【正文】 1 前言 選題背景 水泥是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)原材料，水泥工業(yè)與經(jīng)濟建設(shè)密切相關(guān)，在未來 相當(dāng)長的時期內(nèi) ， 水泥仍將是人類社會的主要建筑材料 。 水泥廠設(shè)計工作的水平和質(zhì)量 ，不僅關(guān)系到工廠建設(shè)過程中的各項任務(wù)能否順利完成，而且對工廠鍵 成后能夠正常生產(chǎn)，以及能否獲得較好的投資效果，均有重大的影響。 工廠設(shè)計除必須認(rèn)真貫徹國家的經(jīng)濟和工業(yè)政策外，還應(yīng)結(jié)合實際情況深入細(xì)致的開展工作，力求做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全實用，為水泥工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件 [1]。 改革開放以來，我國水泥工業(yè)得到較快的發(fā)展，整體素質(zhì)明顯提高， 以預(yù) 分解窯為中心的新型干法生產(chǎn)工藝取得了較大的進展，日產(chǎn) 20xxt 預(yù)分解窯成套設(shè)備已基本國產(chǎn)化；產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，熱耗指標(biāo)明顯下降 [2]。 產(chǎn)量已多年居世界第一位。黨的十六大提出了全面建設(shè)小康社會的宏偉目標(biāo)，隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，水泥消費將繼續(xù)保持較高的水平，水泥工業(yè)也將進入新的發(fā)展時期。當(dāng)前我國水泥工業(yè)還存在 新型干法窯發(fā)展速度太快，落后生產(chǎn)能力退出太慢的問題，所以 .政府要采取措施，促進落后生產(chǎn)能力盡快退出市場。大企業(yè)要擔(dān)負(fù)起調(diào)控市場重任 [3]。 熟料燒成系統(tǒng)是水泥生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)。它包括窯、 預(yù)熱 器、 蓖冷機 喂料系統(tǒng)以及其他的相關(guān)設(shè)備等。因此， 所有系統(tǒng)工藝裝備的選型和優(yōu)化配置應(yīng)密切結(jié)合對原料的正確分析和評價。在原料處理和應(yīng)用方面的豐富經(jīng)驗是設(shè)計成功的原料制備方案，從而生產(chǎn)高質(zhì)量的水泥的必要前提。在原料制備方案中的每個環(huán)節(jié)，都可能對投資成本產(chǎn)生巨大的影響 [4]。 因此節(jié)能是熟料燒成系統(tǒng)最突出的問題之一，在進行燒成系統(tǒng)的選擇時，對節(jié)能問題應(yīng)予充分的重視 [5]。 國內(nèi)外的研究發(fā)展?fàn)顩r 進入新世紀(jì)以來、水泥企業(yè)出現(xiàn)了集團化、大型化趨勢。大型水泥集團產(chǎn)量占總量 1/3,20xx 年 17 月份大型水泥集團水泥熟 料產(chǎn)量 14959 萬 t,占個國總量的%。預(yù)分解窯熟料產(chǎn)量 13334 萬 t,占個國總量的 %。水泥產(chǎn)量 16584 萬 t, 占全國總量的 %。大型水泥集團控制了全國水泥熟料產(chǎn)量的 1/3，新型干法熟料產(chǎn)量近 2 /3，對改變水泥工業(yè)的工藝結(jié)構(gòu)和企業(yè)結(jié)構(gòu)起著舉足輕重的作用 [6]。 一百多年來，對回轉(zhuǎn)窯的改進主要從兩個方向進行的，一方面是局限于窯本體的改進。 例如，對窯直徑某部分的擴大、窯長度的變化，或者窯內(nèi)裝設(shè)附加換熱裝置等，以達到改進某些部分換熱條件，改變氣流速度或延長滯留時問的目的；另一方面 ,則是 將某些熟料形成化學(xué)過程移到窯外，以改善換熱和化學(xué)反應(yīng)條件。從對回轉(zhuǎn)窯技術(shù)改進方面分析，后一方面的改進，才具有真正對回轉(zhuǎn)窯挑戰(zhàn)的意義。從 1928 年立波爾窯的誕生， 1932 年旋風(fēng)預(yù)熱器專利的獲取， 1950 年旋風(fēng)預(yù)熱窯的出現(xiàn)， 1971 年預(yù)分解窯的誕生，以及 80 年代長徑比為 10 的兩支點短回轉(zhuǎn)窯用于生產(chǎn)等，這些對回轉(zhuǎn)窯功能削弱的技術(shù)革新過程至今仍在進行。這樣，就使凡是能采用比回轉(zhuǎn)窯更加優(yōu)越的設(shè)備進行的水泥熟料鍛燒過程，都轉(zhuǎn)移到窯外進行，以盡量克服其固有的缺點和不足。但是，到目前為止 :熟料鍛燒的最后燒結(jié)過程，仍采用回轉(zhuǎn) 窯來完成，還沒有研制開發(fā)出可用于現(xiàn)代化大型生產(chǎn)的更好裝備。特別是回轉(zhuǎn)窯所具有的降解利用各種廢棄物的優(yōu)良環(huán)保功能被挖掘利用后、更賦子其新的發(fā)展活力 [7]。 新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，使水泥生產(chǎn)在大型化方而有了新的突破，更重要的是它指標(biāo)的先進性和技術(shù)上的實用性。但新型水泥窯外分解技術(shù)木身的先進性卻與過程的復(fù)雜性并存，因此，掌握窯外分解鍛燒系統(tǒng)的合理操作十分重要。在窯外分解窯上影響熱工制度的可變因素較多。除風(fēng)、煤、料和窯速外，全系統(tǒng)的阻力變化，入分解爐的三次 進風(fēng) 、風(fēng)量的變化，窯尾縮口閘板的開度，預(yù)熱器及下料管的 結(jié)皮和堵塞，冷卻機內(nèi)料層厚度及冷卻風(fēng)量的調(diào)整等，都將會影響預(yù)分解窯的正確操作。對上述因素如果分析判斷不準(zhǔn)，操作調(diào)整不正確，或不及時，全系統(tǒng)的熱工制度很快就會被破壞，影響窯的正常運行 [8]。 在水泥熟料的生產(chǎn)過程中， 粉磨 發(fā)生在水泥的制作開始和結(jié)束的過程 中 . 大約 噸原料可以制作成 1 噸的成品水泥。 電能消耗在水泥生產(chǎn)過程中110kwh/tonne， 約 30%是用 做 原料制備及約 40%是用做 最終生產(chǎn)水泥熟料粉磨 . 生產(chǎn)成本和對環(huán)境的關(guān) 住 ,強調(diào)需要使用更少的能源 ,因此 需要 開發(fā)更多高效 粉磨機種 類 。 對于 20 世紀(jì)的大部分時 間 ， 干磨回路生產(chǎn)成品水泥熟料分為兩個 部分 磨煤機和空氣分離 機。它是一條并不鮮見水泥生產(chǎn)線。水泥粉磨技術(shù)的改進 是緩慢的，這種改進只局限于發(fā)達國家 [911]。 水泥熟料的冷卻是一個非常重要的過程、蓖式冷卻機屬穿流驟冷式氣固換熱裝備，冷卻空氣以垂直方向穿過熟料料層，使熟料得以冷卻。自 20 世紀(jì) 30 年代美國富勒公司研制成功第一臺用于水泥熟料冷卻的推動蓖式冷卻機以來，蓖式冷卻機在世界水泥下業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并隨著水泥工業(yè)不斷的技術(shù)進步而日益更新，不斷完善 。水泥熟料蓖式冷卻機自誕生以來，經(jīng)過水泥工作者的不懈努力， 其技術(shù)水平得到了不斷提高、特別是近 10 多年來，水泥熟料的冷卻成為水泥熟料燒成系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新活動中最活躍的領(lǐng)域、 20 世紀(jì) 90 年代初期出現(xiàn)的第三代蓖式冷卻機，以高阻力蓖板和允氣梁結(jié)構(gòu)為特征，通過分區(qū)域高速射流供風(fēng)和厚料層作業(yè)提高了冷卻機熱回收效率和入窯、入爐風(fēng)溫、新世紀(jì)之交，由史密斯 ()和富勒 (Fuller)公司共同開發(fā)出的、被稱為第四代蓖式冷卻機的推桿棒式蓖冷機，把傳統(tǒng)蓖式冷卻機中往復(fù)移動蓖床承擔(dān)的推動物料運動和供風(fēng)的雙重功能分解為由一組具有氣流自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的充氣蓖板排列組成的靜止蓖床實現(xiàn) 供風(fēng)，而讓設(shè)置于其上的一組往復(fù)移動推桿推動熟料層前進、這種新的技術(shù)組合方式改善了冷卻空氣分布的均勻性和料層分布的均勻性，進一步提高了冷卻機熱回收率和操作可靠性 ， 有效地降低了設(shè)備制造成本 [12]。 旋風(fēng)預(yù)熱器是新型干法水泥生產(chǎn)過程的主要設(shè)備之一，承擔(dān)著物料加熱、氣固分離、物料輸送及部分物理、化學(xué)反應(yīng)等多項功能。分離效率和阻力損失是設(shè)計和評價旋風(fēng)預(yù)熱器最主要的兩項性能指標(biāo) [13]。所以在選擇預(yù)熱器在保持一定收塵效率和壓力損失的條件下，旋風(fēng)筒體積和高度相對較小，有利于減少投資和便于布置的優(yōu)點。 新型干法窯采用懸浮 技術(shù)，窯本身具有良好的均化作用。因此，借鑒濕法精確配料的經(jīng)驗，可考慮省去均化庫。 以旋風(fēng)預(yù)熱器為主組合的旋風(fēng)預(yù)熱器窯。旋風(fēng)溽熱器由一級旋風(fēng)預(yù)熱器發(fā)展到五級旋風(fēng)預(yù)熱器，整整花了 30 多年 80 年代末，寶山水泥廠引進了五級旋風(fēng)預(yù)熱器技術(shù)及部分裝備后，我國地方水泥廠掀起五級旋風(fēng)預(yù)熱器工藝生產(chǎn)線的建設(shè)熱潮，至今不衰 [14]。 現(xiàn)代化的新型干法水泥生產(chǎn)線，是大型設(shè)備的連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模大，質(zhì) 量好，產(chǎn)量高， 對生產(chǎn)過程的自動控制的可靠性、工藝性狀及工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，大型設(shè)備的安全性，均提出了更高的要求。于是根據(jù)自身需求，各種自 動控制軟 件都運用在水泥干法生產(chǎn)的過程控制中 [15]。 當(dāng)前，世界水泥工業(yè)中心的課題仍然能源、資源和環(huán)境保護等。我們一定要依靠技術(shù)進步來加速發(fā)展水泥工業(yè)，要在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，因地制宜地采用先進技術(shù)，減少能耗，提高質(zhì)量，降低成本，改善環(huán)境，增加產(chǎn)量，不斷提高經(jīng)濟效益。今后要進一步優(yōu)化工廠布局，加速發(fā)展采用預(yù)分解窯的骨干企業(yè)，合理配置以機械立窯為中心的小型生產(chǎn)線，大力推進水泥工業(yè)的現(xiàn)代化 [16]。 本研究課題的價值和意義 目前水泥熟料燒成工藝裝備開發(fā)中所面臨的急待解決的基礎(chǔ)理論研究課題有： (1)工藝裝備 大型化，降低投資費用，如大型生產(chǎn)線的預(yù)熱器向單系列發(fā)展。(2)回轉(zhuǎn)窯由三支點改為雙支點。 (3)啟動液壓摩擦傳動及無運動蓖板蓖冷機的研發(fā)工作。 (4)我們需要花大力氣研究開發(fā)設(shè)備的材料和制造加工問題?，F(xiàn)實告訴我們，大型生產(chǎn)線國產(chǎn)化的難點還在于一些大型機械設(shè)備的制造加工和材料加工上，這是一個瓶頸，不容忽視。 (5)加快利用新型干法窯處置城市混合型廢棄物技術(shù)及裝備的研究和開發(fā)。 (6)加速超細(xì)粉磨裝備技術(shù)的開發(fā)，最大程度地利用高爐爐渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣用作水泥混合材。 (7)加快純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的開發(fā)與推 [17]。 我國新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)通過 30 年的努力，技術(shù)完全成熟，產(chǎn)量位居世界首位，但是國內(nèi)占主導(dǎo)的是立窯生產(chǎn)，仍然面臨結(jié)構(gòu)調(diào)整的重大仟務(wù)。近年來，為實現(xiàn)與新型干法技術(shù)接軌，大量的立窯生產(chǎn)企業(yè)興建新型干法生產(chǎn)線，均取得較好的效果，應(yīng)在此基礎(chǔ)上，總結(jié)經(jīng)驗，提高技術(shù)水平，加速發(fā)展進程 [18]。所以，目前在做水泥熟料生產(chǎn)線燒成車間設(shè)計仍然有很大的價值和意義。 2 本課題要研究或者解決的問題和擬采用的研究手段 解決的問題 結(jié)合國內(nèi)外的新型水泥窯系統(tǒng)的發(fā)展并結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀，確定合適的窯、預(yù)熱器和分解爐。并根據(jù)選定的 燒成 系統(tǒng) ，進行熱工計算，確定熱工制度，編寫設(shè)計說明書。最后進行工藝設(shè)計，繪制布置圖。 擬采用的研究手段 生產(chǎn)采用新型干法窯水泥預(yù)熱分解系統(tǒng)。 預(yù)熱器采用五級洪堡型旋風(fēng)預(yù)熱器（ 21111 型），它具有結(jié)構(gòu)簡單，在保持 一定收塵效率和壓力損失的條件下，旋風(fēng)筒體積和高度相對較小，有利于減少投資和便于布置的優(yōu)點。 分解爐采用強化懸浮式分解爐，即 RSP 分解爐。 篦式冷卻機采用水平推動篦式冷卻機。 2 建廠條件 原、燃料條件 1) 石灰石 工廠自備礦山，儲量豐富， 粒度 300mm，水分 2％； 2) 粘土 工廠自備礦山，儲量豐富，汽運入廠， 水分 15％； 3) 鐵粉 某鋼廠供應(yīng)，汽 車 運入廠， 水分 5％； 4) 石膏 石膏礦供應(yīng)，成分穩(wěn)定，汽運入廠， 摻量 5％，水分 5％ ； 5) 混合材 某鋼廠供應(yīng)，汽 車 運入廠， 摻量 15％，水分 15％； 6) 煙煤 煤礦供應(yīng)，火 車 運入廠， 水分 %； 熱耗： 3500kJ/kg 熟料 ； 表 原、燃料化學(xué)成分 物料 名稱 化學(xué)成分 loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO R2O SO2 Cl 合計 石灰石 粘土 鐵粉 煤粉 石膏 表 燃料組成工業(yè)分析 組成 Wad Aad Vad Cad QadDW (KJ/Kg 熟料 ) % 表 燃料組成元素分析 組成 Cad Had Nad Oad Sad Wad Aad ∑ % 交通 臨近鐵路線， 廠 內(nèi)有專用鐵路，公路運輸方便。 建廠地點及自然條件 （ 1）建廠地點：山西地區(qū) ， 主導(dǎo)風(fēng)向：東北風(fēng)，平均風(fēng)速 m/s。 （ 2）廠內(nèi)地形：較平坦 ， 地耐力： t/m2 （ 3）氣溫：最高 39℃ ，最低 15℃ ，月平均 20℃ 。 （ 4）降雨量：年總降水量 800 mm，最大日降水量 100 mm。 3 生產(chǎn)方式的確定 本次設(shè)計的指導(dǎo)思想是，盡量采用新技術(shù)、新工藝，降低能耗，提高產(chǎn)量，這也是國家水泥的發(fā)展方針。根據(jù)設(shè)計任務(wù)，建廠條件，本著上述方針，本次設(shè)計的窯型選擇為預(yù)分解窯。預(yù)分解窯是最新的水泥煅燒工藝，其特點如下： 3． 1 窯外分解窯的優(yōu)點： a. 同傳統(tǒng)的其它類型的回轉(zhuǎn)窯相比的優(yōu)點： （ 1）單位窯容積 產(chǎn)量高。 （ 2）擴大了單機的生產(chǎn)能力。 （ 3）延長窯的襯料壽命及運轉(zhuǎn)周期。 （ 4）利用舊窯的技術(shù)改造，也有利于新窯的技術(shù)改造。 （ 5）占地面積小，設(shè)備費用低。 （ 6）單機熟料熱耗較低。 （ 7）有利于低質(zhì)燃料的應(yīng)用。 （ 8）對于含堿、氯、硫高的原燃料適應(yīng)性強。 （ 9）環(huán)境污染小， NOx 生成量較少。 b. 預(yù)分解窯同立窯的比較 ： 立窯有兩個很大的缺點；一是臺時產(chǎn)量低，一般臺時產(chǎn)量只能達到 10t 左右。再就是立窯的燃燒不均勻，熟料質(zhì)量不高。預(yù)分解窯則解決了這些缺點。 3． 2 預(yù)分解窯的缺點： 1）廠內(nèi)高大建筑物多 ，對地耐力要求高，一般＞ 25t/m2。 2）預(yù)分解窯對燃料中堿、氯、硫含量也有一定的要求，含量高時易結(jié)皮。 3）預(yù)分解窯對生產(chǎn)管理人員素質(zhì)要求較高。 總之，預(yù)分解窯是以后水泥工業(yè)發(fā)展的方向。隨著時間的推移，水泥窯一定會越來越完善和發(fā)展。 4 配料計算 4． 1 煤的工業(yè)分析及元素分析 表 工業(yè)分析 組成 Wad Aad Vad Cad QadDW(KJ/Kg熟料 ) % 表 元素分析（ 1） 組成 Cad Had Nad Oad Sad Wad Aad ∑ % 設(shè) War=， 則 收到基 =adarWW??100100 ? 空氣干燥基 （ ） =? 空氣干燥基 得 收到基 如下表： 表 元素分析（ 2） 組成 Car Har Nar Oar Sar War Aar ∑ % 收到基 時燃料的低位發(fā)熱值： arDWQ =339