和石灰石预均化堆场工艺布置图。

本设计中，全厂生产线采用一条龙方式排布，流程顺畅，且节省输送设备；全厂工艺流程从各原料进厂到水泥出厂全都采用均化措施，这样就保证了出厂水泥质量的高效；全厂主要设备选型从原料磨到水泥磨均采用立磨，立磨粉磨效率高、磨内空间大、单位电耗低、烘干能力强；石灰石的预均化采用矩形预均化堆场，这样更有利于扩建，和圆形预均化堆场相比物料分布也更加均匀，并采用人字形堆料，使设备更加简单比较经济。

关键词：

石灰石矩形预均化堆场均化效果工艺设计

5000t/dNSPCementLimestoneRectangleYardPrehomogenizationProcessDesign

Abstract

Thisdesignisthe5000t/dNSPcementplantandtechnologydesignoflimestonerectangleintheyard.Determinethecoordinationprocessarrangementaccordingtothespecificationoftopographicmap,maptheprocessforthefactorylayoutandlimestoneyardprehomogenizationprocessarrangement.Inthisdesign,factoryproductionlineadoptsadragonmethodconfiguration,processflow,andsavethetransportationequipment;Throughouttheprocessfromtherawmaterialsintothefactorytoallofcementfactoryusinghomogenizingmeasures,soastoensurethequalityofthecementfactoryefficiency;Mainequipmentselectionfromtherawmaterialtothecementgrindingplantadoptverticalmill,rollermillgrindingefficiency,grindinginsidethespaceislarge,unitpowerconsumptionislow,thedryingabilityisstrong;Limestonehomogenizationofadoptingrectangleyardprehomogenization,somoreconducivetoexpansion,androundyardthanprehomogenizationmaterialdistributionismoreuniform,theherringbonestockyard,maketheequipmentmoresimplemoreeconomy.

Keywords:

rectangleyard;prehomogenizationlimestone;homogenizationeffectcraftdesign

1引言

新型干法水泥技术在现在的水泥生产中起着很重要的作用，它是以窑外悬浮预热以及预分解技术为核心，在其中应用了现代科学技术最新理论和高新技术成果，具有均化、环保、节能、自动控制、科学管理和长期安全运转六大保证体系，集成了当代高新技术，是水泥工业中重要的组成部分。

在新型干法水泥的生产过程中，生料的预均化扮演着很重要的角色。

水泥生料的化学成分均奇性，不仅影响着熟料的质量，而且对窑的热耗、产量、运转周期以及要耐火材料的消耗等都有着很大的影响，这些影响对大型的干法回转窑尤其敏感。

由于水泥的生料是以天然的矿物作为原料配制成的，随着矿山的开采层以及开采位置的不同，原料的成分波动就在所难免了。

另一方面，由于水泥厂规模的大型化，以及水泥和其他行业的发展，对石灰石需求量逐渐增长，从而使得石灰石矿山的高品位原料不能达到生产需求，这样就使得要采用高品位和低品位矿石搭配或由几个矿山矿石搭配的方法，从而充分的利用矿山资源。

因此生产中对生料、原料采取有效的均化措施，从而满足生料的化学成分均奇性要求。

通过这些可以知道，在新型干法水泥厂中进行石灰石预均化是十分必要的。

到目前为止采用最多的均化措施有预均化堆场和均化库，对于石灰石的预均化采用预均化堆场更加合适。

预均化堆场一般可分为两类：

矩形预均化堆场和圆形预均化堆场，它们各有优缺点。

相比于圆形预均化堆场，矩形预均化堆场布料比较均匀；矩形堆场有利于扩建，但圆形预均化堆场不可扩建只能另建别的堆场；但同样的储存容积圆形预均化堆场比矩形预均化堆场可减少30%～40%占地面积；在设备购置费上圆形预均化堆场可比矩形预均化堆场节约25%的资金，总投资更可减少30%～40%。

因为新厂大多考虑扩建生产线，扩大厂区规模，所以选择矩形预均化堆场更有利于以后的扩建发展。

再根据本设计的场地要求和未来的发展趋势，本设计选择使用矩形石灰石预均化堆场。

2总体设计

2.1新型干法水泥生产的简述

2.1.1新型干法水泥的生产特点

新型干法水泥的生产具有节能、均化、自动控制、环保、科学的管理和长期安全的运转六大保证体系，集成了当代高新技术，它的特征如下：

用悬浮预热技术和预分解技术来改善了传统回转窑窑内物料堆积态的预热与分解方法；生产制备全过程中多处采用现代化均化的技术；工艺生产装备大型化，使水泥工业的方向向集约化发展；采用高效多功能粉磨挤压技术与新型机械粉体输送装置；并做到生产控制的自动化；为清洁生产与广泛的使用废料、废渣、再生燃料和降解有害、有毒和危险的废弃物创造了有利的条件；应用IT技术并实行现代化科学管理；广泛采用新型耐磨、耐热、隔热和配套的耐火材料等。

2.1.2新型干法水泥的生产发展

新型干法水泥生产技术是以悬浮预热技术和预分解技术为核心，在干法水泥生产的过程中综合应用多功能粉磨挤压技术、IT技术、新型耐热、耐磨和耐火材料以及新型的机械分体输送装置等现代化科学的新技术和成果的一种现代化水泥生产技术。

虽然我国在新型干法水泥生产技术方面已达到国际较先进的水平，但就整体上来看，还存在较大的差距。

要想使次得到更大进步，甚至赶超发达国家的先进水平，就应该做到在努力的提高新型干法生产的水泥所占比例的同时，就应继续加强技术研发与信息化建设，并鼓励企业引进新技术、自主创新、不断推行优化设计、做好人才培养。

我国的新型干法水泥生产技术在以后的发展过程中应做好以下几点：

深入的研究原料均化的技术，并进一步提高对生活垃圾和工业废渣的利用率；并改善从原材料开采和粉磨前预均化的手段与措施，从而减少投资；加大对水泥预粉磨、辊式磨系统和生料辊式磨的研发力度，并加快它的推广应用进度,降低水泥生产能耗；加大对一些关键技术和装备的研发力度，并力求不断的进行优化，通过科学管理和规范的工程设计进行施工，从而进一步降低生产线建设的成本；研发更高效率的能够降低有害气体浓度和粉尘排放浓度的技术，从而将污染物排放量控制到更低的限度；加强对废弃轮胎、废弃塑料、劣质煤的再利用研究，从而扩大燃料品种的范围甚至代替燃料；在开发使用专用软件的基础上，还要进一步研究开发生产工艺过程自动化控制软件，还要不断的进行推广以及应用；进一步的优化生产工艺的过程,并做好个性化的设计，以满足多种功能性水泥的生产需要，力求以更低的能耗和资金,最大程度的满足市场需求；加强对重要技术装备设备的研发力度,缩短它的应用周期，实现更高的生产率；加强功能材料及和水泥生产过程相关的管理方法、仪器、产品、替代材料等的研究与推广应用，从而提高设备的综合性能，并获取最佳的经济和社会效益；还要重视生态化工程的研究、建设和设计，以实现和环境自然融合。

这种能耗低、质量好、产量高、技术新的生产方法已经成为了世界各个国家水泥生产的发展方向。

2.2参数的确定

2.2.1熟料率值的确定

生产实践表明：

为了保障预分解窑的优质高产，除了需要有一个生料质量的保障系统外，还需要有一个适合它热工特性的配料方案。

现在我国有不少水泥厂通过总结出“两高一中”配料方案，从而获得了提高了水泥质量、产量和回转窑运转率等的明显效果。

从表2-1可以看出：

我国新型干法窑生产的水泥熟料四大矿物组成部分与国外水泥指标近似，但其KH、SM、IM三个率值全都比国外的水泥稍低一点，看来这就是造成RISO和RGB强度差距的重要原因，国内的重点水泥企业窑型包括干法、湿法和立波尔窑，虽然有较大差别，但全都属于低硅、高铁的配料方案。

国内的立窑厂家众多，但是大多数采用低硅、高饱和、高铁的比配料方案。

国内水泥配料方案重要特征就是低硅、高铁。

这对提高硅酸盐矿物的活性和含量是不利的。

从提高水泥熟料强度方面考虑，应该尽量提高硅酸盐矿物的含量（≥73%）、并提高早强矿物含量（9%～10%）、还要降低铁铝酸四钙含量（＜13%）。

欧洲的通用水泥标准ENV197-1-92对波特兰水泥的熟料提出了这样规定“波特兰水泥熟料是一种水硬性胶凝材料，其至少2/3是硅酸钙，其余为氧化铝、三氧化二铁和其他氧化物。

其中CaO/SiO2重量比应不小于2.0。

这个标准还特别强调了硅酸盐矿物在这四大矿物中所占比例，在氧化铝和三氧化二铁的关系中更加重视氧化铝的作用。

所以为了提高水泥强度，以适应新标准要求，回转窑企业都改进了配料方案，向低铁、高硅型转变并采用与此配料方案适应的烧成技术。

表2-1国内外水泥熟料成分及矿物组成

类别

SiO2

AI2O3

Fe2O3

CaO

f-CaO

C3S

C2S

C3A

C4AF

国外水泥

（23个）

21.22

4.80

3.01

64.13

0.92

0.895

2.73

1.61

国内新型干法

（20个）

22.00

5.29

3.44

64.39

0.96

0.877

2.53

1.54

国内重点水泥

企业（56个）

21.14

5.59

4.44

74.74

1.14

0.889

2.12

1.27

国内立窑

20.62

5.63

4.68

64.07

2～3

0.92

2.0

1.2

表2-2各窑型率值范围及氧化物含量

窑型

C3S%

C2S%

C3A%

C4AF%

湿法窑

0.88～0.92

1.9～2.5

1.0～1.8

51～59

16～24

5～11

11～17

干法窑

0.86～0.89

2.0～2.35

1.0～1.6

46～67

19～28

6～11

11～18

预分解窑

0.88～0.92

2.2～2.7

1.3～1.7

14～28

7～10

10～12

预分解窑

推荐值

0.90

2.7

1.30

适宜范围

0.88～0.90

2.40～2.70

1.2～1.7

通过查《新型干法水泥生产工艺设计手册》新型干法水泥生产的熟料率值一般控制在：

KH=0.90±0.02,，SM=2.1±0.1，IM=1.3±0.1

综上所述，最终率值确定如下：

KH=0.90，SM=2.2，IM=1.3

2.2.2熟料热耗的确定

在水泥的实际生产中，熟料形成过程中物料都会有损失，也同样会有热量损耗，而且熟料、废气不可能冷却到计算时的基准温度（如零摄氏度和二十摄氏度），所以，熟料形成过程中的实际热耗比理论热耗大。

每煅烧1kg熟料窑内的实际消耗热量称为熟料实际热耗，简称为熟料热耗，也叫熟料单位热耗。

水泥厂中影响着熟料热耗的因素有很多，如生产方法和窑型不同，生料在煅烧的过程中消耗的热量不相等，生料组成、细度和生料易烧性，燃料是否完全燃烧等。

但国内系统的热耗比较高的主要原因有：

设备故障比较频繁结皮堵塞现象严重，这样就导致窑的运转率不高。

国外的水泥厂家通过使用低阻高效的多级预热系统，和新型篦式冷却机以及多通道喷煤管等先进工艺技术，降低了水泥生产过程中的熟料热耗。

根据《新型干法水泥厂工艺设计手册》，见表2-3。

表2-3国内部分预分解窑的规格和特性

厂名

设计能力

（t/d）

设计热耗

（kJ/kg熟料）

回转窑规格

（m）

分解炉型式

分解炉规格

（m）

冀东水泥厂

4000

3308

NSF

宁国水泥厂

4000

3349

MFC

故本设计熟料热耗为3100kJ/kg熟料。

2.3熟料标号的确定

熟料强度是决定水泥的质量的重要因素。

熟料标号是通过其28天抗压强度来划分等级的。

而且熟料的标号与燃料品质、原料品质、熟料的率值、燃料性能以及生料成分的均匀性、生料的易烧性、窑型与规格有关。

只有采用氧化硅含量高的粘土和高品位石灰石才能提高KH和SM，从而烧出高标号水泥。

燃料质量差，除了会造成火焰温度低还会造成煤灰的降落不均匀，从而降低熟料的质量，影响熟料的标号。

生料易烧性的好坏直接影响着石灰饱系数，硅率，铝率的高低，进而影响熟料的标号。

物料在不同的类型的窑内的受热状况与煅烧过程是不完全相同。

在回转窑内，由于物料不断的翻滚，物料受热以及煤灰掺入全都比较均匀，使得烧成带物料的反应过程比较一致，所以可适当地提高熟料石灰饱和系数而二回转窑的规格，也对熟料标号有一定影响，如果窑的长径比小，容易造成预烧能力不足，导致窑内往往形成短焰急烧，使物料反应时间不足，这时就不得不降低熟料石灰饱和系数，从而获得要求的熟料标号。

生产42.5级普通水泥时要求熟料标号应大于425，但工厂不能等到28天的强度结果出来后才决定粉磨细度、混合材掺量等生产控制指标。

熟料标号一般用C2S、C3S、C3A、C4AF、f-CaO等来表示。

作为熟料组成主体的这些矿物，它们与熟料率有如下关系：

见图2-1

KH=

①

SM=

②

IM=

+0.6383③

将式①×②×（③+1）整理，得：

图2-1熟料28d抗压强度与L值相关图

2.4石膏加入量、混合材加入量的确定

2.4.1石膏加入量的确定

石膏在水泥中成分虽然很少，但是在水泥中却扮演着举足轻重的角色。

适当的加入石膏，是生产水泥过程中的重要措施之一，这样可保证在水泥硬化前形成足够多的钙矾石，这就有利于水泥强度的发展。

本设计中普通硅酸盐水泥中的三氧化硫含量一般波动在1.5%-2.5%之间，SO3%=43.77%设石膏掺入量为x，由1.5<43.77x<2.5得3.42

根据石膏的化学成分，石膏中的三氧化硫含量为43.77%。

则加入石膏后水泥中的三氧化硫含量为1.75%，符合普通硅酸盐水泥的指标。

适当加入石膏有利于水泥强度的发展。

矿渣硅酸盐水泥中的三氧化硫含量一般不超过4%，SO3%=43.77%设石膏掺入量为x,由43.77x<4得x<9.13，设定石膏的加入量为5%。

根据石膏的化学成分，石膏中的三氧化硫含量为43.77%。

则加入石膏后水泥中的三氧化硫含量为1.75%，符合矿渣硅酸盐水泥的指标。

2.4.2混合材加入量的确定

国家标准（GB175—2007）对普通硅酸盐水泥矿渣加入量有明确的规定：

在普通硅酸盐水泥中，掺加活性混合材时不得超过15%，其中允许用不超过5%的煤灰或不超过10%的非活性混合材代替；考虑煤灰的加入及硫酸渣活性问题。

确定矿渣加入量为10%。

国家标准（GB175—2007）对矿渣硅酸盐水泥矿渣加入量有明确的规定：

在矿渣硅酸盐水泥中，掺加活性混合材时不少于20%且不高于70%。

综合考虑煤灰的加入和矿渣活性混合材等问题，确定矿渣的加入量为35%。

2.3物料平衡计算

2.3.1配料计算

原料及燃料化学成分，见表2-4。

表2-4原料化学成分（%）

原料

烧失量

结晶水

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

石灰石

39.68

3.33

1.33

0.69

51.31

1.20

2.00

粘土

5.43

66.36

15.41

7.01

2.34

2.82

10.00

铁粉

2.45

36.12

2.72

54.03

0.72

8.00

煤灰

65.92

21.47

3.90

2.66

1.43

矿渣

38.58

7.62

1.25

43.46

6.08

20.00

石膏

14.94

3.48

0.25

0.14

34.88

0.76

43.77

2.00

表2-5煤的工业分析（%）

Fc.ar

V.ar

A.ar

M.ar

Qnet.ar

46.57

23.32

27.89

2.22

22717（kJ/kg）

表2-6各种用煤水分及热值

应用基水分/%

应用基低位热值/kJ/kg

烧成用煤

7.46

22717

烘干用煤

5.46

21568

矿渣烘干热耗4567（KJ/kgH2O）

粘土烘干热耗　5158（KJ/kgH2O）　

表2-7生产损失

名称

石膏

硫酸渣

生料

水泥

生产损失

干生料的烧失量：

I=35.68%

2.3.1.1煤灰掺入量

选定熟料热耗q=3100kJ/kg熟料

熟料中煤灰掺入量：

式中：

——熟料中煤灰掺入量（%）；

q——单位熟料热耗（kJ/kg熟料）；

——煤的应用基低热值（kJ/kg煤）；

S——煤灰掺入量（%）；

——煤耗（kJ/kg熟料）。

煤灰掺入量3.81%，则灼烧生料配合比为100%-3.81%=96.19%。

2.3.1.2计算干燥原料的配合比

设定干燥物料的配合比为；石灰石83%、粘土14%、铁粉3%，以此计算生料的化学成分，如表2-8所示。

表2-8生料的化学成分

名称

配合比（%）

烧失量

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

石灰石

84.1

33.37

2.80

1.12

0.58

43.15

粘土

13.9

0.70

8.56

1.99

0.90

0.330

铁粉

0.07

1.08

0.08

1.62

0.02

生料

100.0

34.14

12.44

3.19

3.10

43.47

燃烧生料

——

65.86

18.89

4.84

4.71

66.00

2.3.1.3熟料的化学成分

由上计算的熟料的化学成分，如表2-9所示。

表2-9熟料的化学成分

原料

配合比（%）

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

灼烧生料

96.19

18.17

4.66

4.53

63.49

煤灰

3.81

2.51

0.82

0.15

0.101

熟料

100

20.68

5.48

4.68

63.59

2.3.1.4熟料率值的计算

熟料的率值计算如下：

计算的率值KH=0.914，SM=2.03，IM=1.17，从计算结果可知，IM值偏低，调整原料配比为：

石灰石84.1%、粘土13.4%、铁粉2.5%，重新计算其结果如下：

符合要求

名称

配合比（%）

烧失量

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

石灰石

84.1

33.37

2.80

1.12

0.58

43.15

粘土

13.4

0.73

8.89

2.06

0.94

0.31

铁粉

2.5

0.07

0.09

0.07

1.35

0.02

生料

34.17

12.59

3.25

2.87

43.48

燃烧生料

65.86

19,12

4.93

4.36

66.00

灼烧生料

96.19

18.39

4.74

4.199

63.48

煤灰

3.81

2.51

0.82

0.15

0.10

熟料

100

20.09

5.56

4.34

63.58

2.3.1.5熟料矿物组成

C3S=3.8•（3KH-2）•SiO2=3.8×（3×0.903-2）×20.90%=56.31%

C2S=8.60•（1－KH）•SiO2=8.60×（1－0.903）×20.90%=17.43%

C3A=2.65•（A2O3－0.64Fe2O3）=2.65×（5.56－0.64×4.34）=7.48%

C4AF=3.04•Fe2O3=3.04×4.34=13.19%

则

根据熟料28d抗压强度与L值2-1图，L=5.432所对应的熟料28d抗压强度为54Pa，所以确定熟料标号为54。

2.3.1.6计算湿物料的配合比

原料的水分为：

石灰石为2%，粘土为10%，铁粉为8%，则湿原料质量配合比为：

湿石灰石

湿粘土

湿铁粉

将上述质量比换算成百分比：

湿石灰石

湿铁粉

2.3.2物料平衡计算

2.3.2.1窑产量的标定

本设计是设计日产5000t/d熟料的生产线，参考同类型的厂家，选择φ4.8×72m的回转窑。

本设计选择的是德国洪堡公司制造的φ4.8×72m的回转窑，窑产量为4000t/d

回转窑的小时产量计算公式：

式中：

Di——回转窑的内径，m；

L——回转窑的有效长度，m。

参考选择同类型窑的厂家，其产量为4600t/d熟料，冀东水泥厂已达到5000t/d，因此本设计标定窑的产量为5300t/d，则窑的小时产量为220.8t/h。

需要的回转窑台数n=5000/5300=0.93，因此选择一台回转窑。

校对

：

满足要求，说明窑选型标定合理。

2.3.2.2生产能力的计算

熟料小时产量：

Qh=nQh,l=1×220.8=220.8（t∕h）

式中：

n——窑的台数；

Qh,

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