日产8 吨硼硅酸盐玻璃窑炉设计说明书.doc

日产8吨硼硅酸盐玻璃全电熔窑窑炉设计说明书江苏大学材料学院日产8吨硼硅酸盐玻璃全电熔窑窑炉设计说明书材料工程课程设计全电熔窑炉 硼硅酸盐玻璃 窑炉目录目录-1前言-21设计任务-32设计内容及原始数据说明-33成分计算-43.1根据玻璃的配方计算配合料的配方 - 43.2玻璃生成热的计算-63.3配合料用量计算-73.4生料熔化耗热量Q熔及所需功率P熔的计算-73.5窑体散热计算-103.6总热量P实-143.7电熔窑主要尺寸的计算和电热材料的计算-144电熔窑熔化池最佳深度的确定-145电热平衡的二次计算和电极的选择-151）电极的选择-152）电极的布置-153）电极的水冷保护-154）二次特性计算-166供电电源的确定-167变压器的设计选择-178结语-179参考文献-18前言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，通过电极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。这项技术的电热转换效率最高可达90%左右，而且熔制过程稳定，玻璃液理化指标优良，生产工艺容易控制，使得玻璃制品企业在追求产品高附加值的同时解决了产品质量和环境污染问题，并且可以获得非常理想的经济效益和社会效益。玻璃电熔技术是目前国际上最先进的熔制工艺，是玻璃生产企业提高产品质量，降低能耗，从根本上消除环境污染的十分有效的途径。对于15t/d以下的小型玻璃熔窑来说，在电力充足和电价适中的地区，用电熔工艺生产各种玻璃制品的综合经济效益是很理想的；在电价较高的地区，对于生产彩色玻璃、乳浊玻璃、硅酸盐玻璃、铅玻璃、高挥发组分玻璃或特种玻璃也是合算的。玻璃电熔与传统的火焰加热熔炉相比有很大的优势。由于利用玻璃液直接作为焦耳热效应的热导体，所以玻璃电熔化的热效率高于火焰熔融炉。日出料60吨以上的玻璃电熔窑的热效率大于80%。另外，电熔炉的炉型结构简单，占地面积小，控制平稳且易操作，并减少了原料中的某些昂贵的氧化物的飞散与挥发，降低噪音和改善环境污染，稳定熔化工作和提高产品质量等，这些都是燃料炉难以比拟的。我国拥有丰富的水利资源，加上新建的核电站，为玻璃电熔技术的推广应用提高了能源基础。由于玻璃电熔窑具有较高的热效率（小型窑为40%-50%，大窑可达75%-80%）；能生产优质玻璃；环境条件好、无噪音；窑内温度便于调节，容易实现全部自动化；电熔窑结构简单，冷修周期短；投资省、占地面积小等优点，因此玻璃电熔是今后的发展方向之一。在设计了一座日产8吨高硼玻璃全电熔窑炉的前提下，本文将对窑炉的设计过程，设计参数，能量计算，电极布置等方面进行相应的计算说明。1 设计任务设计一座日产8吨高硼玻璃全电熔窑炉2 设计内容及原始数据说明在确定电熔窑主要尺寸之前，首先要知道所熔制的玻璃成分和熔化量，电熔窑的熔化率决定玻璃的种类、电熔窑的大小。日产量8吨硼硅酸盐玻璃，熔化工作温度1650。玻璃配方如下：成分SiO2Al2O3CaONa2OB2O3 %80.52.10.34.512.6设配合料水分5%，配合料中熟料（碎玻璃）占20%；玻璃液在1650电阻率11(cm)；该窑炉以高纯钼棒作为电极，其规格为 50*1500，密度为10.1gcm2；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。3 成分计算根据以上玻璃成分引入原料：砂岩，硼砂，无水硼酸，化工Al(OH)3，CaCO3。各原料所含配方成分（%）如下：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)365.38CaCO356.003.1 根据玻璃的配方计算配合料的配方：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。1） 砂岩的用量： 2） 硼砂的含量： 由于硼砂中含B2O3和Na2O，而Na2O含量较少，所以根据Na2O计算硼砂的用量，由于Na2O挥发量一般为3.2%，并且砂岩中含少量Na2O，所以硼砂的量为：硼砂中B2O3含量计算为：3） 无水硼酸：考虑到硼的挥发5%-10%取8%挥发量，所以应加入的无水硼酸为： 4） 引入Al2O3加入化工Al(OH)3的量的计算：由于砂岩中含有Al2O3量为：所以引入Al(OH)3量为：5） 引入CaCO3量的计算：所以，生产100kg玻璃时原料的用量如下：砂岩81.809 kg硼砂27.216 kg无水硼酸3.841 kg化工Al(OH)32.261 kgCaCO30.536 kg合计115.663 kg气体率为：玻璃产率为： 最后的配方如下：（质量百分比）砂岩硼砂无水硼酸化工Al(OH)3CaCO3合计70.731%23.530%3.321%1.955%0.463%100%3.2 玻璃生成热的计算： 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70.7310.950.984=66.11966.11970.7310.950.0076=0.5110.51170.7310.950.0021=0.410.141硼砂23.5300.950.3621=8.0948.09423.5300.950.1645=3.6773.677无水硼酸3.3211.00=3.3213.321Al(OH)31.9550.950.6538=1.2141.214CaCO30.4630.950.56=0.2460.2463.3 配合料用料计算：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：（10013.54）100+0.25=1.1146 kg玻璃液因此熔化成1kg玻璃液需要生料量G生和熟料量G熟分别为：G生=11.1146=0.897kgG熟=0.251.1146=0.224 kg熔化成1kg玻璃液需要配合料量： G生G熟=0.8970.224=1.12 kg在熔化1kg玻璃液中，有熟料形成的G熟占0.224 kg玻璃液，由生料形成的G生占（10.224）=0.776 kg玻璃液。3.4 生料熔化耗热量Q熔及所需功率P熔的计算：1） 生成1kg玻璃液时生料的熔化热量Q1熔化硅酸盐玻璃耗热以形成100 kg玻璃液计算（Hi，Hs值由下表计算）Hi与Hs计算式以及在不同温度下数值硅酸盐类别单位耗热量计算HiCaOSiO2554.710-3t501.1kCal/kg CaONa2O3SiO21438.5710-3t245.3kCal/kg Na2O Al2O3SiO2481.310-3t84.0kCal/kg Al2O3Hs加热SiO2287.610-3t23.9kCal/kg SiO2所以：CaOCaOSiO2 0.31416.355=424.906 kCal Al2O3Al2O3SiO2 2.1710.145=1491.305 kCal Na2ONa2O3SiO2 4.52618.941=11785.235 kCal=424.9061491.30511785.235=13701.446 kCal加热剩余SiO2耗热 以形成100kg玻璃液计算，引入SiO2数为：80.5/60=1.342kmol生成硅酸盐用去SiO2数：引入CaO： 0.356 = 0.005357kmol引入Na2O： 34.562 = 0.21774kmol引入Al2O3： 2.1102 = 0.02059kmol剩余SiO2数为：1.342-0.005357-0.21774-0.02059=1.098kmolGsHs =1.09860498.44 =32837.227kCal即生成1千克的玻璃液时生料熔化热量Q1= 361.140 kCal/kg玻璃液2） 熟料加热熔融耗热量Q2的计算：；系数i与C的值：氧化物 i CiSiO20.0004680.1657Al2O30.0004530.1765CaO0.0004100.1709B2O30.0005980.1935Na2O0.0008290.2229t =0.01(80.50.0004682.10.0004530.30.0004104.50.00082912.60.000598)=0.0005001C平 =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=0.2240.2925（165030）=106.142 kCal/kg玻璃液3） 配合料水分蒸发耗热量Q3的计算：= 5950.8970.05=26.686kCal/kg玻璃液所以，形成1kg玻璃液需耗热量Q玻璃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Q3加大3%。Q熔 = 1.03q1q2q3 = 1.03361.140106.14226.686 = 504.802 kCal/kg玻璃液。 则可得功率P熔，即：P熔 = GQ玻 = 8吨504.802kCal/kg =（81000/24）/3600kg/s504.8024.186 kJ/ kg =195.7kW玻璃液。3.5 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（）； i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，窑墙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。1） 窑墙P11 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预计为1650，即t1 = 1650。为了确定合适的导热系数，估计t2 = 1400， t3 = 1380，t4 = 1150， t5 = 130。(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 = 640 4= 0.196w/m窑墙外表面对空气的传热系数2（kCal/m2h ），参考公式即：=15.144 kCal/m2h 即2= 17.609w/m2。通过窑墙散失的热量，参考公式： 通过q1检验各层耐火材料界面温度：T1 = 1650T2 = t1q 11/1 = 16501793.650.3/2.276 = 1414T3 = t2q 12/2 = 14141793.650.05/4.672 = 1395T4 = t3q 13/3 = 13951793.650.23/1.806= 1167T5 = t4q 14/4 = 11671793.650.113/0.196 = 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。则 =1793.652.33.28 =105.61Kw2） 窑底P21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，所以q1 = q2 = 1793.65 w/m2则= 1793.655.32=19.01kw3） 窑炉上部结构热损失碹顶：1电熔锆英石砖；300mm (1300400300)2锆英砂捣打料；50mm3轻质粘土砖；113mm由于熔融玻璃表面在熔化过程中被配合料覆盖，碹顶应该是冷的，但一定要考虑到当表面上某点被熔化后，碹顶被加热。但当熔化中断后，液面暴露出来，因而碹顶被加热，在计算热损失时没有必要将此计算在内，我们只假设有一部分暴露的表露的表面，只有一部分碹顶被加热。当正常操作过程，配合料以上和碹顶之间的温度不会超过700。上部结构的胸墙熔化池液面以上的胸墙，其耐火材料的组成与碹顶相同，因此其墙内表面温度与假设液相同，故每平方米的散热损失也相同的。4） 冷却水带走的热量P3冷却水进口温度为42，出口的温度为56，流量为210-3m3/min，一个电极套吸收的热量为P3。P3 =4.228（56-42）=940.8 kJ/min=15.6 Kw。由以上计算可得热量的损失为：P= P1+P2+P3= 105.6+19.0+15.6= 140.22Kw由于未计算冷顶损失和辐射损失，所以对计算结果须进行修正P损= KP由于考虑到计算误差较大，所以取K = 1.8，即：P损= 1.8140.22= 252.40Kw3.6 总热量P实 输入功率P总 = P熔+P损 = 195.66+252.40 = 448.06 Kw由于以上计算难免有一些误差或遗漏的地方，故对功率进一步扩大所以：P实 = 1.2P总 = 537.67Kw 3.7 电熔窑主要尺寸的计算和电热材料的计算熔化面积：由于配合料熔化过程仍在窑池表面进行。因此，熔窑的熔化面积仍可用下列公式计算：F熔 = G/K式中：G是熔窑生产能力，t/d ； K是熔化率，kg/(m2d)；取K = 1.5 kg/(m2d)F熔 = 8/1.5= 5.3m2所以我们取正方形熔化池的边长为2.3m。4 电熔窑熔化池最佳深度的确定熔化池玻璃液深度与对角线比大约取1:1，或玻璃液深度略大于对角线长度。我们取电熔窑的玻璃液深度为h= 3m； 配合料深度为200mm。5 电热平衡二次计算和电极的选择1） 电极的选择 该窑炉使用纯钼棒作为电极，采用插入8根垂直电极，呈正方形分布，其规格为501500mm。 电极电流密度j = 0.309A/cm2 电极的使用中，根据电流和电压的变化，随时对电流进行调整。实际使用中，电流是恒值，根据电压的变化来调整电极尺寸。在调整时原则上是每月向窑内推进50mm。2） 电极的布置电极布置有四个基本形式：水平棒状电极、垂直棒状电极、板状电极和塞状电极。根据本设计的能耗分配即窑型选择把电极布置成垂直棒状形式。垂直电极电流密度均匀，适于垂直熔化、均化和澄清。垂直电极虽然更换困难，而且有穿透漏料的危险，但如果安装完善，基本在整个使用期间不用更换电极，而且电极的损蚀要比水平电极小得多。3) 电极的水冷保护 该设计采用密封式水套，经过二十个月的运行实验，证明设计的电极水套是成功的、运行可靠，操作方便的。每只水套的吸收热量为2kw/h。 在水冷系统中，为了节约用水，采用循环水冷系统。每只电极用水量为2L/min。4） 二次特性计算电熔窑是利用玻璃的高温导电，电流通过玻璃的自身发热，在单位时间内，窑内所产生的热效应，所以可得：P总 = I2R式中：I是电流强度；R是玻璃电阻正方形电极其电阻为：R是玻璃液电阻，h是玻璃液的深度，cmd是电极间的距离，cmD是电极直径，cm是玻璃液的电阻率，1650时= 11cm电极插入深度取1000mm.因此：电压 V = 电极间电流 I = 6 供电电源的确定单向系统多用于正方形或长方形、低容量的电熔窑上，即日产量不超过30吨，功率可达1500kw。电极间的距离可根据需要来调节，以达到均匀且较小的电流密度，为整个窑池内创造均匀熔化和澄清的良好条件。本设计为小型电熔窑炉，故采用单相系统即可合适。7 供电变压器的设计选择正方形功率调节可用一台初级三相调压器或其