水泥工厂预分解炉的设计-课程设计说明.doc

武汉理工大学《工程设计训练》课程设计说明书
日产7500吨熟料预分解窑的分解炉设计
1 原料配比计算
1.1煤的低位发热量计算
1.1.1燃料煤的原始资料
表1-1 工业分析结果：
Fcad
Vad
Mad
Aad
焦渣特性#
47.40
29.00
1.10
22.50
6

1.1.2低位发热量计算
查阅参考资料[1] 234 页，根据设计任务书给出的煤灰焦渣特性为6#：

据此判断此煤为烟煤，再根据焦渣特性为6(微膨胀熔融粘结)，查表可得：K1=339，则：

1.2煤灰掺入量计算
根据参考文献[2]中62页相关知识，取煤灰沉落率，可知：

1.3配料方案原始数据
1.3.1率值、热耗预设
表1-2 预设值
KH
SM
IM
Σ(%)

0.92
2.2
1.8
97.50
3200

1.3.2熟料成分预算

1.4递减试凑求配合比过程
1.4.1原料的原始资料
表1-3 原料的原始资料
数据

物料

烧失量

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

K2O

NaO

H2O
石灰石
43.93
1.75
0.64
0.32
52.88
0.52
—
—
—
1.00
粘土
4.52
64.55
17.85
5.92
4.50
0.93
—
1.11
1.01
1.00
铁粉
1.01
38.93
2.04
52.52
3.63
1.87
—
—
—
4.00
煤灰
—
58.91
26.35
8.44
3.01
1.21
2.10
—
—
—
1.4.2递减试凑过程
根据参考文献[3]中179页的相关知识，利用递减配料计算如下：
表1-4 递减法配料计算表（以100kg熟料为基准）
计算步骤
Si02
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO+SO3
及其他
计算过程说明
要求熟料成分
-2.89kg煤灰
21.337
1.702
6.235
0.762
3.464
0.244
66.464
0.087
2.500
0.096
扣除煤灰成分
差
-123.0kg石灰石
19.635
2.153
5.473
0.787
3.220
0.394
66.377
65.042
2.404
0.640

差
-25.6kg粘土
17.482
16.525
4.686
4.570
2.826
1.516
1.335
1.152
1.764
0.781

差
-2.4kg铁粉
0.957
0.934
0.116
0.049
1.310
1.260
0.183
0.087
0.983
0.045

差
0.023
0.067
0.050
0.096
0.938
—

1.4.3配合比计算
根据上表可求煅烧100kg熟料所需各种原料用量为：
石灰石 = 123.0kg
粘土 = 25.6kg
铁粉 = 2.4kg
各种原料配合比为：

1.5核算熟料化学成分与率值
1.5.1核算熟料化学成分
表1-5 生料、熟料化学成分表
名称
配合比%
Loss
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
石灰石
81.457
35.784
1.425
0.521
0.261
43.074
0.424
粘土
16.954
0.766
10.944
3.026
1.004
0.763
0.158
铁粉
1.589
0.016
0.619
0.032
0.835
0.058
0.030
生料
灼烧生料
100
100
36.566
—
12.988
20.475
3.579
5.642
2.100
3.311
43.895
69.198
0.612
0.965
97.11%的灼烧生料
煤灰
97.11
2.89
—
—
19.883
1.702
5.479
0.762
3.215
0.244
67.198
0.087
0.937
0.035
熟料
100
—
21.585
6.241
3.459
67.285
0.972

1.5.2核算率值

核算的率值与设定的率值相差不大，达到了预定的目标，继续进行下述设计。
1.5.3湿物料配比及水分计算
表1-6 湿物料配比及计算过程表
名称
湿基用量（份）
湿基配比
石灰石

粘土

铁粉

合计
101.060
100.000

湿物料水分含量：

各种物料损失均按3%计算，所以不影响各组分的含量。
2 平衡计算
查阅资料[4] 121页，得到各相关参数：
2.1相关参数设定
根据相关资料对相关参数的设定如下：
A、入预热器生料温度：50℃
B、入窑回灰温度：50℃
C、入窑一次风温：30℃
D、入窑二次风温：950℃
E、环境温度：30℃
F、入窑、分解炉燃料温度：60℃
G、入分解炉三次风温：1000℃
H、气力提升泵内输送生料的空气温度：50℃
I、熟料出窑温度：1300℃
J、废气出预热器温度：330℃
K、飞灰出预热器温度：340℃
L、一次空气量（K1）：二次空气量（K2）：窑头漏风量（K3）= 8：88：4
M、出预热器飞灰量：mfh = 0.1kg/kg熟料
N、燃料比：窑用燃料量（Ky）：炉用燃料量（KF）= 35：65
O、出预热器飞灰烧失量：Lfh = 35.90%
P、窑尾过剩空气系数：αy = 1.08
Q、分解炉出口过剩空气系数：αL = 1.10
R、预热器出口：αf = 1.4
S、预热器漏风量占理论空气量的比例：K4 = 0.16
T、气力提升泵喂料带入空气量占理论空气量的比例：K5 = 0.09
U、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
V、袋收尘器收尘效率为：η = 99.6%
W、系统表面散热损失：QB = 355kJ/kg-熟料
2.2物料平衡计算
基准：1kg熟料，温度：0℃。
范围：回转窑＋分解炉＋预热器系统。

图1 物料平衡图
2.2.1收入项目
按参考文献[4] 118页中的方法，可知：
2.2.1.1燃料总消耗量：mr（kg/kg熟料）
① 窑头燃料量：

② 分解炉燃料量：

2.2.1.2生料消耗量、入预热器物料量
⑴ 干生料理论消耗量：

⑵ 出电收尘飞损及回灰量：

⑶ 考虑飞损后干生料实际消耗量：

⑷ 考虑飞损生料实际消耗量：

⑸ 入预热器物料量：

2.2.1.3入窑系统空气量
根据参考文献[1] 242 页中介绍的计算方法：
⑴ 燃料燃烧理论空气量：

⑵ 入窑实际干空气量：

其中，入窑一次空气量，二次空气量及漏风量：

⑶ 分解炉从冷却机抽空气量：
① 出分解炉混合室过剩空气量：

② 分解炉燃料燃烧空气量：

③ 窑尾过剩空气量：

④ 分解炉及窑尾漏入的空气量：

⑤ 分解炉从冷却机抽空气量：

⑥ 气力提升泵喂料带入空气量：

⑦ 漏入空气量：
预热器漏入空气量：

窑尾系统漏入空气总量：

⑷全系统漏入空气总量：

2.2.2支出项目
2.2.2.1熟料
Msh = 1kg
2.2.2.2出预热器废气量
⑴ 生料中物理水含量：

⑵ 生料中化学水含量：

⑶ 生料分解放出CO2气体量：

⑷根据参考文献[1] 242 页介绍计算的方法，燃料燃烧生成理论烟气量：

⑸ 烟气中过剩空气量：

其中：

⑹ 总废气量：

2.2.2.3出预热器飞灰量

2.3热量平衡计算
按参考文献[4] 121 页中的方法，可知：

图2 热平衡图
2.3.1收入项目
2.3.1.1燃料燃烧化学热

2.3.1.2燃料带入物理热

（0～60℃时熟料平均比热Cr = 1.154kJ/kg·℃）
2.3.1.3生料带入物理热

（0～50℃时，水的平均比热Cw = 4.182kJ/kg·℃，干生料平均比热Cs=0.878kJ/kg熟料）
2.3.1.4入窑回灰带入热量

（0～50℃时，回灰平均比热Cyh = 0.836 kJ/kg·℃）
2.3.1.5空气带入热量
⑴ 入窑一次风温：

（0～30℃时，空气平均比热Cy1k = 1.298 kJ/Nm3·℃）
⑵ 入窑二次风温：

（0～950℃时，空气平均比热Cy2k = 1.403 kJ/Nm3·℃）
⑶ 入分解炉三次风温：

（0～1000℃时，空气平均比热CF2K = 1.409 kJ/Nm3·℃）
⑷ 气力提升泵喂料空气带入热量：

（0～50℃时，空气平均比热Csk = 1.299kJ/Nm3·℃）
⑸ 系统漏风带入热量：

（0～30℃时，空气平均比热CLOK = 1.298kJ/Nm3·℃）
2.3.1.6总收入热量
2.3.2支出项目
2.3.2.1熟料形成热

2.3.2.2蒸发生料中水分耗热量

（50℃时，水的汽化热qqh = 2380kJ/kg）
2.3.2.3废气出一级旋风筒热量

（0～330℃时，废气平均比热Cf = 1.131kJ/kg·℃）
2.3.2.4出窑熟料带走热量

（0～1300℃时，熟料平均比热Csh = 1.058kJ/kg·℃）
2.3.2.5出预热器飞灰带走热量

（0～340℃时，飞灰平均比热Cfh = 0.895kJ/kg·℃）
2.3.2.6系统表面散热损失
根据相关资料，设定：

2.3.2.7支出总热量

2.3.3列出收支热量平衡方程式

。
即：烧成1kg熟料需要消耗0.1283kg燃料。求得燃料的消耗量后，即可列出物料平衡列表和热量平衡表，并计算一些主要技术参数。
2.3.4物料平衡、热量平衡表
2.3.4.1物料平衡表（单位：kg/kg熟料）
表2-1 物料平衡表
收入项目
数量
%
支出项目
数量
%
⑴燃料消耗量
0.128
3.96
⑴熟料量
1.000
30.44
⑵入预热器生料量
1.647
50.94
⑵出预热器飞灰量
0.100
3.04
⑶入窑实际干空气量
0.408
12.62
⑶出预热器废气量

⑷分解炉抽空气量
0.745
23.04
①生料中物理水量
0.016
0.49
⑸气力提升泵送空气量
0.097
3.00
②生料中化学水量
0.019
0.58
⑹窑尾系统漏入空气量
0.208
6.43
③生料分解CO2量
0.538
16.38

④燃料燃烧理论烟气量
1.180
35.92

⑤烟气中过剩空气量
0.432
13.15
合计
3.233
99.99
合计
3.285
100.00

2.3.4.2热量平衡表（单位：kg/kg熟料）
表2-2 热量平衡表
收入项目
数量
%
支出项目
数量
%
⑴燃料燃烧热
3200.1
71.46
⑴熟料形成热
1817.0
40.57
⑵燃料显热
8.9
0.20
⑵蒸发生料水分耗热
85.6
1.91
⑶生料带入热
70.6
1.58
⑶废气带出热量
815.0
18.20
⑷回灰带入热
4.2
0.09
⑷熟料带出热量
1375.4
30.71
⑸入窑一次空气带入热
1.0
0.02
⑸飞灰带出热量
30.4
0.68
⑹入窑二次空气带入热
370.3
8.27
⑹系统散热损失
355
7.93
⑺入分解炉空气带入热
811.5
18.12

⑻气力提升泵送风带入热
4.9
0.11

⑼系统总漏风带入热
6.8
0.15

合计
4478.3
100.00
合计
4478.4
100.00

2.3.5主要热工技术参数
根据参考文献[5]中14页的公式，计算主要热工技术参数如下：
2.3.5.1 回转窑的发热能力

2.3.5.2 分解炉的热负荷

2.3.5.3水泥熟料的实际烧成热耗

2.3.5.4水泥熟料的理论热耗

2.3.5.5熟料烧成热效率

2.3.5.6回转窑内燃烧带的空气过剩系数

2.3.5.7分解炉内燃烧带空气过剩系数

2.3.5.8主要热工技术参数一览表
表2-3 主要热工技术参数一览表
回转窑的发热能力Qyr (kJ/h)
3.500×108
分解炉的热负荷QFr (kJ/h)
6.500×108
实际烧成热耗q (kJ/kg-熟料)
3200.13
理论热耗Qsh (kJ/kg-熟料)
1816.954
熟料烧成热效率ηs
56.78％
回转窑内空气过剩系数α1
1.080
分解炉内空气过剩系数α2
1.061
煤耗mr(kg/kg-熟料)
0.1283

3 分解炉尺寸计算与设计
3.1相关参数
表3-1 相关参数（按参考文献[5]中45页及参考文献[6]相关知识，选择SLC型分解炉。）

整个烧成系统的熟料产量

入窑生料的表观分解率
90
入窑生料的真实分解率
70
回转窑燃烧带内的过剩空气系数
1.080
分解炉内截面风速
8.0
分解炉内气流滞留时间
2.65
分解炉喷口处的气流速度
25
入分解炉风管(三次风管)内的平均风速
25
分解炉从冷却机抽空气量

3.2分解炉工作风量
3.2.1分解炉内的实际烟气量

3.2.2分解炉内因CaCO3分解放出来的CO2量

3.2.3窑气量

3.2.4分解炉工作风量

3.3分解炉的有效直径

3.4分解炉锥体部有效高度

3.5分解炉锥体下端口直径

3.6分解炉的有效高度

3.7分解炉的圆筒高度

3.8生料进料口直径
因SLC分解炉有三根预热生料进料管，所以：

3.9分解炉燃料进口直径
因SLC分解炉有两根燃料进料管，所以：

3.10入分解炉的三次风管直径
SLC分解炉的三次风管由分解炉下部进入，截面为圆形：

3.11 分解炉主要结构尺寸一览表
AF
DF
H2
H1
dF
di
ds
d
62.292m2
8.903m
5.342m
15.858m
1.277m
3.446m
0.763m
0.217m

4 分解炉耐火衬料的选材及散热计算
4.1耐火衬料的设计理念
根据参考文献[5]123页，耐火衬料的耐高温和隔热保温性能对于预热器系统非常重要，本设计中对分解炉、下面几级预热器以及联结管道可以采用耐碱的及耐磨的粘土砖，并加以隔热复合层，隔热复合层可采用膨胀蛭石。筒体最外层为钢板。
4.2主要参数
根据参考文献[7]中的相关知识，设定一下参数：
4.2.1粘土砖的部分性质
密度：
最高使用温度：～1400℃
平均比热：[kJ/kg·℃]
导热系数：[W/(m·℃)]
4.2.2隔热层膨胀蛭石的部分性质
密度：
允许使用温度：1100℃
平均比热：[kJ/kg·℃]
导热系数：[W/(m·℃)]
4.2.3钢板的部分性质
厚度：20mm
导热系数：[W/(m·℃)]
4.3厚度计算
4.3.1已知参数
查相关资料，设定：
平均散热系数取：[W/(m·℃)]
环境温度：℃
分解炉衬热面温度：℃
窑筒体表面温度：℃
耐火衬料内直径：
隔热复合层内直径：
隔热层内侧即耐火外侧温度：℃
4.3.2厚度计算

钢板内侧直径：

可知：

同理有：

可知：

总厚度：

耐火衬料厚度：

隔热层厚度：

4.3.3校核t2

相对百分误差：

在工程误差要求范围内，符合要求。

相对百分误差：

在工程误差要求范围内，符合要求。
综上所述：，符合要求。
4.3.4单位面积传热量计算
根据参考文献[1] 82页的计算公式，计算如下：
根据以上参数，由公式可计算出分解炉耐火衬料、隔热层以及钢板的单位传热量为：

在1m长度上(即在单位长度上)：

5 Auto CAD制图
在进行相关计算后，利用所计算的数据，进行设计制图。根据参考文献[5]中45页中SLC分解炉的图对SLC分解炉进行制图。利用参考文献[8][9]中的相关知识进行图副的设定、边框的绘制以及标题栏的绘制。做完这些准备工作后，根据SLC分解炉的尺寸，选择1：125的比例对SLC分解炉进行主视图、俯视图及左视图的绘制。对SLC分解炉的的筒壁进行1：6的放大，实现对筒壁的剖析，对其真实结构进行再现。最后对相关尺寸进行标注，对整个图形进行相关尺寸的标定。
另外，整个设计过程中的一些理念还参考了参考文献[10][11][12]中的相关知识，对整个设计起到了指导作用。
6 参考文献
[1] 孙晋涛.硅酸盐工业热工基础.武汉：武汉工业大学出版社，1991
[2] 李坚利.水泥工艺学.武汉：武汉工业大学出版社，1998
[3] 林宗寿.无机非金属材料工学.武汉：武汉理工大学出版社，1998
[4] 胡道和.水泥工业热工设备.武汉：武汉工业大学出版社，1992
[5] 姜洪舟.无机非金属材料热工设备.武汉：武汉理工大学出版社，2005
[6] 陈全德等.新型干法水泥生产技术.北京：中国建筑工业出版社，1984
[7] 钱之容等.耐火材料实用手册.北京：冶金工业出版社，1992
[8] 白文军.AutoCAD建筑绘图基础教程.北京：人民邮电出版社，2004
[9] 李运华.AutoCAD建筑制图实用教程（2008）.北京：清华大学出版社，2007
[10] 沈惠贤等.硅酸盐热工工程.武汉：武汉工业大学出版社，1991
[11] 郭俊才.水泥工厂实用新技术.北京：中国建材工业出版社，2000
[12] 江阑.水泥工程师手册.北京：中国建筑工业出版社，1998
7 设计评述与体会
时光荏苒，转眼间三周的《工程设计训练》课程设计接近尾声了，我们的设计任务也即将圆满地完成了!在这三周里我们经历了很多，学到的也很多。这次《工程设计训练》课程设计是对大学三年级所学的专业课知识及很多相关知识的综合运用，全面的考察了我们对所学知识的综合运用能力。本设计涉及到《无机非金属材料工学》、《硅酸盐工业热工基础》、《无机非金属材料热工设备》中所学的知识，以及Auto CAD制图等方面的知识，在设计过程中让我们对相关知识进行了系统的复习和应用，提升了自己在这些方面的知识的掌握和应用。当然，在设计过程中不可能一帆风顺的，走到现在我们经历了很多，克服了很多困难，跨过了许多的障碍。
《工程设计训练》课程设计在姜洪舟老师的精彩讲解下拉开了序幕，在姜老师的细心讲解下，我们信心满满的开始了设计计算。
第一阶段是设计计算，我们进行了配料计算、两大平衡的计算以及相关热工技术参数的计算，为设计分解炉打好基础。进行这些计算必须综合运用我们所学的各科知识，我们在摸索中前进，不懂的就认真看书和资料、大家一起讨论、通过电话请教老师来解决。本来以为会很简单的计算，在这个时候让我们感到措手不及——出现一点点小的错误就要重新的再计算一遍。起初觉得多算一次、两次没有什么关系，可是一连错五六次就让人感觉很麻烦了，尤其是自己的一点点疏忽而导致重新计算的时候就会感觉到心烦气躁。在好不容易算好了，准备接下来的工作的时候，老师又给了我们最新的资料，我们的数据又需要做新的调整，那个时候真的想到要放弃了。可是，最终我们都坚持下来了，我们一起走到了这个值得庆贺和骄傲的终点。《工程设计训练》课程设计教给我们的不仅仅是学习和巩固了专业知识，同时教会了我们如何去坚持，如何去努力完成一件事情。
第二阶段是分解炉的选择和尺寸计算以及分解炉耐火材料的选材和散热计算等问题。在这一阶段不但有第一阶段的计算问题，同时要注意自己的设计是否合理，一旦自己的设计不合理，就要进行重新设计，同样相关的数据就要进行重新计算。而这些需要我们不但的在资料上找相关的设计资料，然后一步步进行试探性的设计，知道最后满足要求。尽管这个过程很苦、很累，但是在算完了以后，看着自己算出来的分解炉的相关尺寸，想着接下来就可以进行最后一步的绘图就会觉得很有干劲、很满足。
第三阶段就是我们新接触的Auto CAD制图了，由于是新的东西，大家都很有兴趣。开始的时候都想试试，但当自己玩过了、基本的都会了后，开始绘制自己的图形时又觉得太简单了，没有什么意思。最后时间来不及的时候，大家匆匆忙忙赶的时候才发现自己还有好多东西都不会。可是大家一起讨论，最后我们都圆满的完成了自己的设计任务。绘图不但锻炼了我们使用Auto CAD制图的能力，同时让我们更加的团结了，我们懂得了互相帮助，共同去面对难题。
第四阶段，也就是《工程设计训练》课程设计说明书的书写。这是一项及其需要耐心的工作，对Microsoft Word 文档需要一定的了解。进行这项工作最关键的是要耐心，没有耐心只是敷衍着弄完的话固然很简单，可是持很认真的态度对待课程设计，就要认真的对待它的每个环节，那么在这一阶段就要很吃苦了。要慢慢的对公式进行编辑，对自己所算的数据进行输入，然后要检查自己是否有错误，最后还要对这个设计说明书进行排版。在这一阶段，我们对Microsoft Word 文档有了较为深的了解，同时锻炼了自己的意志，让自己能够心平气和的认认真真的完成一件任务。
《工程设计训练》课程设计结束了，通过本次课程设计的实践，我学到了许多在课本上学不到的知识：锻炼了我们的耐心，教会了我们要团结，要学会坚持。当然，最值得我们感谢的是姜洪舟老师！姜老师在整个课程设计的过程中对我们进行了孜孜不倦的指导和教诲，对我们所遇到的问题进行了认真地、详尽的回答，是我们最终能过完成《工程设计训练》课程设计的必要保障！
总而言之，本次《工程设计训练》课程设计使我们受益匪浅！
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