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第2章 物料平衡计算

在水泥厂设计过程中，应进行两次系统的配料计算：

第一次是在矿山初步设计之前的初步配料计算，其目的是：

（a）确定所勘探的原料能否符合计划任务书所规定的水泥品种和水泥标号； （b）确定原料的品种和大致的配合比及合适的生产方法； （c）从原料质量上提出对矿山开采设计的要求。

第二次是在矿山开采初步设计之后，工艺初步设计之前，其目的是：

（a）提供工艺设备中物料平衡计算和主机平衡选型所需要的资料；

（b）结合矿山开采设计核算每一台段的矿山质量能否满足正常生产的要求。

2.1 水泥熟料成分设定

生产水泥熟料所用的原料、燃料的成分见表2-1和表2-2。

表2-1 原料与煤灰的化学成分（wt%） 名称 石灰石 粘土 铁粉 煤灰

I.L 42.66 5.27 — —

SiO2 2.42 70.25 34.42 53.52

Al2O3 0.31 14.72 11.53 35.34

Fe2O3 0.19 5.48 48.27 4.46

CaO 53.13 1.41 3.53 4.79

MgO 0.57 0.92 0.09 1.19

合计 99.28 98.05 97.84 99.30

表2-2 煤的工业分析（mol%）

挥发物% 22.42

固定碳% 49.02

灰分% 28.56

热值kJ/kg 20 930

根据有资料表明，我们采用两高一中的方案是比较合适的，因此可以确定本设计的水泥熟料的三个率值分别是：KH=0.89，SM=2.5，IM=1.5。

石灰饱和系数(KH)：是水泥中总的氧化钙含量减去饱和酸性氧化物(Al2O3、Fe2O3、SO3)所需氧化钙的量后，所剩下的氧化钙与理论上二氧化硅全部化合成硅酸三钙所需的氧化钙的量比。石灰饱和系数表示了二氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度，KH=1时，熟料中的硅酸盐矿物全部为C3S。如果KH=0.667是，硅酸盐矿物全部为C2S。所以KH介于0.667~1.00之间。实际生产条件下，为了使煅烧过程中不致出现很多f-CaO，石灰饱和系数一般控制在0.86~0.95范围内。KH愈高，C3S含量越多，C2S含量越少，此时生料难烧成，如果煅烧充分，这种熟料制成的水泥硬化较快，强度高。KH愈低，C3S含量越少，C2S含量越多，此时生料不耐火，这种熟料制

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成的水泥硬化较慢，早期强度低。

硅酸率(SM)：水泥熟料中SiO2与Al2O3及Fe2O3之和的比值。根据硅酸率的大小，可以表示熟料中生成硅酸盐矿物(硅酸三钙与硅酸二钙之和)与溶剂矿物(硅酸三钙与铁铝酸四钙之和)的相对含量。硅酸率过高时，即溶剂矿物减少，烧成温度要提高，立窑煅烧是，易产生风洞，回转窑煅烧时不易挂窑皮；提高硅酸率，还会减慢水泥的凝结核硬化。硅酸率过低时，即溶剂矿物过高，硅酸盐矿物减少，会减低熟料强度；在煅烧时易结大块。硅酸盐水泥熟料的硅酸率波动在1.7~2.7内。

铝氧率(IM)是水泥熟料中三氧化二铝和三氧化二铁之比值。铝氧率是控制铝酸盐矿物与铁铝酸盐矿物相对含量的比率系数。当Al2O3与Fe2O3的总和一定是，铝氧率提高说明C3A增高，C4AF降低，水泥趋于早凝早强，水泥中石膏掺加量也需相应增加。熟料煅烧时，液相粘度增加，不利于C2S进一步与CaO化合成C3S。反之，但铝氧率过低时，说明C3A降低，C4AF提高，水泥趋于缓凝，早强低；熟料煅烧时，液相粘度小，有利于C3S的形成，但液相粘度过小，在回转窑内不利于熟料正常结粒和窑皮粘挂。在立窑煅烧中，若铝氧率过低，即Fe2O3过高时，在立窑中部通风不良的情况下，Fe2O3容易还原成FeO，在熟料烧结温度下，有相当数量的FeO会进入C3S晶格中，是C3S稳定性大大降低，在冷却过程中，又使它分解为C2S和CaO，导致熟料强度和体积稳定性降低。当Fe2O3被还原成FeO时，料球过早出现液相，易结大块。硅酸盐水泥熟料铝氧率波动在0.9~1.7范围内。

依据生产的情况确定生产时的率值范围为：KH=0.89±0.02，SM=2.5±0.1，IM=1.5±0.1。

根据原料的化学成分、选用石灰石、粘土、铁粉为原材料，干的原料配合比：石灰石80.73%，粘土15.00%，铁粉4.27%。

物料的天然水分：石灰石 1%，粘土 15%，煤 2.44%，铁粉 1%。

根据有关工厂的实际生产情况，熟料烧成热耗约为3345kJ/kg，煤的沉降率S=100%，煤灰的掺入量：GA=Qas/100Q=4.564%。

2.2 物料平衡的计算

2.2.1 物料平衡计算

(1)要求熟料的产量：

Qd =4000t/d；Qy=Qd×365=1460000t/y；Qh= Qd/24=166.67t/h (2-1) Qd ：熟料日产量 Qd=熟料年产量 Qh=熟料每小时产量 (2) 窑台数：

n=Qd/24Qh.1=1 (2-2)

(3) 烧成车间的生产能力： 熟料的小时产量：

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Qh=nQh.1=166.67t/h (2-3)

熟料的日产量：

Qd=24Qh=4000t/d (2-4)

熟料的周产量：

Qw=168Qh=28000t/w (2-5)

2.2.2 原料消耗定额

(1) 1吨熟料的干生料理论消耗量：

KT=(100-GA)/(100-L)=1.47t/t熟料 GA—煤灰的掺入量（%） L—表示烧失量（%） (2) 1吨熟料的干生料消耗定额：

K生=100KT/(100-P)=1.55 t/t熟料 (3) 各种干的原料的消耗定额：

K原=XK生 即： K石灰石=1.55×80.73%=1.25 t/t熟料

K粘土=1.55×15%=0.23 t/t熟料 K铁粉=1.55×1.27%=0.20 t/t熟料

(4) 湿的原料的消耗定额：

K湿=100K干/（100-W湿） 即：

K石灰石=100×1.25/（100-1.0）= 1.26t/t熟料 K粘土=100×0.23/（100-15）=0.27 t/t熟料 K铁粉=100×0.023/（100-0.3）=0.20t/t熟料

2.2.3 烧成用干煤的消耗定额

Kf1=100×q/QDWg (100-Pf) QDWg=（QDWg+25Wy）100/（100- Wy） 式中 Kf1——烧成用干煤消耗定额，t/t熟料； QDWg——煤的干燥基低位热值，kJ/kg干煤； Wy——煤的应用基水分，%； Pf——煤的生产损失，%，定为0.1%； 所以 QDWg=（20930+25×2.44）100/（100-2.44） =21516kJ/kg干煤

Kf1=3345/21516×100/（100-0.1） =0.156 t/t熟料

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(2-6)

(2-7)

(2-8)

(2-9)

(2-10)

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2.3 全厂物料平衡计算

物料平衡计算是从原料进厂到产品出厂各个生产环节需要处理的物料量。包括所有原料、燃料、半成品、成品的量并表达为小时、日、年需要量，作为确定工厂各种物料需要量，运输量，工艺设备选型和计算储存设施的依据。

物料平衡计算是以熟料产量为基准的，物料平衡依据为：

（a）工厂规模：用水泥年产量（万t/a），或窑规格，台数，或熟料日产量

（t/d），年运行天数，或熟料年产量（万t/a）来表示； （b）生料各组份干配比（由配料计算决定），物料天然水份；

（c）水泥各组分配比（由水泥品种，强度等级，混合材种类和质量决定），物

料天然水分；

（d）燃料品种，工业及元素分析，热值和燃料水分等； （e）熟料的烧成热耗或表煤耗； （f）烘干热耗；

（g）生料料耗和各种物料生产损失； （h）工作制度。

2.3.1 相关参数的确定

（1）预分解窑的年利用率

影响回转窑年利用率的因素：原料品质，原料的均化不好，也会使窑的反应分散。热工制度不稳定会造成窑的年利用率低；燃料品质及细度情况也影响窑的利用率。窑的煅烧工艺也将影响窑的年利用率。优质的耐火材料及良好的密封性有利于提高窑的年利用率。

国外预分解窑年利用率一般水平在80%到90%，本设计定年利用率85% （2）矿渣掺入量确定影响

矿渣的质量评定：利用化学分析法评定矿渣质量是目前国内外粒化高炉矿渣的主要方法。我国国家标准GB203-78对高炉矿渣的质量系数（K）评定：

K?CaO?MgO?Al2O3SiO2?MnO2?TiO2不得小于1.2

37.44?8.39?15.1333.74代入本设计中各成分：K??1.8>1.2 (2-11)

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