水泥廠工藝設(shè)計(jì)基本原則的理解與應(yīng)用

肖 靜，朱明秀，厲福平，殷昭波

（1.天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400；2.中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司，江蘇南京211000））

0 前言

工程設(shè)計(jì)是工程建設(shè)項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)，是工程項(xiàng)目建設(shè)的依據(jù)和基礎(chǔ)。水泥工藝設(shè)計(jì)為水泥廠工程設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)和重要組成部分，工藝設(shè)計(jì)的合理性、適用性將直接主導(dǎo)著工廠建成后生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性、生產(chǎn)產(chǎn)品的優(yōu)良性及經(jīng)濟(jì)性。為實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建成后的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)目標(biāo)，水泥廠工藝設(shè)計(jì)工作應(yīng)遵循其基本原則，現(xiàn)就我們的認(rèn)識(shí)與理解作一點(diǎn)膚淺的介紹。

1 工藝設(shè)計(jì)基本原則及理解應(yīng)用

水泥工藝設(shè)計(jì)要充分認(rèn)識(shí)了解工程項(xiàng)目建設(shè)的目標(biāo)和要求，深入研究掌握工程項(xiàng)目建設(shè)條件，綜合考慮各方面相關(guān)因素的影響，選擇并組織提供切實(shí)可行的工藝技術(shù)配置，供工程項(xiàng)目建設(shè)及生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)使用，見(jiàn)圖1。

圖1 工藝設(shè)計(jì)基本原則

1.1 項(xiàng)目的目標(biāo)和要求

對(duì)工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，建設(shè)的目標(biāo)和要求由工程建設(shè)方——業(yè)主提出。由于工程項(xiàng)目建設(shè)的內(nèi)容及建設(shè)階段的不同，目標(biāo)和要求會(huì)千差萬(wàn)別，業(yè)主提出的方式又多種多樣，因此也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和格式可循。簡(jiǎn)單的僅一句話，如：XX公司的預(yù)熱器技改；XX公司新建一條5000t/d熟料水泥生產(chǎn)線。復(fù)雜的如：XX公司新建一條8000t/d熟料水泥生產(chǎn)線招標(biāo)文件，其中提出了明確的技術(shù)指標(biāo)、要求采用的主要工藝技術(shù)方案、主機(jī)設(shè)備的來(lái)源等等目標(biāo)和要求。

對(duì)工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是簡(jiǎn)單的或明確的工程項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)和要求，在設(shè)計(jì)工作中都會(huì)給予足夠的重視，通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙得以充分的表達(dá)和體現(xiàn)。而在工程項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施的具體過(guò)程中，設(shè)計(jì)圖紙的服務(wù)對(duì)象是項(xiàng)目施工建設(shè)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(fù)雜性、多樣性、時(shí)限性，設(shè)計(jì)工作中往往會(huì)忽略或忽視設(shè)計(jì)圖紙供施工建設(shè)及生產(chǎn)使用這些隱含的實(shí)質(zhì)性的用途，以致項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中或項(xiàng)目建設(shè)完成后會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題或缺陷。故此，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必考慮這一實(shí)質(zhì)具體的用途，這也是在工藝設(shè)計(jì)工作中需要遵循和考慮的基本原則和原理。

1.2 項(xiàng)目的建設(shè)條件

項(xiàng)目的建設(shè)條件也就是設(shè)計(jì)工作的基本條件及基礎(chǔ)。工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)配置是建立在其基礎(chǔ)條件之上的，不同的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)條件就會(huì)有不同的系統(tǒng)配置；并且設(shè)計(jì)中還會(huì)遇到即使基礎(chǔ)條件一樣，因其它情況及因素的影響也會(huì)有不同的系統(tǒng)配置?；诙嘣募夹g(shù)發(fā)展和進(jìn)步，在相同的建設(shè)條件下也能以不同的技術(shù)路線及系統(tǒng)配置而實(shí)現(xiàn)同樣的目的和目標(biāo)。只有在對(duì)項(xiàng)目建設(shè)條件進(jìn)行深入的研究、掌握及了解的基礎(chǔ)之上，我們才能夠?yàn)楣こ添?xiàng)目建設(shè)提出優(yōu)秀、適宜、有效的技術(shù)方案及路線。

由于工程建設(shè)項(xiàng)目的時(shí)間階段性，在項(xiàng)目前期業(yè)主方往往提供不了較為準(zhǔn)確的相關(guān)基礎(chǔ)資料，尤其是原料、燃料情況；因此，在實(shí)際工作中時(shí)常需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料做一些假設(shè)或設(shè)定。對(duì)于假設(shè)或設(shè)定的建廠條件，隨著工程項(xiàng)目的進(jìn)展情況，設(shè)計(jì)者務(wù)必要逐項(xiàng)落實(shí)具體情況，特別是原料、燃料情況。如若不然，待工廠建成投運(yùn)時(shí)，因原燃料情況與設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定預(yù)期的相去較遠(yuǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響到生產(chǎn)的正常運(yùn)行和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。曾有水泥工廠在高速建設(shè)時(shí)期為滿足建設(shè)進(jìn)度要求，在硅鋁質(zhì)原料的來(lái)源沒(méi)有落實(shí)的情況下，其處理（破碎）系統(tǒng)就已設(shè)計(jì)建設(shè)，在建成后因原料情況與設(shè)計(jì)不相符而導(dǎo)致不能正常使用。

項(xiàng)目建設(shè)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(shè)條件如下：

（1）進(jìn)廠原料、燃料化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)。需要關(guān)注化學(xué)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(jìn)廠原料、燃料來(lái)源和運(yùn)輸方式。需要關(guān)注車(chē)型、船型等。

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

（4）項(xiàng)目建設(shè)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(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速等。

（5）建設(shè)范圍、設(shè)計(jì)范圍。當(dāng)建設(shè)范圍與設(shè)計(jì)范圍有不同或有分期（預(yù)留）建設(shè)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)有明確的分界內(nèi)容、預(yù)留程度等。

1.3 相關(guān)因素

國(guó)家和地區(qū)的法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，以及行業(yè)及企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)定等是設(shè)計(jì)工作中必須遵循、貫徹和落實(shí)的基本原則。從事水泥生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的工作者所應(yīng)掌握了解的國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)舉例見(jiàn)表1。隨著社會(huì)及工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展進(jìn)步，水泥工藝設(shè)計(jì)者務(wù)必遵循環(huán)境保護(hù)及職業(yè)衛(wèi)生等方面的設(shè)計(jì)原則，達(dá)到、滿足，在條件允許時(shí)優(yōu)于國(guó)家或地區(qū)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求；使項(xiàng)目建成后企業(yè)能夠?qū)崿F(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(guò)水泥行業(yè)從業(yè)人員多年的努力，水泥企業(yè)不但已達(dá)到國(guó)家水泥生產(chǎn)低能耗、低粉塵排放的目標(biāo)要求，而且有許多企業(yè)的能耗及粉塵排放都優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值。水泥生產(chǎn)也是噪聲污染較嚴(yán)重企業(yè)，尤其是在追求低投資設(shè)備露天化設(shè)置的工廠，一般僅對(duì)球磨機(jī)、空氣壓縮機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)這些極高噪聲設(shè)備設(shè)置廠房，以封閉阻擋其噪聲的擴(kuò)散，基本沒(méi)有采取其它技術(shù)措施來(lái)控制噪聲的排放污染；因此這些工廠的噪聲排放檢測(cè)均不能夠滿足GB 12348—2008標(biāo)準(zhǔn)中的要求值（見(jiàn)表2）。除磨機(jī)、空氣壓縮機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)這些極高噪聲設(shè)備，水泥生產(chǎn)線中的工藝風(fēng)機(jī)、普通收塵排風(fēng)機(jī)也是其主要噪聲源之一，目前對(duì)工藝風(fēng)機(jī)、普通收塵排風(fēng)機(jī)的噪聲控制措施主要為設(shè)置隔聲棚房及加裝消音器。另水泥廠的噪聲源還有露天設(shè)置運(yùn)行的膠帶機(jī)、外置物料溜子等等。在設(shè)計(jì)工作中務(wù)必需要加強(qiáng)對(duì)噪聲排放控制的設(shè)計(jì)，以使項(xiàng)目建成投產(chǎn)時(shí)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)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(shè)計(jì)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)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(guān)注的是GBZ 2.1—2019《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分化學(xué)有害因素》，其中與水泥廠有關(guān)的工作場(chǎng)所空氣中粉塵容許濃度限值見(jiàn)表3?？v觀現(xiàn)階段的水泥生產(chǎn)線系統(tǒng)，雖已基本實(shí)現(xiàn)和達(dá)到了較高程度的工業(yè)自動(dòng)化水平；但是，在采用鏟車(chē)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(huì)有較高濃度的揚(yáng)塵，棚內(nèi)空氣中的粉塵濃度也即鏟車(chē)司機(jī)工作場(chǎng)所的空氣中的粉塵濃度超過(guò)了容許濃度限值；此外若水泥包裝機(jī)、水泥包裝袋在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的泄漏量較大，也往往會(huì)導(dǎo)致水泥包裝機(jī)插袋工崗位及裝車(chē)工崗位的空氣中水泥粉塵濃度超過(guò)容許濃度限值。因此在條件允許時(shí)，要盡可能采用全自動(dòng)化無(wú)人操作系統(tǒng)方案以避免上述情況的發(fā)生；如鏟車(chē)司機(jī)操作作業(yè)的物料儲(chǔ)存優(yōu)選采用無(wú)人智能操作的抓斗起重機(jī)作業(yè)方式，人工插袋的水泥包裝機(jī)及人工輔助的袋裝水泥裝車(chē)機(jī)優(yōu)選采用全自動(dòng)水泥插袋機(jī)及全自動(dòng)袋裝水泥裝車(chē)機(jī)系統(tǒng)。

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

1.4 工藝設(shè)計(jì)

水泥生產(chǎn)系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)組織一套切實(shí)可行的工藝技術(shù)配置以實(shí)現(xiàn)和達(dá)到生產(chǎn)系統(tǒng)的目標(biāo)和目的。工藝設(shè)計(jì)具體的工作內(nèi)容可粗略分為工藝設(shè)備及設(shè)施的選型和工藝設(shè)備及設(shè)施的布置兩部分；常用的表達(dá)方式前者主要為工藝流程圖和工藝設(shè)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(guān)聯(lián)、相互影響、互為補(bǔ)充、不可分割的特性。

水泥工藝設(shè)計(jì)者必須學(xué)習(xí)、了解、掌握水泥生產(chǎn)工藝過(guò)程、設(shè)備及設(shè)施的基本原理和技術(shù)性能、使用條件以及安裝、維護(hù)和檢修的要求；必須學(xué)習(xí)、了解相關(guān)專(zhuān)業(yè)如總圖、電氣、土建等專(zhuān)業(yè)的基本原理和基礎(chǔ)知識(shí)。

1.4.1主要工藝設(shè)備及設(shè)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(shè)備來(lái)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(jī)設(shè)備、設(shè)施的主要技術(shù)性能；常用表達(dá)方式見(jiàn)表4。為了保障整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行，在設(shè)計(jì)選擇確定生產(chǎn)系統(tǒng)的主機(jī)設(shè)備、設(shè)施的主要技術(shù)性能工作時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注的因素有主機(jī)設(shè)備的年利用率、車(chē)間工作制度、各種物料的儲(chǔ)存期。并且在GB 50295—2016《水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》中，主要工藝設(shè)備設(shè)計(jì)年利用率、主要生產(chǎn)系統(tǒng)工作制度、各種物料儲(chǔ)存期的相關(guān)一般規(guī)范要求詳見(jiàn)表5～8。

1.4.2全廠生產(chǎn)車(chē)間總平面布置

充分、合理、有效地利用總平面場(chǎng)地地形、地質(zhì)條件，在滿足生產(chǎn)車(chē)間的施工、安裝、操作、維護(hù)、監(jiān)測(cè)和通行要求的前提下，兼顧與其它專(zhuān)業(yè)的相互配合，盡可能做到各生產(chǎn)車(chē)間布置緊湊、流程簡(jiǎn)捷順暢，盡可能減少物料的轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)及物料的輸送距離。這也是全廠生產(chǎn)車(chē)間總平面布置務(wù)必遵循的設(shè)計(jì)原則之一。

1.4.3各生產(chǎn)車(chē)間通用或?qū)Ｓ迷O(shè)備的選型

按各生產(chǎn)車(chē)間工藝要求和設(shè)備有關(guān)的技術(shù)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?qū)Ｓ迷O(shè)備，設(shè)計(jì)組成生產(chǎn)車(chē)間工藝流程的設(shè)備選型。

組成生產(chǎn)車(chē)間的通用或?qū)Ｓ迷O(shè)備的生產(chǎn)能力對(duì)其主機(jī)能力應(yīng)有一定的儲(chǔ)備值。一般情況下，系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備對(duì)主機(jī)能力的儲(chǔ)備值在20%左右。因水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的特殊性及復(fù)雜性，各設(shè)備對(duì)主機(jī)能力的儲(chǔ)備值變化較大，應(yīng)視其使用位置工藝要求及相關(guān)設(shè)備的技術(shù)性能情況綜合確定；如熟料鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)要求其最大能力應(yīng)可滿足窯能力的170%～200%，而風(fēng)選系統(tǒng)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量一般按選粉機(jī)要求風(fēng)量的110%選型。

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

1.4.4各生產(chǎn)車(chē)間的布置設(shè)計(jì)

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

（1）生產(chǎn)設(shè)備布置要緊湊、流程簡(jiǎn)潔順暢，即盡可能做到無(wú)不必要的物料輸送及轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)。

表4 主機(jī)設(shè)備表（示例）

（2）合理確定車(chē)間平面和空間的建筑結(jié)構(gòu)要求，即做到無(wú)不需要的平面和空間建筑結(jié)構(gòu)。

（3）與相關(guān)車(chē)間落實(shí)確定生產(chǎn)系統(tǒng)流程及布置要求，并準(zhǔn)確表達(dá)在本車(chē)間設(shè)計(jì)中。

表5 物料儲(chǔ)存方式、儲(chǔ)存量及儲(chǔ)存期（示例）

表6 主要工藝設(shè)備設(shè)計(jì)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(shí)確定車(chē)間在總圖中位置，設(shè)備進(jìn)出車(chē)間的安檢要求以及總圖和相關(guān)專(zhuān)業(yè)對(duì)本車(chē)間布置的要求。

表8 各種物料儲(chǔ)存期（GB 50295—2016） d

1.4.5工藝非標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)

工藝非標(biāo)準(zhǔn)件是指工藝系統(tǒng)中無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可選用的結(jié)構(gòu)件、零件或組合部件等非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備件；用于系統(tǒng)中物料、氣體流動(dòng)的載體或調(diào)節(jié)，設(shè)備及非標(biāo)準(zhǔn)件等的安裝固定或扶持。因此，工藝非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)是工藝設(shè)計(jì)工作中的重要組成部分之一；工藝非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)將會(huì)直接影響到車(chē)間設(shè)備的施工、安裝及廠房的布置；工藝非標(biāo)準(zhǔn)件的適用性也將直接影響生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況。因此，在實(shí)際工作中，設(shè)計(jì)者對(duì)工藝非標(biāo)件務(wù)必進(jìn)行深入細(xì)致的工作，以保證設(shè)計(jì)、施工、安裝、調(diào)試及投產(chǎn)的順利進(jìn)行。

2 結(jié)語(yǔ)

總之，從我們的工作經(jīng)歷中也可深刻地體會(huì)到?jīng)]有完全一樣的條件，也沒(méi)有一模一樣的工廠，水泥生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單的縮小或放大，更不是機(jī)械的重復(fù)復(fù)印；設(shè)計(jì)方案沒(méi)有最好，只有更適宜更實(shí)用，并且隨著整體工業(yè)技術(shù)的提高發(fā)展進(jìn)步而一直處于螺旋式優(yōu)化提升的過(guò)程中。