日产8000t水泥熟料预分解窑系统TDF分解炉单元结构设计

西南科技大学本科生课程设计指导教师指导记录表指导教师姓名职称工作单位学生姓名学号专业设计题目：指导时间指导内容备注：1.本表由学生填写，指导教师确认。2.表中记录检查、指导的实际内容。3.本表格不够可自行扩页。学生（签名）指导教师（签名）课程设计考勤表学生班级：学生姓名：周星期一星期二星期三星期四星期五2021课程设计评语表指导教师评语：指导教师评语：指导老师：月日《无机非金属材料工艺设备课程设计》成绩评分表姓名：学号：专业：评分项目分值评价参考标准得分优秀(≥)良好(≥)中等(≥)及格(≥)不及格（<）说明书方案设计的合理性1098766设计计算与工艺设备选型计算1513.51210.599查阅文献的能力1098766说明书撰写规范1098766平时表现设计态度，钻研精神及完成任务1513.51210.599设计图纸质量工艺流程合理，图纸正确清晰，绘制规范，图纸内容表达完整；软件使用和计算机绘图能力403632282424总成绩目录1、原始数据资料 62、配料计算与物料和主机平衡 82.1配料计算： 82.1.1原料原始数据 83.燃烧计算 94.物料与热量平衡计算 104.1物料平衡 114.2热量平衡计算 174.4热量平衡表(单位:kJ/㎏熟料) 215、分解炉尺寸计算 225.1选择窑型和分解炉的结构尺寸计算 225.1.1分解炉用燃料燃烧产生的烟气量 225.1.2分解炉内释放出来的CO2量 225.1.3入分解炉的出窑废气量 235.2分解炉直筒的有效截面积和内径 245.3分解炉和直筒高 245.4分解炉锥体缩口内径 245.5入分解炉的三次风管直径 255.6生料进料口直径 256、耐火材料选材与散热计算 266.1耐火材料总体设计 266.2材料主要性质 276.3散热量计算 276.4耐火材料厚度对分解炉筒体尺寸的修正 277、心得体会 281、原始数据资料（1）水泥品种：P.O42.5R普通硅酸盐水泥（2）原燃材料的成分分析原材料的化学分析见表1，煤的工业分析结果见表2，原材料的初始水分见表3。表1原材料化学组成（wt%）LSAFCMR2OSO3结晶水石灰石42.781.230.700.2053.831.320.20粘土5.4864.4914.355.481.612.213.20.85铁粉--34.4211.5348.273.530.09石膏20.843.610.570.2831.942.0440.5316.78矿渣35.0614.282.441.348.430.03煤灰50.2939.633.264.541.33表2煤的工业分析（wt%）MarMadVarAarCCRCQnet,ar(kJ/kg)Qnet,ad(kcal/kg)原煤9.4

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表3原材料的初始水分（wt%）石灰石粘土铁粉矿渣石膏35481(3)熟料率值：KH0.890.92SM2.32.5IM1.31.6(4)熟料的烧成热耗：29403092(KJ/㎏)

2、配料计算与物料和主机平衡2.1配料计算：2.1.1原料原始数据原燃料化学成分表2-1原料的化分分析LSAFCMR2OSO3结晶水石灰石42.781.230.700.2053.831.320.20粘土5.4864.4914.355.481.612.213.20.85铁粉--34.4211.5348.273.530.09石膏20.843.610.570.2831.942.0440.5316.78矿渣35.0614.282.441.348.430.03煤灰50.2939.633.264.541.33原、燃料水分表2-2原、燃料水分表石灰石粘土铁粉矿渣石膏35481煤的工业分析表2-3煤的工业分析及发热量（%）MarMadVarAarCCRCQnet,ar(kJ/kg)Qnet,ad(kcal/kg)原煤9.4

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2.2.2物料平衡计算（1）率值参考教材定为KH=0.88；SM=2.5；IM=1.6。（2）设∑=97%Al2O3=IM×Fe2O=3.45%×1.6=5.52%SiO2=SM(Al2O3+Fe2O3)=2.5×（5.52%+3.45%）=22.43%CaO=∑-(SiO2+Al2O3+Fe2O3)=97%-（22.43%+5.52%+3.45%）=65.60%——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2-4。表2-4递减式凑法计算表/%计算步骤SiO2Al2O3Fe2O3CaO其他要求熟料组成22.435.523.4365.603.0-2.611.350.920.120.130.05差21.084.603.3365.572.95-120kg石灰石2.780.520.1964.541.26差18.304.083.141.031.69-12kg6.522.950.950.450.26差11.781.132.190.591.43-4.51.520.472.210.160.08差10.260.66-0.250.441.35-1210.050.940.220.160.30差0.21-0.28-0.450.271.05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%2.2.3计算干燥原料配合比（1）生料的化学成分见表2-5表2-5生料的化学成分/%名称配合比烧失量SiO2Al2O3Fe2O3CaO石灰石80.834.111.880.350.1343.62砂岩8.10.256.780.630.150.11黏土8.10.624.401.990.640.31铁粉3.00.0091.020.311.470.11生料10034.9914.083.282.3944.15灼烧生料——21.665.053.6867.91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2-6表2-6熟料的化学成分/%名称配合比SiO2Al2O3Fe2O3CaO灼烧生料97.3721.094.913.5866.45煤灰2.611.350.920.120.13熟料10022.445.833.7066.58则熟料的率值计算如下：==0.886==2.35==1.58（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%2.2.4熟料矿物组成计算（1）最大液相量的计算140℃时：P=2.95A+2.2F=2.95×5.83+2.2×3.70=25.31450℃时：P=3.0A+2.25F=3.0×5.83+2.25×3.70=25.8（2）矿物组成的计算（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%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22%—30%范围内，故能满足生产的要求。3.燃烧计算粉煤燃烧空气过剩系数1.05-1.25（参考资料[2]-285.表6.12）不妨取α=1.2，得：理论空气量：实际空气量：理论烟气量:实际烟气量：烟气组成:4.物料与热量平衡计算窑型：预分解窑基准：1Kg熟料；温度：30℃平衡范围：系统=预热器+分解炉+回转窑+冷却机温度：=1\*Arabic1.入预热器生料温度：50℃=2\*Arabic2.入回转窑回灰温度：50℃=3\*Arabic3.入窑一次空气温度：30℃=4\*Arabic4.入窑二次空气温度：950℃=5\*Arabic5.环境温度：30℃=6\*Arabic6.入回转窑和分解炉燃料的温度都为：60℃=7\*Arabic7.入分解炉三次风温度：740℃=8\*Arabic8.气力提升泵输送生料空气温度：50℃=9\*Arabic9.熟料出窑温度：1360℃=10\*Arabic10废气出预热器温度：370℃=11\*Arabic11飞灰出预热器温度：330℃入窑风量比（%）:一次空气（k1）：二次空气（k2）：窑头漏风(k3)=15:80:5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：35.20%。各处过剩空气系数：窑尾：分解炉出口：预热器出口：其中：预热器漏风量占理论空气量的比例k4=0.16。气力提升泵喂料带入空气量占理论空气量的比例k5=0.09。折合料风比为19.8Kg/Nm3。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99.6%。系统表面散热损失：480kJ/kg熟料。生料水分含量：Ws=1.057%。窑的产量：G=8000t/d=250t/h。4.1物料平衡4.1.1收入项目4.1.1.1燃料总消耗量：mr（kg/kg熟料），其中：4.1.1.2生料消耗量，即入预热器物料量计算：=1\*alphabetica、干生料理论消耗量：式中：mgsL-干生料理论消耗量，Kg/Kg熟料。Aad-燃料应用基灰分含量，%。α-燃料灰分掺入量,取100%。Ls-生料的烧失量（%），等于烧失量×生料配比之和。即：=2\*alphabeticb、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。η-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Lfk-飞灰烧失量，%=4\*alphabeticd、考虑飞损生料实际消耗量：式中：ms-考虑飞损后生料实际消耗量，Kg/Kg熟料。Ws-生料中水分含量，%。=5\*alphabetice、入预热器物料量：4.1.1.3入窑系统空气量：=1\*alphabetica、燃料燃烧理论空气量：b、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分别为：=3\*alphabeticc、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：其中：d、气力提升泵喂料带入空气量：=5\*alphabetice、漏入空气量：预热器漏入空气量：窑尾系统漏入空气总量：全系统漏入空气总量：4.1.2支出项目4.1.2.1熟料：=1kg4.1.2.2出预热器废气量：=1\*GB3①生料中物理水含量：=2\*GB3②生料中化学水含量：=3\*GB3③生料分解放出CO2气体量:其中：CaOs,MgOs-分别为干生料中CaO,MgO的含量。=4\*GB3④燃料燃烧生成理论烟气量：=5\*GB3⑤烟气中过剩空气量：其中：=6\*GB3⑥总废气量：4.1.2.3出预热器飞灰量：4.2热量平衡计算4.2.1收入项目：4.2.1.1燃料燃烧生成热：4.2.1.2燃料带入物理热：（0—60℃时熟料平均比热=1.154·℃）4.2.1.3生料带入物理热：（0—50℃时，水的平均比热Cw=4.182·℃，干生料平均比热Cs=0.878熟料）4.2.1.4入窑回灰带入热量：（0—50℃时，回灰平均比热Cyh=0.836·℃）4.2.1.5空气带入热量：=1\*alphabetica、入窑一次空气带入热量：（0—30℃时，空气平均比热Cy1k=1.298kJ/Nm3·℃）=2\*alphabeticb、入窑二次空气带入热量：（0—950℃时，空气平均比热Cy2k=1.403kJ/Nm3·℃）=3\*alphabeticc、入分解炉二次空气带入热量：（0—740℃时，空气平均比热CF2K=1.377kJ/Nm3·℃）=4\*alphabeticd、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·℃）=5\*alphabetice、系统漏风带入热量：（0—30℃时，空气平均比热CLOK=1.298kJ/Nm3·℃）总收入热量：4.2.2支出项目：4.2.2.1熟料形成热（[5]-25）：考虑碱的影响，修正如下：4.2.2.2蒸发生料中水分耗热量：（50℃时，水的汽化热qqh=2380kJ/kg）4.2.2.3废气带走的热量：（0-370℃各气体平均比热：CCO2=1.921kJ/kg·℃，CN2=1.319kJ/kg·℃，CH2O=1.550kJ/kg·℃，CO2=1.370kJ/kg·℃，CSO2=1.965kJ/kg·℃）4.2.2.4出窑熟料带走热量：（0—1300℃时，熟料平均比热Csh=1.078kJ/kg·℃）4.2.2.5出预热器飞灰带走热量：（0—340℃时，飞灰平均比热Cfh=0.895kJ/kg·℃）4.2.2.6系统表面散热损失：支出总热量：列出收支热量平衡方程式：即：烧成1kg熟料需要消耗0.1339kg燃料。4.3物料平衡表(单位:㎏/㎏熟料)收入项目数量%支出项目数量%燃料消耗量0.13393.85熟料量1.00029.34入预热器生料量1.63547.1出预热器飞灰量0.1002.934入窑实际干空气量0.51014.69出预热器废气量分解炉抽空气量0.89725.84生料中物理水量0.0170.499气力提升泵送空气量0.1073.08生料中化学水量0.0190.558窑尾系统漏入空气量0.1885.42生料分解CO2量0.53415.67燃料燃烧理论烟气量1.31638.62烟气中过剩空气量0.42212.38合计3.471100.00合计3.408100.004.4热量平衡表(单位:kJ/㎏熟料)收入项目数量%支出项目数量%燃料燃烧热301073.78熟料形成热1781.238.18燃料显热9.2710.20蒸发生料水分耗热83.4471.79生料带入热69.6241.49废气带出热量824.2517.64回灰带入热4.1630.09熟料带出热量1466.08031.43入窑一次空气带入热2.3050.05飞灰带出热量30.4300.65入窑二次空气带入热420.89.024系统散热损失480.00010.29入分解炉空气带入热707.415.17气力提升泵送风带入热5.440.117系统总漏风带入热7.6540.164合计4662.56100.004662.9100.005、分解炉尺寸计算5.1选择窑型和分解炉的结构尺寸计算NSF炉是比较先进的分解炉种类，它是原有SF分解炉的发展、改进型，其气流运动为旋流-喷流型。这种炉的优点是，气固之间的混合得到了改善，燃料燃烧完全，碳酸盐的分解程度高，热耗低。生料和燃料的混合和扩散比较均匀，燃烧的能量能以强制对流的形式立即传给生料颗粒，炉内处于800-900℃的低温无焰燃烧状态，温度比较均匀，传热效率很高，分解率可达85%-95%。故确定选择SF系列分解炉中的NSF型分解炉，窑气通过分解炉，取分解炉内温度为900℃。由参考资料[5]P145-146分解炉内工作风量等于分解炉用燃料燃烧产生的烟气量、分解炉内释放出来的量与入分解炉的出窑废气量之和。5.1.1分解炉用燃料燃烧产生的烟气量其中，，G=250t/h，代入数据5.1.2分解炉内释放出来的CO2量(Nm3/s)其中为分解炉内生料的真实分解率，一般可达65%~75%,取=70%。KCO2为普通生料烧成1kg熟料由碳酸盐分解出来量：其中，ms为实际生料消耗量，Ws为物料损失百分比，Ls为实际生料烧失量，mhs为实际生料中的化学水含量,代入数据5.1.3入分解炉的出窑废气量其中y为回转窑内燃烧带内的过剩空气系数，取=1.06；为入窑生料的真实分解率，一般可达85%-95%且应大于，故取90%，Ky=1-KF=0.4代入数据有：5.1.4分解炉的工作风量取气体在标准状态下的绝对压强，p0=101325Pa=760mmHg，由已知气压为720mmHg假设分解炉内的负压dp=400Pa，t为分解炉内气体的平均温度，取900℃。代入数据：5.2分解炉直筒的有效截面积和内径由参考资料[5]P146，SF型分解炉，取分解炉直筒部位的截面风速为，则分解炉直筒有效截面积:有效内径为：锥体部位的有效高度：根据经验,k为0.5～1，只有传统的SF分解炉取高值，其他炉型常取低值，甚至更低，故可取0.6。5.3分解炉和直筒高由参考资料[5]P146，设气流在分解炉内的轴向平均流速，气流在分解炉内所需要的停留时间烧煤粉时为1.5～3s，取分解炉高：直筒部位的有效高度：5.4分解炉锥体缩口内径下部锥体口流量即窑气量：由参考资料[5]P144，NSF型分解炉为“喷腾”型，入分解炉炉缩口处气体流速大于10m/s，一般大于15m/s,可取=20m/s，此处有效直径：5.5入分解炉的三次风管直径由参考资料[5]P146，三次风管内气体流速一般为15～20m/s，取20m/s,温度为800℃，入分解炉三次风标态风量:三次风管有效内径：三次风管与分解炉直筒相接处截面为矩形，由参考资料[5]P23-27参考旋风筒的入口设计，取长宽比a:b=0.5:1,得到矩形两边长：，。对于分解炉与C5预热器连接通道，其设计尺寸与三次风道相同。5.6生料进料口直径生料由两个进料口进入分解炉，设两个进料口各通入一半生料，则进料口直径由经验公式：45.7燃烧器选择分解炉内的燃烧是一种特殊的无焰燃烧，而且分解炉内温度较回转窑燃烧带温度低很多，因此对分解炉用喷煤管的性能要求不像对窑用喷煤管那样苛求。从加强气煤混合、提高燃烧效率的角度出发，目前的炉用喷煤管多为双通道或三通道喷煤管。三通道喷煤管具有：降低一次风所占比例