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1、-年产780万件汤盘的天然气隧道窑窑炉课程设计说明书-第 21 页景德镇陶瓷学院窑炉课程设计说明书题目： 年产780万件汤盘天然气隧道窑设计 学 号： 2011xxxxxx 姓 名： xxx 院 （系）： 材料学院 专 业： 无机非金属材料科学与工程 指导教师： xxxxxx 二一四年十月二十四日1、前言.12、设计任务书（由教师给定）.23、窑体主要尺寸的确定.33.1、窑内宽的确定.33.2、窑体长度的确定.43.3、窑内高的确定.54、烧成制度的确定.65、工作系统的确定.75.1、排烟系统.75.2、燃烧系统.75.3、冷却系统.75.4、传动系统.75.5、窑体附属结构.85.5.1
2、、事故处理孔.85.5.2、测温测压孔及观察孔.95.5.3、膨胀缝.95.5.4、挡墙.95.6、窑体加固钢架结构形式.96、燃料燃烧计算.106.1、空气量.106.2、烟气量.106.3、燃烧温度.107、窑体材料及厚度的确定.128、热平衡计算.148.1、预热带及烧成带热平衡计算.148.1.1、热平衡计算基准及范围.148.1.2、热平衡框图.148.1.3、热收入项目.158.1.4、热支出项目.168.1.5、列出热平衡方程式.218.1.6、列出预热带烧成带热平衡表.228.2、冷却带热平衡.238.2.1热平衡计算基准及范围.238.2.2热平衡框图.238.2.3热收入项
3、目.238.2.4热支出项目.248.2.5列出热平衡方程式.268.2.6列出预热带烧成带热平衡表.279、烧嘴的选用.289.1、每个烧嘴所需的燃烧能力.289.2、每个烧嘴所需的油（气）压.289.3、烧嘴的选用.2810、参考文献.291前言陶瓷工业窑炉是陶瓷工业生产中最重要的工艺设备之一，对陶瓷产品的产量、质量以及成本起着关键性的作用。它把原料的化学能转变成热能或直接把电能转变成热能，以满足制品焙烧时所需要的温度，在期间完成一系列的物理化学变化，赋予制品各种宝贵的特性。因此，在选择窑炉时，为了满足陶瓷制品的工艺要求，应充分了解窑炉类型及其优缺点，考察一些与已投入生产的陶瓷厂，然后结合
4、本厂实际情况和必要的技术论证，方可定之。判断一个窑炉好坏的标准，通常由以下几个方面来评价：满足被烧成制品的热工制度要求，能够焙烧出符合质量要求的陶瓷制品。烧窑操作要灵活，方便，适应性强，能够满足市场多变的要求。经济性要高。包括热效率要高，单位产品的综合能源消耗要少，炉龄要长。容易实现机械化，自动化操作，劳动生产率高。劳动条件好，劳动强度小，环境污染小。以上几点，其中能否满足所烧制品的热工制度要求，是衡量陶瓷窑炉性能好坏的重要技术指标。实际生产中，往往是力求使制品被烧使窑内温差尽量减少，它是提高产品合格率的关键所在。隧道窑是耐火材料、陶瓷和建筑材料工业中最常见的连续式烧成设备。其主体为一条类似铁
5、路隧道的长通道。通道两侧用耐火材料和保温材料砌成窑墙，上面为由耐火材料和保温材料砌筑的窑顶，下部为由沿窑内轨道移动的窑车构成的窑底。隧道窑的最大特点是产量高,正常运转时烧成条件稳定,并且在窑外装车,劳动条件好,操作易于实现自动化,机械化.隧道要的另一 特点是它逆流传热,能利用烟气来预热坯体,使废气排出的温度只在200C左右,又能利用产品冷却放热来加热空气使出炉产品的温度仅在80C左右,且为连续性窑,窑墙,窑顶温度不变,不积热,所以它的耗热很低,特别适合大批量生产陶瓷,耐火材料制品,具有广阔的应用前景.2 设计任务书通过对专业知识的学习，本学期第4-6周为窑炉课程设计。本文设计产品为直径9英寸、
6、质量0.4kg的汤盘的隧道窑，年产量为780万件，以天然气为燃料进行烧成，最高烧成温度是1318，烧成周期为19h，年工作日时间为330天，入窑水分为3%，产品合格率为95%，夏季室外温度为40。2.1原始数据产品规格：9英寸（直径228.6mm)，0.4kg/块9英寸汤盘坯料组成（%）SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3K2O+Na2OI.L69.2019.960.870.490.883.125.48烧成周期：19小时气氛：常温-1050 氧化气氛 1050-1200 还原气氛 1200-1318 中性气氛入窑水分 ：3%产品合格率：95%工作日：300天夏季最高气温：40 oC最高烧成
7、温度：1320oC燃料天然气COH2CH4C2H4H2SCO2N2O2Qnet(MJ/Nm3)0.20.295.63.50.30.10.1041.583 窑体主要尺寸的确定3.1 窑内宽的确定3.1.1窑车棚板和支柱的选用为减少窑内热量损失，提高热利用率，根据原始数据所给的清洁燃料液化气，直接用明焰裸烧，并结合装载制品10汤盘的重量大小，选定全耐火纤维不承重型结构窑车：棚板、支柱均为碳化硅材料，以降低蓄散热损失，考虑到全窑最高烧成温度为13180C，选用碳化硅材料选用 50%，体积密度 2.2g/cm3，最高使用温度 14000C，导热系数计算式 5.23+1.2810-3t 。棚板规格：长宽
8、高: 48048010(mm)棚板质量=4804801010-62.2=5.07 kg 支柱规格：长宽高: 5050100(mm)支柱质量=505010010-62.2=0.55kg3.1.2窑车尺寸的确定汤盘的规格直径228.640mm，400g。制品码装方法 每块棚板装四个汤盘，棚板左右间距10mm，距窑车边缘15mm， 每层中，横6竖4摆放，每层用24块棚板，35个支柱。如图： 图3.1装码方式窑车尺寸棚板间距10mm ，棚板边缘与窑车台面间距15mm， 故窑车的尺寸宽 = 6棚板规格480 + 间距105 + 2边缘距离15 = 2930mm长 = 4棚板规格480 + 间距103 +
9、 2边缘距离15 = 1950mm3.1.3 窑内宽的确定隧道窑内宽是指窑内两侧墙间的距离，包括制品有效装载宽度与制品和两边窑墙的间距。窑车与窑墙的间隙尺寸一般为2530mm，本设计中取用30mm，则预热带与冷却带窑内宽：B1=2930+302=2990mm3.2 窑体长度的确定3.2.1窑长尺寸窑车每层装载制品数为464=96件，共8层,故每车装载制品数为968=768件，装窑密度g=每车装载件数/车长=768/1.95m=393.84件/m55.02mG生产任务，件/年； L窑长，m；烧成时间，h ； K成品率，%； D年工作日，日/年； g装窑密度，件/每米车长窑内容车数：n=55.02
10、/1.95=28.2辆，取整数28辆，此时窑长=29 1.95m=56.55m。该窑采用钢架结构，全窑不设进车和出车室，故全窑长取56.55m，分为29个标准节，每节长2000mm，所以窑炉全长5800mm。3.2.2 全窑各带长的确定 有烧成时间可知，各个段时间为6、5、8小时，据此预热带9节，烧成带7节，冷却带12节各段长度及所占比例预热带 9节 92 = 18m，占总长18/56 = 32.1%烧成带 7节 72 = 14m，占总长 16/56 = 25.0%冷却带12节 122= 24m，占总长 24/56 = 42.9%各个温度段对应长度下表表3.1温度段对应长度温度（0C）烧成阶段
11、长度（m）节数20300预热带10m15300600预热带6m6109501318烧成带14m11171318800冷却带(急冷带）8m1821800400冷却带(缓冷带）42223400200冷却带(快冷带）6242620080冷却带(尾冷带）427283.3 窑内高的确定为避免烧嘴喷出的高速火焰直接冲刷到局部制品上，影响火焰流动，造成较大温差，窑车台面与垫板间、上部制品与窑顶内表面之间都设有火焰通道，其高度（大于或等于烧嘴砖尺寸）：棚板下部通道取230mm，上部火焰通道取240mm。因此，窑内高初定为：火焰通道470 + 制品码装高度480mm + 窑车台面距棚板200=1150mm。通用
12、砖厚取65mm，需要1150/65=17.6块，取18块，故砖高=mm，灰缝=mm，内高=1170+36=1206mm此处确定预热带和缓冷段、快冷段的内高1206mm，烧成带和急冷段加两块通用砖652+22=134mm，故烧成带和急冷段的内高1206+134=1340mm4 烧成制度的确定4.1 温度制度的确定根据制品的化学组成、形状、尺寸、线收缩率及其他一些性能要求，制订烧成制度如下：表3-1 温度制度 温度（0C）时间（h）烧成阶段烧成气氛升（降）温速率（0C/h）20-3002.0预热带 氧化气氛140300-6002.0预热带150600-10502.5预热带1801050-12001
13、.5烧成带还原气氛1001200-13202.0烧成带中性气氛601320-13201.0烧成带（高火保温)01320-8002.0冷却带(急冷带）260800-4004.0冷却带(缓冷带）100400-802.0冷却带(快冷带）1604.2 烧成曲线图 图3-2烧成温度曲线5 工作系统的确定5.1 排烟系统上述已算得预热带共22节，其中19节为排烟段，第一节前半节两侧墙及窑顶设置一道封闭气幕，气慕风由冷却带抽来的热空气提供。后半节上部和下部各设1对排烟口（尺寸由第十一部分算得180100mm，为砌筑的方便高度取367=201mm，排烟量可通过过桥转来控制），目的是使窑头气流压力自平衡，以减少
14、窑外冷空气进入窑体。第二节到第七节每节在窑车台面棚板通道处各设2对排烟口，位置正对。 另外，为方便调节预热带温度，尽量减少上下温差，在第913节上部设置喷风管，每节设3根（尺寸67），一侧2根另一侧1根，反复交替，两侧墙的喷风管成交错布置，这样有利于调节该段温度制度，也能有效搅拌预热带断面气流，达到减小预热带上下温差的目的。在第1422节下部设置高速调温烧嘴（即上风下嘴结构），同时烧嘴的正对面是观火孔（尺寸67），每节设3只高速调温烧嘴，同一侧上下对应位置上设2根喷风管和2只烧嘴，对侧上下对应位置设1根喷风管和1只烧嘴，高速调温烧嘴喷出的热烟气与喷风管喷出风在窑内断面上形成气流循环，使窑内气流
15、实现激烈的搅动，促进上下温度场的均匀，而且加快了窑内的对流传热，缩短烧成时间。5.2 燃烧系统第23节到42节为烧成带，第23、24节与预热带一样，仅在下部设置3只烧嘴，而从第25节开始，每节上下均匀布有高速烧嘴，上部设置2只，下部设置3只，上下与两侧墙均呈交替布置，这样有利于烧成带温度制度的调节。5.3 冷却系统冷却带按照烧成工艺分成三段：第4349节为急冷段。该段采用喷入急冷风直接冷却方式，除急冷首节（第43节）只在后半节设冷风喷口（尺寸67）（上设4个，下设3个）外，其余每节上部设5对冷风喷管，下部设4对冷风喷管，上下喷管交错设置。第5058节为缓冷段。第5158节的侧墙设置两段间冷壁，
16、每两节作一段，顶部设有不锈钢间冷风箱，间冷壁及冷风箱均设有调节闸板，可根据需要调节抽热风量。第5968节为快冷段。为加强出窑前的快速冷却，在该段第6066节布置冷风喷管，直接鼓入冷风，每节6对上部3对、下部3对，交错排布.5.4传动系统隧道窑对辊子材料要求十分严格，它要求制辊子材料热胀系数小而均匀，高温抗氧化性能好，荷重软化温度高，蠕变性小，热稳定性和高温耐久性好，硬度大，抗污能力强。5.4.1辊子的选择 常用辊子有金属辊和陶瓷辊两种。为节约费用，不同的温度区段一般选用不同材质的辊子。本设计在选用如下：中温段（40400和40080）耐热不锈钢管40*3000（mm）高温段（4001180和1
17、180400）碳化硅辊棒40*3000（mm）5.4.2辊子直径与长度的确定 辊距即相邻两根辊子的中心距，确定辊距主要依据是制品长度、辊子直径以及制品在辊道上移动的平稳性，一般用下面经验公式 H=(1/3-1/5)l式中：H为辊距，；l为制品长度，。因l400，故可得H的范围在：H=(1/3-1/5)l133，考虑到每节长2000，辊距定为100。5.4.3传动方案传动机构采用齿轮传动，并采用分段传动，分别带动的方式，全窑分为22段，每段由一台电动机驱动，采用变频调速。传动过程：电机-减速器-主动链轮-滚子链-从动链轮-联轴节-传动轴-主动齿轮-从动齿轮-辊棒传动轴-辊子。5.5窑体附属结构窑
18、体由窑墙主体、窑顶和钢架组成窑体材料由外部钢架结构（包括窑体加固系统和外观装饰墙板）和内部耐火隔热材料衬体组成。砌筑部分，均采用轻质耐火隔热材料。窑墙、窑顶和窑车衬体围成的空间形成窑炉隧道，制品在其中完成烧成过程。5.5.1事故处理孔事故处理孔一般设在辊下,且事故处理孔底面与窑底面平齐，以便于清除出落在窑底上的砖坯碎片，事故处理孔大小尺寸通常宽240450，取300，高65135，取120。两侧墙事故处理孔一般均采取交错布置的形式。为了能清除窑内任何位置上的事故而不造成“死角”，两相邻事故处理孔间距不应大于事故处理孔对角线与对侧内壁交点连线。两事故处理孔中心间距L应小于或等于2b(1+B/)，
19、其中为其宽，B为窑内宽，为窑墙厚。本设计中，b=0.3m，B=3m，=0.46m，则有： L2b(1+B/)=4.5m又因每节长2m，故每节设置一个事故处理孔，相邻两节的事故处理孔对侧交错设置。对于事故处理孔在不处理事故时，要用塞孔砖进行密封，孔砖与窑墙间隙用耐火纤维堵塞。密封时为了防止热气体外溢，冷风漏入等对烧成制度产生影响。5.5.2测温测压孔及观察孔温度控制: 为了严密监视及控制窑内温度和压力制度，及时调节烧嘴的开度，一般在窑道顶及侧墙留设测温孔安装热电偶。本设计中分别布置于1、3、5、7、9、11、12、14、17、19、21、22、24、26、28、31标准节窑顶中部各设置一处测温孔
20、,共16支。因此在烧成曲线的关键点，如窑头、氧化末段、晶型转化点、成瓷段、急冷结束等都有留设。 压力控制主要靠调节烟气、空气等流量来实现。 布置压力计于2、5、9、12、14、16、18、20、22、24、27、30车位中部,共20支。为方便画图，图纸中没有表示出。5.5.3膨胀缝窑体受热会膨胀，产生很大的热应力，因此在窑墙、窑顶及窑底砌体间要留设膨胀缝以避免砌体的开裂或挤坏。本设计窑体采用装配式，在每节窑体中部留设1处宽度为10mm的膨胀缝，内填矿渣棉，各层砖的膨胀缝要错缝留设。5.5.4挡墙由于隧道窑属中空窑，工作通道空间大，气流阻力小，难以调解窑内压力制度及温度制度，因此，通常在辊道窑工
21、作通道的某些部位，辊下砌筑挡墙，辊上插入挡板，缩小该处工作通道面积，以增加气流阻力，便于压力与温度制度的调节。挡板负责对窑内上半窑道的控制,采用耐硬质高温陶瓷纤维板制成,可以通过在窑顶外部调整位置的高低。挡火墙负责对窑内下半窑道的控制,采用耐火砖砌筑,高低位置相对固定。窑道挡板和挡火墙设置在同一横截面上。通常为防止预热带、冷却带冷气流进入高温区，在烧成带工作通道两端必须设有挡墙结构。烧成带与冷却带交界处的上下挡墙起分隔两带的作用。所以在8、17、21、23节处各设置一挡板、挡墙。5.6窑体加固钢架结构形式辊道窑钢架起着加固窑体的作用，而钢架本身又是传动系统的本身。由于方形钢管造型美观，抗弯强度
22、较大等优点，现代辊道窑的钢架外框越来越多的采用冷拔无缝方形钢管做外框。每一钢架长度为2米，含钢架膨胀缝。全窑共68个钢架结构，其高度、宽度随窑长方向会有所改变。钢架主要由轻质方钢管、等边角钢等构成，采用焊接工艺，并在焊接处除去焊渣、焊珠，并打磨光滑。窑墙直接砌筑在钢板上，钢架承担着窑墙和窑顶及附属设备的全部重量。6 燃料燃烧计算6.1 空气量理论空气量：本设计燃料采用天然气，其成分组成如下表所示:天然气COH2CH4C2H4H2SCO2N2O2Qnet(MJ/Nm3)0.20.295.63.50.30.10.1041.58在已知燃料组成的情况下，可根据燃烧学中相关的燃烧反应式列表计算的方法，较
23、为精确地求出燃料燃烧所需的空气量、生产烟气量及烟气组成。1m3天然气燃烧的理论空气需要量L0为：，将数值代入公式得L0=22.06取空气过剩系数为=1.2，则实际需要空气量为： =1.222.06=26.472()6.2 烟气量烟气量根据燃烧学知识用公式计算得，理论燃烧产物生产量V0为： 将数值代入公式得V0=23.767(),实际燃烧产物生产量Vn为：将数值代入公式得Vg=28.179()6.3 燃烧温度理论燃烧温度计算公式：式中cr、ca、cg燃料、空气及烟气的比热容，；L一定空气消耗系数()下的单位燃料空气消耗量，=L；V一定空气消耗系数下单位燃料燃烧生成的烟气量，；t、t燃料及空气的预
24、热温度，。取室温20，此时空气比热为1.30； 液化石油气比热为3.91；(工业炉手册附表c-40)查表（燃料及燃烧表5-2）并初设烟气温度为1800，此时烟气比热为： cg=1.67。 代入上述公式得到：2184.56（2184.56-2100）/2100=4.03%5%,所设温度合适。取高温系数为0.8，则实际温度为：t=0.82100=1680，比最高温度1320高出360， 符合烧成需求，认为合理。7 窑体材料及厚度的确定窑体材料及厚度的确定原则：一是要考虑该处窑内温度对窑体的要求，即所选用的材料长期使用温度必须大于其所处位置的最高温度；二是尽可能使窑体散热损失要小；三是要考虑到砖型及
25、外形整齐。根据上述原则，确定窑体的材料及厚度如下表7-1表7.1 全窑所用材料及厚度节位置（温度段）窑墙窑顶材质厚度（mm）该段厚度（mm）材质厚度（mm）该段厚度（mm）排烟段（1-9）（20-300）轻质粘土砖4230 405轻质粘土吊顶砖250 350硅藻土砖1115矿渣棉50普通硅酸耐火纤维板100石棉板10预热升温段（9-22）（300-1050）轻质粘土砖230 405轻质粘土吊顶砖250 350硅藻土砖115矿渣棉50普通硅酸耐火纤维板100石棉板10烧成段（23-42）（1050-1320）轻质高铝砖230 455轻质高铝吊顶砖250 450轻质粘土砖115含铬耐火纤维毡100
26、含铬耐火纤维毡100普通硅酸耐火纤维板100石棉板10急冷段（43-49）（1320-800）轻质粘土砖230405轻质粘土吊顶砖250350硅藻土砖115矿渣棉50普通硅酸耐火纤维板100石棉板10缓冷段（50-58）（800-400）轻质粘土砖230405轻质粘土吊顶砖250350硅藻土砖115矿渣棉50普通硅酸耐火纤维板100石棉板10快冷段（59-68）（400-80）轻质粘土砖230405轻质粘土吊顶砖250350硅藻土砖115矿渣棉50普通硅酸耐火纤维板100石棉板108 热平衡计算8.1 预热带及烧成带热平衡计算8.1.1 热平衡计算基准及范围 热平衡计算以1h作为时间基准，而以
27、0作为基准温度。计算燃烧消耗量时，热平衡的计算范围为预热带和烧成带，不包括冷却带。8.1.2 热平衡框图图8.1 预热带和烧成带的热平衡示意图 其中 ：Q1制品带入的显热； Q2硼板、支柱等窑具带入显热； Q3产品带出显热； Q4硼板、支柱等窑具带出显热； Q5窑墙、窑顶散失之热； Q6窑车蓄热和散失热量； Q7物化反应耗热； Q8其他热损失； 燃料带入化学热及显热； Qg烟气带走显热； 助燃空气带入显热； 预热带漏入空气带入显热； 气幕、搅拌风带入显热8.1.3 热收入项目 坯体带入显热Q1 由上面物料平衡计算可知入窑湿基制品质量Gs=419.60kg/h ， Q1= （kJ/h） 其中：G
28、s入窑湿基制品质量（Kg/h） 入窑制品的温度（）；=38 入窑制品的平均比热（KJ/（Kg）；=0.86KJ/（Kg）； Q1=419.600.8638=13712.53（kJ/h） 棚板及支柱带入的显热Q2 其中：入窑硼板、支柱等窑具质量（Kg/h）；Gb=3323.38 kg/h； 入窑硼板、支柱等窑具的温度（）；T2=38 入窑硼板、支柱等窑具的平均比热（KJ/（Kg）； 50%碳化硅硼板、支柱的平均比热容按下式计算耐火材料P154： =0.963+0.146t=0.963+0.00014638=0.969KJ/（Kg） Q2=3323.380.96638=122316.41（kJ/h） 燃料带入化学热及显热 =（+）x （kJ/h） 其中：燃料为液化石油气，低位发热量为