预热器课程设计.docx
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预热器课程设计
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：
摘要
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（亦称换热管道）。
悬浮预热器的主要功能在于充分利用回转窑及分解炉内排出的炽热气流中所具有的热焓（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掌握绘图、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
1.建设项目：
日产3200吨水泥熟料生产线（重点：
预热器部分）
2.建厂规模：
日产水泥熟料3200吨
3.产品品种：
普通硅酸盐水泥
4.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》（TJ36—79）的规定
四、原料的原始资料（%）
表1.1原料与煤灰的化学成分（%）
数据物料
烧失量
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
总和
石灰石
41.55
2.29
1.86
0.84
50.65
0.76
98.63
砂页岩
2.29
89.03
2.38
2.55
2.18
0.65
99.08
粉煤灰
2.49
52.98
30.29
5.42
4.6
0.51
96.29
铁矿石
2.79
51.39
6.17
30.19
1.86
1.88
94.28
烟煤煤灰
0
49
34.09
7.68
2.39
1.6
94.76
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=3.19%，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
1配料计算
1.1煤灰的掺入量……………………………………………
1.2计算干燥原料配合比……………………………………
1.3率值计算……………………………………………………
1.4计算湿原料的配合比……………………………………
2物料平衡计算
2.1干原料消耗定额计算……………………………………
2.2湿原料消耗定额计算……………………………………
2.3制定物料平衡表…………………………………………
3废气量的计算
3.1窑尾排出废气量…………………………………………
3.2分解炉内废气量…………………………………………
4预热器尺寸计算
4.1旋风筒直径及高度……………………………………
4.2旋风筒进风口的形式和尺寸…………………………
4.3排气管尺寸及插入深度………………………………
4.4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
KH
SM
IM
熟料热耗（kJ/kg）
预分解窑
0.86～0.95
2.2～2.6
1.4～1.8
2920～3750
现代立窑
0.92～0.97
1.6～2.2
1.1～1.5
3150～5000
干法窑
0.86～0.89
2.0～2.4
1.0～1.6
5850～7520
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20900KJ/Kg。
在水泥熟料生产工艺中，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Al2O3和Fe2O3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，熟料煅烧困难，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C3A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C4AF量相对较多，窑内烧结范围窄，窑内易结大块，对煅烧不利，不易掌握煅烧操作。
在熟料中掺加石膏煅烧，石膏中的硫对熟料形成有强化作用：
SO3能降低液相粘度，增加液相数量，有利于C3S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SO31.5%~2.5%为好。
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±0.02SM=2.4±0.1IM=1.7±0.1;
熟料热耗q=3350kJ/kg熟料；
1.1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：
Ga=
=
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×19.02×100%）/（23684.37kJ/kg×100）=2.69%
其中，
Qnet,ar=32793Car+98320Har-9100（Oar-Sar）-2450Mar
=32793×65.65%+98320×2.64%-9100×（3.19%-0.51%）-2450×8.0%
=23684.37KJ/Kg
1.2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
石灰石
砂页岩
粉煤灰
铁矿石
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
物料
烧失量
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
设定比例
石灰石
35.07
2.51
1.57
0.71
42.74
0.64
84.4%
砂页岩
0.21
8.00
0.21
0.23
0.20
0.06
0.090
粉煤灰
0.08
1.67
0.96
0.17
0.15
0.02
0.032
铁矿石
0.10
1.78
0.21
1.05
0.06
0.07
0.035
总计
35.45
13.96
2.95
2.16
43.15
0.78
—
灼烧生料
—
21.62
4.58
3.34
66.84
1.21
—
计算熟料化学成分
由煤灰的掺入量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
名称
配合比
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
灼烧生料
97.31
21.04
4.46
3.25
65.04
1.18
烟煤煤灰
2.69
1.32
0.92
0.21
0.06
0.04
熟料
100
22.36
5.38
3.46
65.10
1.22
1.3率值计算
计算率值：
KH===0.88
SM===2.5
IM===1.6
表5熟料的率值
率值
计算率值
率值取值范围
KH
0.88
0.86～0.95
SM
2.5
2.2～2.6
IM
1.6
1.4～1.8
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%
1.4计算湿原料配合比
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%
石灰石
1
83.45
83.46
砂页岩
8
9.57
9.57
粉煤灰
7
3.37
3.37
铁矿石
5
3.60
3.60
2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%×41.55%+9%×2.29%+3.2%×2.49%+3.5%×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=×=×=1.555t/t熟料
式中:
KT—干生料消耗定额，t/t熟料；
K干—干生料的理论消耗量，t/t熟料；
S—煤灰掺入量,%；
I—干生料的烧失量,%；
—生产损失,参考下列数值：
回转窑为3%～5%，本设计取3%
2.2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；
—生料的含水量，一般取0.5，%；
（1）各种干原料的消耗定额：
石灰石消耗定额：
K干石灰石=KT×X1=1.555×84.4%=1.312（t/t熟料）
砂页岩消耗定额：
K干砂页岩=KT×X2=1.555×9%=0.140（t/t熟料）
粉煤灰消耗定额：
K干粉煤灰=KT×X3=1.555×3.2%=0.050（t/t熟料）
铁矿石消耗定额：
K干铁矿石=KT×X4=1.555×3.5%=0.054（t/t熟料）
（2）各种湿原料的消耗定额：
烧成用干煤消耗定额：
先计算煤的干燥基低位热值：
QDWg=（QDWg+25Wy）=（23684.37+×8.0）=25961.27（Qar/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=133.33t/h
a石灰石干料消耗定额为1.312
石灰石时消耗量：
1.312×133.33=174.93（t/h）
石灰石日消耗量：
1.312×133.33×24=4198.30（t/d）
石灰石年消耗量：
1.312×133.33×24×365×85%=1302521.04（t/y）
b砂页岩干料消耗定额为0.140
砂页岩时消耗量：
0.140×133.33=18.67（t/h）
砂页岩日消耗量：
0.140×133.33×24=447.99（t/d）
砂页岩年消耗量：
0.140×133.33×24×365×85%=138988.53（t/y）
c粉煤灰干料消耗定额为0.050
粉煤灰时消耗量：
0.050×133.33=6.25（t/h）
粉煤灰日消耗量：
0.050×133.33×24=150（t/d）
粉煤灰年消耗量：
0.050×133.33×24×365×85%=46537.5（t/y）
d铁矿石干料消耗定额为0.054
铁矿石时消耗量：
0.054×133.33=6.67（t/h）
铁矿石日消耗量：
0.054×133.33×24=160.00（t/d）
铁矿石年消耗量：
0.054×133.33×24×365×85%=49638.76（t/y）
e生料干料消耗定额为1.555
生料时消耗量：
1.555×133.33=207.33（t/h）
生料日消耗量：
1.555×133.33×24=4975.88（t/d）
生料年消耗量：
1.555×133.33×24×365×85%=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：
0.133×133.33=17.73（t/h）
烧成用煤日消耗量：
0.133×133.33×24=425.59（t/d）
烧成用煤年消耗量：
0.133×133.33×24×365×85%=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：
1.325×133.33=176.67（t/h）
石灰石日消耗量：
1.325×133.33×24=4239.89（t/d）
石灰石年消耗量：
1.325×133.33×24×365×85%=1315427.11（t/y）
b砂页岩湿料消耗定额0.151
砂页岩时消耗量：
0.151×133.33=20.13（t/h）
砂页岩日消耗量：
0.151×133.33×24=483.19（t/d）
砂页岩年消耗量：
0.151×133.33×24×365×85%=149909.05（t/y）
c粉煤灰湿料消耗定额0.054
粉煤灰时消耗量：
0.054×133.33=7.20（t/h）
粉煤灰日消耗量：
0.054×133.33×24=172.80（t/d）
粉煤灰年消耗量：
0.054×133.33×24×365×85%=53609.9（t/y）
d铁矿石湿料消耗定额0.057
铁矿石时消耗量：
0.057×133.33=7.60（t/h）
铁矿石日消耗量：
0.057×133.33×24=182.40（t/d）
铁矿石年消耗量：
0.057×133.33×24×365×85%=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：
1.56×133.33×24=4991.88（t/d）
生料年消耗量：
1.56×133.33×24×365×85%=1548729.28（t/y）
f烧成用煤湿料消耗定额0.146
烧成用煤时消耗量：
0.146×133.33=19.47（t/h）
烧成用煤日消耗量：
0.146×133.33×24=467.19（t/d）
烧成用煤年消耗量：
0.146×133.33×24×365×85%=144945.17（t/y）
2.3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
栏
原目
料
消耗定额
（t/t熟料）
物料需要量
干料
湿料
干料
湿料
时
日
年
时
日
年
石灰石
1.312
1.325
174.93
4198.30
1302521.04
176.67
4239.89
1315427.11
砂页岩
0.140
0.151
18.67
447.99
138988.53
20.13
483.19
149909.5
粉煤灰
0.050
0.054
6.25
150
46537.5
7.20
172.80
53609.9
铁矿石
0.054
0.057
6.67
160.00
49638.76
7.60
182.40
56588.19
生料
1.555
1.56
207.33
4975.88
1543765.40
207.99
4991.88
1548729.28
熟料
---
---
125
3000
930750
--
--
--
烧成用煤
0.133
0.146
17.73
425.59
132039.10
19.47
467.19
144945.17
3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。
由前面的计算数据可知：
熟料煤耗量：
=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/℃
负压/pa
空气系数α
分解率/%
风速（m/s）
窑尾
1050
350
1.02
5
分解炉
880
2000
1.05
80
7.9
880
2000
1.03
95
4.8
800
2800
1.05
30
4.7
700
3400
1.10
10
4.7
550
4000
1.15
3
4.2
310
4500
1.20
0
3.7
空气系数1.2，漏风量5%
则：
理论空气量：
=
=0.903/kg
理论废气量：
==0.977/kg
生料分解废气量：
V=K×J%×=0.262/kg
3.1窑尾排出废气量
1 窑内煤燃烧产生的废气量
=×40%=0.3908/kg（40%为回转窑用燃料比）
2 窑尾过剩空气量
=（α-1）×40%=0.0722/kg
3 生料分解产生的废气量
=V×5%=0.0131/kg
所以窑尾废气量为：
=++=0.4761/kg化为工作态：
==2.3153/kg熟料
3.2分解炉内废气量
1 煤燃烧的废气量：
=（炉内煤+窑内煤）燃烧的废气量=
=0.977/kg
2 生料分解产生的
的量：
=生料全部分解产生的的量×（炉内分解率+窑内分解率）
=V×（80%+5%）
=0.2227/kg
3 过剩空气量：
=（α-1）=（1.05-1）×0.903=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：
①出炉废气量：
==1.2449/kg
②漏入空气量：
=×5%=0.0452/kg
③C5分解产生的量：
=V×=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：
①来自C5的废气量：
==1.5600/kg
②漏入空气量：
=×5%=0.0780/kg
C4废气量：
=+=1.6380/kg化为标准态为：
==6.6208/kg熟料
C3废气量：
C3废气量：
=（1+5%）=1.7199/kg化为标准态为：
==6.3427/kg熟料
C2废气量：
C2废气量：
=（1+5%）=1.8059/kg化为标准态为：
==5.6680/kg熟料
C1废气量：
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℃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℃
总风量/
单位风量/
窑尾
0.4760
2.3153
350
1050
308.71
85.75
分解炉
1.2449
5.3636
2000
880
715.13
198.65
C5
1.5600
6.7212
2000
880
896.14
248.93
C4
1.6380
6.6208
2800
800
882.75
245.21
C3
1.7199
6.3427
3400
700
845.67
234.91
C2
1.8059
5.6680
4000
550
755.71
209.92
C1
1.8962
4.2375
4500
310
564.99
156.94
4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。
4.1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速如下：
表10各级旋风筒圆筒断面风速
项目
C1
C2
C3
C4
C5
圆筒断面风速（m/s）
3-4
5.5-6
5-5.5
所以，对于C2，由公式
D=2
式中：
D-旋风筒圆柱体直径，m
Q-旋风筒内气体流量，m/s
-假想截面风速，m/s（取6m/s）
所以：
D=2
=6.68m
则：
=D+2×0.2=6.68+2×0.2=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
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