全电熔窑炉课程设计.doc

课程设计说明书日产8吨硼硅玻璃全电熔窑炉的设计班级：无机1001姓名：程小伟学号：3100703002指导教师：陈彩凤 时间：2013.7目录前言31电熔窑概述41.1玻璃电熔窑原理41.2电熔窑的优点52设计任务与要求53电熔窑的设计63.1电熔窑的形状与尺寸63.2电极的选择与布置73.3供电方式74 电熔窑的计算74.1 各原料用料的计算74.2电熔窑的热电平衡104.2.1 生料熔化耗热量的计算104.2.2熟料加热熔融耗热量的计算124.2.3配合料水分蒸发耗热量的计算135.窑体散热计算135.1窑墙散热计算145.2窑底散热计算165.3窑炉上部结构热损失166.冷却水带走的热量177.结语17参考文献18前言自从 1902年德国沃尔克 (Voker)利用离子高温导电取得玻璃电熔技术专利后,世界上就揭开了玻璃电熔的一页。在 1920 1925年间, 瑞典、 挪威先后将电熔窑投入生产后, 玻璃电熔就正式进入了工业领域。随着全球能源危机加剧，引起世界各国对能源有效开发利用的高度重视。玻璃制造业是一个高耗能的行业，使用传统的火焰炉生产高硼硅玻璃，一次性投入成本高，产品实现过程中仅能源运行成本就占总成本的 40% ，且受熔炉结构影响，产品质量的制约因素较多。由于电熔窑具有独特明显的优越性,发展迅猛, 遍及世界各地,尤其是在电源丰富、 电价低廉的地区和生产特种难熔的制品时。进入 21世纪后,更成为玻璃熔窑改革的一个主要方向。各种计算机辅助设计软件，如AUTOCAD，提供了强有力的绘图、设计、图像编辑和变换功能，能绘制各种二维和三维图形，能有效的帮助设计人员表达设计思路。计算机辅助设计在机械、化工、建筑、电气、造船、轻工等部门都得到了广泛的应用，并且取得了巨大的经济效应。1.电熔窑概述玻璃在常温下是很好的电介质，它的电导率约为10-13 10-15（cm）-1随着温度的升高，电阻逐渐降低，在200300时，开始变得显著起来，温度越高，电阻越低，电导率越高，在熔融状态下可达0.11（cm）-1。所谓全电熔窑是指配合料熔成导电介质后，玻璃液本身成为电阻器件，实现玻璃的连续熔化。电熔窑开始启动时，是用气体或液体燃料加热，也有用辐射元件加热的。有时先向窑内加入一层碎玻璃约500mm厚直到把最下层电极淹没，便向最下层电极通电，停止火焰加热，并继续加入配合料，使配合料不断熔化，玻璃液不断上升，直至液面上升至规定高度。1.1玻璃电熔窑原理玻璃电熔技术是利用玻璃在高温熔融状态时的良好导电特性，在玻璃熔体内插入电极，通过电流的焦耳效应，在玻璃熔体内产生热能，从而达到熔化玻璃和连续加热的目的。玻璃液之所以具有导电性，主要是因为电荷通过离子发生转移。硅酸盐玻璃具有一个远程无序的网络结构，除了共价键结合的硅和氧原子外，网络结构还包含玻璃改良剂离子，它们是相对自由的，特别是碱金属离子。在玻璃网状结构中结合能力最弱的也是碱金属离子，它们是电流载体。在石英玻璃和硼硅酸盐玻璃种，只含有少量的碱金属离子，因此导电性差。在钠钙玻璃中除了离子数量外，离子的强度和离子的半径也影响玻璃液的导电性。与Na+相比，K+半径较大，迁移受到的阻力也较大。相反，Li+半径比Na+半径小，但由于Li+结合能力强，因此，Li+迁移Na+比困难。所以，Na+最有利增加玻璃液的导电性。1.2电熔窑的优点（1）热效率高：电能在玻璃液内部变为热能，玻璃液被配合料覆盖，向周围介质散失的热量可以降到最低限度，而且没有烟气带出的热损失。大型窑炉的热效率可达75%80%，小型电熔窑可达60%。（2）适合熔制高质量玻璃：依靠窑的结构，电极的位置，调节改变通入的电流，熔制出的玻璃具有很高的均一性。（3）适合熔制含高挥发物组分的玻璃：由于在池深处加热，玻璃液面上有冷的配合料覆盖层，在玻璃熔制和澄清过程中的挥发物，遇到冷的配合料层即冷凝而被捕集。（4）电熔窑结构简单、管理方便：电熔窑不需要有关燃料的各项设备以及蓄热室换热室等。而且电熔窑产房占地面积小，大修时间短。（5）避免环境污染：电熔窑作业环境良好，没有喷嘴和燃烧时的噪音，没有上部结构的大量散热，没有烟气带出的SO2、NO2、CO、CO2等气体和配合料粉尘。2.设计任务与要求日产量8吨硼硅酸盐玻璃，熔化工作温度1650。表1 玻璃配方成分SiO2Al2O3CaONa2OB2O3%80.52.10.34.512.6表2 原料的化学成分 （）原料名称SiO2Al2O3CaONa2OB2O3砂岩98.400.760.21硼砂16.4536.21无水硼酸100化工Al(OH)365.38方解石56设配合料水分5%，配合料中熟料（碎玻璃）占20%；玻璃液电阻率11cm；电极材料为直径50mm钼棒，每支电极水冷套吸收的热损功率为2kw，窑型可取双室，供电方式可单相、两相或三相，电极布置可水平、垂直。主要计算：各原料用量、电热平衡、各层耐火材料选择与厚度确定及界面温度检验、电熔窑主要尺寸、电极数量及布置尺寸和电流密度检验。3.电熔窑的设计3.1电熔窑的形状与尺寸本次设计采用正方形的窑池。窑形取双室。电熔窑的尺寸依据熔化面积而定。窑池的熔化面积用下列公式计算：式中：G熔窑的生产能力，t/d K熔化率，kg/(m2.d)查阅相关手册K取1.5则=8.0/1.5=5.33t.m2 / kg所以我们正方形的边长为2.3m电熔窑熔化池最佳深度的确定。熔化池玻璃液的深度与对角线比大致为1：1，或玻璃液深度略大于对角线的长度。我们取电熔窑的深度为3.3m。3.2电极的选择与布置本设计选用的电极为直径为50mm的钼棒。电极采用垂直棒状布置方式，选用8根电极对称分布于池底。3.3供电方式电熔窑所用的电源系统取决于电熔窑的形状与尺寸。对于电熔窑的电源系统，只要系统设计得合理，单相，两相，三相都可以。本设计采用三相供电系统。4.电熔窑的计算4.1各原料用料的计算设玻璃熔化温度为1650，配合料（不包含碎玻璃）水分5%。按玻璃的配方计算其配合料的组成，设原料均为干燥状态，计算时不考虑水分问题。 砂岩的用量： 同时由砂岩引入Al2O3为：同时由砂岩引入Na2O为： 硼砂的用量： 由于采用冷顶式的全电熔窑，挥发分可以通过冷凝回收不需要考虑原料的损失。由硼砂引入的Na2O的量为：4.5-0.172=4.328kg同时由硼砂引入B2O3的量为： 无水硼酸的用量：同不考虑B2O3 挥发。则无水硼酸的用量为： 化工氢氧化铝的用量： 由化工氢氧化铝引入的Al2O3 的量为：所以引入Al(OH)3量为： 方解石量的用量：表3 生产100kg玻璃时原料的用量原料名称单位/kg砂岩81.809 硼砂26.310无水硼酸3.073化工氢氧化铝4.521方解石0.536 合计116.249 表4 熔制100kg玻璃实际原料用量百分比砂岩硼砂无水硼酸化工Al(OH)3方解石合计70.37%22.63%2.64%3.89%0.46%99.99%气体率：为了使玻璃液易于澄清和均化，配合料中必须含有一部分能受热解放出气体的原料，如碳酸盐、硼酸盐和硫酸盐、硼酸、氢氧化铝等。玻璃瓶制品配合料逸出的气体量与配合料质量之比，称为气体率。配合料的气体率=玻璃产率为=设玻璃每次配合料的量为500kg，碎玻璃的用量为20%，挥发损失的量略去不计，则：碎玻璃用量：粉料用量：放大倍数：则500kg配合料中各原料的粉料用量=熔制100kg玻璃中各原料用量放大倍数因原料中含有水分，则湿基用量=干基用量/（1-水分%）。配合粉料中含水量为5%，则加水量=4.2电熔窑的电热平衡电熔窑是利用玻璃高温导电，电流通过玻璃液自身加热，在单位时间内，窑内所产生的电热效应，其热量Q与通过玻璃液中的电流I平方成正比，与电极间玻璃液电阻R成反比，根据焦耳楞次定律可写成：Q=I2Rt=U2t/R式中：U电极间的电压，V；t电流通过的时间，s；R电极间玻璃液的电阻，。在全电熔窑内配合料熔化所需的化学反应热Q1，窑体热损失Q2（包括窑底，窑墙，上部结构，孔洞等热损失），电极和冷却水所带走的热量Q3，以及其他热损失Q4，均来自于电热效应所产生的热量Q,因此可建立电热平衡式如下：Q=Q1+Q2+Q3+Q4配合料中生料（即粉料）占80%，熟料（即碎玻璃）占20%，熟料/生料=20/80=0.25，即1kg生料中加熟料0.25 kg,可得到：113.98%+0.25=1.110 kg玻璃液因此熔化成1kg玻璃液需要生料量和熟料量分别为：=11.110=0.901kg=0.251.110=0.225kg熔化成1kg玻璃液需要配合料量： =0.9010.225=1.126kg在熔化1kg玻璃液中，由熟料熔化形成的玻璃液占0.225kg，由生料形成的玻璃液占（10.225）=0.775kg。4.2.1 生料熔化耗热量的计算：玻璃液形成过程热量的计算方法有多种，在物理热的计算方面基本一致，而在化学热的计算方面提出了一种接近实际计算的方法。该法认为，实际生产时，配合料一入窑，立即被加热到最高熔化温度，并在该温度下进行反应和熔融。马特维耶夫从热化学的观点，按盖斯定律，由反应物和原始物之间的热焓差，制定了耗热量与温度的线性关系式：式中：Gi-玻璃液成分中各氧化物的重量含量Gs-剩余的SiO2量Hi各氧化物熔融成硅酸盐玻璃所消耗的热量，千卡/千克氧化物Hs加热剩余氧化物所消耗的热量，千卡/千克 SiO2表5 100 kg湿粉料中形成氧化物的数量原料名称形成玻璃的氧化物量的计算氧化物的数量（kg）SiO2Al2O3CaONa2OB2O3砂岩70.370.950.984=65.78265.78270.370.950.0076=0.5080.50870.370.950.0021=0.1400.140硼砂22.630.950.3621=7.7857.78523.510.950.1645=3.5373.537硼酸2.641.00=2.642.64Al(OH)33.890.950.6538=2.4162.416CaCO30.460.950.56=0.2450.245表6 Hi 和Hs 与温度的关系式及1650下各物质的耗热量硅酸盐类别单位耗热量计算温度为1650时的耗热量HiCaOSiO2554.710-3t501.1kcal/kg CaO1416.335Na2OSiO21438.5710-3t245.3kcal/kg Na2 O710.145Al2O3SiO2287.610-3t84.0kcal/kg Al2O32618.941Hs加热SiO2287.610-3t84.0kcal/kg Al2O3498.44以形成100 kg玻璃液计算熔化硼硅酸盐玻璃耗热：CaOCaOSiO2 0.31416.335=424.907Al2O3Al2O3SiO2 2.1710.145=1491.305 Na2ONa2OSiO2 4.52618.941=11785.235=424.9071491.30511785.235=13701.447 kcal 以形成100kg玻璃液计算加热剩余SiO2耗热：引入SiO2 的数量：80.5/60=1.342引入CaO的数量：0.3/56 = 0.005357引入Na2O的数量：4.5/623=0.07258引入Al2O3 的数量：2.1/102 = 0.02059剩余SiO2数为：1.3420.0053570.217740.02059=1.098=1.09860498.44=32837.23 kcal生成1千克的玻璃液时生料熔化热量： =（） = 0.775(13701.44732837.23)100=360.67kcal/kg 玻璃液4.2.2熟料加热熔融耗热量的计算：表7 系数与的值氧化物SiO20.0004680.1657Al2O30.0004530.1765CaO0.0004100.1709B2O30.0005980.1935Na2O0.0008290.2229=0.01(80.50.0004682.10.0004530.30.0004104.50.00082912.60.000598)=0.0005001=0.01（80.50.16572.10.17650.30.170912.60.19354.50.2229）=0.1720=（0.00050011650+0.1720）/（0.001461650+1）=0.2925 kcal/kg假设入窑时物料的温度为25，则=0.2250.2925（165025）=106.95 kcal/kg 4.2.3配合料水分蒸发耗热量的计算：= 5950.9010.05=26.80 kcal/kg 玻璃液所以，形成1kg玻璃液需耗热量计算考虑到结晶水排除，多晶转变，盐类分解生成复盐等耗热量，将加大3%。 = 1.03= 1.03360.67106.9526.80= 505.24 kcal/kg玻璃液 = =（81000kg）/（243600s）505.244.186=195.83 kW5.窑体散热计算窑体散热有两种计算方法，当已知窑体内外表面温度时，每小时通过多层屏蔽的热量按下式计算：=式中：tw,1 窑墙内墙表面温度（）； t2 周围空气的温度（）； 各层转的厚度（m），各层砖的导热系数（kcal/mh）; 2窑墙外表面对空气的传热系数（kcal/m2h）.当用人工鼓风时，窑强外壁周围进行自然对流时，传热系数可按下式计算：计算窑底时，系数改为1.4；计算窑顶时，系数改为2.8。5.1窑墙散热计算1 电熔锆英石砖；300 mm (1300400300)2 锆英砂捣打料；50 mm3 硅砖；230 mm (23011465)4 轻质粘土砖；113 mm最接近窑池的熔融温度为1650 ，即t1 = 1650 。为了确定合适的导热系数，估计t2 = 1400 ， t3 = 1380 ，t4 = 1150 ， t5 = 150 。(查硅酸盐手册根据温度系数确定导热系数)(t1+t2)/2 = 1525 1 = 2.276 w/ m(t2+t3)/2 = 1390 2 = 4.672w/m(t3+t4)/2 = 1265 3 = 1.806w/m(t4+t5)/2 = 650 4= 0.196w/m窑墙外表面对空气的传热系数2（kcal/m2h ），参考公式15.144kcal/m2h 即= 17.668w/m2。通过窑墙散失的热量，参考公式： 则 通过q1检验各层耐火材料界面温度：T1 = 1650T2 = t1q 11/1 = 165017930.3/2.276 = 1414T3 = t2q 12/2 = 141417930.05/4.672 = 1395T4 = t3q 13/3 = 139517930.23/1.806= 1167T5 = t4q 14/4 = 116717930.113/0.196 = 133界面温度与假设的界面温度基本符合，故假设成立，无需再进行假设计算，且界面温度均低于材料的最高使用温度，设计合理，予以采纳。 5.2窑底散热的计算1电熔锆英石砖；300mm (1300400300)2锆英砂捣打料；50mm3硅砖；230mm (23011465)4轻质粘土砖；113mm通过窑底散失的热量，参考公式：由于池底耐火材料与池壁相同