隧道窑设计.doc

景德镇陶瓷学院窑炉课程设计说明书题目：年产265万件9寸平盘隧道窑 院（系）： 材料学院 专 业： 0 8 热工（1）班 姓 名： 陈亮华 学 号： 200810610103 指导老师： 孙 健 2011年10月13日景德镇陶瓷学院窑炉课程设计说明书题目：年产265万件9寸平盘隧道窑院 （系）： 材料学院 专 业： 08热工（1）班 姓 名： 张韶磊 学 号： 200810610133 指导教师： 孙 健 20011年10月27日前言 本次设计是设计年产265万件9寸平盘隧道窑。经过此次设计，我对隧道窑有了进一步的了解，巩固了所学的有关隧道窑方面的知识。在初步掌握了隧道窑结构的基础上，通过本次设计，使我对隧道窑认识更加全面。设计任务书原始资料收集1、 生产任务：年产量265万件9寸平盘2、 产品的规格：0.220kg件 3、工作日：330天年4、成品率：985、燃料的种类：焦炉煤气 组成如下：H2H2SCO2 CO N2O2 CH4 CnHmQnet(MJ/Nm3)58.50.11.65.95.00.425.53.017.46、坯体入窑水分 ：2.2%7、原料组成坯料的化学组成（%）：SiO2Al2O3CaOMgO2Fe2O3K2ONa2OIL70.1019.650.250.451.051.01.755.728、烧成制度：周期19小时9、最高烧成温度：1310oC10、气氛制度：还原气氛11、窑具：SiC棚板、SiC支柱尺寸自定目 录一 ：烧成制度的确定 .4二：窑体主要尺寸的确定 .4三 ：工作系统的安排 6四：窑体材料以及厚度的确定8五 ：燃料燃烧计算 8六 ：物料平衡计算 9七 ：加热带热平衡计算 10八 ：冷却带热平衡计算14九：排烟系统的设计计算17十:后记19十二:参考文献20 一 ：烧成制度的确定1.1 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：20200 2.5小时 预热带氧化气氛200800 2.5小时 预热带氧化气氛8001050 1小时 预热带氧化气氛10501310 4小时 烧成带还原气氛13101310 1小时 保温阶段1310800 2小时 冷却带80060 6小时 冷却带烧成周期:21小时1.2 烧成曲线图如下：二：窑体主要尺寸的确定2.1、窑内宽的确定2.1.1、 坯体规格 因此坯体规格：25525=6375mm22.1.2、装车方法的确定：（车上棚板的放置方法）沿车的长度方向装5行棚板，每个棚板的间距为10mm，与棚板车边间距为20mm。沿车的宽度方向装6行棚板，每个棚板的间距为10mm，棚板与车边间距为20mm。棚板采用的规格为：36036010 重量：2.2g/cm-3支柱：高40mm 重量：2.2g/cm-3故窑车车面的尺寸：Le（长）=2250mm Be（宽）=1880mm 所以为了方便预热带和冷却带均取一样的内宽：B=1930 mm（其中25mm为窑车与窑墙的间距），为了改善传热，在烧成带窑宽增加70mm,B/=2000mm2.2、 窑内高尺寸的确定：2.2.1、为了计算方便，可以将车上的棚板定为统一的高度，坯体在窑车内分7层放。则高度为： 660mm，取715mm（为65mm砖厚的整数倍）窑车高度的确定：轨面到窑车衬砖面的高度为285mm，为了避免火焰直接冲刷制品，窑车上设300mm高的通道（由145mm厚的耐火粘土板及粘土砖组成）窑车的高度为：H（车）=285+145+300=700 mm2.3、 窑体有效长度的确定每块棚板制品装1件，则：装车密度Ge= 657=210件/车装窑密度=210/2.25 =93.33（件/米）窑长L=（生产任务*烧成时间/年工作日）/（成品率*装窑密度） =（265000019/33024）/0.9893.33 =69.5m窑内容车数：n=L/2=31辆2.3、 窑体各带长度的确定预热带长Ly=（预热时间/总烧成时间）总长=7/2170=22.1m烧成带长Ls=（烧成时间/总烧成时间）总长=5/2170=18.4m冷却带长Lv=（冷却时间/总烧成时间）总长=9/2170=29.5 m2.5、窑体总长度的确定窑体总长为L=70米推车时间： 1960/31=36.7（分/车）每小时推车数：60/36.7=1.63（车/小时）三 ：工作系统的确定3.1 窑体以2米为一个模数单元节，全窑70米，共有35节。窑体由窑墙主体、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。3.1.1 钢架每一钢架长度为2米，含钢架膨胀缝。全窑共54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。3.1.2 窑墙窑墙采用轻质耐火隔热材料。常用材质如下：聚轻高铝砖，轻质粘土砖，硅酸铝纤维毯，硅钙板，轻质高铝砖等耐火材料。窑墙砌筑在钢结构上。每隔两米留设20mm左右的热膨胀缝，用含锆散棉填实。窑墙最外面用10mm厚的碳酸钙板。3.1.3 窑顶窑顶是由吊顶板或吊顶砖和角钢或细钢筋等组成的平顶结构。角钢直接焊接在窑顶钢架上，细钢筋则是做成钩状挂在窑顶钢架上。吊顶板或吊顶砖与角钢或细钢筋紧固。这样，窑顶的重量也由钢架承担。在窑顶上，铺厚度适宜的保温棉和耐火棉，窑体材料的轻质化，可大大减少窑体蓄热。3.1.4 检查坑道和事故处理孔由于窑车上棚架稳固，不容易发生倒窑事故。即使发生窑内卡车或者其他事故，也可停窑，能够快速冷却下来，再进行处理，对生产影响不大。因此该隧道窑不设置窑内车下检查坑道。这样既简化了窑炉基础结构，减少了施工量和难度，又降低了成本，窑体保温也得到明显改善。3.1.5 测温孔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。测温孔的间距一般为3-5米，高温段布置密集些，低温段布置相对稀疏。3.1.6 曲封、砂封和车封窑墙与窑车之间、窑车与窑车之间做成曲折封闭。曲封面贴一层高温耐火棉。窑车之间要承受推力，所以在窑车接头的槽钢内填充散棉，以防止上下漏气。砂封是利用窑车两侧的厚度约68mm的钢制裙板，窑车在窑内运动时，裙板插入窑两侧的内装有直径为13mm砂子的砂封槽内，隔断窑车上下空间。砂封槽用厚度3mm左右的钢板制作而成，且留有膨胀缝。3.2 排烟系统为了更好的利用烟气的热量能，采用分散排烟的方式。在预热带16节设为排烟段，第一节两侧墙设置一道气幕，喷入有冷却带抽出的热风，并在窑头上部设一对排烟口，后半部下部和上部各设1对排烟口，第二节上部也加设1对排烟口，目的是使气流压力自平衡，以减少窑外冷风和向内侵入，其余每节在下部各设2对排烟口。主烟道位于窑头方向，上设有排烟支阀。烟气由各排烟口经窑墙内水平烟道进入窑内垂直烟管，汇总到排烟总管由排烟机抽出，送到成型车间干燥坯体。为了方便调节预热带温度，在第711节上部设置喷风管，每节设3跟，一侧2根另一侧则1根，反复交错布置，达到减小预热带上下温差的目的。为了提高预热带后段下部制品温度，进一步缩小预热带后段的温差，在第711节下部设置高速调温烧嘴，每节设3只，高度就设在窑车棚板的下部通道上，两侧墙则交错布置。3.3 气幕的设定1号车位窑头设封闭气幕。考虑到烟气温度不是很高，故窑顶采用钢板风盒，出风与进车方向成90度角；窑两侧墙内竖插管道，管壁开孔与进车方向成90度角。封闭气幕的风源为外界空气。3.4 燃烧系统此窑采用两侧垂直和水平交错排列，这样有利于均匀窑温和调节烧成曲线。下部烧嘴喷火口对准装载制品的下部火道，上部烧嘴喷火口对准装载制品上方的部分。烧嘴 直接砌筑在窑墙上，采用刚玉莫来石材质。第1220节为烧成带，前两节仍与预热带一样，仅在下部设置3对烧嘴，从20节开始，每节上下均布有高速烧嘴，上部设置2只，下部设置3只，上下与两墙均呈交错布置，这样有利于烧成带温度制度的调节。3.5 冷却系统制品在冷却带有晶体成长、转化的过程，并且冷却出窑，是整个烧成过程最后的一个环节。冷却带按烧成工艺分成三段，第2124节为急冷段。该段采用喷入急冷风直接冷却方法，除急冷前两节只在后半部分设冷风喷口（上设4对，下设3对）外，其余每节上部设5对，下部设4对冷风喷口。上下风口交错设置；第2529节为缓冷段，该节交错的设置若干抽气孔；第303节为快冷段，为加强出窑前的快速冷却，该段第4652节布置冷风喷管，直接鼓入冷风，每节7对上部4对，下部3对，下一节则上部3对，下部4对。窑尾2节则在顶部设置抽热口，由抽热风机送至干燥室。抽热风系统包括两部分：一部分是急冷段抽热，冷一部分为窑尾快冷段直接抽热风系统，另一部分为窑尾快冷直接抽热风系统，各配2台抽热风机。窑尾2节的窑顶设计成整体抽热风罩，该段抽出的热风有快冷段抽热风机系统抽出。3.6 输送系统及附属装置隧道窑内铺设轨道，轨道安放在钢架上的轨道垫板上，用螺丝联结并焊接。窑车是制品运输的载体。窑车底架由槽钢、钢板等经螺丝联结、焊接而成。在窑头和窑尾各有一手动拖车道，每拖车道上有一辆拖车。窑外有一条手动回车线。拖车轨道和窑内轨道和回车线轨道相连接，并在同一水平面上。空窑车在回车线上装载制品，然后推到拖车上，将拖车推到窑头，再用顶车机将窑车推入窑内，窑车从窑尾出来经拖车道送至回车线，并在回车线卸载制品。窑头装有油压顶车机。根据设定好的推车速度，顶车机将窑车顶入窑内。顶车速度可调。拖车道和回车线轨道直接装在轨道垫板上。在自动回车线上设置有一个窑车下检查坑道，深约1.5米，其长宽尺寸约同窑车大小，用来检修运行不良的窑车。在回车线前部和后部，各设置一道安全检查门，其断面尺寸和窑头断面、曲封尺寸一致。检查门用多块薄钢板制作而成，用螺丝联结，可以调整其高度和宽度。四：窑体材料以及厚度的确定窑墙、窑顶所采用的材料及厚度应满足各段使用性能要求，考虑各处的温度，对窑墙、窑顶的要求，砖型及外型整齐等方面，根据上述原则，确定窑体的材料及厚度如下表：温度范围（oC）长度范围（m）窑墙材料及厚度(mm)窑顶材料及厚度(mm)聚轻高铝砖轻质粘土砖硅酸铝纤维毯硅钙板迳青石莫来石吊顶板（硅酸铝纤维/混合纤维）岩棉毯结晶铝纤维毯200-8001-11230115501015150100800-132012-2034515010230100101320-6020-353451501023010010五 ：燃料燃烧计算5.1、燃烧所需空气量5.11理论空气量： L0=0.26Qd/1000+0.02=4.544(Nm3/Nm3)5.1.2实际空气量: 取空气过剩系数=1.06La=1.06L0=4.817(Nm3/Nm3)5.2、燃烧产生烟气量5.2.1理论烟气量：Vg=aL0+0.68+0.06（）Q5.2.2实际烟气量V= Vo+（-1）Voa=4.46+0.23=4.69 (Nm3/Nm3)5.3、燃烧温度理论燃烧温度 tth=(Qnet+CfTf+VaCaTa)/VC=（35960+10.4320+1.57120）/11.4C Ta=Tf=20 oC Ca=1.30KJ/Nm3 oC Cf=1.38 KJ/Nm3 oC设2000 oC,C2000=1.67 KJ/Nm3 oC,T= QD *Va*Ca*ta+Cf*tf/Vct=2038 相对误差小于%5取高温系数=0.80则实际温度为:Tp=0.80*2038 oC=1630.4 oC比需求温度1310 oC高所以空气可不预热便可达到烧成温度要求。六 ：物料平衡计算6.1、每小时烧成制品质量GmGm=0.375733=275(Kg/h)6.2、每小时烧成干坯质量GgpGgp=Gm100/(100-IL)=275100/(100-5.72)=292(Kg/h)6.3、每小时入窑的湿制品质量Gsp Gsp=Ggp100/(100-W)=292100/(100-1.9)=298(Kg/h)6.4、每小时蒸发自由水的质量G2sG2s=Gsp-Ggp=298-292=6.0(Kg/h)6.5.1每小时从精坯中引入的CaO质量GCao和MgO质量GMgO GCao=GgpCao=2920.25=0.73(Kg/h) GMgO=GgpMgO=2920.45=1.31(Kg/h)6.5.2、 GCO2=GCaoMCO2/MCao+GMgOMCO2/ MMgO =0.7344/56+1.3144/40=0.57+1.44=2.01 (Kg/h)6.6、每小时从精坯中分解出的结构水质量Gjp Gjp=GgpIL- GCO2=2925.72-2.01=14.7(Kg/h)6.7、棚板及支柱的质量每块棚板的质量：65*65*1*2.7=11.4Kg 每根支柱的质量：Gb=2.4335=0.108Kg 每车棚板和支柱的质量：Gb=（90*11.4+24*15*0.108）=102.6+38.8=141.4Kg七 ：加热带热平衡计算7.1 预热带及烧成带的热平衡计算7.1.1 热平衡计算基准及范围在此以1小时作为计算基准，而以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。7.1.2 热平衡框图 Qf Qa Qa Q2 QgQ1 Q8 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7其中Q1-制品带入的显热 Q2-棚板及支柱带入的显热Qf-燃料带入化学热及显热 Qa-助燃空气带入显热Qa-漏入空气带入显热 Q3-产品带出显热Q4-棚板及支柱带出显热 Q5-窑墙、窑顶散失之热Q6-窑车积散之热 Q7-物化反应耗热Q8-其他热损失 Qg-废气带走显热1、 热收入项目 1.制品带入显热Q1入窑制品的含1.9%自由水,Gsp=Ggp*100/(100-W)=298/(1-0.019)=293Kg/h入窑制品温度t=20 入窑制品比热取为:C1=0.95KJ/kg oCQ1=G1*C1*t=293*0.95*20=5567KJ/h2.棚板及支柱带入的显热Q2C=0.963 KJ/KgQ2=Gb*C*t=2.85*141.4*20*0.963=7767.85KJ/h3.燃料带入化学Qf 已知Qn=17400KJ/Nm3 入窑温度t=20 查表得，C=1.38 KJ/kg 设每小时燃气X千克Qf=x(17400*1.38*20)=17427.6xKJ/h4.助燃空气带入Qa 燃料所要空气量Va=4.11m3/m3空气温度t=20,可得：C=1.3 KJ/Nm3 Qa=Va*C*t=4.11x*1.30*20=106.86xKJ/h5.漏入空气Qb理论空气量 Voa=3.88Nm3/Nm3烧成带取空气系数 a=0.95 离窑烟气中空气过剩系数Va=x*(ag-af)Vo=x*(1.85-0.95)*3.88=3.5xQb= Va*C*t=3.5x*1.30*20=90.8x KJ/h2、热支出项目 制品带出显热Q3出烧成带产品质量G3=293kg/h(不考虑灼减)出烧成带产品温度t3=1310查得产品的平均比热C3=1.20KJ/kgQ3=Gm*C*t=293*1310*1.20=366121.1KJ/h 棚板及支柱带走显热Q4棚板及支柱质量G4=1064kg/h出烧成带温度t4=1310C4=0.96+0.000146t*1310=1.151 KJ/KgQ4=1064*2.85*1310*1.151=466774.4KJ/h 烟气带走显热Qg烟气中包括燃烧生成的烟气即预热带不严密处漏入之空气外离窑烟气体积 Vg=Voa +(ag-1) Vogx+Vm离窑烟气温度为220， 取tg=220 Cg=1.41 KJ/KgQg=Vg*Cg*tg= Voa+(ag-1) Vogx *Cg*tg =4.46+（1.85-1）x3.88*1.41*220=652441.4KJ/h 通过窑墙、窑顶散失之热Q5导热系数 高温莫来石绝热砖=0.22W/(m)纤维导热系数 = 0.11W/ m 预热带、烧成带长度之和50.3m,窑顶散热面面积A顶=2.1*50.3=105.6 m2热流密度=1085 w/m2Q顶=1085*105.6=114608.6KJ/h侧窑散热面积A=（1.115+0.780）*50.3*2=190.7m2热流q=734w/m2Q墙=190.7*734=139927.6KJ/hQ5 = Q顶+Q墙=161402.8KJ/h5.物化反应耗热Q71） 自由水蒸发Qw T1=220 G=6.0Kg/h2） 结构水脱水吸热：Gw=14.7Kg/h3） Qw=6.0*（2490+1.93tg）=6*（2490+1.93*220）=17487.6KJ/Kg4） Qw1=14.7*6700=98490KJ/Kg 2 其余物化反应Qr 制品中Al2O3含量为19.56% Qr=292*2100*0.1956=119941.9KJ/Kg物化反应：Q7= 119941.9+98490+174873.6=235919.2KJ/Kg6.窑车积蓄与散失Q6取经验数据，占收入的15%7.其他热损失Q8取经验数据，占收入的5%列出平衡方程热支出=热收入Q1+Q2+Qa+Qb+Qf=Q3+Q7+Qg+Q5+Q6+Q8+Q47.1.5 列出热平衡方程式因为：热收入=热支出所以：Q1+Q2+Qf+Qa+Qa=Q3+Q4+Qg+Q5+Q6+Q7+Q8得出：x=112.98=1137.1.6 列出预热带及烧成带热平衡表并分析讨论 表8-1预热带、烧成带热平衡分析表热收入热支出项目KJ/h%项目KJ/h%1.坯体带入显热55670.271.产品带出显热366121.118.262.棚板及支柱显热7767.850.382.棚板及支柱显热466744.423.283.燃料化学热显热1969317.898.213.烟气显热652441.432.544.助燃空气显热120740.6124.窑墙、窑顶散热161402.88.055.漏入空气显热102830.65.窑车积散热30155815.046.物化反应耗热118297.65.97.其它热损失99851.24.98总计2005009.65100.00总计2005044.5100.0通过预热带和冷却带的热平衡计算可以看出，热收入的主要来源是燃料的化学显热，而热支出主要是由烟气带走大部分热量，另外产品和棚板好友窑车也带走了相当的热量。八、冷却带热平衡计算8.1冷却带热平衡8.1.1 热平衡计算及范围热平衡计算基准为：1h, 0。计算范围为：冷却带。8.1.2 热平衡框图Q3 Q4 Q9 Q11Q10Q12 Q13 Q14 Q15 Q损其中Q3产品带入显热 Q4棚板及支柱带入显热Q9窑车带入显热 Q10冷却带末端送入空气显热Q11产品带出显热 Q12棚板及支柱带出显热Q13窑车带走和向车下散失之热 Q14抽送干燥用空气带走显热Q15窑墙、窑顶散热 Q损其它热损失8.1.3 热收入项目 产品带入显热Q3此项热量即为预热、烧成带产品带出显热：Q3=366121.1kJ/h 棚板及支柱带入显热Q4此项热量即为预热、烧成带棚板、支柱带入显热：Q4=466744.4kJ/h 窑车带入显热Q9预热、烧成带窑车散失之热约占窑车积、散热之5%，而95%之积热带进冷却带。Q9=0.95Q6=0.95*652441.4=619819.3kJ/h 冷却带末端送入空气带入显热Q10ta=20,此温度下空气平均比热为ca=1.30kJ/m3Q10=Vvcata=26Va kJ/h8.2.4 热支出项目1 产品带出显热Q11出窑产品质量G11=384.75kg/h,出窑产品温度t11=60,此温度下产品平均比热c11=0.896kJ/kg则Q11=G11c11t11=384.75*0.896*60=20401.2kJ/h2 支柱带出显热Q12出窑棚板及支柱质量：G12=348+487.67=835.67kg/h出窑棚板及支柱温度：t12=60在60是棚板及支柱比热为：c12=0.84+0.00026t=0.84+0.00026*60=0.8556kJ/kg则Q12=G12c12t12=835.67*0.8556*80=43099.2kJ/h3 车带走和向下散失之热Q13此项热量占窑车带走显热的55%，所以Q13=0.55Q9=0.55*141157.5=575556.1kJ/h4 抽送干燥用的空气带走显热Q14若热空气抽出量即为冷却空气鼓入量Va设抽送干燥器用的空气温度为200此温度下空气平均比热为c14=1.32kJ/Nm3则Q14=V14c14t14=Va*1.32*200=167VakJ/h5 窑墙、窑顶散热Q15高温莫来石绝热导热系数 =0.22W/(m)纤维=0.11 W/(m)冷却带长度为37.7m,窑顶散热面积A=1.4*37.7=52.78m2热流q=665w/m2则窑顶散热Qm=52.78*665*3.6=12635.5kJ/h一侧窑墙散热面积An=37.7*0.78=29.4m2热流q=480.3w/m2则两侧窑墙散热Qm=29.4*480.3*2=28247.4kJ/h所以Q15=Qn+Qm=114841kJ/h6.物化反应耗热Q7不考虑制品所含结晶水。1） 自由水蒸发Qw T1=220 C1=1.42 KJ/Kg G=6.0Kg/h 结构水G=14.7kg/h2） Qw=6.0*（2490+1.93tg）=6*（2490+1.93*220）=17487.6KJ/Kg3） Qw1=14.7*6700=98490KJ/Kg 7.其他热损失Q8取经验数据，占收入的5%8.1.5、热平衡方程式因为：热收入=热支出所以：Q3+Q4+Q9+Q10=Q11+Q12+Q13+Q14+Q15+Qc+Q8解得Va=3172 Nm3/h8.1.6 列冷却带热平衡表并分析讨论 表8-2冷却带热平衡分析表 热收入 热支出 项目 KJ/h % 项目 KJ/h % 1.产品带入显热206039.515.251.产品带出显热20401.21.512.棚板及支柱显热26272.819.452.棚板及支柱显热43099.23.193.窑车显热814700.460.33.窑车带走和向车下散失热575556.142.6冷却带末端送入空气显热67553.9 5.04.抽送干燥用空气显热529319. 739.25.窑墙、窑顶散热1148418.56.其它热损失67553.55.0 总计1351078.6100.00 总计1351070.7100.00从冷却带的热平衡计算可以看出，热收入主要是由棚板和窑车带入的，而热支出主要是由窑墙和窑顶向外散失热量。另外，窑车也带走和向下散失了相当一部分热量。九、窑体材料概算9.1 计算排烟系统的管道尺寸9.1.1 排烟系统需排除烟气量：Vg=【Vg0+（ag-1）*Va0】m /h*X+Vm=0.18m3/s9.1.2 排烟口及水平支烟道尺寸.共有11对排烟口，则每个排烟口的流量为：V=Vg*（273+220）/273=0.35 Nm3/s冷却带共设有7对排烟口，则没对排烟口的流量为：V=0.35/7+0.05nm/s烟气在砖砌管道中的流速由经验取为w=1.5 m/s则F=V/W=0.035/1.5=0.0