年产150万吨新型干法水泥生产线回转窑工艺设计说明书课程设计说明书.docx
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年产150万吨新型干法水泥生产线回转窑工艺设计说明书课程设计说明书
湖北理工学院
课程设计说明书
课程名称：
新型干法水泥生产技术与设备
设计题目：
年产150万吨回转窑热平衡计算
专业：
无机非金属材料工程
班级：
2010级
（一）班
学号：
201040940141
姓名：
刘成龙
成绩：
指导教师（签名）：
姜老师
设计时间：
2012.11.27——2012.12.7
原始资料
1.气候条件：
（1）当地大气压101.325Kp
（2）环境风速0m/s
（3）空气干球温度7℃ （4）空气相对湿度6％
2.物料的性质及工艺要求
（1）物料化学成分（%）
成分
项目
Loss
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
其它
合计
干生料
35.58
13.67
3.55
2.59
42.5
1.56
0.55
100
熟料
0
20.60
5.85
5.00
63.91
2.10
2.54
100
煤灰
0
40.50
16.72
10.85
15.97
5.42
5.51
5.03
100
（2）煤的工业分析及元素分析（%）
元素分析（%）
工业分析（%）
发热量QfDW
（kJ/kg煤粉）
Cf
Hf
Sf
Nf
Of
Vf
FCf
Af
Wf
66.48
4.08
0.35
1.17
11.84
30.40
53.52
11.28
4.80
25376
（3）熟料矿物组成
组分
C3S
C2S
C3A
C4AF
含量（％）
57.09
16.08
7.05
15.20
（4）熟料出冷却机温度tLsh=200℃ （5）如要煤粉温度tr=40℃
（6）一次空气入窑温度ty1k=36℃（7）入窑冷却机冷空气温度tk=36℃
（8）窑头漏风温度tyLOK=36℃（9）入冷却机冷空气量VLK=2.14Nm3/㎏熟料
（10）入窑风量比（%）。
一次风:
二次风:
窑头漏风=29:
64:
7
（11）燃料比（%）。
回转窑（Ky）:
分解炉（Kf）=47:
53
（12）废气出预热器温度tf=370℃
（13）出预热器飞灰量mfh=0.141kg/kg熟料
（14）电收尘器和增湿塔综合收尘效率为η=99.28%
（15）回收飞灰入窑温度tth=50℃
（16）气力提升泵料风比14.1kJ/Nm3
（17）喂料带入空气温度ts=50℃
（18）窑尾过剩空气系数ɑy=1.05
（19）分解炉漏风占分解炉燃料燃烧用理论空气量的0.05
（20）分解炉出口过剩空气系数ɑf=1.25
（21）系统热损失QB=540kJ/kg熟料
（22）熟料中燃料灰分掺辱的百分比ɑ=100
（23）生料水分Ws=0
（24）冷却机烟囱排出空气温度tpk=220℃
（25） 冷却水带出热量QLs=170kJ/kg熟料
（26）窑的设计产量：
年产150万吨
前言…………………………………………………………………………………………………4
一、物料平衡、热平衡计算………………………………………………………………………5
1.1物料平衡计算………………………………………………………………………………5
1.1.1收入项目……………………………………………………………………………5
1.1.2支出项目……………………………………………………………………………7
1.2热量平衡计算………………………………………………………………………………8
1.2.1收入项目……………………………………………………………………………8
1.2.2支出项目……………………………………………………………………………9
二、窑的计算………………………………………………………………………………………11
2.1.窑的规格……………………………………………………………………………………11
2.1.1直径…………………………………………………………………………………11
2.1.2长度…………………………………………………………………………………12
2.2回转窑斜度、转速及功率的计算…………………………………………………………12
2.2.1斜度和转速…………………………………………………………………………12
2.2.2功率…………………………………………………………………………………12
2.3风速核算……………………………………………………………………………………12
2.3.1烧成带标准风速……………………………………………………………………12
2.3.2窑尾工况风速………………………………………………………………………13
三、主要热工技术参数计算………………………………………………………………………13
3.1、熟料单位烧成热耗………………………………………………………………………13
3.2、熟料烧成热效率…………………………………………………………………………13
3.3、窑的发热能力……………………………………………………………………………13
3.4、燃烧带衬砖断面热负荷…………………………………………………………………13
四.结语……………………………………………………………………………………………14
五.参考文献………………………………………………………………………………………14
前言
当前世界水泥工业的发展是以节能、降耗、环保为中心，走可持续发展的道路。
与此相适应，水泥设备尤其是回转窑的资源化利用及应用中的环境行为等方面也成为研究的热点。
以预分解窑为代表的新型干法水泥生产技术是国际公认的代表当代技术发展水平的水泥生产方法。
具有生产能力大、自动化程度高、产品质量高、能耗低、有害物排放量低、工业废弃物利用量大等一系列优点，成为当今世界水泥生产的主要技术。
近年来，我国新型干法水泥生产技术得到了飞速发展。
尤其是进入21世纪，大批5000t/d熟料新型干法水泥生产线的建成、投产，标志着我国新型干法水泥生产技术已经成熟。
目前全国已建成的新型干法水泥生产线约400余条，产能达3亿多吨，占我国水泥总产量的32%以上。
回转窑系统作为新型干法水泥生产技术的重要一环，其设计事关水泥的产量和质量。
对窑系统的热工计算，确定单位熟料的热耗，有利于分析窑系统的热工技术性能。
同时也为优质，高产低耗及节能技改提供科学依据。
因此，以新型干法窑（NSP）的设计为契机，加深对水泥工艺相关知识的理解是很有必要的。
本次课程设计的题目是：
5000t/d熟料带TSD型分解炉的NSP窑设计，设计内容包括窑的规格计算确定、物料平衡计算、热平衡计算、主要热工技术参数计算以及NSP窑的初步设计（1张A1图纸，1张A2图纸）。
NSP窑包括预热器系统、分解炉和回转窑，本次设计只需画出回转窑及分解炉下方的烟气室，托轮的的剖面图。
一、物料平衡与热量平衡计算
基准：
1kg熟料，温度：
0℃；范围：
回转窑＋分解炉＋预热器
1.1物料平衡计算
1.1.1收入项目
（1）燃料总消耗量
mr=myr+mFr（kg/kg熟料）
（2）生料消耗量、入预热器物料量
a.干生料理论消耗量
mgsL＝
=
＝1.552－0.175mr（kg/kg熟料）
式中：
α—燃料灰分掺入量，取100％。
b.出预热器飞灰量
mfh=0.141（kg/kg熟料）
c.烟囱飞损飞灰量
mFh=mfh（1-η）=0.141×（1-0.9928）=0.001（kg/kg熟料）
d.入窑回灰量
myh＝mfh－mFh＝0.141－0.001＝0.14（kg/kg熟料）
e.考虑飞损后干生料实际消耗量
mgs=mgsL+mFh·
=（1.552－0.175mr）+0.001×
＝（1.553－0.175mr）（kg/kg熟料）
f.考虑飞损后生料实际消耗量
ms=mgs
＝（1.553－0.175mr）×
＝1.553－0.175mr（kg/kg熟料）
g.入预热器物料量
入预热器物料量＝ms＋myh＝（1.553－0.175mr）+0.14＝（1.693－0.175mr）（kg/kg熟料）
（3）入窑系统空气量
燃料燃烧理论空气量
V1K＝0.089Cf+0.267Hf+0.033（Sf－Of）=0.089×66.48＋0.267×4.08+0.033×（0.35－11.84）
＝6.627（Nm3/kg煤）
m'Lk＝V1K×ρ＝6.627×1.293＝8.569（kg/kg煤）
b.入窑实际干空气量
Vyh=αyV1Kmr=αyV1KKFmr＝0.47×1.05×6.627mr＝3.270mr（Nm3/㎏熟料）
myh=ρ×Vyh＝1.293×3.270mr＝4.229mr（Nm3/㎏熟料）
其中
一次空气Vy1k=3.270mr×0.29=0.948mr（Nm3/㎏熟料）
my1k=4.229mr×0.29=1.226mr（kg/kg熟料）
二次空气量Vy2k＝3.270mr×0.64＝2.093mr（Nm3/㎏熟料）
my2k＝4.229mr×0.64=2.707mr（kg/kg熟料）
熟料漏风VyLOk＝3.270mr×0.07＝0.229mr（Nm3/㎏熟料）
myLOk＝4.229mr×0.07＝0.296mr（kg/kg熟料）
c.分解炉从冷却机抽空气量
①出分解炉混合室过剩空气量＝（αF－1）V1Kmr＝（1.25－1）×6.627mr=1.657mr（Nm3/㎏熟料）②分解炉燃料燃烧理论空气量
0.53V1KmFr＝0.53×6.627mr=3.512mr（Nm3/㎏熟料）
③窑尾废气过剩空气量
（1.05－1）×0.47×6.627mr＝0.156mr（Nm3/㎏熟料）
④分解炉漏风量
VFLOK＝0.05×0.53×6.627mr＝0.176mr（Nm3/㎏熟料）
mFLOK＝VFLOK
=
（kg/kg熟料）
⑤分解炉冷却机抽空气量
VF2k＝1.657mr+3.512mr－0.156mr－0.176mr＝4.837mrNm3/㎏熟料
mF2k＝ρ×VF2k=1.293×4.837mr＝6.254mr（Nm3/㎏熟料）
d.气力提升泵喂料带入空气量
msh=ρ×VLk=（0.118－0.012mr）×1.293=（0.153-0.016mr）（kg/kg熟料）
E.进入冷却机冷空气量
VLk=2.14（Nm3/㎏熟料）
mLk=VLk×ρ=2.14×1.293=2.767（kg/kg熟料）
预热器漏入空气量
（Nm3/㎏熟料）
（kg/kg熟料）
物料总收入：
（kg/kg熟料）
1.1.2支出项目
（1）熟料
msh=1kg
（2）预热器出口飞灰量
（kg/kg熟料）
（3）冷却机烟囱排出空气量
（Nm3/㎏熟料）
（kg/kg熟料）
（4）出预热器废气量
a.生料中物理水含量
b.生料生成CO2气体量：
CO2s＝CaOs
＋MgOs
=42.50×
＋1.56×
＝35.10％
c.生料中化学水含量
H2OS＝Ls－CO2s＝35.58—35.10=0.48％
d.生料中化合水量
（Nm3/㎏熟料）
e.生料中分解的CO2
msco2=mgs×CO2s/100－mFh
＝（1.553－0.175mr）×
－0.001×
＝0.545－0.061mr（kg/kg熟料）
Vsco2=m3co2×22.4/44＝0.277－0.031mr（Nm3/㎏熟料）
f.燃料燃烧生成理论烟气量
Vrco2=
＝
×
mr＝1.241mr（Nm3/㎏熟料）
VrN2＝0.79V1K×mr＋
mr＝0.79×6.627mr＋
×
mr＝5.244mr（Nm3/㎏熟料）VfH2O＝
×
mr＋
×
mr＝（
×
＋
×
）mr＝0.517mr（Nm3/㎏熟料）
Vfso2=
×
mr＝
×
mr=0.002mr（Nm3/kg）
Vr＝Vrco2＋VrN2＋VrH2O＋Vrso2＝（1.122＋4.872＋0.456＋0.002）mr＝6.452mr（Nm3/kg）
mr=（m'LK＋l－
）mr＝（7.961＋l－
mr＝8.704mr（kg/kg）
e.烟气中过剩空气量
Vk＝（αf—1）V'Lkmr＝（1.40－1）×6.157mr＝2.463mr（Nm3/kg）
mk＝Vk×1.293=2.463×1.293＝3.185mr（kg/kg）
其中：
VkN2=0.79Vk=0.79×2.463mr＝1.946mr（Nm3/kg）
mkN2＝VkN2×
＝1.946×
mr＝2.433mr（kg/kg）
VkO2＝0.21Vk=0.21×2.463mr＝0.517mr（Nm3/kg）
mkO2=VkO2×
＝0.571×
mr=0.739mr（kg/kg）
f.总废气量
Vf=VCO2+VN2+VH2O+VO2+VSO2
=（0.281－0.072mr＋1.122mr）＋（4.872mr＋1.946mr）＋（0.004－0.001mr＋0.020－0.005mr＋0.456mr）＋0.517mr＋0.002mr＝0.305＋8.837mr
（3）出预热器飞灰量
mfh＝0.100（kg/kg）
1.2热量平衡计算
1.2.1收入项目
（1）燃料燃烧生成热
QrR＝mrQyDW＝23200mr（kJ/kg）
（2）燃料带入显热
Qr＝mrCrtr＝mr×1.154×60=69.240mr（kJ/kg）
（0～60℃时熟料平均比热Cr＝l.154kJ/kg·℃）
（3）生料带入热量
Qs=（mgsCs+mwsCw）ts＝[（1.560－0.401mr）×0.878十（0.003－0.001mr）×4.182]×50
＝69.111－17.813mr（kJ/kg）
（0～50℃时，水的平均比热Cw＝4.182KJ/kg℃，干生料平均比热Cs＝0.878kJ/kg）
（4）入窑回灰带入热量
Qyh＝mykCyhtyh＝0.100×0.836×50＝4.180kJ/kg
（0～50℃时，回灰平均比热Cyh＝0.836kJ/kg℃）
（5）空气带入热量
a.入窑一次空气带入热量
Qy1k＝Vy1kCy1kty1k＝0.10VykCy1kty1k＝0.10×2.586mr×1.298×25＝8.39mr（kJ/kg）
（0～25℃时，空气平均比热Cy1k＝1.298KJ/Nm3.℃）
b.入窑二次空气带入热量
Qy2k＝Vy2kCy2kty2k＝0.85VykCy2kty2k＝0.85×2.586mr×1.403×1100＝3392.3mr（kJ/kg）
（0～1100℃时，空气平均比热Cy2k＝1.403kJ/Nm3·℃）
c.入分解炉二次空气带入热量
QF2k＝VF2kCF2ktF2k＝4.310mr×1.403×900＝5442.2mr（kJ/kg）
（0～900℃时，空气平均比热CF2k＝1.403kJ/Nm3.℃）
d.气力提升泵喂料带入空气量
Vsk=（ms+msh）/14.4=（1.693-0.175mr）/14.4=（0.118-0.012mr
e.系统漏风带入热量
QLOK=VLOKCLOKtLOK=1.299mr×1.298×25＝42.153mr（kJ/kg）
（0～25℃时，空气平均比热CLOK＝1.298kJ/Nm3·℃）
总收入热量
Qzs＝QrR＋Qr＋Qs＋Qyk＋Qy1k+Qy2k＋QF2k＋Qsk＋QLOK
＝24200mr＋69.240mr＋（69.111－17.813mr）＋4.180＋8.39mr＋3392.3mr
＋5442.2mr＋0+42.253mr
＝73.291＋33136mr（kJ/kg）
1.2.1支出项目
（1）熟料形成热
Qsh=109+30.04CaOk+6.48Al2O3k+30.32MgOk-17.12SiO2k+1.58Fe2O3k
=109+30.04×66.67+6.48×5.38+30.32×0.58-17.12×22.34-1.58×3.65
=1776kJ/kg
（2）蒸发生料中水分耗热量
Qss＝（mws＋mks）qqh＝（0.003－0.001mr＋0.016－0.004mr）×2380
＝45.220－11.9mr（kJ/kg）
（50℃时，水的汽化热qqh＝2380kJ/kg）
（3）废气带走热量
＝[（0.281＋1.050mr）×1.921＋6.818mr×1.319＋（0.025＋0.450mr）×1.550＋0.517mr
×1.370＋0.002mr×1.965]×330
＝190.92＋4098.5mr（kJ/kg）
[0～340℃时，各气体平均比热：
CCO2＝1.921kJ/Nm3·℃；CN2＝1.319kJ/Nm3·℃；CH2O＝1.550kJ/Nm3·℃；
CO2＝1.370kJ/Nm3·℃；CSO2＝1.965kJ/Nm3·℃]
（4）出窑熟料带走热量
Qysh＝1×Cshtsh=1×1.078×1360＝1466.1（kJ/kg）
（0～1360℃时，熟料平均比热Csh=1.078kJ/kg.℃）
（5）出预热器飞灰带走热量
Qfh=mfhCfhtfh=0.100×0.895×300＝26.85（kJ/kg）
（0～300℃时，飞灰平均比热Cfh＝0.895kJ/kg·℃）
（6）系统表面散热损失
QB＝460kJ/kg
支出总热量
Qzc＝QSh＋Qss十Qf＋Qysh＋Qfh＋QB
＝1776＋（45.220—11.9mr）＋（190.92＋4098.5mr）＋1466.1＋26.850＋460
＝3965＋4086.6mrkJ/kg
列出收支热量平衡方程式
Qzs＝Qzc
73.291＋33136mr＝3965＋4086.6mr
求得：
mr＝0.1340（kg/kg）
即烧成1kg熟料需要消耗0.1340kg燃料。
求得燃料消耗量后，即可列出物料平衡（表1）和热量平衡表（表2），并计算一些主要热工技术参数
1物料平衡表
单位：
kg/kg熟料
收入项目
kg/kg熟料
%
支出项目
kg/kg熟料
%
燃料消耗量
0.1505
2.86
出冷却机熟料量
1.000
19.04
入预热器生料量
1.667
31.72
预热器出口飞灰量
0.141
2.68
一次空气量
0.184
3.50
预入器出口废气量
2.693
51.27
入冷却机冷空气量
2.767
52.65
冷却机烟囱排出空气量
1.419
27.01
生料带入空气量
0.150
2.86
合计
5.235
100.00
系统漏入空气量
0.337
6.41
合计
5.255
100.00
表2热量平衡表
单位：
kg/kg熟料
收入项目
kJ/kg熟料
%
支出项目
kJ/kg熟料
%
燃料燃烧热
3818.8
94.85
熟料形成热
1750.7
43.49
燃料显热
7.0
0.17
出冷却机熟料带走显热
165.0
4.10
生料带入显热
68.7
1.71
预热器出口废气带走显热
1036.6
25.75
入窑回灰带入显热
5.9
0.15
预热器出口飞灰带走显热
47.4
1.18
窑头一次空气带入显热
6.7
0.17
飞损飞灰脱水及分解耗热
0.1
0.00
入冷却机冷空气带入显热
99.2
2.46
冷却机烟囱排出空气显热
316.1
7.85
生料带入空气显热
7.6
0.19
系统表面散热损失
540
13.41
系统漏入空气显热
12.2
0.3
冷却水带走热量
170
4.22
合计
4026
100.00
合计
4026
100.00
二、窑的计算
2.1.窑的规格:
2.1.1直径
根据式
（1）计算窑有效内径
G熟料
（1）
其中，G熟料为窑的日产量4110t/d；Di为窑的有效内径为4.015m。
根据式
（2）计算窑筒体直径
（2）
其中，δ为回转窑用耐火材料厚度230mm。
对于直径大于4.0m的回转窑，其值一般为230mm。
因而
D=4.015+2×0.23=4.475m
根据建材行业标准JC331-91，D值取4.5m，则回转窑有效内径为4.02m。
2.1.2长度
预分解窑的长径比L/D≈10~20，且其长度还应按GB321优先数系列选配。
综合最近投产的4110t/d水泥熟料生产线情况，L值取68m，此时L/D=15.5。
由以上计算结果，回转窑的规格为φ4.5×70m。
根据国内外实际生产情况，该规格预分解窑产量一般在4000t/d以上，因而能满足设计要求。
2.2回转窑斜度、转速及功率的计算
2.2.1斜度和转速
预分解窑的斜度一般为3.5%~4%，最高转速可达4.5r/min。
根据统计，对于φ4.5×72m的预分解窑，当其斜度为3.5%，转速n为3.8r/min时，最高产量可达5500t/d以上。
考虑到实际生产中增产的可能性，所设计回转窑的斜度为3.5%，转速为3.8r/min。
2.2.2功率
回转窑功率可根据式（3）进行计算。
（3）
根据计算，
2.3风速核算
2.3.1烧成带标准风速
一般要求≤2Nm/s。
=1.42Nm/s
符合要求
=7.95m/s符合要求
Vyw——窑尾烟气量，m3/kg熟料
Tyw——窑尾温度，℃
Vyw＝
＝Ky·6.452mr+（αy-1）·6.157mr
=0.404m3/Kg
2.3.2窑尾工况风速
一般要求≤10m/s。
=7.95m/s符合要求
Vyw——窑尾烟气量，m3/kg熟料
Tyw——窑尾温度，℃
Vyw＝
＝Ky·6.452mr+（αy-1）·6.157mr
=0.404m3/Kg
三、主要热工技术参数计算
3.1、熟料单位烧成热耗
QrR=mr
＝0.1340×24200＝3242.8（kJ/kg）
3.2、熟料烧成热效率
ηs＝
×100％＝
×100％＝54.77％
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