水泥廠工藝設計基本原則的理解與應用

肖 靜，朱明秀，厲福平，殷昭波

（1.天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司，天津 300400；2.中國中材國際工程股份有限公司，江蘇南京211000））

0 前言

工程設計是工程建設項目的重要環(huán)節(jié)，是工程項目建設的依據(jù)和基礎。水泥工藝設計為水泥廠工程設計的首要環(huán)節(jié)和重要組成部分，工藝設計的合理性、適用性將直接主導著工廠建成后生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性、生產(chǎn)產(chǎn)品的優(yōu)良性及經(jīng)濟性。為實現(xiàn)水泥生產(chǎn)建設項目建成后的生產(chǎn)運營目標，水泥廠工藝設計工作應遵循其基本原則，現(xiàn)就我們的認識與理解作一點膚淺的介紹。

1 工藝設計基本原則及理解應用

水泥工藝設計要充分認識了解工程項目建設的目標和要求，深入研究掌握工程項目建設條件，綜合考慮各方面相關因素的影響，選擇并組織提供切實可行的工藝技術配置，供工程項目建設及生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)使用，見圖1。

圖1 工藝設計基本原則

1.1 項目的目標和要求

對工程項目來說，建設的目標和要求由工程建設方——業(yè)主提出。由于工程項目建設的內(nèi)容及建設階段的不同，目標和要求會千差萬別，業(yè)主提出的方式又多種多樣，因此也沒有統(tǒng)一的標準和格式可循。簡單的僅一句話，如：XX公司的預熱器技改；XX公司新建一條5000t/d熟料水泥生產(chǎn)線。復雜的如：XX公司新建一條8000t/d熟料水泥生產(chǎn)線招標文件，其中提出了明確的技術指標、要求采用的主要工藝技術方案、主機設備的來源等等目標和要求。

對工藝系統(tǒng)的設計來說，無論是簡單的或明確的工程項目建設目標和要求，在設計工作中都會給予足夠的重視，通過設計圖紙得以充分的表達和體現(xiàn)。而在工程項目建設實施的具體過程中，設計圖紙的服務對象是項目施工建設及建成后的生產(chǎn)管理者。由于水泥生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的復雜性、多樣性、時限性，設計工作中往往會忽略或忽視設計圖紙供施工建設及生產(chǎn)使用這些隱含的實質(zhì)性的用途，以致項目建設過程中或項目建設完成后會出現(xiàn)一些問題或缺陷。故此，在工藝設計時務必考慮這一實質(zhì)具體的用途，這也是在工藝設計工作中需要遵循和考慮的基本原則和原理。

1.2 項目的建設條件

項目的建設條件也就是設計工作的基本條件及基礎。工藝系統(tǒng)的設計配置是建立在其基礎條件之上的，不同的基礎設計條件就會有不同的系統(tǒng)配置；并且設計中還會遇到即使基礎條件一樣，因其它情況及因素的影響也會有不同的系統(tǒng)配置?；诙嘣募夹g發(fā)展和進步，在相同的建設條件下也能以不同的技術路線及系統(tǒng)配置而實現(xiàn)同樣的目的和目標。只有在對項目建設條件進行深入的研究、掌握及了解的基礎之上，我們才能夠為工程項目建設提出優(yōu)秀、適宜、有效的技術方案及路線。

由于工程建設項目的時間階段性，在項目前期業(yè)主方往往提供不了較為準確的相關基礎資料，尤其是原料、燃料情況；因此，在實際工作中時常需要對基礎設計資料做一些假設或設定。對于假設或設定的建廠條件，隨著工程項目的進展情況，設計者務必要逐項落實具體情況，特別是原料、燃料情況。如若不然，待工廠建成投運時，因原燃料情況與設計時設定預期的相去較遠，實際生產(chǎn)中會出現(xiàn)一些問題，嚴重時還會影響到生產(chǎn)的正常運行和目標的實現(xiàn)。曾有水泥工廠在高速建設時期為滿足建設進度要求，在硅鋁質(zhì)原料的來源沒有落實的情況下，其處理（破碎）系統(tǒng)就已設計建設，在建成后因原料情況與設計不相符而導致不能正常使用。

項目建設條件一般由業(yè)主提供，影響水泥生產(chǎn)線工藝系統(tǒng)配置方案的主要建設條件如下：

（1）進廠原料、燃料化學性質(zhì)和物理性質(zhì)。需要關注化學成分的穩(wěn)定性，有害成分含量及程度，物理性質(zhì)如粒（塊）度、水分、容重、易磨性、磨蝕性等。

（2）進廠原料、燃料來源和運輸方式。需要關注車型、船型等。

（3）產(chǎn)品品種及比例，出廠運輸方式及比例，也就是水泥品種及比例，袋裝、散裝比例，裝車的車型、裝船的船型等。

（4）項目建設廠址及自然條件。主要有海拔高度、環(huán)境溫度、濕度、降雨量、主導風向及風速等。

（5）建設范圍、設計范圍。當建設范圍與設計范圍有不同或有分期（預留）建設內(nèi)容時，應有明確的分界內(nèi)容、預留程度等。

1.3 相關因素

國家和地區(qū)的法律、法規(guī)、標準、規(guī)范，以及行業(yè)及企業(yè)的標準、規(guī)范、規(guī)定等是設計工作中必須遵循、貫徹和落實的基本原則。從事水泥生產(chǎn)工藝設計的工作者所應掌握了解的國內(nèi)現(xiàn)行的相關法規(guī)和標準舉例見表1。隨著社會及工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展進步，水泥工藝設計者務必遵循環(huán)境保護及職業(yè)衛(wèi)生等方面的設計原則，達到、滿足，在條件允許時優(yōu)于國家或地區(qū)的相關標準和要求；使項目建成后企業(yè)能夠實現(xiàn)清潔、環(huán)保的生產(chǎn)。

水泥生產(chǎn)企業(yè)一直是高能耗、高粉塵污染企業(yè)，通過水泥行業(yè)從業(yè)人員多年的努力，水泥企業(yè)不但已達到國家水泥生產(chǎn)低能耗、低粉塵排放的目標要求，而且有許多企業(yè)的能耗及粉塵排放都優(yōu)于國家標準限值。水泥生產(chǎn)也是噪聲污染較嚴重企業(yè)，尤其是在追求低投資設備露天化設置的工廠，一般僅對球磨機、空氣壓縮機、羅茨風機這些極高噪聲設備設置廠房，以封閉阻擋其噪聲的擴散，基本沒有采取其它技術措施來控制噪聲的排放污染；因此這些工廠的噪聲排放檢測均不能夠滿足GB 12348—2008標準中的要求值（見表2）。除磨機、空氣壓縮機、羅茨風機這些極高噪聲設備，水泥生產(chǎn)線中的工藝風機、普通收塵排風機也是其主要噪聲源之一，目前對工藝風機、普通收塵排風機的噪聲控制措施主要為設置隔聲棚房及加裝消音器。另水泥廠的噪聲源還有露天設置運行的膠帶機、外置物料溜子等等。在設計工作中務必需要加強對噪聲排放控制的設計，以使項目建成投產(chǎn)時達到或優(yōu)于國家要求的工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放限值。

表1 水泥工藝設計相關法規(guī)和標準舉例

表2 工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放限值（GB 12348—2008）

需要特別關注的是GBZ 2.1—2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分化學有害因素》，其中與水泥廠有關的工作場所空氣中粉塵容許濃度限值見表3?？v觀現(xiàn)階段的水泥生產(chǎn)線系統(tǒng)，雖已基本實現(xiàn)和達到了較高程度的工業(yè)自動化水平；但是，在采用鏟車作業(yè)方式的輔助原燃料堆棚內(nèi)，若物料水分較低，堆棚內(nèi)會有較高濃度的揚塵，棚內(nèi)空氣中的粉塵濃度也即鏟車司機工作場所的空氣中的粉塵濃度超過了容許濃度限值；此外若水泥包裝機、水泥包裝袋在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的泄漏量較大，也往往會導致水泥包裝機插袋工崗位及裝車工崗位的空氣中水泥粉塵濃度超過容許濃度限值。因此在條件允許時，要盡可能采用全自動化無人操作系統(tǒng)方案以避免上述情況的發(fā)生；如鏟車司機操作作業(yè)的物料儲存優(yōu)選采用無人智能操作的抓斗起重機作業(yè)方式，人工插袋的水泥包裝機及人工輔助的袋裝水泥裝車機優(yōu)選采用全自動水泥插袋機及全自動袋裝水泥裝車機系統(tǒng)。

表3 與水泥廠有關的工作場所空氣中粉塵容許濃度限值（GBZ 2.1—2019）

1.4 工藝設計

水泥生產(chǎn)系統(tǒng)工藝設計就是設計組織一套切實可行的工藝技術配置以實現(xiàn)和達到生產(chǎn)系統(tǒng)的目標和目的。工藝設計具體的工作內(nèi)容可粗略分為工藝設備及設施的選型和工藝設備及設施的布置兩部分；常用的表達方式前者主要為工藝流程圖和工藝設備清單，后者主要為工藝布置圖；此兩部分內(nèi)容具有相互關聯(lián)、相互影響、互為補充、不可分割的特性。

水泥工藝設計者必須學習、了解、掌握水泥生產(chǎn)工藝過程、設備及設施的基本原理和技術性能、使用條件以及安裝、維護和檢修的要求；必須學習、了解相關專業(yè)如總圖、電氣、土建等專業(yè)的基本原理和基礎知識。

1.4.1主要工藝設備及設施選型

根據(jù)生產(chǎn)方法、生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品品種、原燃料性能、設備來源、環(huán)境情況等等建廠條件，選擇確定生產(chǎn)系統(tǒng)的主機設備、設施的主要技術性能；常用表達方式見表4。為了保障整個系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)、有效地進行生產(chǎn)運行，在設計選擇確定生產(chǎn)系統(tǒng)的主機設備、設施的主要技術性能工作時，需要重點關注的因素有主機設備的年利用率、車間工作制度、各種物料的儲存期。并且在GB 50295—2016《水泥工廠設計規(guī)范》中，主要工藝設備設計年利用率、主要生產(chǎn)系統(tǒng)工作制度、各種物料儲存期的相關一般規(guī)范要求詳見表5～8。

1.4.2全廠生產(chǎn)車間總平面布置

充分、合理、有效地利用總平面場地地形、地質(zhì)條件，在滿足生產(chǎn)車間的施工、安裝、操作、維護、監(jiān)測和通行要求的前提下，兼顧與其它專業(yè)的相互配合，盡可能做到各生產(chǎn)車間布置緊湊、流程簡捷順暢，盡可能減少物料的轉運環(huán)節(jié)及物料的輸送距離。這也是全廠生產(chǎn)車間總平面布置務必遵循的設計原則之一。

1.4.3各生產(chǎn)車間通用或專用設備的選型

按各生產(chǎn)車間工藝要求和設備有關的技術性能及使用條件等情況，選擇能保證滿足生產(chǎn)使用要求的通用或專用設備，設計組成生產(chǎn)車間工藝流程的設備選型。

組成生產(chǎn)車間的通用或專用設備的生產(chǎn)能力對其主機能力應有一定的儲備值。一般情況下，系統(tǒng)內(nèi)各設備對主機能力的儲備值在20%左右。因水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的特殊性及復雜性，各設備對主機能力的儲備值變化較大，應視其使用位置工藝要求及相關設備的技術性能情況綜合確定；如熟料鏈式輸送機要求其最大能力應可滿足窯能力的170%～200%，而風選系統(tǒng)通風機風量一般按選粉機要求風量的110%選型。

另外，在滿足車間生產(chǎn)系統(tǒng)配置要求的情況下，全廠通用類型設備的選型應盡可能一致，以減少設備備件量及降低維護工作的復雜程度。

1.4.4各生產(chǎn)車間的布置設計

在滿足生產(chǎn)工藝流程和各臺套設備的施工、安裝、操作、維護、監(jiān)測和通行要求的前提下：

（1）生產(chǎn)設備布置要緊湊、流程簡潔順暢，即盡可能做到無不必要的物料輸送及轉運環(huán)節(jié)。

表4 主機設備表（示例）

（2）合理確定車間平面和空間的建筑結構要求，即做到無不需要的平面和空間建筑結構。

（3）與相關車間落實確定生產(chǎn)系統(tǒng)流程及布置要求，并準確表達在本車間設計中。

表5 物料儲存方式、儲存量及儲存期（示例）

表6 主要工藝設備設計年利用率（GB 50295—2016）

表7 主要生產(chǎn)系統(tǒng)工作制度（GB 50295—2016）

（4）落實確定車間在總圖中位置，設備進出車間的安檢要求以及總圖和相關專業(yè)對本車間布置的要求。

表8 各種物料儲存期（GB 50295—2016） d

1.4.5工藝非標準件設計

工藝非標準件是指工藝系統(tǒng)中無標準可選用的結構件、零件或組合部件等非標準設備件；用于系統(tǒng)中物料、氣體流動的載體或調(diào)節(jié)，設備及非標準件等的安裝固定或扶持。因此，工藝非標準件的設計是工藝設計工作中的重要組成部分之一；工藝非標準件的設計將會直接影響到車間設備的施工、安裝及廠房的布置；工藝非標準件的適用性也將直接影響生產(chǎn)系統(tǒng)的實際生產(chǎn)運行情況。因此，在實際工作中，設計者對工藝非標件務必進行深入細致的工作，以保證設計、施工、安裝、調(diào)試及投產(chǎn)的順利進行。

2 結語

總之，從我們的工作經(jīng)歷中也可深刻地體會到?jīng)]有完全一樣的條件，也沒有一模一樣的工廠，水泥生產(chǎn)線工藝設計不是簡單的縮小或放大，更不是機械的重復復??；設計方案沒有最好，只有更適宜更實用，并且隨著整體工業(yè)技術的提高發(fā)展進步而一直處于螺旋式優(yōu)化提升的過程中。