1、武漢理工大學工程設計訓練課程設計說明書學 號： 0121001010520課 程 設 計題 目日產5000噸熟料預分解窯的預熱器設計學 院材料學院專 業材料科學與工程班 級姓 名指導教師2013年6月14日 工程設計任務書學生姓名： 專業班級： 指導教師： 工作單位： 材料學院 題 目: 日產 5000 噸熟料預分解窯的 預熱器 系統設計一 初始條件：1 原料的化學分析結果 物料燒失量SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2ONa2OH2O石灰石44.231.960.650.3353.310.521.00粘土4.9266.8614.995.964.320.931.011.011.00

2、鐵粉1.0138.212.4552.993.651.694.00煤灰58.2225.659.313.301.312.212燃料煤的元素分析結果： Cad Had Nad Oad Sad Aad Mad 63.59 4.20 1.16 7.62 0.31 22.11 1.013各種物料損失均按3計算 4其它資料:本設計工廠有自己的礦山，其它條件均符合建廠要求，工廠氣象條件符合設計要求。大氣壓強（夏季）：720 mmHg溫度：- 4 40 ，相對濕度：70 80，地下水位：2m 2.5 m二 要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）：1) 設計計算說明書應

3、包括以下內容：配料計算，物料平衡計算和熱量平衡計算、有關設備的選型計算或結構尺寸計算、附屬設備的選型計算、耐火材料選材計算與散熱計算，有關性能指標計算，設計及附屬設備一覽表、設計評述，參考資料。2) 畫出有關設備的工藝布置圖和主要剖面圖（A2圖紙）三 設計要求：1) 要求每個人獨立完成，允許討論，但不能抄襲，鼓勵創新。2) 說明書要求 設計說明書必須包括有關計算部分的方法、步驟和結果。 有關設備的選型,設計說明書中應說明其選取依據，有關經驗數據的選取，亦應說明其來源。3) 圖紙的要求 圖紙必須按工程圖標準繪制，鼓勵用計算機繪圖。 圖紙上必須注明設備主要尺寸及有關說明，圖面應清潔、整齊。四 時間

4、安排：2013.6.17- 2013.6.23 （第1周）：查閱有關資料，進行有關設計計算；2013.6.24- 2013.6.31 （第2周）：繪制相關的圖紙；2013.7.1- 2013.7.5 （第3周）：整理提交計算說明書、圖紙以及其它設計資料，答辯。指導教師簽名： 2013年 6月14日系主任（或責任教師）簽名： 文進 2013年 6月14日日產5000噸熟料預分解窯的預熱器設計目錄1.配料計算41.1煤灰摻入量41.1.2煤的低位發熱量41.2計算熟料成份51.2.1 率值的選擇52.燃燒計算83.物料與熱量平衡計算93.1物料平衡103.1.1輸入項目103.1.2輸出項目133

5、.2熱量平衡計算153.2.1輸入項目153.3主要熱工技術參數183.4物料平衡表183.5 熱量平衡表194.懸浮預熱器尺寸設計194.1旋風筒尺寸194.1.1各級旋風筒處理的氣體量194.1.2旋風筒的直徑和高度214.1.3旋風筒進風口尺寸224.2排氣管（內筒）尺寸234.3旋風筒其他相關尺寸234.4旋風筒結構尺寸表245.耐火材料選材與散熱計算245.1耐火材料的設計理念245.2 耐火材料的主要參數255.3材料的厚度計算255.3.1已知參數255.3.2材料厚度計算265.3.3散熱量計算285.4旋風筒尺寸的修正286.參考文獻291.配料計算由于：物料燒失量SiO2A

6、l2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2ONa2OH2O石灰石44.231.960.650.3353.310.521.00粘土4.9266.8614.995.964.320.931.011.011.00鐵粉1.0138.212.4552.993.651.694.00煤灰58.2225.659.313.301.312.21煤元素分析結果：干燥基CadHadNadOadSadAadMad含量63.594.201.167.620.3122.111.011.1煤灰摻入量1.1.2煤的低位發熱量 1.1.2煤灰的摻入量100kg熟料中煤灰的摻入量可以按照下式進行計算(2-P264)： Q：熟料的熱耗，K

7、J/Kg熟料；S：煤灰沉落率，%；Qnet,ar：煤的低位發熱量，KJ/Kg；Aar：煤的收到基灰分含量，%采用的是預分解窯，參照表格中的數據，選擇 S=100%(2-62)，q=2900KJ/Kg(2-122,表5.7)。100kg熟料中煤灰的摻入量可以按照下式進行計算(2-P70)：由此可得煤灰的參入量：1.2計算熟料成份（率值公式法）2p73-761.2.1 率值的選擇結合2P64，對于預分解窯大都是采用高硅率、高鋁率、中飽和比的配料方案，即所謂的“兩高一中”的配料方案，對于本次設計中我設計率值為KH=0.900.01，SM=2.5750.1，IM=1.7150.11.2.2計算的方法三

8、組分配料率值公式來進行配料的計算1)對于三組分配料率值公式： 方程組 式中： x-灼燒基粘土量kg/（100kg孰料）； Y-灼燒基鐵粉量kg/（100kg孰料）； GA孰料中煤灰參入量（%）； 、率值系數（i=1-7），各率值系數計算式如下：2)代入相應的數據進行計算如下： 3）代入配料公式中解得： 4）將灼燒基原料換算成干燥基原料5）計算白生料即干燥基原料的配合比6）驗算孰料的化學成分及率值原料配比LossSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO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

9、.05 0.76 0.16 0.36 鐵粉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 灼燒基白生料21.88 5.06 3.10 69.72 0.96 0.56 灼燒基生料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 0.09 0.03 0.06 熟料22.84 5.60 3.27 67.96 0.97 0.61 計算率值：將驗證得的率值與題意要求目標值相比，可以看出各率值的誤差：KH=0.90

10、-0.90=0.000 < 0.01；SM=2.58-2.575=0.005 < 0.1p=1.71-1.715=0.005 < 0.1；其誤差值均在要求的范圍之內且較小，即配料結果符合要求。1.2.3配料結果白生料 ： 石灰石=81.1 粘土=17.62% 鐵粉=1.22%孰料： 灼燒基生料=97.44% 煤灰=2.56%濕基成分：由2p62 物料水分為：石灰石=1%，粘土=1%，鐵粉=4%，求得濕物料配比為：名稱濕基用量（份）濕基配比（%）濕石灰石81.9981.17濕粘土17.80 17.62濕鐵粉1.271.25合計101.05100.00 1.2.4計算濕物料配比及

11、水分：2.燃燒計算(1-283-287)粉煤燃燒 空氣過剩系數1.05-1.25（2-285.表6.12）取=1.2理論空氣量： 實際空氣量：理論煙氣量: 實際煙氣量： 煙氣組成: 3.物料與熱量平衡計算3窯型：預分解窯基準：1Kg熟料；溫度：0平衡范圍：系統=預熱器+分解爐+回轉窯+冷卻機溫度：1. 入預熱器生料溫度：502. 入回轉窯回灰溫度：503. 入窯一次空氣溫度：304. 入窯二次空氣溫度：15005. 環境溫度：306. 入回轉窯和分解爐燃料的溫度都為：607. 入分解爐三次風溫度：11008. 氣力提升泵輸送生料空氣溫度：509. 熟料出窯溫度：136010廢氣出預熱器溫度：3

12、0011飛灰出預熱器溫度：340入窯風量比（%）:一次空氣（k1）：二次空氣（k2）：窯頭漏風(k3)=8:90:2燃料比（%）:回轉窯（Ky）：分解爐（KF）=40：60出預熱器飛灰量：0.1kg/kg熟料出預熱器飛灰燒失量：35.50%各處過?？諝庀禂担浩渲校簹饬μ嵘梦沽蠋肟諝饬空祭碚摽諝饬康谋壤齥5=0.09分解爐及窯尾漏風占分解爐用燃料理論空氣量的比例k6=0.05電收塵和增濕塔綜合收塵效率為99.9%系統表面散熱損失：500kJ/kg熟料生料水分含量：1.061%窯的產量：G=5000t/d=208.33t/h3.1物料平衡3.1.1輸入項目3.1.1.1 燃料總消耗量：mr（k

13、g/kg熟料）其中： 3.1.1.2生料消耗量，即入預熱器物料量計算：a干生料理論消耗量 ：mgy -干生料理論消耗量，Kg/Kg熟料Aad-燃料應用基灰分含量，% -燃料灰分摻入量,取100%Ls-生料的燒失量，%b出袋收塵飛損及回灰量：myh-入窯回灰量，Kg/Kg熟料mfh-出預熱器飛灰量，Kg/Kg熟料mFh-出收塵器飛灰損失量，Kg/Kg熟料-收塵器，增濕塔綜合收塵效率，%c考慮飛損后干生料實際消耗量：mgs-考慮飛損后干料實際消耗量，Kg/Kg熟料LFh-飛灰燒失量，%d 考慮飛損生料實際消耗量：ms-考慮飛損后生料實際消耗量，Kg/Kg熟料Ms-生料中水分含量，%e 入預熱器物料

14、量：3.1.1.3入窯系統空氣量：a入窯實際空氣量：其中入窯一次空氣量，二次空氣量及漏風量分別為：b 入爐的空氣量：入分解爐的總空氣量為： 漏風量： 窯氣中的過?？諝饬浚好悍蹥饬斔捅脦敕纸鉅t內的空氣量為：出入分解爐的三次風量c喂料帶入空氣量：d漏入空氣量：預熱器漏入空氣量： 整個孰料燒成系統的漏風量：輸入量總計：3.1.2輸出項目3.1.2.1熟料：處預熱器系統的飛灰量：3.1.2.2出預熱器廢氣量：生料中物理水含量：生料中化學水含量：生料分解放出CO2氣體量占生料的質量的百分比:燃料燃燒生成理論煙氣量：預熱器系統的廢氣中過?？諝饬浚?總廢氣量：輸出量總計：3.2熱量平衡計算3.2.1輸入

15、項目：3.2.1.1煤粉的燃燒熱：3.2.1.2燃料帶入物理熱：（060時熟料平均比熱）3.2.1.3生料帶入物理熱：（050時，水的平均比熱，干生料平均比熱3.2.1.4入窯回灰帶入熱量：（050時，回灰平均比熱 ）3.2.1.5空氣帶入熱量：a入窯一次空氣帶入熱量：（030時，空氣平均比熱 ）b入窯二次空氣帶入熱量：（01350時，空氣平均比熱 ）c入分解爐三次空氣帶入熱量：（1100時，空氣平均比熱）d 氣力輸送煤粉時入爐空氣帶入量e喂料帶入空氣所帶入熱量：（050時，空氣平均比熱）f系統漏風帶入熱量：（030時，空氣平均比熱）輸入熱量之和：3.2.2輸出項目：3.2.2.1熟料形成熱：

16、3.2.2.2蒸發生料中水分耗熱量：（50時，水的汽化熱 ）3.2.2.3廢氣帶走的熱量：3.2.2.4 出窯熟料帶走熱量：（01400時，熟料平均比熱）3.2.2.5出預熱器飛灰帶走熱量：（0340時，飛灰平均比熱）3.2.2.6系統表面散熱損失：輸出熱量之和： 列出收支熱量平衡方程式： 即燒成1kg熟料需要消耗0.1192kg燃料。3.3主要熱工技術參數 熟料單位燒成熱耗： 熟料燒成熱效率： 3.4物料平衡表 (單位: )物料平衡表收入項目數量%支出項目數量%燃料消耗量0.1192 3.83 熟料量132.48 入預熱器生料量1.6548 53.13 出預熱器飛灰量0.13.25 入窯空氣

17、量出預熱器廢氣量入窯一次空氣量0.0348 1.12 生料中物理水量0.0165 0.54 入窯二次空氣量0.3919 12.58 生料中化學水量0.01650.54 入爐空氣量生料分解產生CO2量0.5427 17.63 喂煤帶入爐內空氣量0.0042 0.01 燃料燃燒理論煙氣量1.1008 35.75 入分解爐的三次空氣量0.6490 20.84 煙氣中過剩空氣量0.3024 9.82 喂料帶入的空氣量0.0302 0.10 漏入的總空氣量0.2304 7.40 合計3.1145 100.00 合計3.0789 100.00 3.5 熱量平衡表 (單位: )收入項目數量%支出項目數量%燃

18、料燃燒熱2987.27 67.37 熟料形成熱1809.3239.76 煤粉帶入的物理熱8.30 0.19 蒸發生料水分耗熱78.651.73 生料帶入的物理熱71.00 1.60 廢氣帶出熱量666.1414.64 入窯回灰帶入的物理熱4.20 0.09 出窯熟料帶出熱量1466.0832.22 空氣帶入的物理熱飛灰帶出熱量30.430.67 入窯一次空氣帶入熱1.05 0.02 系統散熱損失50010.99 入窯二次空氣帶入熱568.63 12.82 入窯三次空氣帶入熱785.15 17.71 喂煤風帶入的物理熱0.21 0.00 喂料風帶入的物理熱1.52 0.03 系統總漏風帶入熱6.

19、94 0.16 合計4434.27 100.00 合計4550.62100.00 4.懸浮預熱器尺寸設計4.1旋風筒尺寸4.1.1各級旋風筒處理的氣體量預熱器出口廢氣總量 喂料帶入空氣量 （1）第一級旋風筒 （300，-4500Pa）換算為工作態： 單位時間出口風量： （2）第二級旋風筒 （500，-3500Pa）由（1）得 換算為工作態： 單位時間出口風量：（3）第三級旋風筒 （650，-2700Pa） 換算為工作態： 單位時間出口風量：（4）第四級旋風筒 （780，-2100Pa）換算為工作態：單位時間出口風量：（5）第五級旋風筒 （860，-1500Pa）換算為工作態：單位時間出口風量：

20、旋風筒級數C1C2C3C4C5單位時間出口風量（m3/s）175.52 228.49 267.82 299.88 316.58 4.1.2旋風筒的直徑和高度根據公式 ， 式中A表觀截面流速（m/s）；可得：旋風筒的直徑旋風筒級數C1C2C3C4C5A（m/s）66.26.46.66.8直徑D（m）6.10 6.85 7.30 7.61 7.70 參照國外部分公司的旋風筒結構尺寸，進行旋風筒高度設計。設計時對于第一級旋風筒C1，一般H/D2（H = h1+h2）；對于其他級則選用H/D=1.5 2 。（1）圓柱體的高度第一級旋風筒C1，h1=1.1D =6.713282 m ；第二級旋風筒C2,

21、 h1=0.75D=5.137517m ；第三級旋風筒C3，h1=0.75D= 5.474539m 第四級旋風筒C4, h1=0.75D= 5.704515m第五級旋風筒C5, h1=0.75D= 5.774353m。（2）錐體高度 第一級旋風筒C1，一般取h2=h1 =6.713282 m ；其他級旋風筒, h2=(0.9 1.2)D；第二級旋風筒，取h2= 6.850022m ；第三級旋風筒，取h2= 7.299386m ；第四級旋風筒，取h2= 7.60602m ；第五級旋風筒，取h2= 7.699137m ；（3）錐角根據，得1= 69.2 °，2=4=3=5=67.3

22、76;。式中：de排料口的直徑（m） ；統一取de= 1m 。4.1.3旋風筒進風口尺寸（1）進風口的橫截面積根據，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旋風筒進口風速（m/s）；一般取1520 m/s；這里取18 m/s 。（2）旋風筒進風口高、寬一般取b/a =12 ；旋風筒各級尺寸為：b1=4.19m , a1=2.33m ；b2=4.65m , a2=2.73m ；b3=4.5m , a3=3.05m ；b4=5.16m , a4=3.23m ；b5=5.4

23、7m , a5=3.22m ；旋風筒進風口尺寸進旋風筒的風量V(m3/s)175.52 228.49 267.82 299.88 316.58 旋風筒進口風速win(m/s)1818181818進風口截面積F(m2)9.751 12.694 14.879 16.660 17.588 高寬比b/a1.81.71.61.61.7高b（m)4.19 4.65 4.88 5.16 5.47 寬a(m)2.33 2.73 3.05 3.23 3.22 4.2排氣管（內筒）尺寸（1）內筒外徑 d =(0.50.6)D；取d1=3.7m d2=4.1m d3=4.4m d4=4.6m d5=4.6m 。（2

24、）內筒插入深度：最上一級h3 /b約為1.8；中間各級h3可?。?.6-0.75）b最上一級旋風筒 C1 ：h3 =1.8b1=7.5m ；中間級旋風筒 C2 ：h3=0.6b2=2.8 m ； C3 ：h3=0.6b3=2.9 m ； C4 ：h3=0.6b4=3.1m ；最下一級旋風筒 C5 ：h3 =0.25b5=1.4m 排氣管（內筒）尺寸d/D0.60.60.60.60.6d(m)3.661794.1100134.3796314.5636124.619482h3/b1.80.60.60.60.25h37.541112.7872262.9274953.0977711.3670044.3

25、旋風筒其他相關尺寸 （1）下料管位置及內徑聯接處高度h4/d2 ；各級h4= 7.32 m 。內徑 d0 = m （2）旋風筒之間聯接管道的內徑： 可得：d1=3.74m ；d2=4.26m ；d3=4.62 m ；d4=4.89 m ；d5=5.02 m ；式中：V管道內氣體的流量（m3/s）； 管道內氣體的流速（m/s）；一般在1020，取=18 m/s 。 （3）旋風筒的鋼板厚度 m第一級D1=8.1mm D2=8.9 mm D4=9.6mm D3=9.3mm D5=9.7mm ；（4）由于本設計懸浮預熱器的旋風筒進風口處理的風量較大，故綜合考慮后，選擇180°蝸殼式旋風筒進風

26、口。其尺寸：擴張度f=a+c-(D-d)/2 ；偏心度e=f/2 ；偏心圓半徑R1= e+D/2。其中c在0 (D-d)/2內 。表5-1 旋風筒進風口結構尺寸表旋風筒C1C2C3C4C5擴張度f1.8 2.1 2.2 2.3 2.3 偏心度e0.9 1.0 1.1 1.1 1.2 偏心圓半徑R13.97 4.45 4.74 4.94 5.00 4.4旋風筒結構尺寸表表5-2 旋風筒結構尺寸表旋風筒級數一級二級三級四級五級筒數11111旋風筒直徑D(m)6.10 6.85 7.30 7.61 7.70 內筒外徑d (m)3.66 4.11 4.38 4.56 4.62 內筒深度h3(m)7.5

27、4 2.79 2.93 3.10 1.37 圓柱體高度h1 (m)6.71 5.14 5.47 5.70 5.77 錐體高度h2 (m)6.71 6.85 7.30 7.61 7.70 錐角 ( °)69.19 67.31 67.31 67.31 67.31 進風口高度b (m)4.19 4.65 4.88 5.16 5.47 進風口寬度a (m)2.33 2.73 3.05 3.23 3.22 排料口直徑de (m)1下料管內徑d0 (m)1.09 下料管聯接處高度h4 (m)7.32 聯接管道內徑dl (m)3.74 4.26 4.62 4.89 5.02 鋼板厚度（mm）8.1

28、 8.9 9.3 9.6 9.7 5.耐火材料選材與散熱計算5.1耐火材料的設計理念 查參考資料【6】P1-2可知預熱器對耐火材料一般有以下要求：預熱器外層一般為導熱系數低，強度也較低的保溫材料，如輕質粘土磚；內層的工作面為有一定強度且能夠較好抵抗堿性物質侵蝕的耐火材料；筒體最外層為鋼板，厚度取=10mm。對于一、二級預熱器，其耐火材料可采用黏土質耐堿耐火材料，以降低成本和提高保溫效果；在堿含量達到一定數量并有可能逐步富集的部位，如三級以下的預熱器，應考慮耐火度為1100以上的耐堿耐火材料。5.2 耐火材料的主要參數根據參考資料【3】附錄中的相關知識，查得如下參數：1.粘土磚：密度：最高使用溫

29、度：13001400平均比熱：導熱系數：2.輕質粘土磚：最高使用溫度：1150平均比熱：導熱系數：3.鋼板： 導熱系數：5.3材料的厚度計算5.3.1已知參數假設：環境溫度為：t1=30；預熱器鋼板內外壁溫度為：tw2=tw1=70，耐火層外壁溫度：t2；耐火層內壁溫度（筒內溫度, 見表4.1）：t3耐鋼板厚度?。?10mm；旋風筒外徑：d1；保溫層外徑：d2；耐火層外徑：d3；耐火層內外側溫度差為30°C由5.2以及5.3中的數據可以得到各級旋風筒的耐火材料、保溫材料的選擇以及各種材料的導熱率如下表：表5.1 旋風筒材料的選擇以及材料導熱率旋風筒級數C1C2C3C4C5耐火材料選擇

30、黏土磚黏土磚黏土磚黏土磚黏土磚保溫材料選擇輕質粘土磚輕質粘土磚輕質粘土磚輕質粘土磚輕質粘土磚耐火材料導熱率k11.0073 1.1262 1.2062 1.2822 1.3222 保溫材料導熱率k20.1214 0.1378 0.1488 0.1593 0.1648 5.3.2材料厚度計算5.3.2.1熱流密度q的計算參考材工P193194可知，側壁和錐體熱流密度計算公式為：頂蓋熱流密度為：式中：1外壁面與周圍空間之間的對流輻射綜合換熱系數，；其他各參數含義如前所述對于對流輻射綜合換熱系數有：對于側壁和頂蓋的取值分別為2.56和3.26，因此可求得：側壁的綜合換熱系數頂蓋綜合換熱系數5.3.2

31、.2厚度計算參考【3】p38表2.4中德國洪堡公司旋風筒結構尺寸的資料，可以查到鋼板厚度與旋風筒耐火層厚度的比，從而得到各級旋風筒的耐火層厚度。利用試湊法，得出各級保溫層厚度，利用各層熱流密度相等，即 側壁利用公式：頂蓋利用公式：計算耐火層與保溫層之間的溫度，并進行校核，使得所得溫度與5.3.1中設定的溫度相符。試湊結果如下表：表5.2旋風筒各層材料的厚度以及壁面溫度旋風筒級數C1C2C3C4C5鋼板外壁溫度tw1/7070707070環境溫度t1/3030303030耐火層內側溫t3/300500650780860旋風筒內徑D/m6.16.97.37.67.7/D0.0080.0090.00

32、90.0090.009厚度鋼板/m0.010.010.010.010.01耐火層/m0.04880.06210.06570.06840.0693保溫層側壁/m0.0480.1060.1570.2490.283頂蓋/m0.0220.0420.0670.0950.111總厚度側壁/m0.10680.17810.23270.32740.3623頂蓋/m0.08080.11410.14270.17340.1903總直徑/m6.31367.25627.76548.25488.4246熱流密度側壁W/m9981.74520211471.9873812277.0280313050.7650613319.21735頂蓋W/m2573.6613587573.6613587573.6613587573.6613587573.6613587耐火層外壁溫度t2/側壁/274.7904605470.8209785621.031079751.0212068831.4607182頂蓋/272.0137216468.0870999618.6781756749.3138055829.9986928鋼板溫度側壁/69.9369.2671.6871.1369.71頂蓋/69.8735314569.8735314569.8735314569.8735314569.87353145根據試湊結果可知，由設定的保溫