有色冶金工厂设计基础1-3

有色冶金工厂基础2012.2.11　总平面位置方框图:网络模型，各分区（车间、工段）位置确定，根据各分区需要用地的数量，考虑有效利用的土地面积，绘制总平面位置方框图。第一章概论§1、有色冶金工厂设计的目的和要求设计是国家基本建设的一个重要环节，工业生产中的先进经验、先进技术以及科学研究中的最新成果，都是通过设计加以推广和运用的。一、目的根据原料的特性和科学试验的成果以及国内外工业生产实践：1、设计合理的工艺流程；2、选择合适的工艺设备；3、进行合理的设备配置；4、设计合适的厂房结构和辅助设施；5、配备必要的劳动定员；6、取得良好的经济效益。技术上先进可靠，经济上合理，最大限度发挥投资效果。二、要求1、工艺流程完善；2、先进而可靠；3、原材料、动力资源廉价而充分，交通运输方便；4、设备性能稳定、高效、易于加工和安装；5、设备配置力求紧凑合理；6、为扩建留有余地。7、矿物原料常伴生多种有价金属须经济地综合利用；8、有完善的“三废”处理；9、机械化和自动化程度高，积极采用计算机控制；10、便利的交通运输及其它公共设施。§2、有色冶金厂设计的原则和内容一、原则1、必须遵循国家工业建设的方针和经济需求；2、按照基本建设的程序，选择合理的设计规模，自动化程度；3、尽量采用成熟的新技术，新工艺、新设备、引进项目要符合国情；4、分期分批；5、调整好工农业关系，尽量不占或少站农田；6、考虑原料的综合利用；7、考虑三废处理；8、设计要为今后的发展和进一步的技术改造留有余地。二、设计内容冶金厂的设计大体可分以下几种类型（1）新建厂设计：要求比较全面，要完成从建厂调查，厂址选择到施工图设计一整套任务。（2）现有企业的改建或扩建设计：为适应生产规模扩大或产品品种增加以及重大的生产工艺改革等而提出的设计任务。（3）技术措施性项目设计：是工厂由于工艺流程改革或局部采用新技术、新设备而提出的设计任务，设计任务较少，一般由原工厂承担，经费来源于工厂的技术措施费用。一个新建冶金厂的设计是以冶金工艺为主体，其它有关专业相辅助的整体设计。一份完整的设计通常分以下几部分完成:1、总论和技术经济部分总论部分：对项目的总体概述A、简明概述设计主要依据；B、设计规模、产品；C、工程概况D、投资企业概况；E、设计方案的特点；F、企业建设的综合效果、问题与建议；技术经济部分：A、主要方案的技术经济比较；B、劳动定员和劳动生产率；C、基建投资、产品成本、投资贷款、偿还能力、综合技术经济指标。2、工艺部分：设计的主体A、原辅材料和产品品种数量及特性；B、工艺流程和指标的选择与说明；C、冶金过程平衡计算；D、设备的选择和计算；E、车间组成及车间设备配置和特点；F、厂内外运输量及要求；G、主要辅助设施及有关设计图纸。3、总图运输：企业的整体布置A、企业整体布置方案的比较和确定；B、工厂总平面布置和竖向布置；C、厂内外（运输条件、运输量和运输方式、铁路与公路的设计技术标准、车站及接轨站的决定和行车组织等）；D、厂内道路的确定；E、企业整体布置的有关图纸。4、土建部分A、有关厂区土壤、地质、水文、气象、地震等资料；B、厂区主要建筑物设计方案的比较与确定；C、行政福利设施；D、有关图纸（主要建筑物平、剖面图），建筑一览表及及建筑维修等。5、供电、自控及电讯供电部分：供电等级、供电系统、主要电力设备的选择、照明；防雷设施及线路接地确定。自控部分：各种自动化仪表的选型和配置、电子计算机控制系统电讯部分：企业调度。6、热工和燃气设施热工：锅炉房、蒸汽管道燃气：压缩空气、煤气等7、机修设施：各种机修设备(机修、管修、电修、工具修理、计器及车辆修理）的配置和选择。8、供排水、采暖通风：确定水源和全厂供排水量，全厂排水管网和供水、排水系统的设计及污泥处理等。9、环保、安全卫生及化验和检验等。10、工程投资概算：建筑工程费用概算，设备购置及安装概算，主要工业炉费用概算，器具、工具及生产家具的购置概算，总概算及总概算书等。以上内容是针对较完整的工程设计，根据具体要求的不同可增减。§3、有色冶金厂设计的程序a、建厂调查及项目建议书b、可行性研究*设计前的准备工作：c、设计任务书d、厂址选择e、环境影响评估报告f、收集资料*编制初步设计*绘制施工图*参加现场施工和试车投产工作一、设计前的准备工作1、项目建议书1）概念项目建议书是由项目投资方向其主管部门上报的文件，目前广泛应用于项目的国家立项审批工作中。它要从宏观上论述项目设立的必要性和可能性，把项目投资的设想变为概略的投资建议。项目建议书的呈报可以供项目审批机关作出初步决策。它可以减少项目选择的盲目性，为下一步可行性研究打下基础。2）编制目的1、机会研究或规划设想的效益前途是否可信，是否可以在此阶段阐明的资料基础上伸出投资建议的决策；　　2、建设项目是否需要和值得进行可行性研究的详尽分析；　　3、项目研究中有哪些关键问题，是否需要作专题研究；　　4、所有可能的项目方案是否均已审查甄选过；　　5、在已获资料基础上，是否可以决定项目有无足够吸引力和可行度。3）内容和深度（1）项目名称，内容及开办的必要性和依据；（2）市场预测。包括国内外供需情况的现状和发展趋势预测、销售预测和价格分析；（3）建设规模和产品方案设想；（4）建厂地点，承办企业的基本情况；（5）资源供给的可能性和可靠性；（6）主要技术工艺设想；（7）外部协助条件；（8）投资预测和资金筹措方案；（9）建设工期预计；（10）经济效益和社会效益的初步评价。2、可行性研究1）概念：FeasibilityStudy.是一门运用多种科学研究成果来保证实现工程建设最佳经济效果的一门综合性科学。是在制订生产、基建、科研的前期，通过全面的调查研究，分析论证某个建设或改造工程、某种科学研究、某项商务活动切实可行而提出的一种书面材料。　　2）内容和深度a、项目建设的必要性和依据的进一步论证；b、市场的进一步预测；c、建设规模和产品方案的技术经济比较和分析；d、建厂地址的比较和选择；3.设计任务书设计任务书设计任务书是业主对工程项目设计提出的要求，是工程设计的主要依据，是一种具有法律效率的行政性文件。进行可行性研究的工程项目，可以用批准的可行性研究报告代替设计任务书。设计任务书的主要内容一般包括：⑴项目名称。产品方案、生产规模、服务年限；⑵选定的厂址；⑶主要原料的品质和供应，水电动力和交通条件；⑷推荐的生产工艺、建设项目组成、主要设备和技术装备水平；⑸对资源的综合利用、环保及“三废”治理的要求；⑹建设进度安排；⑺投资限额和要求达到的投资效果；⑻其它要求（远景规划、设计中要考虑的其它问题）。一般应附，对上述内容作简要说明。对拟采用的新技术、新工艺、新设备及存在的问题也应予以提出，并规定需要开展试验研究项目的具体安排和进度，提出解决问题的措施。4、厂址选择厂址选择（plantsiting），即建厂地理位置的合理选定。根据国民经济建设计划﹑技术经济政策﹐结合资源情况和工业布局的要求确定，是落实工业生产力分布﹑实现建厂计划的重要环节。适当与否，对企业的建设速度、建厂投资、发展生产、经济效益、环境保护及工农关系等会带来重大影响。5、环境影响评估报告环境影响评价是项目评价体系的重要组成部分，内容包括项目建设方案所需要的环境条件研究，影响项目建设环境因素的识别和分析，需要采取的保护对策和措施，以及相关的环境损失和环境效益经济分析。6、收集资料二、编制初步设计初步设计是设计承担单位根据设计任务书的内容和要求，在掌握了充分而可靠的主要资料基础上进行具体设计的工作步骤。其目的是保证工程项目投产后的经济效益。两部分：说明书；图纸（标注物料流向和流量的工艺流程图、反应车间设备配置的平面图和剖面图）、设备和材料清单及全厂的组织结构及劳动定员等。说明书：内容：（1）绪论：设计的依据、规模和服务年限，原材料的来源、数量、质量、特性及供应条件，产品品种及数量，厂址及特点，运输、供水、供电，安全卫生及“三废”治理条件，采用的工艺流程及自动化控制水平，建厂循序及扩建意见，主要技术经济指标等。（2）工艺流程和指标选择与论证：从原材料和当前技术条件出发，通过数种方案的技术经济比较，证明所采用的工艺流程和指标的合理性与可靠性，详细说明所采用的新技术、新设备、新材料的合理性、可靠性及预期效果；扼要说明全部工艺流程及车间组成，介绍工作制度及各项技术操作条件，确定综合利用、“三废”治理和环境保护的措施等。（3）冶金计算：进行物料的合理组成计算、配料技术、生产过程有价成分和物料的衡算及必要的热平衡计算，确定原材料、燃料、熔（溶）剂级其它主要辅助材料的数量和规格等。（4）主要设备设计和其它设备选型：定型设备型号、规格、数量的选择确定及选择原则和计算方法；非定型主体设备的结构计算、电压平衡和热（能量）平衡计算，确定设备的主要尺寸，结构、构筑材料的规格、数量及具体要求；主要设备选择方案的说明；机械化、自动化装备水平的说明等。（5）设备配置：按地形和运输条件考虑的各车间布置关系的特点及物料运输方式运输系统的说明，配置方案的技术经济比较及特点，关于新建、扩建和远近结合问题的说明等。（6）自动化、质检和其它辅助设施（7）“三废”处理（8）定员定岗（9）经济可行性分析（10）建议与说明：设计中存在的主要问题和解决问题的建议及其它需要特别说明的问题（11）附表：有供项目项目总负责人汇总的主要设备明细表、主要基建材料表等；供技术经济专业汇总的主要技术经济指标表，主要原材料、燃料、动力消耗表和劳动定员表等；供预算专业汇总的概算书等。（12）附图：工艺流程图、设备连接图、车间配置图、非标准设备制造图。三、绘制施工图（施工图设计）施工图设计是根据初步设计及其审批意见，完成各类施工图纸、施工说明和工程概算书，作为施工的依据。施工图设计阶段的设计文件由设计单位直接负责，不再上报审批。1、设备安装图2、管路安装图3、土建施工图具体：1）施工阶段带控制点的工艺流程图。2）非标设备制造及安装图。3）施工阶段设备布置图及安装图。4）施工阶段管道布置图及安装图。5）仪器设备一览表。6）材料汇总表。7）其它非工艺工程设计项目施工图纸。施工图设计工作程序四、参加现场施工和试车投产工作现场施工：1、对图纸会审、解释2、及时纠错，提出变更意见3、参加试车，处理试车过程中的问题4、坚持设计原则试车投产后，达到如下要求可算成设计任务。1、流程畅通2、设备运转正常3、产品合格4、各项指标都达到设计任务书的要求§4、有色冶金厂设计的动向与展望面临问题：1、资源日益贫乏，矿石品位越来越低；2、能源危机越来越严重；3、环境保护标准越来越高。因此，要求设计者：1、采用强化冶金过程的工艺技术；2、采用高效低能耗的大型冶金设备；3、综合利用矿产资源；4、三废处理；5、冶金过程自动化。第二章工艺流程的选择和设计任务：确定工艺流程方案；确定流程中各工序的具体内容、顺序和组合方式；绘制工艺设备流程图；§1、有色冶金厂的生产规模生产规模的确定：1、根据产品和市场需求；2、根据环境保护的要求；3、根据当时当地实际情况，综合权衡（效益原则）。§2、工艺流程选择的基本原则和影响因素工艺流程：矿物原料→若干工序→最终产品的过程工艺流程的选择实质上是生产方法及生产工艺路线的选择。一、选择工艺流程的基本原则1、对原料有较强的适应性；2、有利于综合回收和环境保护；3、技术成熟，先进可靠；4、总投资少，建设期限短，投产后效益大。二、工艺流程选择应考虑的基本因素（一）矿物原料的物理性质，化学组成和矿相特点1、不同冶炼方法对物料的物理性能要求不同。物理性能—指原料的粒度和水分2、化学组成：不同，工艺流程差别大。指原料中主金属含量和杂质含量。例如：铝土矿，Al含量和Si含量。3、物料的矿相特性：矿相—主金属的存在形态。例如：铝土矿三水铝石型一水软铝石一水硬铝石钨矿：黑钨矿（Mn,Fe)(WO4)2,白钨矿CaWO4（二）综合利用有色金属原料，提高经济效益（三）主要金属的总回收率是评价工艺流程好坏的标志锡精矿→反射炉处理→含Sn5%的初渣→鼓风炉处理→含Sn2%的二次渣→烟化炉处理→含Sn0.2%的弃渣增设烟化炉，需投资120万元，但可使炼锡总回收率提高1%，每年可多产锡180吨，价值400万元。（四）生产所需要的燃料、水、电也常影响工艺流程的选择1989年我国锌产量，43.8万吨/年.沈冶2万吨/年(湿法)株冶10万吨/年(湿法)韶冶7.5万吨/年(密闭鼓风炉)葫芦岛14万吨/年(竖炉)当时生产1吨锌耗煤2~3吨100元/吨湿法炼锌生产一吨锌耗电4000度0.2元/度电(五)生产规模和产品品种如我国铜生产能力在2万吨/年以下者,多采用鼓风炉熔炼.生产高比容钽粉,用钠还原K2TaF7,生产冶金级钽粉，用熔盐电解法。(六)基建投资费用和经营管理费用冶金企业的经济服务年限一般为20年左右.例:反射炉炼铜和电炉炼铜经济比较§3工艺流程方案选择的技术经济比较（了解）一、工艺流程方案比较的内容和方法设计方案:总体方案、局部方案。（p15)比较内容：技术和经济两个方面工艺流程的技术指标表现在：1）工业生产的可靠性;2）合理地处理原料;3）能保证产品的质量;4）有高的金属回收率;5）综合利用和三废处理的程度.工艺流程的经济指标主要表现在：1）有较高的劳动生产率和生产能力;2）对原料、燃料、水、电、动力的消耗低;3）产品成本低;4）基建投资少，投资回收期短.比较方法：1）坚持多方案比较。对每一列出的方案都要有具体的分析说明。既不遗漏最优方案，又不滥列陪衬方案。2）对提出的每一方案进行技术经济计算。3）根据计算结果，逐步筛选出最佳方案。实例1:铜精矿熔炼工艺流程的选择§4工艺流程方案选择实例二、低品位钨矿提取钨工艺的选择(湿法)苏打高压浸出法、氢氧化钠常压搅拌浸出法、酸浸—碱分解法、热球磨法§5工艺流程设计的步骤和方法1、确定生产线数目。2、确定主要生产过程。3、考虑物料和能量的充分利用。提高有价成份的总收率；余热利用；尽量采用物料自流；进行“三废”冶理设计；4、精心设计各单元过程。5、工艺流程的完善与简化。§6绘制工艺流程图分类：一、工艺流程简图二、工艺设备连接图三、工艺施工流程图工艺流程简图以方格、文字、直线和箭头表示从原料到产品的生产过程图。规则：1、原料、辅料、中间产物、废物其名下加粗实线；产品名下加粗细双实线。2、名加实线外框，工序名要标出工序特点。3、工序间、工序与物料间用细实线联系并加箭头表示物料走向。4、备用工序外框线和连线用虚线表示。工艺设备连接图绘制要点：1、按工艺过程先后和设备的大致比例及空间大致位置从左至右画出工序中的所有设备轮廓或示意图（细实线）。2、用粗实线和箭头表示出物料的流向。3、用中粗实线表示出水、汽、气、真空等的分布。对交叉线采用“竖断横不断”的画法。4、在设备示意图上标出设备序号，列出设备一览表。5、填标题栏。施工流程图p28比工艺设备连接图内容更全面，是设备平、立面布置和管道施工图的设计依据。图中内容：1、包括工艺设备连接图的所有内容，生产设备和全部管路均要绘出，不得省略。2、采用管路符号绘出管路，并在管路上绘出阀门。3、采用代号标出各种工艺控制点（温度、流量、压力、重量、成份分析等）4、在图的空白处，标出图例说明，对图中符号表示的意义进行说明。第三章冶金过程衡算§1、冶金过程衡算的目的和内容冶金过程衡算定义:根据冶金工艺过程中的各个工序的物理和化学变化的基本原理，用数学分析的方法定量研究工艺过程中的物质的量的变化。一、目的1、确定生产过程中各个工序的物料处理量，中间产物，产品量及三废排放量；2、确定原辅材料、燃料、水、电等的消耗量；3、为生产过程设备的选型、设计、台数及辅助工程的确定提供论据；4、为能量的提供和利用提供依据；5、为运输设备的选择提供计算依据。二、冶金过程衡算内容1、物料的合理成分计算确定物料中各种化学形态物质的百分数。如铜精矿的合理组成：根据含Cu、S、Pb、Zn含量黄铜矿CuFeS2辉铜矿Cu2S孔雀石Cu2(OH)2CO3PbS,ZnS,FeS2等2、配料计算以特定的工艺出发，根据过程发生的化学反应及生产实际要求，计算处理一定量的原料所需要的其它试剂的量。3、冶金过程有价成分平衡计算4、冶金过程物料平衡计算5、冶金过程能量平衡计算6、为运输设备提供计算依据§2、冶金过程有价成分计算和物料平衡计算有价成分：是指原料中的主要金属。物料：指生产过程中所使用和产出的每一种物质。如：精矿、熔剂、燃料、水、空气、中间产品。有价成分衡算：计算主要金属在整个生产过程中的分配和流动情况。物料衡算：计算全部物料在整个生产过程中的分配和流动。可达到如下目的：1）知道主要金属在各个工序损失的大小和整个过程的金属回收率，从而可针对具体情况改进薄弱环节，寻求提高回收率的因素。2）反映出各工序物料处理量的大小，是进行设备选型和计算的依据。一、有价成分衡算和物料衡算的基本原则理论基础—质量守衡总原则—收支平衡ΣG入=ΣG产+ΣG损ΣG入—所有进料质量之和ΣG产—所有产物质量之和ΣG损—损失物料量二、有价成分衡算和物料衡算的基本步骤（一）、收集数据1）画出详细的工艺流程图所有原始数据标在图的相应部位，未知量也同时指出。2）确定工艺过程的技术条件如：回收率、温度、压力、分解率、脱硫率、炉渣成分、过剩系数、液固比等。3）各工序有价成分的损失率可返回损失率—本工序损失了，但可在其它工序进行回收。不可返回损失率—本工序损失了，再也不能回收。如：机械损失、飞扬损失、随废水、废渣、废气带走的损失。4）原料、各种中间产品、产品的化学成分、物相特征。5）设计工厂的物料处理量或产品产量。（二）确定计算方法（三）选择计算基准质量基准—如：100Kg金属量，或原料量。时间基准—以一天的金属量或物料量。计算精确度为1%（四）进行有价成分和物料衡算（五）列出平衡表。（六）根据平衡表，对流程进行分析。三、有价成分衡算和物料衡算流程简图和衡算式以反应器为计算体系：AB+RC-BP=RP以分离器为计算体系：RP+BP-RC=P+V+W以整个系统为计算体系：AB=P+W+V四、有价成分衡算和物料衡算技术指标的确定有价成分的回收率Qn--n序的处理量（按物料中的有价成分数量计算）Pn--n工序的产量Xn--n工序的不可回收损失量Rn--n工序的可返回损失量xn--n工序的不可返回损失率,xn=Xn/Qnx100%rn--n工序的可返回损失率,rn=Rn/Qnx100%1、工序的直接回收率ηn(%)ηn=Pn/Qn×100%或ηn=1-xn-rn2、n工序的总回收率η,n(%)η,n=(Pn+P返)/Qn×100%或ηn=1-xn3、生产过程直接回收率η(%)η=P最终产品/Q原料×100%当工艺过程没有返料时,η=η1xη2x…ηn4、生产过程总回收率η’η’=(P产+P副)/Q原料×100%没有副产品时，η’=η有副产品时，η’>η§5冶金过程能量平衡计算一、冶金过程能量平衡计算的目的和要求1、用以确定外加能量，或需导走的能量，从而确定燃料和电能的消耗量，及进行加热器或散热器的设计;2、余热利用和研究节能的可能途径二、冶金过程能量平衡计算的原则理论基础：能量守衡定理原则：热收入=热支出先进行物料平衡计算,再进行能量平衡计算三、能量平衡计算的步骤1、确定计算体系2、确定过程进行的各种工艺条件如：温度、压力、升温保温制度、加热方式3、准确的过程物料衡算数据4、确定过程中各物料之间发生的化学反应5、确定过程所使用的主体设备形状、尺寸、材料和炉方式6、选定能量衡算的基准温度7、计算热收入和热支出，列出能量守衡方程式。使：∑Q收入=∑Q支出8、列出能量平衡表，进行分析。四、能量平衡计算的内容和能量平衡方程式的建立(一)、计算内容1、热收入，Q收入1）过程参加反应物料的放热反应热效应Q反应（放）Q反应=∑I=1nGi△HTx103/Mi(kJ)Gi—参加反应物料的质量Kg△HT—参加反应物料的摩尔反应热效应(kJ/mol)△HT=△H298+∫298T△CPdTMi—参加反应物料i的摩尔质量(g/mol)2)外加热，Q外燃料燃烧：Q外=GJ（kJ）G—燃料的质量（kg）J---燃料的燃烧热（kJ/kg）电炉供热：Q外=3600P0τ（KJ）P0—炉子正常工作的实际功率(KW）τ—炉子作业时间（小时）3600—换算系数：1KW=3600kJ/h3)进入反应设备的各种物料的物理显热Q显热=∑i=1nGiCit进炉温度(kJ)Gi—物料的质量（Kg）Ci—物料的比热(kJ/Kg℃)2、能量支出,Q支出1)、过程参加反应物料的吸热反应热Q反应（吸）2)、各种反应生成物（包括产品、炉渣、烟尘、烟气、水分蒸发等）带走的热量：Q产物Q产物=∑i=1nGiCit反应（kJ）3)、炉料由进料温度加热到反应温度所需热量Q物料Q物料=∑i=1nGiCi(t反应-t进炉)（kJ）4)、消耗在反应设备上的热量Q设备（对周期作业的设备）Q设备=GC(t反应-t室)5)、设备向周围散失的热量Q散（由于辐射、传导、对流）(二)、建立能量守衡方程式1、以反应温度为基准2、以0℃为基准五、冶金过程节能分析1、预热炉料：提高预热空气温度。2、强化燃料燃烧过程：采用氧或富氧鼓风。3、减少热损失：保温性能好材料；连续作业；降低产物出炉温度，使炉料干燥入炉。4、充分利用精矿本身的热量和烟气的余热。