高硅石灰石原料万吨线的设计措施.pdf

设计研究程千里：高硅石灰石原料万吨线的设计措施中图分类号：TQ172.6文献标志码：B高硅石灰石原料万吨线的设计措施文章编号：1 0 0 7-0 3 8 9(2 0 2 3)0 4-0 5-0 4【D0110.13697/ki.32-1449/tu.2023.04.002程千里 中国中材国际工程股份有限公司（南京）,江苏南京2 1 1 1 0 0 摘要：某1 0 0 0 0 t/d新型干法熟料水泥生产线项目使用的石灰石原料中结晶硅（燧石）含量较多，Si0，含量高时可达1 0%以上。超高含量的SiO,对石灰石破碎机的寿命及破碎系统能力、各储库及相关设备的防磨措施选择、原料粉磨系统能力及产品细度、烧成系统产量及熟料质量都是十分严峻的考验。本文从设计角度出发，结合某万吨线项目分析介绍高硅石灰石原料在水泥生产过程中破碎、输送、储存、粉磨及烧成等环节可能产生的影响并推荐相关解决方案。关键词：高硅石灰石；结晶硅；万吨线；易磨性Design measures for a 10 o00 t line of high silicon limestone raw materialsCheng Qianli(Sinoma International Engineering Co.,Ltd.(Nanjing),Nanjing,211100 China)Abstract:The limestone raw material used in a 10 o00 t/d new dry process clinker cement production line project has a high content ofcrystalline silicon(flint),with max SiO,content reaching over 10%.The ultra-high content of SiO,poses a very severe test on the lifes-pan and crushing system capacity of limestone crushers,the selection of anti wear measures for various storage silos and related equip-ment,the ability and product fineness of raw material grinding systems,the output of firing systems,and the quality of clinker.From adesign perspective,this article analyzes and introduces the potential impact of high silicon limestone raw materials on the crushing,transportation,storage,grinding,and firing processes in cement production,and recommends relevant solutions based on a 10000 t pro-duction line project.Key words:high silicon limestone;crystalline silicon;10000t/d production line;grindability耗53 kWh/t，熟料单位热耗6 9 54.1 8 kJ/kg。工程使0前言用的石灰石原料来自自备矿山，该矿山石灰石中结我国石灰石资源总储量丰富，但是优质资源不多，根据相关资料已探明的优质石灰石资源矿只能开采不到40 年。作为水泥生产不可或缺的重要原料，随着近3 0 年水泥行业的蓬勃发展，大部分优质石灰石资源已经弥足珍贵，对石灰石资源的充分利用成为水泥企业必须面对的重要问题。无论是在新建水泥项目石灰石矿山选择过程中，还是从现有水泥企业的持续发展方面考虑，品质稍差的石灰石资源的利用均势在必行。本文将从设计角度出发，结合某万吨线项目分析介绍高硅石灰石原料在水泥生产过程中各个环节可能产生的影响并推荐相关解决方案，主要涉及高硅石灰石原料的破碎、输送、储存、粉磨及烧成等方面。1项目概况某新型干法熟料水泥生产线项目地处广东省梅州市境内，设计熟料产量1 0 0 0 0 t/d,设计综合熟料电原料煤失量w(Sio,)石灰石37.97黏土7.51页岩6.55铁质料5.63晶硅（燧石）含量较多，Si0,含量高时可达1 0%以上。一般来说,生产水泥熟料用的石灰石要求w(CaO)45%,w（S i 0,)4.0%。超高含量的Si0,对石灰石破碎机的寿命及破碎系统能力、各储库及相关设备的防磨措施选择、原料粉磨系统能力及产品细度、烧成系统产量及熟料质量都是十分严峻的考验，这些都是本次设计重点考虑的问题。本项目原材料化学分析见表1，相关主要设备配置见表2。由表1 可见，本项目石灰石SiO,含量高达11.44%，而二氧化硅含量高会导致石灰石磨蚀性高、原料易磨性差，从而影响生料细度，影响熟料烧成的反应速度，影响水泥熟料产量及质量。2应对高硅石灰石原料的主要相关设计2.1高硅石灰石破碎破碎设备选型前，设计对本项目石灰石进行了表1 原料化学组成%w(Al,O,)w(Fe,o,)11.441.1358.3117.2654.5022.4642.709.81水泥工程2023年第4期w(Cao)0.5246.4512.640.329.140.1627.5910.27w(MgO)1.180.460.950.85w(K,0)0.270.863.890.56w(SO,)0.400.080.040.06合计99.3697.4497.6997.47-5-设计研究程千里：高硅石灰石原料万吨线的设计措施表2 部分主要设备配置情况序号车间名称双转子单段锤式1石灰石破碎2破碎机石灰石预均侧式悬臂堆料机12化堆场桥式刮板取料机1原料粉磨及辊压机3废气处理五级双系列预热1器+在线分解炉4烧成系统回转窑篦式冷却机取样实验，实验结果显示Si0,含量为1 1.44%，金属磨损指数为0.0 6 9 2,磨蚀性较大。如仍按传统工艺流程采用普通材质的单段锤式破碎机来处理此类石灰石，该破碎机锤头寿命必将严重缩短，从而降低设备运转率，增加生产维修量，提高运行费用。为此，结合本工程矿山破碎车间台段布置情况（如台段足够高且一次性投入充足，可考虑采用二段破碎方案），本项目仍采用单段锤式破碎机流程，但采用更耐磨的复合锤头来增加锤头寿命，破碎机锤头的选择要求采用硬质合金1 6 0 kg特大高抗磨性复合锤头，极大地提高了锤头寿命（由40 50 万t提高至8 0万t左右)。2.2高硅石灰石转运及输送石灰石中SiO,含量过高，将极大增加各输送环节的磨损，设计过程中如不对各转运处溜子进行相应特殊处理，必将极大降低溜子的使用寿命，出现因溜子磨损而漏料、冒灰的情况，既损失原料、污染环境也可能因系统漏风,增高系统风量从而增加运行电耗。针对高硅石灰石原料,综合考虑SiO,含量及输送量等因素，设计过程中输送溜子主要采用表3中的方法处理。本项目设计产量为1 0 0 0 0 t/d,这就导致生产过程中各个环节物料输送量较大。另外由于本项目石灰石中SiO,含量过高，因此所有与石灰石相关的输送溜子必需进行防磨处理，具体如下：序号1采用普通钢材制作，但溜子设计成阶梯形（利用物料堆积，实现料磨料）2采用普通钢材制作，溜子设计成阶梯形，且在阶梯段增焊方钢或角钢采用普通钢材制作，溜子设计成阶梯形，且在阶梯段增焊方钢或角钢，同时3在漏子内部下侧及两侧下半部增焊耐磨材料（例如UP板）4采用耐磨材料制作，溜子设计成阶梯形,且在阶梯段增焊方钢或角钢水泥工程2023年第4期-6-主机名称球磨机数量2211溜子设计方案型号、规格、性能破碎能力：1 0 0 0 t/h；入料最大粒度：1.5m1.0m1.0m；出料粒度 50 mm达9 0%堆料能力:2 0 0 0 t/h取料能力:1 2 0 0 t/h生产能力：50 0 t/h；入磨粒度 50 mm；出磨细度：8 0 m筛余 1 2%粉磨能力：8 0 1 0 0 t/h；成品细度：8 0 m筛余1 0%1 2%，2 0 0 m筛余1%生产能力：1 1 0 0 0 t/d;C5和C4:2x9.5m;C3:2x9.0m;C2:28.8m;6m/6.2m/6.8m92m；生产能力：1 1 0 0 0 t/h；支撑：3 档；斜度：4%。生产能力：1 2 0 0 0 t/d；篦床面积：3 0 3.8 6 m；入料温度：1 40 0；约为50 0 t/h,此部分物料转运溜子需设计成阶梯形；（2）石灰石破碎、石灰石长胶胶带输送及石灰石预均化系统输送量在1 0 0 0 2 0 0 0 t/h，这三个车间所有物料转运溜子均需设计成阶梯形，且在阶梯段增焊方钢或角钢；（3）原料粉磨循环系统物料通过量约2 50 0 t/h且多为倾斜布置填充碎料的溜子，此部分溜子是全厂最易磨损的部分，因此设计中溜子需设计成阶梯形,且在阶梯段增焊方钢或角钢,同时在漏子内部下侧及两侧下半部适当增焊耐磨材料。2.3高硅石灰石原料储存大输送量高硅石灰石不仅对输送过程中的设备、溜子会产生极大磨损，对生产过程中石灰石储库（中转库、配料库、散装库)的内壁也会产生较大磨损。石灰石储库一般设计直径较小（1 2 m），无论是中转库、配料库还是散装库,其作用主要是缓冲或配料用，相对于每天近万吨的石灰石通过量，若SiO2含量偏高，时间一长必将造成对库壁的严重磨损,后期为了保证库体安全必需进行修补，由于环境特殊，施工难度大、周期长且投资巨大。因此,在此类储库的设计过程中，必需提前考虑,增加库内壁防磨处理，设计常规推荐方案是在库内壁增设耐磨钢轨，从而提升内侧耐磨强度，保证库体安全。表3 输送溜子设计C1:4x6.5m。分解炉9mx45m主传动功率：2 x2100kW出料温度：6 5+环境温度（1）原料配料系统及部分生料粉磨系统输送量SiO,含量偏高或输送量稍大的倾斜溜子SiO,含量增高、输送量增大的倾斜溜子SiO,含量较高、输送量极大的倾斜溜子SiO,含量极高、输送量极大的倾斜溜子设计条件程千里：高硅石灰石原料万吨线的设计措施设计研究项目在设计之初,综合考虑了以上因素,原料配料库直径确定为1 5m，但由于需同时供应两台50 0 t/h生料磨,库内石灰石流量仍较大,因此结构设计时在该库库壁增设了耐磨钢轨，详见图1 左。对比同类磨蚀性强原料，传统配料库未做防磨处理的储库使用两年后，库壁钢筋已经裸露或脱漏，库体安全受到威胁，见图1 右，本工程在这方面提前设计并处理，取得较好效果。2.4高硅石灰石原料易烧性实验鉴于本工程石灰石原料中硅含量较高，为了研样品烧失量w(Sio,)本项目石灰石37.97常规石灰石42.79黏土7.51页岩6.55铁质料5.63实验室煤灰1.29试样名称细度（0.0 8 mm筛余）方案IA101方案IB141方案IA101方案IIB141表6 易烧性实验结果试样名称熟料中f-Ca0含量/%方案IA0.57方案IB0.99方案IIA0.53方案IIB0.84从以上易烧性结果可以看出，生料细度降低约4%（0.0 8 m m 筛余），熟料中f-Ca0含量分别减少0.42%和0.3 1%,这说明在一定范围内，降低生料细度对生料易烧性有明显的影响,而石灰石中CaO含量高低对生料易烧性几乎没有影响。因此，设计过程中针对高硅石灰石原料的处理，主要是控制粉磨细度，而对烧成系统的配置没有特殊要求。2.5高硅石灰石原料粉磨根据实验结果，我们发现生料细度对原料易烧性有较大影响，因此生料粉磨系统的选择是本项目的一个重点。辊压机终粉磨系统是近期国产化并成功应用于实践的原料粉磨工艺系统，其系统节电效果显著,与传统立磨系统相比,生料电耗降低约3 5kWh/t,与立磨相比,辊压机的料床压力约是立磨料床压力的1 0 倍，因此辊压机高压作用下产生的细粉水泥工程2023年第4期究石灰石中硅含量及生料细度对烧成系统的影响，对本工程石灰石取样并与常规石灰石原料进行了综合实验对比。实验原料化学成分见表4，易烧性实验细度、配比见表5,实验结果见表6。仓壁防磨层细石混凝土图1高硅石灰石原料储库设计表4实验原料化学成分w(Al,O,)w(Fe,O,)w(Cao)w(MgO)w(K,O)11.441.132.390.2058.3117.2654.5022.4642.709.8155.9631.88表5易烧性实验细度、配比本项目石灰石常规石灰石58.8527.6942.2842.28具有微裂纹，同时细粉颗粒形状均为针状或片状，生易烧性等级料易烧性更好。本项目原料粉磨系统主要配备了两A+套RP200-180辊压机终粉磨系统，单套粉磨系统能A+力为50 0 t/h。A+如果石灰石原料中SiO,含量过高,粉磨过程中A+部分难磨的含结晶硅半成品的原料会在系统中循环,从而增加系统循环量,影响整体粉磨效率。这种现象如果得不到有效处理，势必影响生料细度，从而降低生料易烧性。为更好地适应石灰石中SiO,含量大的特点，在传统的生料辊压机终粉磨系统中，本项目设计增加了一台球磨机作为备用，当原料中SiO2含量过高，辊压机终粉磨系统无法满足熟料烧成需要的原料细度要求时,将难磨的SiO,从XR选粉机中分选出来，将这部分含结晶硅半成品的粗粉分一部分料至球磨机中粉磨，使其达到烧成细度要求后，再与辊压机粉磨后的生料成品混合进入生料库。这种在粉磨系统中剥离结晶硅的方案，可以在一定程度解决原料易磨性差的难题。本项目原料粉磨系统流程见图2。2.6高硅石灰石原料烧成实验结果显示，石灰石原料中SiO,含量对原料-7-%w(So,)合计0.5246.450.1253.9312.640.329.140.1627.5910.273.852.021.180.350.460.950.850.67黏土页岩2.946.876.476.720.270.863.890.561.09铁质料实验室煤灰3.110.531.730.530.400.050.080.040.060.2499.3699.8397.4497.6997.4797.00%设计研究程千里：高硅石灰石原料万吨线的设计措施易烧性影响不大。为了提高生产线技术指标,本项目采用中材国际工程股份有限公司（南京）设计的新型低阻高效预热预分解系统，该系统有对原燃料适应性宽、系统阻力低、热耗低、操作方便和稳定等特点。具体表现如下：辊压机球磨机图2 原料粉磨系统流程（1）改善旋风筒连接管道中气固换热。优化旋风筒连接管道风速，C1连接管设计风速约1 5m/s，C2C5连接管设计风速约1 4m/s；优化撒料装置，撒料板角度可设置成调节型，尽可能提升物料在管道中的分散度与增加气固换热时间，从而提高换热效果；根据撒料板角度，适当降低物料下料点，充分考虑下级旋风筒出口气流旋向对连接管道内物料运动与气固换热的影响。（2）提高旋风筒的分离效率,通过理论分析、数值模拟分析和工程实践经验，优化旋风筒结构，具体措施如下：旋风筒采用大蜗壳、短柱体的结构型式，在控制低进出口风速情况下，保持进口气体旋转动量矩；采用旋风自然长控制及尾涡隔离技术；严格控制漏风，C1料管采用双翻板阀锁风；旋65852525825852585852858888582525825828525528525852856585258582852852522585258652852825285826582885858852582528865(上接第4页）2 J S Owen,G Davies,R B Kelly.A comparison of the behav-iour of RHS bird beak T-joints with normal RHS and CHS sys-temsC.7th International Symposium on Tubular Structures,Hungary,1996,173-180.3 Christitsas A D,Pachoumis D T,Kalfas C N,et al.FEManalysis of conventional and square bird-beak SHS joint subject-ed to in-plane bending moment-experimental study J.Jour-nal of Constructional Steel Research,2007,63(10):1361-1372.4雷礼仪.方管“鸟嘴”型相贯节点平面内抗弯承载力的性能研究 D.西安：西安建筑科技大学,2 0 0 9.5 R.KEIZER,A.ROMEIJN,J.WARDENIER,et al.The fa-tigue behaviour of diamond bird beak T-jointsCj.I/TubularStructures X.2003:303-309.-8-风筒连接风管与进风口采用单边旋切的方式，以强化物料尽早靠壁，有利于提高物料的分离效率。（3）降低系统能耗。采用双系列五级预热器，降低预热器阻力，降低系统电耗；适当增大分解炉炉容。本工程采用分解炉大小为9m45m，可延长煤粉和物料在炉内的停留时间，降低分解炉出口气体温度，同时提高人窑物料分解率；降低系统的表面散热。在具有较高的性价比的前提下，确定烟室、分解炉、三次风管、窑头罩等高温设备采用新型低导热隔热材料，以降低设备的表面散热；对于非高温区热风设备，采用优质内保温材料，可减少热工设备表面散热损失，将会起到降低热耗的作用。（4）替代原燃料利用。本工程系统设计及设备选型兼顾未来加入替代原燃料的需要，设计可考虑处理城市生活垃圾、市政污泥等，将根据企业规划及当地配套政策适时实施该内容，按照项目设计规模，可处理城市生活垃圾及污泥总规模约1 0 0 0 t/d。3结语本工程石灰石原料中SiO,含量过高，造成原料磨蚀性大、易磨性极差，生产线规模的提高，放大了这些不利因素对生产过程的影响，为了从根源上解决这些问题，设计从多个方面展开有针对性的处理方案解决了原料对生产带来的不利影响。生产线投产后各个环节运转高效，各项技术指标十分先进。生产实践证明，该系统生产稳定可靠，熟料产量在1 0 50 0 t/d以上，熟料单位热耗小于6 9 0 4.1 8 kJ/kg，单位熟料电耗47 kWh/t，熟料2 8 d强度大于58MPa,效果良好。(收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 5)6程斌,钱沁.方型鸟嘴式T形方管节点的应力集中特性研究 J.土木工程学报,2 0 1 5,48(5):1-1 0.7程斌,段英豪,黄凤华，鸟嘴式K形方管节点疲劳性能试验研究 J.土木工程学报,2 0 2 1,54(1 1):2 7-3 6.8刘永强,童乐为.钻石鸟嘴式方管T形节点热点应力集中系数分析 .结构工程师,2 0 0 9,2 5(2):3 5-40,45.9姜磊,刘永健,王康宁.焊接管节点结构形式发展及疲劳性能对比 J.建筑结构学报,2 0 1 9,40(3):1 8 0-1 9 1.10李琛.钢桁架桥梁X形、K形鸟嘴式焊接节点的疲劳性能研究 D.上海交通大学,2 0 1 9.（收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 3）水泥工程2023年第4期