特种水泥.docx - 冰点文库

资源描述

特种水泥.docx

《特种水泥.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《特种水泥.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

特种水泥.docx

特种水泥

攀枝花学院

学生课程设计（论文）

题目：

窑外分解水泥制备原理及工艺设计

学生姓名：

黄朝兵学号：

201111101019

所在院（系）：

材料工程学院

专业：

材料科学与工程

班级：

2011级材料科学与工程一班

指导教师：

李亮职称：

副教授

2013年12月16日

攀枝花学院教务处制

攀枝花学院本科学生课程设计任务书

题　目

窑外分解水泥制备原理及工艺设计

1、课程设计的目的

熟悉窑外分解水泥制备原理及生产工艺，培养学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力。

为进一步进行窑外分解水泥深入研究打基础。

2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）

设计内容:

（1）窑外分解技术概述

（2）水泥预分解窑工艺装备技术

（3）配料选择

（4）配料计算

设计要求:

（1）设计依据详实可靠

（2）对实际应用有指导意义

（3）格式规范

3、主要参考文献

《窑外分解水泥原理》

《新型干法水泥技术》

《新型干法水泥工艺设计手册》

4、课程设计工作进度计划

12月2号下发设计任务

12月5号初期指导

12月9号中期指导

12月11号定稿指导

12月16号完成设计任务

指导教师（签字）

日期

年月日

教研室意见：

年月日

学生（签字）：

接受任务时间：

年月日

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

题目名称

评分项目

分值

得分

评价内涵

工作

表现

20%

学习态度

遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。

科学实践、调研

通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。

课题工作量

按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。

能力

水平

35%

综合运用知识的能力

能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。

应用文献的能力

能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。

设计（实验）能力，方案的设计能力

能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。

计算及计算机应用能力

具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。

对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）

具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。

成果

质量

45%

插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度

符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。

设计说明书（论文）质量

综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。

创新

对前人工作有改进或突破，或有独特见解。

成绩

指导教师评语

指导教师签名：

年　月　日

1绪论

1.1前言

新型干法水泥生产技术是20世纪50年代发展起来，到目前为止，日本德国等发达国家，以悬浮预热和预分解为核心的新型干法水泥熟料生产设备率占95%，我国第一套悬浮预热和预分解窑1976年投产。

该技术优点：

传热迅速，热效率高，单位容积较湿法水泥产量大，热耗低。

发展阶段：

第一阶段，20世纪50年代～70年代初，是悬浮预热技术诞生和发展阶段。

第二阶段，20世纪70年代初期，是预分解技术诞生和发展阶段新型干法水泥的主要特点：

干法回转窑是18世纪末、19世纪初的窑型，它比立窑生产前进了一大步。

由于它所用生料是干粉，含水量<1%，比湿法生产减少了用于蒸发水分的大部分热量，而且也比湿法生产短，但干法中空窑无余热利用装置，窑尾温度一般都在700～950℃。

有些厂可看到烟囱冒火现象，热能浪费严重，每千克熟料热耗高达1713～1828kcal，而且灰尘大，污染严重。

生料均化差，质量低，产量也不高（均与湿法生产相比），曾一度被湿法生产所取代。

20世纪30年代初，出现了立波尔窑，在窑的尾部加装了炉篦子加热机，对含水分为12%～14%的生料球进行加热，使余热得到较好利用，窑尾温度从700℃以上降到100～150℃，热耗大幅度下降，产量和质量都得到很大提高。

20世纪50年代又出现了带旋风预热器窑，窑尾余热得到更好的利用。

尤其是20世纪70年代初出现的带窑外分解炉的新型窑生产线，将干法生产推向一个新阶段。

这种能耗低、产量高、质量好、技术新的窑已成为世界各国水泥生产的发展方向。

1.2窑外分解技术概述

1.2.1预分解窑

预分解窑是20世纪70年代发展起来的一种煅烧工艺设备。

它是在悬浮预热器和回转窑之间，增设一个分解炉或利用窑尾烟室管道，在其中加入30～60%的燃料，使燃料的燃烧放热过程与生料的吸热分解过程同时在悬浮态或流化态下极其迅速地进行，使生料在入回转窑之前基本上完成碳酸盐的分解反应，因而窑系统的煅烧效率大幅度提高。

这种将碳酸盐分解过程从窑内移到窑外的煅烧技术称窑外分解技术，这种窑外分解系统简称预分解窑。

1.2.2预分解窑煅烧的特点

（1）在一般分解炉中，当分解温度为820～900℃时，入窑物料的分解率可达85～95%，需要分解时间平均仅为4～10s，而在窑内分解时约需30多分钟，效率之高可想而知。

（2）由于碳酸钙的分解从窑内移到窑外进行，所以窑的长度可以大大缩短，降低占地面积。

（3）由于在分解炉内物料呈悬浮状态，传热面积增大，传热速率提高，从而使熟料单位热耗大大降低。

（4）由于减轻了回转窑的热负荷，延长耐火材料的使用寿命，提高窑的运转率，同时提高了窑的容积产量。

但由于对物料的适应性较差，容易引起结皮和堵塞，同时系统的动力消耗较大。

1.2.3预分解窑技术的发展

自20世纪50年代初期德国洪堡公司（KHD）研究成功悬浮预热窑、70年代初期日本石川岛公司（IHI）发明预分解窑以来，水泥工业熟料煅烧激射获得了革命性的突破，并推动了水泥生产全过程的技术创新。

50多年来，新型干法水泥生产技术发展已经经历了五大阶段。

第一阶段：

20世纪50年代初期至70年代初期。

伴随着悬浮预热技术的突破并成功应用于生产，新型干法水泥生产诞生，并随着悬浮预热窑的大型化而发展。

第二阶段：

20世纪70年代初期至中期。

伴随着预分解窑的诞生发展，新型干法水泥技术想水泥生产全过程发展。

同时，伴随着预分解技术的日趋成熟，各种类型的旋风预热器与各种不同的与预解方法相结合，发展成为许多类型的预分解窑。

在本阶段中，悬浮预热窑的发展优势逐渐被预分解窑所代替。

但是，必须认识到悬浮预热窑是预分解窑的母体，预分解窑是悬浮预热窑发展的更高阶段。

至今各种新型悬浮预热器在预分解窑发展的同时，仍在继续发展完善，发挥着重要作用。

第三阶段：

20世纪70年代中期至80年代中期。

1973年国际石油危机之后，油源短缺，价格上涨，许多预分解窑被迫以媒代油，致使许多原来以石油为燃料研发的分解炉难以适应。

通过总结改进，各种第二代、第三代分解炉应运而生，改善和提高了预热分解系统的功效。

第四阶段：

20世纪80年代中期至90年代中期。

伴随着悬浮预热和预分解技术日臻成熟，预分解窑旋风筒—换热管道—分解炉—回转窑—篦冷机（简称筒—管—炉—窑—机）以及挤压粉磨，和同它们配套的耐热、耐磨、耐火、隔热材料，自动控制，环保技术等全面发展和提高，使新型干法水泥生产的各项技术经济指标得到进一步优化。

第五阶段：

20世纪90年代中期至今。

生产工艺得到进一步优化，环境负荷进一步降低，并且成功研发降解利用各种替代原、燃料及废弃物技术，一新型干法生产为切入点和支柱，水泥工业向水泥生态环境材料型产业转型。

1.2.4预分解窑生产的特征

预分解窑法生产具有均化、节能、环保、自动控制、长期安全运转和科学管理六大保证体系，是当代高新技术在水泥工业的集成，其特征如下：

（1）生料制备全过程广泛采用现代化均化技术。

使矿山采运—原料预均化—生料粉末—生料均化过程，成为生料均化过程中完整的“均化链”；

（2）用悬浮预热及预分解技术改变了传统回转窑内物料堆积态的预热和分解方法；

（3）采用高效多功能挤压粉磨技术和新型机械粉体运输装置。

根据日本上潼具贞研究空气输送的动力系数μ（指单位时间内输送单位重量物料至单位长度所需动力）是提升机的2～4倍，是皮带输送机的15～40倍。

因此，采用新型机械输送代替空气输送粉体物料，节能是相当可观的；

（4）工艺设备大型化，使水泥工业向集约化方向发展；

（5）为“清洁生产和广泛利用废渣、废料、再生燃料和降解有毒有害危险废弃物创造了有利条件；

（6）生产控制自动化；

（7）广泛采用新型耐热、耐磨、隔热和配套耐火材料；

（8）应用IT技术，实现现代化管理等。

2水泥预分解窑工艺装备技术

2.1生料制备

　　水泥生料制备过程中CaO的标准偏差控制值随装备技术的发展而逐步减小。

（1）计算机三维模型系统在矿山设计中大量推广应用，矿山勘探时，取得完整的数据，在设计时，将矿山分成体积较小的CaO、SiO2、MgO、R2O等成分较为均匀的若干有限单元，在生产时搭配使用，在开采时，根据生产所需的成分，对各有限单元内矿石的化学成分通过计算机来进行搭配控制开采，做到所开采的矿石内所需的化学成分的均匀性。

（2）连接破碎机和预均化堆场的皮带输送装置输送的石灰石等物料的分析控制方式从离线分析转为在线分析，在测试装置中，使用较为广泛的是XRF分析测试控制装置和近年来出现的不需制备样品，可连续测试并能更快的对物料成分进行调整的中子测试仪。

上述测试装置与矿山计算机联网，能在预均化堆场内控制石灰石CaO标准偏差值小于±0.5%，加上误差精度小于±1%的块状或粉状喂料装置，可以精确控制入磨石灰石和各种校正原料，使原料在入生料磨前达到入人窑生料成分的要求。

（3）生料系统采用辊式磨。

辊式磨具有电耗低，生产能力和烘干能力大，场地节省的优点。

随着设计、制造技术、材质的改进，国内一些预分解窑生产线的辊式磨磨制生料中的石英砂岩的含量从3.3%至10%，金属磨耗量从3g/t至18g/t，磨辊的使用寿命达到8000h以上，而且磨制的生料颗粒级配均匀，大颗粒石英量少。

近年来，新出现的4辊辊式磨较原有的2辊辊式磨体积减小15%，产量高，运转率接近窑的运转率，完全满足生料细度和烘干的需求。

生料制备过程中，由于矿山开采的石灰石等主要原料的成分的均匀性得以提高，测试装置的分析调整速度快速提高，确保生料入磨前成分均匀，生料库的均化工作量的功能下降，此变化过程对生料质量有利。

2.2预分解窑煅烧工艺装备技术

预分解窑煅烧工艺装置是由预热器、分解炉系统、回转窑、篦冷机、三次风管和燃烧器等装备组成，上述装置创造了良好的煅烧条件，确保了熟料在较高的率值和较高的C3S含量时所需的煅烧温度，以及快速的升温速率，充分的燃烧状况和快速冷却条件，保证了熟料煅烧质量。

（1）预热器和上升管道的形式进一步优化，系统内的单项部件的结构和材质进一步改进，使预热器系统的效率进一步提高，生料在很短的时间内在各级预热器系统内进行热交换，不仅在预热器内反复循环的过程中得到加热，还进一步得到均化。

分解炉的结构及工艺尺寸使燃料有足够的时间燃烧，三风道燃烧器进一步提高了分解炉内煅烧温度，上述措施不仅提高了入窑物料的分解率，还可以扩大燃料品种，如低挥发分煤的应用。

目前一些性能优良的预热器分解炉系统的人窑物料分解率已达94%，因而窑的L/D趋势在缩短，出现了L/D=10～12的短窑。

（2）预分解窑转速已提高至3～4r/min，物料在窑内翻滚次数增加，有利于火焰和烟气对物料进行热交换，相应提高了物料在窑内温度的均匀性，减少物料表面和内部的温差，有利于熟料质量的均匀。

由于物料在窑内停留时间短，升温速度快，易生成晶格小于30μm的C3S熟料，有利于粉磨和提高水泥强度。

（3）空气梁篦冷机技术解决了厚层篦冷机冷风不易均匀透过料层的技术难点，冷风和高温熟料进行激烈的换热，一方面有利于熟料快速冷却；另一方面提高了二次、三次风温度，目前，篦冷机的热效率已提高至74%以上，且运转率大幅度提高。

（4）大窑门罩技术的出现，三次风从篦冷机中部转为窑门罩抽取，使入分解炉的三次风温和入窑煅烧的二次风温相等，测试表明上述温度超过920℃三次风温的提高，有利于分解炉内燃料的燃烧，相应提高了入窑物料分解率。

（5）多风道燃烧器的应用，煤粉经旋流风扩散形成快速燃烧，燃烧器的冲量可使不同挥发分的燃料在窑内燃烧，而且使烧成带具有高的燃烧温度且火焰峰值平稳，有利于熟料煅烧和窑皮的维护。

预分解窑装置技术的进展，系统热耗已降至3000kJ/kg以内，热耗愈低，燃料使用量就少，供燃烧的二次风量和三次风量相应就少，从篦冷机高温部位抽取的热风温度高，此外多风道燃烧器的一次风量已下降至6%～8%，因而预分解窑内的物料一直处在高温下煅烧。

总体说来，物料在预热器分解炉内迅速加热后进入人窑内，又在高温下迅速加热煅烧成熟料，由于窑内冷却带短，熟料很快进入篦冷机内快速冷却。

上述工况适宜于较高的熟料率值和C3S、C3A含量高的熟料，而且有利于生成C3S晶格小的熟料，再加上合理的冷却制度，对熟料强度和粉磨十分有利。

下图2-1为水泥预分解窑生产流程。

图2-1预分解窑的生产流程

3配料选择

3.1熟料率值的选择

我国目前硅酸盐水泥熟料采用饱和比（KH）、硅酸率（SM）、铝酸率（IM）三个率值控制熟料质量。

KH表示熟料中SiO2被CaO饱和成C3S的程度，KH值高，硅酸盐矿物多，溶剂矿物少，熟料中C3S含量越高，强度越高；SM表示熟料中硅酸盐矿物与溶剂矿物的比值，SM高，煅烧时液相量减少，出现飞砂料的可能性增大，增加煅烧难度；IM表示熟料中溶剂矿物C3A和C4AF的比值，IM高，液相黏度大，难烧IM低时黏度较小，对形成C3S有利，但烧成范围窄，不利于窑的操作。

硅酸盐水泥熟料配料率值和矿物组成建议范围见表3-1。

表3-1硅酸盐水泥熟料配料率值和矿物组成

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

立波尔窑

0.85-0.88

1.9-2.3

1.0-1.8

44-53

22-30

5-11

11-17

预分解窑

0.87-0.92

2.2-2.6

1.3-1.8

48-62

14-28

7-10

10-12

机立窑

适宜范围

0.86-0.93

2.0-2.5

1.1-1.5

有矿化剂

0.92-0.96

1.6-2.0

1.1-1.3

55-63

18-22

12-16

6-10

预分解窑

推荐值

0.88

2.50

1.60

适宜范围

0.86-0.90

2.40-2.80

1.4-1.9

查《新型干法水泥工艺设计手册》新型干法生产的熟料率值一般控制在：

KH=0.89±0.02；SM=2.4±0.1；IM=1.6±0.1。

3.2原料、燃料的原始数据

（1）原料、燃料化学组成见表3-2。

名称

Loss

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

R2O

石灰石

42.06

2.32

0.43

0.16

53.78

0.50

0.65

粘土

7.60

54.34

24.61

7.89

3.78

0.60

0.35

1.23

铁粉

0.35

33.88

10.39

49.07

3.64

1.88

砂岩

3.06

83.73

7.81

1.85

1.37

0.60

0.05

1.80

矿渣

1.06

33.74

15.13

1.51

37.44

8.39

0.15

0.62

石膏

20.89

2.61

0.94

0.38

31.31

0.89

42.01

煤灰

51.68

35.11

4.59

5.03

1.79

表3-2原料、燃料化学组成/%

（2）煤的工业分析见表3-3。

表3-3煤的工业分析

WY/%

VY/%

CY/%

AY/%

QYDW（kJ/kg）

4.76

27.20

49.40

19.50

23864

（3）物料的水分见表3-4。

表3-4物料的水分

成分

石灰石

粘土

铁粉

石膏

煤

矿渣

％

1.00

13.00

9.50

3.00

4.00

22.00

依据前面所确定的三个熟料的率值：

KH=0.88；SM=2.5；IM=1.6。

单位熟料热耗

3200kJ/kg，分析计算原料的配合比。

4配料计算

4.1计算煤灰的掺入量

（4-1）

式中：

GA——煤灰掺入量，以熟料百分数表示（100%）；

Qy——煤的应用基低热值（kJ/kg煤）；

——煤的应用基灰分含量（%）；

q——熟料烧成热耗（kJ/kg熟料）；

S—煤灰沉落率，%（窑外分解窑，有电收尘器的取100％）。

4.2物料平衡计算

（1）率值由以上述定为KH=0.88；SM=2.5；IM=1.6。

（2）设∑=97%

（4-2）

Al2O3=IM×Fe2O=3.45%×1.6=5.52%（4-3）

SiO2=SM（Al2O3+Fe2O3）=2.5×（5.52%+3.45%）=22.43%（4-4）

CaO=∑-（SiO2+Al2O3+Fe2O3）=97%-（22.43%+5.52%+3.45%）=65.60%（4-5）

——设计熟料过程中Al2O3、Fe2O3、CaO、SiO2四种氧化物含量的总和，

一般在97%左右。

（3）煤灰掺入量GA=2.61%。

（4）以100kg熟料为基准，用递减式凑法计算如下表4-1。

表4-1递减式凑法计算表/%

计算步骤

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

其他

要求熟料组成

22.43

5.52

3.43

65.60

3.0

-2.61kg煤灰

1.35

0.92

0.12

0.13

0.05

差

21.08

4.60

3.33

65.57

2.95

-120kg石灰石

2.78

0.52

0.19

64.54

1.26

差

18.30

4.08

3.14

1.03

1.69

-12kg黏土

6.52

2.95

0.95

0.45

0.26

差

11.78

1.13

2.19

0.59

1.43

-4.5kg铁粉

1.52

0.47

2.21

0.16

0.08

差

10.26

0.66

-0.25

0.44

1.35

-12kg砂岩

10.05

0.94

0.22

0.16

0.30

差

0.21

-0.28

-0.45

0.27

1.05

所以：

石灰石：

120kg，黏土：

12kg，铁粉：

4.5kg，砂岩：

12kg。

干原料质量百分比为：

干石灰石=120/（120+12+4.5+12）×100%=80.8%

干黏土=12/（120+12+4.5+12）×100%=8.1%

干铁粉=4.5/（120+12+4.5+12）×100%=3.0%

干砂岩=12/（120+12+4.5+12）×100%=8.1%

4.3计算干燥原料配合比

（1）生料的化学成分见表4-2

表4-2生料的化学成分/%

名称

配合比

烧失量

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

石灰石

80.8

34.11

1.88

0.35

0.13

43.62

砂岩

8.1

0.25

6.78

0.63

0.15

0.11

黏土

8.1

0.62

4.40

1.99

0.64

0.31

铁粉

3.0

0.009

1.02

0.31

1.47

0.11

生料

100

34.99

14.08

3.28

2.39

44.15

灼烧生料

—

21.66

5.05

3.68

67.91

煤灰掺入量GA=2.61%，则灼烧生料配合比为（100-2.61）%=97.39%。

（2）熟料的化学成分见表4-3

表4-3熟料的化学成分/%

名称

配合比

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

灼烧生料

97.37

21.09

4.91

3.58

66.45

煤灰

2.61

1.35

0.92

0.12

0.13

熟料

100

22.44

5.83

3.70

66.58

则熟料的率值计算如下：

=0.886（4-6）

=2.35（4-7）

=1.58（4-8）

（3）湿原料质量配合比

原料的水分：

石灰石1.00%，黏土13.00%，铁粉9.50%，砂岩0.00%。

则湿原料质量配合比为：

湿石灰石=80.8×100/（100-1.00）=81.62Kg

湿黏土=8.1×100/（100-13.00）=9.31Kg

湿铁粉=3.0×100/（100-9.50）=3.31Kg

湿砂岩=8.1Kg

将上述质量转化为百分数（计算结果四舍五入取值）：

湿原料的质量和=81.62+9.31+3.31+8.1=102.34Kg

湿石灰石=81.62/102.34×100%=79.75%

湿黏土=9.31/102.34×100%=9.10%

湿铁粉=3.31/102.34×100%=3.23%

湿砂岩=8.1/102.34×100%=7.91%

4.4熟料矿物组成及最大液相量的计算

（1）最大液相量的计算

140℃时：

P=2.95A+2.2F=2.95×5.83+2.2×3.70=25.3（4-9）

1450℃时：

P=3.0A+2.25F=3.0×5.83+2.25×3.70=25.8

（2）矿物组成的计算

（4-10）

（4-11）

（4-12）

（4-13）

（3）熟料液相量的计算

液相量L是熟料在不同温度下的液相百分数，液相量高低与烧结温度、组分含量有关，工程上常用1400℃和1450℃以下的液相量来考虑配料方案是否合理，以及分析窑的操作情况。

本设计中采用技术先进的预分解窑，其热工制度良好、烧结温度一般为1450℃

因此，L=3.00A+2.25F+R%（4-14）

R=80.8×0.0065+8.1×0.0123+3.0×0+8.1×0.0180=0.85

则L=3.00×5.83%+2.25×3.70%+0.85%=26.65%

这个数值在

展开阅读全文