日产5500吨熟料预分解窑的预热器设计

1、武汉理工大学工程设计训练课程设计说明书 学 号： 课 程 设 计题 目日产5500吨熟料预分解窑的预热器设计学 院材料学院专 业材料科学与工程班 级姓 名指导教师2016年6月17日 工程设计任务书学生姓名： 专业班级： 材科1301 指导教师：李洪斌 工作单位： 材料学院 题 目: 日产 5500 吨熟料预分解窑的 预热器 系统设计一 初始条件：1 原料的化学分析结果 物料烧失量SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2ONa2OH2O石灰石43.811.450.650.3253.250.521.00粘土4.9565.5316.965.834.140.361.211.021.00铁粉

2、1.0137.093.0453.453.751.664.00煤灰58.6325.359.313.301.252.162 燃料煤的元素分析结果：Cad HadNadOadSadAadMad62.594.201.168.120.3122.611.013各种物料损失均按3计算 4其它资料:本设计工厂有自己的矿山，其它条件均符合建厂要求，工厂气象条件符合设计要求。大气压强（夏季）：720 mmHg温度：- 4 40 ，相对湿度：70 80，地下水位：2m 2.5 m二 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）：1) 设计计算说明书应包括以下内容：配料计算，物料

3、平衡计算和热量平衡计算、有关设备的选型计算或结构尺寸计算、附属设备的选型计算、耐火材料选材计算与散热计算，有关性能指标计算，设计及附属设备一览表、设计评述，参考资料。2) 画出有关设备的工艺布置图和主要剖面图（A2图纸）三 设计要求：1) 要求每个人独立完成，允许讨论，但不能抄袭，鼓励创新。2) 说明书要求 设计说明书必须包括有关计算部分的方法、步骤和结果。 有关设备的选型,设计说明书中应说明其选取依据，有关经验数据的选取，亦应说明其来源。3) 图纸的要求 图纸必须按工程图标准绘制，鼓励用计算机绘图。 图纸上必须注明设备主要尺寸及有关说明，图面应清洁、整齐。四 时间安排：2016.5.30-

4、2016.6.3 （第1周）： 查阅有关资料，进行有关设计计算；2016.6.6 - 2016.6.10（第2周）：绘制相关的图纸；2016.6.13 - 2016.6.17（第3周）：整理提交计算说明书、图纸以及其它设计资料，答辩。指导教师签名： 2016年 5月30日系主任（或责任教师）签名： 2016年 5月30日日产5500吨熟料预分解窑的预热器设计目录1.配料相关计算41.1煤灰掺入量41.1.2煤的低位发热量41.2计算熟料成份51.2.1 率值的选择52.燃烧计算83.物料与热量平衡计算93.1物料平衡103.1.1输入项目103.1.2输出项目133.2热量平衡计算153.2.

5、1输入项目153.3主要热工技术参数183.4物料平衡表183.5 热量平衡表194.悬浮预热器尺寸设计194.1旋风筒尺寸194.1.1各级旋风筒处理的气体量194.1.2旋风筒的直径和高度214.1.3旋风筒进风口尺寸224.2排气管（内筒）尺寸234.3旋风筒其他相关尺寸234.4旋风筒结构尺寸表245.耐火材料选材与散热计算245.1耐火材料的设计理念245.2 耐火材料的主要参数255.3材料的厚度计算255.3.1已知参数255.3.2材料厚度计算265.3.3散热量计算285.4旋风筒尺寸的修正286.参考文献291.配料计算物料的相关计算：物料烧失量SiO2Al2O3Fe2O3

6、CaOMgOSO3K2ONa2OH2O石灰石43.811.450.650.3253.250.521.00粘土4.9565.5316.96 5.834.140.361.211.021.00铁粉1.0137.093.0453.453.751.664.00煤灰58.6325.359.313.301.252.16煤元素分析结果：空干基CadHadNadOadSadAadMad含量62.594.201.168.120.3122.611.011.1煤灰掺入量1.1.2煤的低位发热量 空气干燥基与收到基作近似处理（1-P30 2.20）Qnet,ar=339Wc+1030WH-109(WO-WS)-25WN

7、 (kJ/kg)Qnet,ar=339*62.59+1030*4.20-109*(8.12-0.31)-25*1.16 =24663.72 kJ/kg1.1.2煤灰的掺入量100kg熟料中煤灰的掺入量可以按照下式进行计算(2-P78)： Q：熟料的热耗，kJ/kg熟料；S：煤灰沉落率，%；Qnet,ar：煤的低位发热量，KJ/kg；Aar：煤的收到基灰分含量，%采用的是预分解窑，参照表格说明，选择 S=100%，q=3050kJ/kg(1-P193表10.1)。由此可得煤灰掺入量：1.2计算熟料成份（率值公式法）2p73-761.2.1 率值的选择d结合1P193，对于预分解窑大都是采用高硅率

8、、高铝率、中饱和比的配料方案，即所谓的“两高一中”的配料方案，对于本次设计的设计熟料率值为KH=0.900.01，SM=2.500.1，IM=1.750.11.2.2计算的方法三组分配料率值公式来进行配料的计算1)对于三组分配料率值公式： 方程组 式中： x-灼烧基粘土量kg/（100kg熟料）； y-灼烧基铁粉量kg/（100kg熟料）； Ga熟料中煤灰掺入量（%）； 、率值系数（i=1-7），各率值系数计算式如下：2)代入相应的数据进行计算如下： 3）代入配料公式中解得： 4）将灼烧基原料换算成干燥基原料5）计算白生料即干燥基原料的配合比6）验算孰料的化学成分及率值原料配比LossSiO2

9、Al2O3Fe2O3CaOMgO其他石灰石81.17 35.90 1.59 0.53 0.27 43.27 0.42 0.00 粘土17.62 0.87 11.78 2.64 1.05 0.76 0.16 0.36 铁粉1.22 0.01 0.46 0.03 0.64 0.04 0.02 0.00 白生料36.78 13.83 3.20 1.96 44.08 0.61 0.36 灼烧基白生料21.88 5.06 3.10 69.72 0.96 0.56 灼烧基生料97.35 21.30 4.93 3.02 67.87 0.93 0.55 煤灰2.65 0.00 1.54 0.68 0.25 0

10、.09 0.03 0.06 熟料22.84 5.60 3.27 67.96 0.97 0.61 计算率值：将验证得的率值与题意要求目标值相比，可以看出各率值的误差：SM=2.58-2.575=0.005 < 0.1p=1.71-1.715=0.005 < 0.1；其误差值均在要求的范围之内且较小，即配料结果符合要求。1.2.3配料结果白生料 ： 石灰石=81.1 粘土=17.62% 铁粉=1.22%孰料： 灼烧基生料=97.44% 煤灰=2.56%湿基成分：由2p62 物料水分为：石灰石=1%，粘土=1%，铁粉=4%，求得湿物料配比为：名称湿基用量（份）湿基配比（%）湿石灰石81.

11、9981.17湿粘土17.80 17.62湿铁粉1.271.25合计101.05100.00 1.2.4计算湿物料配比及水分：2.燃烧计算(1-283-287)粉煤燃烧 空气过剩系数1.05-1.25（2-285.表6.12）取=1.2理论空气量： 实际空气量：理论烟气量: 实际烟气量： 烟气组成: 3.物料与热量平衡计算3窑型：预分解窑基准：1kg熟料；温度：0平衡范围：系统=预热器+分解炉+回转窑+冷却机温度：1. 入预热器生料温度：502. 入回转窑回灰温度：503. 入窑一次空气温度：304. 入窑二次空气温度：15005. 环境温度：306. 入回转窑和分解炉燃料的温度都为：607.

12、 入分解炉三次风温度：11008. 气力提升泵输送生料空气温度：509. 熟料出窑温度：136010废气出预热器温度：30011飞灰出预热器温度：340入窑风量比（%）:一次空气（k1）：二次空气（k2）：窑头漏风(k3)=8:90:2燃料比（%）:回转窑（Ky）：分解炉（KF）=40：60出预热器飞灰量：0.1kg/kg熟料出预热器飞灰烧失量：35.50%各处过剩空气系数：其中：气力提升泵喂料带入空气量占理论空气量的比例k5=0.09分解炉及窑尾漏风占分解炉用燃料理论空气量的比例k6=0.05电收尘和增湿塔综合收尘效率为99.9%系统表面散热损失：500kJ/kg熟料生料水分含量：1.061

13、%窑的产量：G=5000t/d=208.33t/h3.1物料平衡3.1.1输入项目3.1.1.1 燃料总消耗量：mr（kg/kg熟料）其中： 3.1.1.2生料消耗量，即入预热器物料量计算：a干生料理论消耗量 ： -干生料理论消耗量，kg/kg熟料-燃料应用基灰分含量，% -燃料灰分掺入量,取100%Ls-生料的烧失量，%b出袋收尘飞损及回灰量：myh-入窑回灰量，kg/kg熟料mfh-出预热器飞灰量，kg/kg熟料mFh-出收尘器飞灰损失量，kg/kg熟料-收尘器，增湿塔综合收尘效率，%c考虑飞损后干生料实际消耗量：mgs-考虑飞损后干料实际消耗量，kg/kg熟料LFh-飞灰烧失量，%d 考

14、虑飞损生料实际消耗量：ms-考虑飞损后生料实际消耗量，kg/kg熟料Ms-生料中水分含量，%e 入预热器物料量：3.1.1.3入窑系统空气量：a入窑实际空气量：其中入窑一次空气量，二次空气量及漏风量分别为：b 入炉的空气量：入分解炉的总空气量为： 漏风量： 窑气中的过剩空气量：煤粉气力输送泵带入分解炉内的空气量为：出入分解炉的三次风量c喂料带入空气量：d漏入空气量：预热器漏入空气量： 整个孰料烧成系统的漏风量：输入量总计：3.1.2输出项目3.1.2.1熟料：处预热器系统的飞灰量：3.1.2.2出预热器废气量：生料中物理水含量：生料中化学水含量：生料分解放出CO2气体量占生料的质量的百分比:燃

15、料燃烧生成理论烟气量：预热器系统的废气中过剩空气量： 总废气量：输出量总计：3.2热量平衡计算3.2.1输入项目：3.2.1.1煤粉的燃烧热：3.2.1.2燃料带入物理热：（060时熟料平均比热）3.2.1.3生料带入物理热：（050时，水的平均比热，干生料平均比热3.2.1.4入窑回灰带入热量：（050时，回灰平均比热 ）3.2.1.5空气带入热量：a入窑一次空气带入热量：（030时，空气平均比热 ）b入窑二次空气带入热量：（01350时，空气平均比热 ）c入分解炉三次空气带入热量：（1100时，空气平均比热）d 气力输送煤粉时入炉空气带入量e喂料带入空气所带入热量：（050时，空气平均比热

16、）f系统漏风带入热量：（030时，空气平均比热）输入热量之和：3.2.2输出项目：3.2.2.1熟料形成热：3.2.2.2蒸发生料中水分耗热量：（50时，水的汽化热 ）3.2.2.3废气带走的热量：3.2.2.4 出窑熟料带走热量：（01400时，熟料平均比热）3.2.2.5出预热器飞灰带走热量：（0340时，飞灰平均比热）3.2.2.6系统表面散热损失：输出热量之和： 列出收支热量平衡方程式： 即烧成1kg熟料需要消耗0.1192kg燃料。3.3主要热工技术参数 熟料单位烧成热耗： 熟料烧成热效率： 3.4物料平衡表 (单位: )物料平衡表收入项目数量%支出项目数量%燃料消耗量0.1192

17、3.83 熟料量132.48 入预热器生料量1.6548 53.13 出预热器飞灰量0.13.25 入窑空气量出预热器废气量入窑一次空气量0.0348 1.12 生料中物理水量0.0165 0.54 入窑二次空气量0.3919 12.58 生料中化学水量0.01650.54 入炉空气量生料分解产生CO2量0.5427 17.63 喂煤带入炉内空气量0.0042 0.01 燃料燃烧理论烟气量1.1008 35.75 入分解炉的三次空气量0.6490 20.84 烟气中过剩空气量0.3024 9.82 喂料带入的空气量0.0302 0.10 漏入的总空气量0.2304 7.40 合计3.1145

18、100.00 合计3.0789 100.00 3.5 热量平衡表 (单位: )收入项目数量%支出项目数量%燃料燃烧热2987.27 67.37 熟料形成热1809.3239.76 煤粉带入的物理热8.30 0.19 蒸发生料水分耗热78.651.73 生料带入的物理热71.00 1.60 废气带出热量666.1414.64 入窑回灰带入的物理热4.20 0.09 出窑熟料带出热量1466.0832.22 空气带入的物理热飞灰带出热量30.430.67 入窑一次空气带入热1.05 0.02 系统散热损失50010.99 入窑二次空气带入热568.63 12.82 入窑三次空气带入热785.15

19、17.71 喂煤风带入的物理热0.21 0.00 喂料风带入的物理热1.52 0.03 系统总漏风带入热6.94 0.16 合计4434.27 100.00 合计4550.62100.00 4.悬浮预热器尺寸设计4.1旋风筒尺寸4.1.1各级旋风筒处理的气体量预热器出口废气总量 喂料带入空气量 （1）第一级旋风筒 （300，-4500Pa）换算为工作态： 单位时间出口风量： （2）第二级旋风筒 （500，-3500Pa）由（1）得 换算为工作态： 单位时间出口风量：（3）第三级旋风筒 （650，-2700Pa） 换算为工作态： 单位时间出口风量：（4）第四级旋风筒 （780，-2100Pa）换

20、算为工作态：单位时间出口风量：（5）第五级旋风筒 （860，-1500Pa）换算为工作态：单位时间出口风量：旋风筒级数C1C2C3C4C5单位时间出口风量（m3/s）175.52 228.49 267.82 299.88 316.58 4.1.2旋风筒的直径和高度根据公式 ， 式中A表观截面流速（m/s）；可得：旋风筒的直径旋风筒级数C1C2C3C4C5A（m/s）66.26.46.66.8直径D（m）6.10 6.85 7.30 7.61 7.70 参照国外部分公司的旋风筒结构尺寸，进行旋风筒高度设计。设计时对于第一级旋风筒C1，一般H/D2（H = h1+h2）；对于其他级则选用H/D=1

21、.5 2 。（1）圆柱体的高度第一级旋风筒C1，h1=1.1D =6.713282m ；第二级旋风筒C2, h1=0.75D=5.137517m ；第三级旋风筒C3，h1=0.75D= 5.474539m 第四级旋风筒C4, h1=0.75D= 5.704515m第五级旋风筒C5, h1=0.75D= 5.774353m。（2）锥体高度 第一级旋风筒C1，一般取h2=h1 =6.713282 m ；其他级旋风筒, h2=(0.9 1.2)D；第二级旋风筒，取h2= 6.850022m ；第三级旋风筒，取h2= 7.299386m ；第四级旋风筒，取h2= 7.60602m ；第五级旋风筒，取h

22、2= 7.699137m ；（3）锥角根据，得1= 69.2 °，2=4=3=5=67.3°。式中：de排料口的直径（m） ；统一取de= 1m 。4.1.3旋风筒进风口尺寸（1）进风口的横截面积根据，可以算得F1= 9.75 （m2）， F2=912.69 （m2），F3= 14.88（m2）， F4= 16.66 （m2）， F5= 17.59（m2）。式中：in旋风筒进口风速（m/s）；一般取1520 m/s；这里取18 m/s 。（2）旋风筒进风口高、宽一般取b/a =12 ；旋风筒各级尺寸为：b1=4.19m , a1=2.33m ；b2=4.65m , a2=2

23、.73m ；b3=4.5m , a3=3.05m ；b4=5.16m , a4=3.23m ；b5=5.47m , a5=3.22m ；旋风筒进风口尺寸进旋风筒的风量V(m3/s)175.52 228.49 267.82 299.88 316.58 旋风筒进口风速win(m/s)1818181818进风口截面积F(m2)9.751 12.694 14.879 16.660 17.588 高宽比b/a1.81.71.61.61.7高b（m)4.19 4.65 4.88 5.16 5.47 宽a(m)2.33 2.73 3.05 3.23 3.22 4.2排气管（内筒）尺寸（1）内筒外径 d =(

24、0.50.6)D；取d1=3.7m d2=4.1m d3=4.4m d4=4.6m d5=4.6m 。（2）内筒插入深度：最上一级h3 /b约为1.8；中间各级h3可取（0.6-0.75）b最上一级旋风筒 C1 ：h3 =1.8b1=7.5m ；中间级旋风筒 C2 ：h3=0.6b2=2.8 m ； C3 ：h3=0.6b3=2.9 m ； C4 ：h3=0.6b4=3.1m ；最下一级旋风筒 C5 ：h3 =0.25b5=1.4m 排气管（内筒）尺寸d/D0.60.60.60.60.6d(m)3.661794.1100134.3796314.5636124.619482h3/b1.80.60

25、.60.60.25h37.541112.7872262.9274953.0977711.3670044.3旋风筒其他相关尺寸 （1）下料管位置及内径联接处高度h4/d2 ；各级h4= 7.32 m 。内径 d0 = m （2）旋风筒之间联接管道的内径： 可得：d1=3.74m ；d2=4.26m ；d3=4.62 m ；d4=4.89 m ；d5=5.02 m ；式中：V管道内气体的流量（m3/s）； 管道内气体的流速（m/s）；一般在1020，取=18 m/s 。 （3）旋风筒的钢板厚度 m第一级D1=8.1mm D2=8.9 mm D4=9.6mm D3=9.3mm D5=9.7mm ；（

26、4）由于本设计悬浮预热器的旋风筒进风口处理的风量较大，故综合考虑后，选择180°蜗壳式旋风筒进风口。其尺寸：扩张度f=a+c-(D-d)/2 ；偏心度e=f/2 ；偏心圆半径R1= e+D/2。其中c在0 (D-d)/2内 。表5-1 旋风筒进风口结构尺寸表旋风筒C1C2C3C4C5扩张度f1.8 2.1 2.2 2.3 2.3 偏心度e0.9 1.0 1.1 1.1 1.2 偏心圆半径R13.97 4.45 4.74 4.94 5.00 4.4旋风筒结构尺寸表表5-2 旋风筒结构尺寸表旋风筒级数一级二级三级四级五级筒数11111旋风筒直径D(m)6.10 6.85 7.30 7.6

27、1 7.70 内筒外径d (m)3.66 4.11 4.38 4.56 4.62 内筒深度h3(m)7.54 2.79 2.93 3.10 1.37 圆柱体高度h1 (m)6.71 5.14 5.47 5.70 5.77 锥体高度h2 (m)6.71 6.85 7.30 7.61 7.70 锥角 ( °)69.19 67.31 67.31 67.31 67.31 进风口高度b (m)4.19 4.65 4.88 5.16 5.47 进风口宽度a (m)2.33 2.73 3.05 3.23 3.22 排料口直径de (m)1下料管内径d0 (m)1.09 下料管联接处高度h4 (m)

28、7.32 联接管道内径dl (m)3.74 4.26 4.62 4.89 5.02 钢板厚度（mm）8.1 8.9 9.3 9.6 9.7 5.耐火材料选材与散热计算5.1耐火材料的设计理念 查参考资料【6】P1-2可知预热器对耐火材料一般有以下要求：预热器外层一般为导热系数低，强度也较低的保温材料，如轻质粘土砖；内层的工作面为有一定强度且能够较好抵抗碱性物质侵蚀的耐火材料；筒体最外层为钢板，厚度取=10mm。对于一、二级预热器，其耐火材料可采用黏土质耐碱耐火材料，以降低成本和提高保温效果；在碱含量达到一定数量并有可能逐步富集的部位，如三级以下的预热器，应考虑耐火度为1100以上的耐碱耐火材料

29、。5.2 耐火材料的主要参数根据参考资料【3】附录中的相关知识，查得如下参数：1.粘土砖：密度：最高使用温度：13001400平均比热：导热系数：2.轻质粘土砖：最高使用温度：1150平均比热：导热系数：3.钢板： 导热系数：5.3材料的厚度计算5.3.1已知参数假设：环境温度为：t1=30；预热器钢板内外壁温度为：tw2=tw1=70，耐火层外壁温度：t2；耐火层内壁温度（筒内温度, 见表4.1）：t3耐钢板厚度取：=10mm；旋风筒外径：d1；保温层外径：d2；耐火层外径：d3；耐火层内外侧温度差为30°C由5.2以及5.3中的数据可以得到各级旋风筒的耐火材料、保温材料的选择以及

30、各种材料的导热率如下表：表5.1 旋风筒材料的选择以及材料导热率旋风筒级数C1C2C3C4C5耐火材料选择黏土砖黏土砖黏土砖黏土砖黏土砖保温材料选择轻质粘土砖轻质粘土砖轻质粘土砖轻质粘土砖轻质粘土砖耐火材料导热率k11.0073 1.1262 1.2062 1.2822 1.3222 保温材料导热率k20.1214 0.1378 0.1488 0.1593 0.1648 5.3.2材料厚度计算5.3.2.1热流密度q的计算参考材工P193194可知，侧壁和锥体热流密度计算公式为：顶盖热流密度为：式中：1外壁面与周围空间之间的对流辐射综合换热系数，；其他各参数含义如前所述对于对流辐射综合换热系数

31、有：对于侧壁和顶盖的取值分别为2.56和3.26，因此可求得：侧壁的综合换热系数顶盖综合换热系数5.3.2.2厚度计算参考【3】p38表2.4中德国洪堡公司旋风筒结构尺寸的资料，可以查到钢板厚度与旋风筒耐火层厚度的比，从而得到各级旋风筒的耐火层厚度。利用试凑法，得出各级保温层厚度，利用各层热流密度相等，即 侧壁利用公式：顶盖利用公式：计算耐火层与保温层之间的温度，并进行校核，使得所得温度与5.3.1中设定的温度相符。试凑结果如下表：表5.2旋风筒各层材料的厚度以及壁面温度旋风筒级数C1C2C3C4C5钢板外壁温度tw1/7070707070环境温度t1/3030303030耐火层内侧温t3/3

32、00500650780860旋风筒内径D/m6.16.97.37.67.7/D0.0080.0090.0090.0090.009厚度钢板/m0.010.010.010.010.01耐火层/m0.04880.06210.06570.06840.0693保温层侧壁/m0.0480.1060.1570.2490.283顶盖/m0.0220.0420.0670.0950.111总厚度侧壁/m0.10680.17810.23270.32740.3623顶盖/m0.08080.11410.14270.17340.1903总直径/m6.31367.25627.76548.25488.4246热流密度侧壁W/

33、m9981.74520211471.9873812277.0280313050.7650613319.21735顶盖W/m2573.6613587573.6613587573.6613587573.6613587573.6613587耐火层外壁温度t2/侧壁/274.7904605470.8209785621.031079751.0212068831.4607182顶盖/272.0137216468.0870999618.6781756749.3138055829.9986928钢板温度侧壁/69.9369.2671.6871.1369.71顶盖/69.8735314569.8735314569.8735314569.8735314569.87353145根据试凑结果可知，由