马蹄焰池窑设计.doc

窑炉及设计（玻璃）课程设计说明书题目： 年产1.2万吨玻璃酒瓶燃油马蹄焰池窑的设计 学生姓名： 学 号： 院 （系）： 材料科学与工程学院 专 业： 无机非金属材料工程 指导教师： 2012 年 6 月 17 日陕 西 科 技 大 学窑炉及设计（玻璃）课程设计任务书材料科学与工程 学院无机非金属材料工程 专业 班级 学生： 题目：年产1.2万吨玻璃酒瓶燃油马蹄焰池窑的设计 课程设计从 2012 年 6 月 4 日起到 2012 年 6 月 17 日1、 课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： (1) 原始数据: a. 产品规格：青白酒瓶容量500mL, 重量400g/只 b. 行列机年工作时间及机时利用率：313 天，95% c. 机速：QD6行列机 青白酒瓶38只/分钟 d. 产品合格率：90% e. 玻璃熔化温度1430 f. 玻璃形成过程耗热量q玻=2350kJ/kg玻璃液 g. 重油组成（质量分数%），见表1。 表1 重油组成CarHarNarOarSarMarAar合计89.436.500.600.010.433.000.03100 (2) 设计计算说明书组成（电子纸质版） 参考目录如下 1. 绪论 1.1 设计依据 1.2 简述玻璃窑炉的发展历史及今后的发展动向 1.3 对所选窑炉类型的论证 1.4 有关工艺问题的论证 2. 设计计算内容 2.1 日出料量的计算 2.2 熔化率的选取 2.3 熔窑基本结构尺寸的确定 2.4 燃料燃烧计算 2.5 燃料消耗量的计算 2.6 小炉结构的确定与计算 2.7 蓄热室的设计 2.8 窑体主要部位所用材料的选择和厚度的确定 3. 主要技术经济指标 4. 对本人设计的评述 参考文献 设计说明书格式见陕西科技大学课程设计说明书撰写格式暂行规范。 （3）图纸要求 采用绘图纸铅笔绘制，图纸断面见参考图。图幅大小见表3。各断端面绘图比例必须一致。 表3 图纸要求序号图纸名称图幅1窑炉水平断面-,-图A32窑炉纵立断面A-A图A32、对课程设计成果的要求包括图表、实物等硬件要求： 设计计算说明书一套， 窑炉图纸两张。 3、课程设计工作进度计划：时间设计任务及要求6月4日6月7日计算及设计窑炉结构，绘草图6月8日6月12日绘正式图6月13日6月16日编写设计说明书6月17日校核，打印，装订，装袋，上交作业 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期： 目 录1. 绪论 1.1 设计依据 61.2 简述玻璃窑炉的发展历史及今后的发展动向 61.3 对所选窑炉类型的论证 71.4 有关工艺问题的论证 82. 设计计算内容 102.1 日出料量的计算 102.2 熔化率的选取 102.3 熔窑基本结构尺寸的确定 102.4 燃料燃烧计算 142.5 燃料消耗量的计算 152.6 小炉结构的确定与计算 172.7 蓄热室的设计 192.8 窑体主要部位所用材料的选择和厚度的确定 203. 主要技术经济指标 204. 对本人设计的评述 225. 参考文献 231、 绪论 课程设计是培养学生运用玻璃窑炉及设计课程的理论和专业知识，解决实际问题，进一步提高设计、运算、使用专业资料等能力的重要教学环节。目的是使学生受到设计方法的初步训练，逐步树立正确的设计观点，增强设计能力、创新能力和综合能力，初步掌握窑炉及其它热工设备设计的基本知识和技能，并对所学窑炉热工理论知识进行验证和深化，为将来从事生产、设计、研究及教学等方面工作打下良好的基础。同时为毕业设计（论文）奠定良好的基础。1.1 设计依据（1）设计内容：年产1.2万吨青白料酒瓶燃油蓄热式马蹄焰池窑设计。（2）原始数据: h. 产品规格：青白酒瓶容量500mL, 重量400g/只 i. 行列机年工作时间及机时利用率：313 天，95% j. 机速：QD6行列机 青白酒瓶38只/分钟 k. 产品合格率：90% l. 玻璃熔化温度1430 m. 玻璃形成过程耗热量q玻=2350kJ/kg玻璃液 n. 重油组成（质量分数%），见表1 。 表1-1 重油组成CarHarNarOarSarMarAar合计89.436.500.600.010.433.000.031001.2 玻璃窑炉的发展历史及今后的发展动向 玻璃窑炉是熔制玻璃的热工设备，利用燃料的化学能、电能、或其它能源产生的热量。造成可控的高温环境，使玻璃配合料在其中经传热、传质、和动量传递过程，完成了物理和化学变化，经过熔化、澄清、均化和冷却等阶段，为生产提供一定数量和质量的玻璃液。 玻璃窑炉可分为玻璃熔窑、玻璃退火窑、玻璃加工用的窑炉。我国玻璃行业约拥有玻璃窑炉40005000座，生产各种玻璃28003500万吨。其中大部分 玻璃窑炉基本上都是火焰池窑、其基本结构为：玻璃容制、热源供给、余热回收、排烟供气部分。目前我国主要耗用能源（主要燃料为煤炭、重油、天然气及电等）折合标准煤17002800万吨。平板玻璃国内平均能耗为7800kJ/kg玻璃液，比国际先进水平高出30%，窑炉热效率相比低12%。玻璃窑炉节能潜力很大，走可持续发展的新路。表1-2 玻璃窑炉发展历程阶段燃料窑型窑龄古代木材直火式坩埚窑几个月奠基煤炭坩埚窑,发明池窑0.5年1.0年缓慢煤炭19201945年池窑12年飞跃高热值19451960年池窑34年持续高热值1960至今池窑78年我国现阶段的玻璃池窑主要由平板池窑、蓄热室马蹄焰流液洞池窑等，其中蓄热室马蹄焰池窑是应用叫普遍的池窑，另外，我国玻璃窑炉还有坩埚窑、电熔窑和浮法玻璃池窑。 近年来，随着科学技术的进步和人们的环保意识的增强，国内国外出现许多新技术、新设备，如减压澄清、纯氧燃烧、纯氧助燃，顶插全电熔窑，澄清池，三通道蓄热室等。通过采用新技术、新工艺，可进一步降低能耗，提高玻璃液质量，减少环境污染，走出一条节能环保的可持续发展道路。1.3 窑炉类型选用的论证 本设计选用蓄热室马蹄焰流液洞池窑:优点：（1） 热利用率高，火焰行程长，因而燃烧充分；同时窑体表面积小，热散失量较少，可提高热利用率，降低燃料消耗；（2） 一对小炉，占地小，投资省，燃耗较低，操作维护简便。缺点：（1） 延窑长方向难以建立必要的热工制度，火焰覆盖面小，窑宽温度分布不均匀，有周期性温度波动和热点的移动；（2） 一对小炉限制了炉宽，也就限制了炉的规模；（3） 燃料燃烧有时喷出的火焰对配合料料堆有推料作用，不利于配合料的熔化澄清，并对花格墙、流液洞盖板和冷却部空间砌体有烧损作用。其适用范围为各种空心制品、压制品和玻璃球的生产。 1.4 有关工艺问题的论证 合理的玻璃熔制制度是正常生产的保证:（1） 温度制度：一般是指延窑长方向的温度分布，用温度曲线表示，温度曲线是一条由几个温度测定值连成的折线。目前，测温点并不完全一致，一般选择容易测量的位置，室内温度决定于很多可变因素，必须调节影响窑内温度的各个因素，使温度相对稳定，马蹄焰池窑，最重要的是定热点的数值和位置。图1-4-1 温度制度曲线 “窑温”指胸墙挂钩砖温度，依靠燃料消耗比例调节；马蹄焰和纵焰池窑的热点值取决于熔化玻璃的品种、燃料和耐材质量；热点位置选在熔化部的1/22/3处，不易控制。（2） 压力制度：池窑压力制度用压力分布曲线表示，在马蹄焰池窑中采用气流压力分布，即整个气体流程的（从进气到排烟）压力分布，窑压控制在微正压，窑压使用仪表测量和控制，采取位置是在澄清带大碹下。图1-4-2压力分布图（3）泡界限制度：人为确定玻璃液热点位置。马蹄焰池窑稳定性不很强。（4）液面制度：液面的玻璃不仅能加速池壁砖的侵蚀，还严重影响成形工作，玻璃液面之所以波动是因为投料量和成形量不平衡。目前难以做到连续投料，力求减小波动。本设计为0.5mm，控制仪表用激光液面控制系统，安装在供料道或工作池，依靠控制加料机的加料速率来进行调节。（5）气氛制度：一般来说玻璃池窑内要求燃料燃烧充分，所以火焰都是氧化焰或中性。本设计采用氧化焰，所以d1。（6） 换向制度：池窑定期倒换燃烧方向。使蓄热室格子体系统吸热和换热交替进行。换向间隔一般为2030/min，烧重油熔窑，换向时先关闭油阀，然后关小雾化剂阀，留有少量雾化剂由喷嘴喷出。 （7）加料方式：采用单侧加料。2 设计计算内容 21 日出料量的计算由年产量和原始数据确定：单台QD6行列机年产合格瓶量(吨/年)m为 m=机速(只/分钟)6024瓶重10-6行列机年工作时间机时利用率产品合格率QD6 ：m=38602440010-631395%90%=5857.55712吨/年 （2-1-1）因设计要求年产量为12000吨/年的玻璃酒瓶，则选用QD6行列机台数n=12000/5857.6=3故玻璃熔窑日出料量G（t/d）G=机速(只/分钟)6024瓶重(g/只)10-6台数G=38602440010-63 =65.7t/d （2-1-2）2.2 熔化率的选取熔化率是玻璃熔窑的一个重要的技术指标，它是指窑池每平方米熔化面积每昼夜熔化玻璃液量，单位kg/(m2d)。熔化率的选择与玻璃品种、原料组成、配合料中碎玻璃的掺入率，熔化温度，燃料种类与质量，制品质量要求，窑型结构，熔化面积，加料方式和新技术的采用有关，考虑熔化率时还要考虑玻璃的熔制质量，窑炉寿命和管理水平，要从实际出发，全面考虑，力求取得较好的经济效果。参考教材A，P92，表4-2，取熔化率为K=2.0 t/(m2d) 2.3 熔窑基本结构尺寸的确定2.3.1 各部位面积的计算与确定（1）熔化部面积计算一般蓄热室马蹄焰池窑的熔化面积为1560 m2，熔化部面积按已定的熔窑规模（日产量）和熔化率k估算，由教材A，P98，式（4-1）有：熔化池面积：F熔=G/K (G-日出料量，K-熔化率，t/(m2d) 得：F熔=65.78/2.0=32.9m2 （2-3-1） 冷却部面积的计算根据经验值，参考教材P98 表（4-9)取F冷/F熔=20%。7.2m1.0m0.54.5mR=2.1m根据玻璃品种供料道条数，成形机部位和操作条件等来决定冷却部形状；玻璃液应均匀分配，减少死角，池深逐步变浅，提高垂直方向温度均匀性和减少回流。本设计采用扇形供料道，冷却部一般比熔化池浅300 mm，取900mm图2-3-1 冷却部F冷=1/23.142.12=6.92 m2 （2-3-2）所以F冷/F熔=21.0%2.3.2 窑池长度、宽度的确定由教材p43表4-3看出，烧重油时马蹄焰池窑的长宽比较发生炉煤气时大些，这是由于采用了高压外混喷嘴，特别是直流式，喷出的火焰射程长，冲量大，刚性强，火焰转弯困难，为避免冷却部温度过高，流液洞盖板砖过早烧损以及窑池横向出现明显的温差，必须把窑池放长。另外，烧重油后火焰温度升高，加快了熔化速度，增大了出料量，为确保玻璃液的质量，也有必要将窑池适当放长，但长宽比过大时，在火焰喷出的正前方空间燃烧产物喷出困难，着渐积聚，压力增大，使火焰变短，基于此原因，马蹄焰池窑的长不宜小于4米，熔化面积较大时，长宽比可取低些，否则窑池过长火焰很难同时满足熔化与澄清的要求，本设计取长宽=1.6实际熔化池长L=7.2m B=4.5m7.2m1.0m0.54.5mR=2.1m图2-3-2 熔化池调整后：实际熔化部面积： F熔=7.24.51/20.5（4.5-1.0）=31.5m2 （2-3-3）实际熔化率 K=G/F熔=65.7t/d/23.6 m2=2.09 t/(m2d) （2-3-4）2.3.3 池窑深度的确定确定合理的池深，必须综合考虑到玻璃颜色、玻液粘度、熔化率、制品质量、燃料种类、池底砖质量、池底保温和新技术采用（鼓泡、电助熔）等。根据教材A P93页表4-4，初选h=0.9m h=0.4（0.5a）lgv （2-3-5）式中 V熔化池容积，m3a系数，其值00.135（由玻璃液的颜色和窑的熔化率确定）故h=0.4（0.5-0.02）lg(31.50.9)=1.1m （2-3-6）由于此池窑熔化率较大，所以熔池深度深一些，取h=1.2m熔化池设窑坎以强化熔化效率，取窑坎高600mm，一般置于熔化池长2/3处,玻璃液的平均密度为2. 45g/cm3, 即2.45t/m3则玻璃液停留时间t=31.51.22.45/65.7=1.41天 (2-3-7) 因玻璃液在窑内停留一天以上，故冷却算合理，冷却部池深取浅，本设计取h=900mm2.3.4 窑体主要部位所用材料的选择和厚度的确定窑池结构设计池壁：玻璃液的主要侵蚀为横向砖缝处，因此应尽量避免在高温区出现横向砖缝，池壁通常采用整块大砖。要求立砌排砖的尺寸必须相当精确，结合面应磨制加工达到砖缝密接，其目的是减少玻璃液对砖才侵蚀。结构为300mmAZS33QXY + 30mm锆质捣打料+115mmLZ-55（NZ40）+100mm硅钙板 池底：随着温度的提高，出料量的增加，炉龄的增加，更主要的是为减少散热损失，节约能源，现代熔窑池底多采用多层式复合池底结构75mmAZS33WS-Y + 35mm锆质捣打料 + 32mm烧结锆英石砖+ 30mm锆质捣打料+300mm浇注大砖+280mm轻质粘土砖+10mm石棉板+8mm钢板（从上到下）火焰空间火焰空间长度与窑池相等，宽度比窑池宽多200mm400mm，本设计取400mm，则火焰空间L=7200mm，B=4500+400=4900mm。火焰空间的高度由胸腔高度和大碹碹股升高合成，参考教材P96表4-8，取大碹升高为1/8，则得碹股升高为f=4700/8=587.5，则火焰空间容积为V=LB(1+2/3f)=4.97.2(1+2/30.5875)=49.1 m3 (2-3-8)火焰分隔方式为全分隔流液洞马蹄焰池窑一般只取一个流液洞，本设计采用下沉式流液洞，它可以选择质量好的玻璃液，可以提高降温效果，提高玻璃液质量。本设计选取流液洞：洞宽洞高 400mm300mm流液洞的长度控制着玻璃液的降温程度，愈长则降温愈多，洞长一般为9001200mm，本设计采用1000mm，下沉量150mm150mm则流液洞的长宽高为1000400300图2-3-4 流液洞流液洞流量负荷K流=65.71000/(403024)=2.28kg/( cm2h) （2-3-9）由教材P96表4-6可知，该流液洞满足要求材质：侧墙、盖板、挡砖均用电熔锆刚玉砖投料口按加料机形式确定投料口长度和宽度本设计采用薄层加料方式，加料口向喷火方向倾斜。取长为1350/1450mm,窑内宽800mm，窑外宽600mm,深比熔化池浅些，取900mm。2.4 燃料燃烧计算 2.4.1 理论空气需要量及燃烧产物量的计算参考教材P238式4-20可知理论空气量为VOa=100/21（C/12+H/21/2+S/32-O/32）22.4/100=100/21（89.43/12+6.5/4+0.43/32-0.01/32）22.4/100 =9.7Nm3/kg重油 （2-4-1）取空气过剩系数a=1.15，根据教材P241 式4-22有 实际空气量Va=1.159.7=11.2 Nm3/kg重油2.4.2 理论烟气量的计算 参考教材P240式4-25可计算理论烟气量Vo=0.089Car+0.323Har+0.0124M ar +0.033S ar +0.008N ar -0.0263Oar=0.08989.43+0.3236.5+0.01243+0.0330.43+0.0080.6-0.02630.01 =10.1 Nm3/kg重油 (2-4-2)根据教材P241式4-27有实际烟气量V =Vo +Vao (伪-1) =10.1+9.7(1.15-1) =11.6 Nm3/kg重油 (2-4-3)根据教材P238式4-20可计算1kg液体燃料燃烧所需理论氧气量VO2 =21/100Va0=9.70.21=2.04 Nm3/kg重油 (2-4-4) 实际烟气组成：VN2 =N/2822.4/100+aVo2 79/21=0.6/2822.4/100+1.152.0479/21=8.7 Nm3/kg重油(2-4-5) VCO2 =C/1222.4/100=89.43/1222.4/100=1.67 Nm3/kg重油 (2-4-6)VH2O =(H/2+M/18) 22.4/100=0.765 Nm3/kg重油 (2-4-7)VSO2 =S/3222.4/100=0.43/3222.4/100=0.03 Nm3/kg重油 (2-4-8)2.5 燃料消耗量的计算 2.5.1 燃料消耗量本设计采用近似计算的方法计算燃料消耗量熔化玻璃消耗的热量Q1=Pq 其中P熔化玻璃液量，kg/（m2h）q单位耗热量 kJKgQ1=65.71000/242350=6.43106 KJ/h (2-4-9)烟气离开蓄热室带走的热量Q2 Q2=K1Q K1=0.20.3 取K=0.25 (2-4-10)全窑散失热量Q3取决于窑的大小，窑愈小，单位熔化面积散热量愈大，热效率愈低，Q3以W表示。W=61650w/ m2本设计采用全保温，减少2530% Q3=(1-25%)w =4.3155104 kj/h (2-4-11) 总的热量Q=Q1+Q2+Q3=Pq玻+K1Q+W Q=（ Pq玻+W）/（1-K1） =（6.43106+6.05106）/(1-0.25) =1.66107kj/h=4.00108 kj/d (2-4-12)根据经验公式进行校核经验公式Q=(52.75+0.0588 F热) +5.697T其中：Q为每天耗热量，106kJ；F为窑池加热面积，m2；T为每天熔化玻璃液量，t。Q=52.75+0.0588 31.5 +5.69765.7103kj/d=3.7108 kj/d (2-4-13)Q与Q想近，由于采用了全保温式，所以散热少，故实际耗热量比经验值小，可取2.5.2窑炉热量收入Q入=B油（Q油+q油物+q介物）其中B油=重油消耗量kg/(m2.h)Q油=低热值kj/kgq油物=物理热kj/kgq介物D =雾化介质物理热kj/kg本设计中为简化计算，忽略了q油物和q介物D从而得到Q入=B油Q油 参考教材P38式1-82，得Q油=339Car+1030Har-109(Oar-Sar)-253.00=36888.81kj/kg重油 (2-4-14)Q入=Q出=1.66107kj/h (2-4-15)所以B油=1.66107/36888.81=450.0kg重油/h2.5.3 校核各项经济指标火焰空间热负荷 q= B油Q油/V火=45036888.811000/(360049.1)=93.0kw/m3 (2-4-16)所得满足要求热负荷值每小时每m2熔化面积上消耗热量，W/ m2；Q=Q/F=1.66107/31.53.6=1.46105W/m2 (2-4-17)单位耗热量熔化每千克玻璃液所耗总热量，kJ/kg玻璃； q=Q/D=1.6610724/65.7103=6063.9kJ/kg玻璃液 (2-4-18)耗煤量或耗油量熔化每千克玻璃液耗用的标准煤量或油量，kg煤/kg玻璃或kg油/kg玻璃。 t=m/D=45024/(65.7103)=0.164kg油/kg玻璃 (2-4-19)根据经验值，查表可知，上述指标都符合要求2.5.4熔化热效率熔熔=（熔化过程有效耗热量/供给系统热量） 100%= pq油/Q100% =6.43106/1.66 107100%=38.7% (2-4-20)根据经验值，上述结果符合要求2.6小炉结构的确定与计算 一般油喷嘴安装在小炉口下面。本设计采用小交角式小炉特点：空、煤气交角小，预燃室长，舌头探出（长舌）。小炉火焰平稳、较长，火根与火梢温差较小，易控制，自然通风，检修方便；但体积较大，散热损失大，占地多。 本设计中，油嘴中心距取500mm,油嘴直径为30mm,油嘴中心距液面高度为300mm,油嘴距池墙外壁300mm.2.6.1 初定小炉尺寸见教材P103表415，射喷火口空气预热温度为1050烟气排出温度1450取空气出口速度为W空=8.5m/s，则根据教材A,P99式4-3，确定喷火口面积 F喷=V空V煤t喷+272273W喷 (2-6-1)其中F喷为喷火口面积, m2； V0空、VO煤为小炉的空气、煤气量，Nm3/s；t喷为喷火口处火焰温度， ；W喷为火焰喷出速度，m/s。代入数据得F喷=（11.2450）（1+1050/273）/(36008.5) =0.8m2 (2-6-2)F喷/F熔=0.89/31.5=2.5% 符合要求参考教材P103表4-16，取空气出口宽度为1000mm，高取250mm出口宽高比为1000250 =4.02.6.2 小炉的尺寸由于小炉口宽度约占池宽的5060%，所以取宽为1300mm,宽高比为2.5，则高取520mm,小炉口碹升高1/10,则碹升高f=1300/10=130mm,小炉口面积1.3（0.45+2/30.13）=0.7 (2-6-3)小炉口间距取800mm,空气下倾角取220小炉水平长度取2800mm小炉口热负值q=450/0.7=642.86kg重油/(m2h) (2-6-4)查表4-15，知设计符合要求2.6.3 燃油烧嘴类型及个数本设计每只小炉采用高压内混式喷嘴3个，属GNB型2.6.4 小炉口材质 喷火口碹砖、喷火口侧墙砖、底板砖、斜碹夹层砖、舌头砖和喷嘴砖均用电熔AZS-33砖2.7 蓄热室的设计 蓄热室为周期性换热设备，属周期性不稳定温度场，传热过程为不稳态传热。本设计采用箱式蓄热室，格子体采用八角筒砖160160150，砖厚40mm由教材A,P107表4-l8初步确定一侧蓄热室的比受热表面。取A=35m2/ m2比受热面积：每平方米熔化面积所需的格子体的受热表面。A=F蓄/F熔 F蓄= F熔A=3531.5=1102.5m2 (2-7-1) f蓄为单位格子体所具有的受热面积m2/ m3 查表得14.94格子体体积: V格= F蓄/f蓄=1102.5/14.94=73.8 m3经验确定格子体高度H 取n=43 故H=0.1543=6450mm长度和宽度。L=400n+40 取n=10 故L=40010+40=4040mm B=400n+40 取n=7 故L=4007+40=2840 mm故格子体结构为LBH=404028406450计算实际格子体体积： V=4.042.846.45=74.0m3 (2-7-2)受热面积:F蓄= Vf=74.014.94=1105.6 m2 (2-7-3)格子体稳定系数: H/(LB)0.5=6.45/(4.042.84)0.5=1.9 (2-7-4)格子体流通面积：F空=4.042.840.6=6.9m2 (2-7-5)空气的流速w空=V0/F空=11.2450/(6.93600)=0.203Nm/m2 (2-7-6)烟气的流速W底=V蓄/ F蓄=11.6450/（6.93600）=0.210Nm/m2 (2-7-7)教材P108表4-l9校核,格子体设计合理。2.8 窑体主要部位所用材料的选择和厚度的确定 耐火材料的选择关系到整个窑炉的运行情况，对于能否得到优质的制品，能耗的多少与窑炉寿命的长短有关，选择时应充分考虑到各部分的受热情况，受玻璃液中的冲刷情况，受火焰的蚀损情况等，而且更重要的是经济性，根据实验本设计各部分耐火材料选样如下：大碹（由内向外）：300mm硅砖+30mm硅质密封料+