热工基础与设备-热工设备PPT演示课件

第5章热工设备,1,第5章热工设备,本章要点：掌握玻璃、陶瓷、水泥的高温制备过程和相应窑炉的结构及工作原理。,2,第5章热工设备,问题1.无机非金属材料生产都使用哪些热工设备？玻璃？水泥？陶瓷？2.无机非金属材料生产常用的窑炉有哪些？,玻璃？水泥？陶瓷？,3,第5章热工设备,5.1概述一.热工设备和窑炉的概念1.热工设备无机材料生产过程中热处理过程所需的设备称为热工设备2.窑炉无机材料一般都是将加工处理后的原料置于高温下经煅烧反应而制得的。此高温加工过程所需设备在无机材料工业称之为窑炉。高温加工过程在无机材料工业生产过程中是关键的工序。制品的产量，质量以及能耗高低在很大程度上取决于高温加工工序。,4,第5章热工设备,二.窑炉的分类无机材料工业窑炉的种类甚多，其分类如下：1.按产品种类：水泥窑；陶瓷窑；玻璃窑；石灰窑；耐火材料窑等。2按烧成产品的状态：a.适于煅烧块、粒状物料的窑。如回转窑、立窑等；b.适于烧制成型制品的窑。如隧道窑、倒焰窑等；c.适于熔制玻璃的窑，如池窑、坩埚窑等。3按作业的性质分：连续式窑；半连续式窑；间歇式窑。4按热源分：火焰窑；电热窑。5按使用的燃料分：烧固体燃料的窑；烧气体燃料的窑；烧油的窑。,5.1概述,5,第5章热工设备,6按火焰是否与制品接触直接焰式窑(明焰窑)；半隔焰式窑；隔焰式窑马弗窑(MuffleKiln)。7按火焰进行的方向分：直焰式窑；横焰式窑；倒焰式窑等。8按窑的形状方窑；圆窑；隧道窑；立窑；池窑；坩埚窑等。,5.1概述,6,第5章热工设备,无机非金属材料典型生产工艺流程,玻璃生产工艺流程,图5.1为规模最大、工艺最复杂、使用设备最多的浮法玻璃的生产线示意图。,7,第5章热工设备,无机非金属材料典型生产工艺流程,陶瓷生产工艺流程,图5.2一次烧成彩釉墙地砖生产工艺生产流程,8,第5章热工设备,无机非金属材料典型生产工艺流程,9,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,5.2玻璃熔窑一、概述1.熔化将配合料投入耐火材料砌筑的熔窑中，经高温加热，得到无固体颗粒、符合成型要求的玻璃液的过程。2.玻璃的熔制过程玻璃的熔化是一个非常复杂的过程。配合料在窑炉中通过热的传递、质的传递和动量传递，完成一系列物理的、化学的和物理化学过程。,10,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,玻璃的熔制过程,熔制过程(5),硅酸盐形成阶段玻璃液形成阶段玻璃液澄清阶段玻璃液均化阶段玻璃液冷却阶段,11,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,3.影响熔化过程的因素配合料化学组成；配合料的物理状态原料品种、颗粒组成；配合料中熟料引入量；配合料的均匀度；加料方式；熔窑的温度制度；耐火材料的性质；加速剂的应用。,12,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,二、熔化设备熔窑（一）熔窑分类一般分类：池窑和坩埚窑。按作业方式：连续作业熔窑和间歇作业熔窑；按加热方式：火焰窑和电热窑及火焰电热窑按烟气余热回收设备：蓄热式窑，换热式窑；按窑内火焰流动方向：横焰窑，马蹄焰窑，纵焰窑；按制造的产品：平板玻璃窑，日用玻璃窑；按窑的规模:大型窑(150400t/d)，中型窑（50150t/d)，小型窑（50t/d以下)。,13,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,（二）玻璃池窑主要结构根据我国目前能源情况，基本上采用火焰池窑。其结构主要包括：玻璃熔制，热源供给，余热回收和供气排烟四部分。1.玻璃熔制部分（1）投料口：配合料从投料口投入窑内，受火焰空间和玻璃液来传递热量；（2）熔化部：它是进行配合料熔化和玻璃的澄清与均化的部分。熔化部上部为火焰空间；下部为窑池。而火焰主要由小炉燃烧口喷出；（3）冷却部：它是熔化好的玻璃液进一步均化和冷却的部位，也是玻璃液分配供料的通道。,14,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,15,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,16,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,2.热源供给部分（1）空气、煤气通道：经过加热的空气、煤气离开蓄热室后，在进入预燃室混合之前流过的通道。也是烟气从火焰空间排至蓄热室所经过的通道；（2）预燃室：指空气、煤气出水平通道后，借助气流涡动、分子扩散与相互撞击，在入窑前预先进行部分混合；（3）喷火口：指喷出火焰的地方。喷火口形状、大小与长短对火焰的速度、厚度、阔度与方向有很大影响。燃油小炉较为简单，仅使用喷嘴。,17,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,3.余热回收部分为了提高窑内火焰温度，设置烟气余热回收设备。利用烟气余热来加热助燃空气和煤气，进而达到提高火焰温度和节能的效果。余热回收设备主要有蓄热式和换热式两种。4供气排烟部分为保证池窑连续、正常和有效的工作，设置一套排烟供气系统。包括交换器，空气、烟气烟道，中间烟道，鼓风机，总烟道和烟囱。,18,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,三、蓄热式玻璃池窑的工作原理经蓄热室预热后的空气和煤气在小炉内混合后燃烧由小炉口喷出或预热后的空气直接和喷枪喷出的燃油混合燃烧；配合料从投料口投入窑内，受到火焰空间和玻璃液传递的热量加热熔化成均匀、无气泡符合成型要求的玻璃液；烟气进入另一侧的小炉经蓄热室、烟道最后由烟囱排出。,19,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,20,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,21,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,四、玻璃熔制主要工艺制度与控制1.温度制度与控制玻璃池窑中玻璃液流动状况,图5-1玻璃池窑中玻璃液流动状况,一端为投料池，一端为制品的成型，中间最高温度为热点。热点温度：依据玻璃组成、耐材和窑的寿命而定。测温方法：常用的是热电偶、辐射高温计和光学高温计。,22,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,23,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,2.燃料加热温度与火焰控制煤气加热温度制度对玻璃生产影响极大。要求：煤气质量好且稳定，火焰（火焰主要以热辐射方式传热）长度适中。池窑各对小炉燃料量分配如表所示。,平板玻璃池窑各对小炉燃料量分配,24,第5章热工设备,5.2玻璃熔窑,3.重油加热熔窑的温度与火焰控制重油主要成分主要由高分子碳氢化合物组成，燃烧时产生的火焰明亮，火焰辐射能力强，燃烧时喷出速度达300400m/s,火焰覆盖面积小于煤气燃烧覆盖面积，若雾化不好，与空气混合不充分，燃烧不完全烟囱就会冒黑烟。火焰方向控制适当，火焰稍向液面倾斜，倾角为58，以稍微达胸墙为宜。,25,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉一、陶瓷烧成过程烧成将初步密集定形的粉块（生坯）经高温烧结成产品的过程称为烧成。,26,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,（一）坯、釉在烧成过程中的物理化学变化以普通粘土质陶瓷为例1.低温预热阶段（常温至300左右）主要是排除坯体干燥后的残余水分。2.氧化分解阶段（300950）主要反应是有机物及碳素的氧化、碳酸盐分解、结晶水排除及晶型转变。3.高温玻化成瓷阶段（从950到最高烧成温度）4.冷却阶段（从烧成温度降至常温）,27,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,（二）烧成制度的制定烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。三者之间的关系温度制度和气氛制度是关键。压力制度是前两个制度顺利实施的保证。三者之间互相协调构成一个合理的烧成制度。1.烧成温度曲线的制定烧成温度曲线由室温加热到烧成温度，再由烧成温度冷却至室温的烧成过程全部的温度一时间变化情况。决定烧成温度曲线的因素：烧成时坯体中的反应速度。坯体的厚度、大小及坯体的热传导能力。窑炉的结构、形式和热容，以及窑具的性质和装窑密度。,28,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,（1）升温速度的确定低温阶段升温速度主要取决于坯体入窑时的水分。如果坯体进窑水分高、坯件较厚或装窑量大，则升温过快可能产生开裂现象；氧化分解阶段升温速度主要取决于原料的纯度和坯件的厚度，此外，也与气体介质的流速和火焰性质有关。原料较纯且分解物少，制品较薄，则升温可快些；反之，则升温不宜过快；,29,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,高温阶段此阶段的升温速度取决于窑的结构、装窑密度以及坯件收缩变化的程度。当窑的容积很大时，升温过快则窑内温差大，将引起高温反应的不均匀。,30,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,（2）烧成温度及保温时间的确定烧成温度必须在坯体的烧结范围之内，而烧结范围则须控制在线收缩达到最大而显气孔率接近于零的一段温度范围。最适宜的烧成温度或止火温度根据坯料的加热收缩曲线和显气孔率变化曲线来确定。但须指出，这种曲线与升温速度有关。当升温速度快时，止火或者最适宜烧成温度可以稍高，保温时间可以短些；当升温速度慢时，止火温度可以低些。操作中可采用较高温度下短时间的烧成或在较低温度下长时间的烧成来实现。,31,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,（3）冷却速度的确定主要取决于坯体厚度及坯内液相的凝固速度。高温冷却可以快速进行？，但快速冷却应注意在液相变为固相玻璃的温度（约为750800）以前结束。此后冷却应缓慢进行，以便液相变为固相时制品内温度分布均匀。400600为石英晶型转化温度范围，体积发生变化，容易造成开裂，故应考虑缓冷。400以下，则可加快冷却，不会出现问题。,32,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,2.气氛制度气体介质对含有较多铁的氧化物、硫化物、硫酸盐以及有机杂质等陶瓷坯料影响很大。根据坯料化学矿物组成，以及烧成过程各阶段的物理化学变化规律，恰当选择气氛。南方瓷区的烧成多采用还原焰烧成制度；北方瓷区采用全部氧化焰烧成。陶瓷墙地砖一般采用氧化焰烧成。气氛性质根据燃烧产物中游离氧和还原成分的含量决定。当游离氧含量为45时，为普通氧化焰；当游离氧含量为810时，称强氧化焰；当游离氧含量为11.5时，称中性焰；当游离氧含量在0l（CO含量为48）时为还原焰。,33,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,3.压力制度及控制油烧隧道窑还原焰烧成时，一般窑的预热带控制负压一29.42Pa以下，烧成带正压19.6129.42Pa，冷却带正压0一19.61Pa，零压位在预热和烧成带之间；油烧隧道窑氧化焰烧成时，一般预热带为负压，烧成带为微负压到微正压一4.904.90Pa，冷却带为正压。为保持合理的压力制度，采取何措施调节压力？调节总烟道闸板和排烟孔小闸板来控制抽力；控制好氧化幕、急冷气幕以及抽余热风机的风量与风压，并适当控制烧嘴油量，调节车下风压和风量等办法。,34,压力分布曲线见下图:,隧道窑压力分布曲线,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,35,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,结论压强控制，最重要是控制其烧成带两端的压强稳定。原因如果窑内的负压过大，则漏入的冷空气必然多，会使窑内的温度降低，且气体分层严重，窑内断面上的上、下温度差加大；同时会使烧还原气氛时，窑内的烧成带难以维持还原气氛。所以负压大的窑就是操作不好的窑。如果窑内的正压过大，则大量热气体会向外界冒出，这样既损失了热量，也恶化操作人员的劳动环境。窑内的热气体冒入车下的坑道还会烧毁窑车的金属构件，造成操作事故。最理想的压强控制操作是将窑内维持为零压，但是办不到。只能将窑内的关键部位烧成带与预热带的交界面附近维持在零压左右。,36,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,三、陶瓷烧成设备窑炉窑炉是保证陶瓷制品质量和性能的关键设备。（一）陶瓷窑炉的分类一般分为连续窑和间歇窑。一种陶瓷制品往往可以用几种窑炉设备来烧成。采用何种窑型要视产品的具体要求、投资大小、当地条件等综合而定。普通陶瓷烧成隧道窑、辊道窑或梭式窑。采用的是氧化或还原气氛。特种陶瓷的烧成各种电炉（如管式炉、立式炉、箱式炉、电阻炉、感应炉、碳管炉等），可用保护气体（如氢、氖、氮气等），也可在真空或空气中进行烧成。,37,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,38,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,（二）隧道窑隧道窑是陶瓷生产中使用较普遍的窑型，其基本特征是窑体外形像一条隧道。即隧道窑是一个长长的、由耐火材料、保温材料和建筑材料砌筑而成的内有窑车等运载工具的隧道。制品用各种方式从这条隧道通过，实现烧成的目的。1.其特点连续生产，产量高。主要用于大批量生产大件厚壁等质量大的产品的烧成。通常所说的隧道窑一般是指单通道窑车隧道窑。2.隧道窑的分类,39,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,目前最多用的为单通道明火焰隧道窑。,40,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,41,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,42,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,43,3.隧道窑的分带,三带：预热带、烧成带、冷却带,划分方法(三种）,以温度为界,以窑体长度分,预热带占窑总长的3045%烧成带占窑总长的1033%冷却带占窑总长的3846%,预热带的温度范围：室温950烧成带的温度范围：950最高温度冷却带的温度范围：最高温度制品出窑温度,按燃烧室设置位置分（常用）,预热带预热过程：坯体与来自烧成带燃料燃烧产生的烟气接触，逐渐被加热，完成坯体的预热过程,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,44,隧道窑分带及工作流程,45,烧成带烧成过程坯体借助燃料燃烧所释放出的热量，达到所要求的最高烧成温度，完成坯体的烧成过程。冷却带冷却过程高温烧成的制品进入冷却带，与从窑尾鼓入大量冷空气进行热交换，完成坯体的冷却过程。1）急冷阶段(1300700)2)慢冷阶段(700400)3）快冷阶段(400C室温),第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,46,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,4.隧道窑的工作原理隧道窑工作时，待烧的制品(坯体)装载到运载工具(窑车)上，随运载工具从隧道窑的一端(窑头)进入，在窑内完成制品的烧制以后，从隧道窑的另一端(窑尾)随运载工具输出，而后卸下烧制好的产品，卸空的运载工具(窑车)返回窑头继续装载新的坯体后再入窑内煅烧。,47,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,5.一般隧道窑的工作系统（工作流程）它是指窑内气体的输送系统。一般的隧道窑均由多个气体输送系统构成，如排烟系统、冷却系统、助燃系统、气幕隔离和搅拌系统等。隧道窑各部分的结构与工作系统的设置很有关系。,48,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,6.隧道窑的结构组成：窑体、窑内输送设备、燃烧设备和通风设备。窑体窑的主要部分,产品的烧成部分;窑体上设有各种气流进出口。由窑墙、窑顶、窑底（窑车衬）所组成，其所围的空间即是燃烧产物与坯体进行热交换的隧道。,49,窑主体,窑顶,窑墙,窑底：窑车衬砖,保温层：用于窑直墙保温,工作层：直接接触火焰,保护层：保护窑体、并起到密封作用,拱顶平顶,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,窑体一般由钢结构支架固定。,50,窑车,窑车金属架：用以支托耐火衬体，,窑车衬料：最大限度地降低窑车的蓄热能力,密封系统,砂封槽：隔断窑车上下空间，使冷空气不漏入，热气体不漏出,曲封：阻止窑内外高温废气窜入窑车下部，对窑车对保护作用。,窑车两侧装有钢制群板，窑车在窑内移动时，群板插入两侧砂封巢内构成砂封窑车与窑墙、窑车与窑车之间曲折密封：,窑具：现代的明焰裸烧方式的窑具都是棚架结构的，由棚板、支柱、垫砖。窑具要有一定的高温承载力。,窑内输送设备即窑车和有关的窑具及推车机等。,51,52,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,燃烧设备组成：主要有燃烧室和烧嘴两部分，还有与烧嘴相连的附属设备（燃料输送管道）。燃料的使用：隧道窑可以使用气体燃料、液体燃料或固体燃料。用烧嘴将燃料喷入燃烧室或直接喷入隧道窑。燃烧室布置：分布在两侧窑墙，布置在靠近窑车的台面上，可分为集中和分散布置、相对与相错布置、一排和两排布置集中布置：在烧成带集中布置12对烧嘴(燃烧室)；特点：结构简单，易于操作和自动调节，但窑内温度均匀性难以保证。分散布置：在烧成带自低温起，先稀后密地布置多对烧嘴。特点：分布足够多燃烧室能保证温度制度和气氛制度。,53,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,相对布置：特点：砌筑简单、调节方便，但温度较高在烧成带长度方向上宜出现温差，且火焰相互干扰相错布置：窑内气体产生循环使窑内温度均匀（常用）。两排布置：上、下两层布置烧嘴，避免温度差的出现。烧重油的燃烧室一般将燃烧室建得要大一些，以降低燃烧室的空间热力强度。烧气体燃料时，可以不设立燃烧室，直接在窑墙上布置燃烧通道将全部燃料喷入。,54,常用的气体燃料燃烧设备传统的气体燃料烧嘴有：长焰烧嘴、短焰烧嘴和无焰烧嘴。先进的烧嘴为：高速调温烧嘴,长焰烧嘴:是指在烧嘴内燃气完全不与空气混合，燃气喷出后靠燃气和空气的扩散作用来进行混合和燃烧。其燃烧过程是边混合、边燃烧，以致火焰较长。短焰烧嘴:是指燃气与部分空气在烧嘴内预先混合后再从烧嘴中喷出，其燃烧的火焰较短。无焰烧嘴:是指燃气与助燃空气在烧嘴内完全混合后，再喷出燃烧，这时火焰无明显的轮廓，因此被称为“无焰烧嘴”。,55,主要特点：一是调温方便二是高温烟气高速喷出，喷出的速度通常在70m/s以上，有的高达200300m/s（传统的烧嘴为3040m/s）。,属无焰烧嘴，它是指燃气和空气在烧嘴内“完全”进行燃烧，再与二次空气（调温空气)混合来调节所喷出的气体温度，,高速调温烧嘴,分类,预混式高速调温烧嘴：指燃气与一次空气先在预混室内混合后再进入烧嘴燃烧，预混方式用引射介质利用喷射器的原理来吸入空气,非预混式高速调温烧嘴：将燃气与空气分别送入烧嘴内，而后混合燃烧.,56,57,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,通风设备它包括排烟系统（包括支烟道、主烟道、烟囱等各种排烟通道）、气幕和气体的循环装置和冷却系统。由排烟机、烟囱、鼓风机及各种烟道、管道所组成。其作用是使窑内气流按一定方向流动，排除烟气，供给空气，抽出热空气等，并维持窑内一定的温度、气氛和压力制度。,58,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,排烟通风系统,排烟口：主要在预热带，其目的是将隧道窑内的燃烧废气引向支烟道,支烟道：引导来自排烟口的排出废气进入主烟道,主烟道：汇总各支烟道的烟气，并将其引入烟囱,烟囱：将来自主烟道的废气送入高层大气空，减少废气对工作环境的污染,注：排烟口、支烟道、主烟道的布置应避免急剧转弯，保证尽量减小废气的流动阻力损失，使废气在烟道内顺利排出。,59,气幕概念：气幕是指在隧道窑横截面上，自窑顶及两侧窑墙上喷射多股气流进入窑内，形成一片气体帘幕。气幕分类：（按照其在窑上作用和要求的不同分）窑头-封闭气幕，预热带-循环搅动气幕烧成带-氧化气氛幕，冷却带-急冷阻挡气幕。,60,封闭气幕：位于预热带窑头目的：窑头形成12Pa的微正压，避免了冷空气漏入窑内。,将气体以一定的速度自窑顶及两侧墙喷入，成为一道气帘，,该热空气一般是抽车下热风或冷却带热风。,气幕气体送入方式：1）与窑车运动方向相垂直2）与出车方向成45,设为两道：第一道：用冷空气第二道：用热空气,61,扰动气幕位于预热带，一般设置2-3道扰动气幕工作过程：以一定量的热气体以较大的流速和一定的角度自窑顶一排小孔喷出，迫使窑内热气体向下运动，产生扰动，使窑内温度均匀。气流喷出角度垂直向下，或以一定角度逆烟气流动方向喷出。,扰动气幕作用：为了克服预热带气体分层现象而采取的措施，气体分层原因：隧道窑预热带处于负压，易漏入冷风，冷风密度大，沉在下部，迫使热气体向上，产生气体分层现象。气体分层结果：气体分层导致上下温差最大可达300400。这样就必须延长预热时间，等待下部制品预热好，反应完全，因此降低了窑的产量，增加了燃料消耗。,62,要求（1）作为搅动气幕的热气体温度应尽量与该断面处温度相近，否则易使窑内局部温度下降造成制品炸裂。（2）作为搅动气幕的热气来源可以是烟道内的烟气，烧成带窑顶二层拱内的热空气或冷却带抽来的热空气。喷出速度应在10m/s以上才起作用。国外隧道窑搅动气幕喷出速度大，超过100ms，使窑内气流达到激烈的搅动，上下温度均匀，达到快速烧成。（3）气流喷出角度可以使90垂直向下，也可以120-180角度喷入。现代隧道窑在预热带靠近烧成带的一端附近设置高速调温烧嘴来代替搅动气幕。其喷出速度大，烧嘴喷出的气体温度可以调节到该处所需的温度，达到快速烧成。,63,循环气幕（与扰动气幕作用相同）是利用轴流风机或喷射泵使窑内烟气循环流动，以达到均匀窑温的目的。轴流风机装在窑顶洞穴中，叶片不超出拱顶面，机轴后面有夹道通向侧墙车台面处的吸气口，将同一截面上的烟气抽吸并自窑顶吹向下部。,64,采用喷射泵时，用压缩空气自喷口高压喷出，在该处造成负压，将同一截面上的烟气抽出后又送入，形成烟气循环，减少上下温差。,65,气氛气幕（结构同封闭气幕）位置：位于气氛改变的地方。隧道窑在9501050处设气氛幕氧化气幕，即在该处由窑顶及两侧窑墙喷入热空气，使之与烧成带来的含一氧化碳的烟气相遇而燃烧成为氧化气氛。说明：(1)气幕的气体量要足够，空气过剩系数在1.52.0之间，空气不能过多，以免该处温度过低，氧化反应不完全，引起坯泡。(2)作为氧化气氛幕的空气温度也不能过低，一般是从冷却带内，或窑顶二层拱中、间接冷却壁中抽出的热空气，再经烧成带二层拱进一步加热提高温度。（3）要求整个断面气氛均匀，较好地起分隔气氛的作用，窑顶和两侧窑墙都设有喷气孔，上部密些，下部稀些，均以90角喷出。,66,急冷阻挡气幕位置：急冷气幕设于冷却带始端作用：1)坯体在700以前应急冷，缩短烧成时间。提高制品质量。2)阻挡气幕，防止烧成带烟气倒流至冷却带，避免产品熏烟。结构：同封闭气幕说明：（1）急冷气幕的喷入应对准料垛间隙，入窑后能迅速循环，起到均匀急冷作用。（2）喷入的冷空气应在不远的热风抽出口抽出，必须调节好急冷气幕和热空气抽出量，保持平衡，否则会影响窑的正常操作，并降产品质量。,67,冷却系统（冷却带的通风装置）,注意：鼓入冷却带的冷空气必须在烧成带之前抽出，使鼓入和抽出的风量达到平衡，不使冷空气流入烧成带，保证烧成带能烧到高温并维持还原气氛，保证烧成带烟气不倒流入冷却带使产品熏烟。,冷却系统,急冷部分,缓冷部分,快冷部分,急冷气幕（传统隧道窑）,急冷喷嘴（现代隧道窑）,间接冷却（传统隧道窑）间接与直接冷却相结合（现代隧道窑）,在400以下，靠近隧道窑出口端鼓入一定量的空气时烧好的产品快速冷却，以缩短烧成周期。,68,7、隧道窑用耐火材料简介隧道窑对耐火材料的选用原则：(1)选用耐火材料要考虑到其常温性能和高温性能(2)选用耐火材料要考虑到其隔热保温性能(3)选用耐火材料要考虑到成本,隧道窑用耐火材料窑墙：所用耐火材料及其结构有传统型、组合型和全陶瓷纤维型,传统型的特点:1)是依靠加厚窑墙的厚度来达到保温隔热之目的2)适于现场砌筑的筑炉方式3)具有坚固耐用。其耐火砖为:重质耐火材料，一般为粘土砖、高铝砖和刚玉砖等耐火砖；保温砖为:硅藻土砖、轻质粘土砖等,传统型,69,组合型特点：1）适合于装配式砌筑的隧道。2）窑墙的厚度薄、自重轻、保温效果较好(即散热量和蓄热量较小)，热效率高。其耐火材料为：轻质耐火砖、耐火浇注料预制板等耐火材料，保温材料有：硅酸钙保温板、岩棉(矿渣棉)，膨胀珍珠岩，膨胀蛭石等隔热保温材料。,组合型,70,全陶瓷纤维型特点（现代陶瓷隧道窑的一个发展方向）。1）窑墙厚度薄、自重轻、隔热保温效果好、蓄热量少、耐火度高。2）安装方便，安装时只需要用耐火螺栓将耐火纤维砌块直接联接在钢板。主要缺点：1）耐火纤维的粉尘或熔渣掉到陶瓷制品上会污染陶瓷制品，影响到陶瓷产品的外观质量。可在耐火纤维的热表面漆刷一层耐火涂料解决这一问题。2）价格高。,全陶瓷纤维型,71,窑顶,拱顶：现场砌筑而成施工周期较长,吊顶：轻质砖型、组合式、全耐火纤维型,72,窑具：传统明焰隧道窑的窑具主要是匣钵，并辅以少量的垫砖。传统窑具常用粘土质耐火材料现代隧道窑所用的窑具有方柱、横梁、棚板、垫板、高质量和高档次的匣钵等。其窑具常常是合成堇青石一莫来石质耐火材料以及重结晶碳化硅质耐火材料等。,窑车：传统型、半承重型和非承重型,73,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,2.辊道窑（辊底式隧道窑或辊底窑）它是一种狭长形的隧道窑，是由一系列平行排列、横穿窑工作通道截面的转动的辊子组成“辊道”，制品放在辊道上，随着辊子的转动而输送入窑，在窑内完成烧成过程，故称辊道窑。,74,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,75,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,76,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,77,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,78,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,79,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,80,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,（1）辊道窑的特点加热温度均匀（辊子的上下能同时加热），且窑内断面温差小。制品裸烧不装匣钵，传热速率加快，故大大缩短了烧成时间。有利于实现机械化和自动化操作。可减轻劳动强度，提高生产效率。节能：不用窑车、匣钵和其他窑具（烧马赛克等小件产品时仅用垫板），窑体密封性好，大大提高了热利用率，可降低能耗。结构简单，便于维护和检修。辊道窑占地面积小，结构简单，建造快（一般不超过三个月)。,81,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,（2）辊道窑的分类辊道窑可按燃烧结构、加热方式、通道多少分类。按燃料分类分：烧轻质柴油的辊道窑、烧燃气的辊道窑、电热辊道窑（以安装在辊道上下的电热元件（硅碳棒或电热丝）作热源，对制品辐射加热）。按加热方式分类：明焰辊道窑。火焰进入辊道上下空间，与制品接触并直接加热制品。隔焰辊道窑。火焰一般只进入与窑道隔离的马弗道中，通过隔焰板将热量辐射给制品并对其进行加热。电热辊道窑。适用于电力资源丰富的厂家或实验室及中试用小型辊道窑。,82,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,由于明焰辊道窑的燃烧产物直接与制品接触，对提高传热效率、均匀窑内断面温度场、节能等都有利，代表了辊道窑的主流。辊道窑按工作通道分类：单层辊道窑、双层辊道窑、三层辊道窑等。多层辊道窑可节省燃料，缩短窑长，减少用地，降低投资费用。但由于层数增多，使入窑及出窑的运输线、连锁控制系统、窑炉本身结构都复杂化，给清除砖坯碎片带来不少困难。我国目前大多采用单层辊道窑，有的采用两层通道，一层用来焙烧制品，另一层用于干燥坯体。干燥热源利用焙烧层的余热。,83,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,（3）辊道窑的分带及工作系统辊道窑分为三带：预热带（窑头至850900）、烧成带（850900到成瓷温度（包括保温）、冷却带（余下部分）。隔焰辊道窑一般将设有燃烧系统的部分作为烧成带，烧成带之前至窑头部分为预热带，烧成带之后至窑尾部分为冷却带；明焰辊道窑则多以辊上下均设有烧嘴部位作为烧成带，两头分别为预热带与冷却带。辊道窑的工作系统，是指窑内气体的运动线，包括送风系统、燃料供应系统及排烟系统等。根据制品的烧成工艺合理地布置工作系统，是设计结构合理的辊道窑的前提。两种典型的工作系统。,84,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,85,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,86,）窑体：窑墙、窑顶、窑底2）燃烧装置：主要由烧嘴、燃料供应设备及管线组成；现代辊道窑广泛使用是烧气体燃料（天然气、发生炉煤气等）的明焰裸烧式和烧轻质柴油的明焰裸烧式。烧嘴在窑墙两侧，垂直、水平交错排列。3）排烟装置：包括排烟风机、烟囱及排烟管道等；现代化明焰裸烧式辊道窑的排烟系统则多采用集中排烟的排烟系统。集中排烟的辊道窑排烟系统通常是在离窑头不远处的窑顶及窑底设置23排的排烟口，排烟口可为矩形，也可为圆形。具体的排烟过程为：废气自烧成带流向预热带，从窑头的排烟口抽出，再经排烟总管、排烟风机、大烟囱排向大气。由于辊道窑不设置窑门，一部分排出的废气可以进行循环来作为封闭气幕用,（4）辊道窑的结构（单层结构辊道窑）,87,4）冷却系统：包括助燃风机、急冷、缓冷风机、窑尾冷却风机及相应的管道系统；5）传动系统：包括辊子及驱动装置、窑炉的进、出窑机构及必要的储坯系统；6）自控装置：包括窑炉的温度、压力检测装置、自动控制及调节装置。,辊道窑用耐火材料：分为窑体材料和辊子材料，所选用耐火材料以轻质耐火砖和耐火材料为主。,88,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,3.间歇窑间歇窑是指陶瓷制品的装窑、烧成、冷却和出窑等操作工序，依次间歇地并周而复始地进行的窑炉。优点：具有建造费用低、投产快、烧成品种范围宽、节假日可停窑等。缺点：其产量较低，装、出窑有一定的劳动强度，故间歇窑适合于中小批量、多品种的陶瓷生产企业。中小型日用瓷和卫生瓷厂仍在使用传统的间歇窑倒焰窑。现代化的新型间歇窑梭式窑在日用瓷、建卫瓷和电瓷、特种陶瓷等产品的烧成上获得了日益广泛的应用。,89,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,梭式窑（抽屉窑）是一种窑车式的倒焰窑，其结构与传统的短形倒焰窑类似。为了减轻每次封闭、拆卸窑门的繁重劳动，窑门可以固定砌筑在窑车的一端上，这样，随着窑车推入窑内或从窑内拉出时，把窑门封闭或打开。有时把窑门砌筑在一钢架结构上，利用电动提升机构上下启闭窑门。,90,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,91,第5章热工设备,5.3陶瓷窑炉,梭式窑在高档陶瓷的烧成方面（如卫生陶瓷的烧成和重烧）正在发挥重要的作用。目前国内外流行的梭式窑的容积小到0.1m3，大至几百立方米，已广泛应用于日用、艺术、卫生及电瓷制品的烧成，还出现了烧成温度高达1800用于烧制特种陶瓷的超高温窑炉。,92,工作流程：,93,94,辊道窑相对于隧道窑有一些特别的优点，首先辊道窑所占有的市场比例已逐渐增加，对于陶瓷工业，一般使用辊道窑能取得全自动的生产，与隧道窑相比，辊道窑没有吸热量很大的窑车和一些重质的耐火材料，优点是更短的烧成周期，辊道窑较低的有效高度，使我们的能量消耗更低,95,第5章热工设备,5.4水泥窑,5.4水泥窑一、水泥熟料的形成水泥熟料煅烧石灰质、粘土质和少量铁质原料，按一定要求的比例（约75：20：5）配合，经过粉磨、均化制成生料。生料喂入水泥窑系统内，经烘干、预热、煅烧，最后烧制成熟料的过程称为水泥熟料煅烧。水泥熟料煅烧过程低于150生料中物理水蒸发；500左右粘土质原料释放出化合水，开始分解出氧化物，如SiO2、Al2O3；900左右碳酸盐分解放出CO2和新生态CaO；9001200粘土的无定形脱水产物结晶，各种氧化物间进行固相反应；12001280所产生的矿物部分熔融出现液相；12801450液相量增多，C2S（硅酸二钙）通过液相吸收CaO形成C3S（硅酸三钙），直至熟料矿物全部形成；14501300熟料矿物冷却。,96,第5章热工设备,5.4水泥窑,二、水泥熟料煅烧设备的分类竖式窑（立窑）发展回转窑。立窑只能煅烧料球，故只能采用半干法制备生料的流程。而回转窑可以适应各种状态的生料，故回转窑有干法窑、半干法窑和湿法窑之分。,97,第5章热工设备,5.4水泥窑,立窑的优缺点优点：具有设备简单、钢材耗用少、投资省、单位容积产量高、热耗较低、建设周期短等。缺点：存在单机产量低，熟料质量不够均匀，劳动生产率低，且通风动力消耗高等。立窑只能适用于交通不便、市场规模小的地区，属于限制发展和淘汰的窑型。新型干法窑的优点它是以悬浮预热和预分解技术为核心，把现代科学技术和工业生产最新成就广泛应用于水泥干法生产全过程，使水泥生产成为具有高效、优质、节约资源、清洁生产、符合环境保护要求和大型化、自动化、科学管理特征的现代化工业生产。,98,第5章热工设备,5.4水泥窑,预分解窑系统生产流程示意图,99,第5章热工设备,5.4水泥窑,三、悬浮预热器悬浮预热技术的产生？传统的湿法、干法回转窑生产水泥熟料，生料的烘干、预热、分解和烧成过程均在窑内完成。回转窑作为烧成设备，尚能满足要求。但作为传热、传质设备则不理想，对需要热量较大的预热、分解过程则甚不适应。1.主要由于窑内物料堆积在窑的底部，气流从料层表面流过，气流与物料的接触面积小，传热效率低所致。2.窑内分解带料粉处于层状堆积态，内部分解出的二氧化碳向气流扩散的面积小、阻力大、速度慢，且料层内部颗粒被二氧化碳气膜包裹，二氧化碳分压大，分解温度要求高，这就增大了碳酸盐分解的困难，降低了分解速度。,100,第5章热工设备,5.4水泥窑,悬浮预热技术从根本上改变了物料预热过程的传热状态，将窑内物料堆积态的预热过程，移到悬浮预热器内并在悬浮状态下进行。由于物料悬浮在热气流中，与气流的接触面积大幅度增加，因此传热速度极快，传热效率很高。同时，生料粉与燃料在悬浮态下，均匀混合，燃料燃烧热及时传给物料，使之迅速分解。因此，由于传热、传质迅速，大幅度提高了生产效率和热效率。,101,第5章热工设备,5.4水泥窑,1.悬浮预热器的构成及功能它有旋风预热器及立筒预热器（趋于淘汰）两种。悬浮预热器的主要功能它必须具备使气、固两相能充分分散均匀、迅速换热、高效分离等三个功能。只有兼备这三个功能，并且尽力使之高效化，方可最大限度地提高换热效率，为全窑系统优质、高效、低耗和稳定生产创造条件。,102,第5章热工设备,5.4水泥窑,初期的悬浮预热器一般为4级，为满足节能的要求，研发出5、6级悬浮预热器。现一般采用5级，少数厂采用4级或6级。预热器形式都为低阻高效旋风筒式。研究和生产实践表明5级预热器的废气温度可降至300左右，比4级预热器约低50，lkg熟料热耗比4级约降低105kJ；流体阻力与4级旋风预热器系统相近。6级预热器的废气温度可降至260左右，比4级低90左右，1kg熟料热耗比4级约降低185kJ。,103,第5章热工设备,5.4水泥窑,2.旋风筒的功能与机理旋风预热器每级换热单元都是由旋风筒和换热管道组成。,104,第5章热工设备,5.4水泥窑,旋风筒的主要任务在于气固分离。即经过上一级预热单元加热后的生料，通过旋风筒分离后，才能进到下一级换热单元继续加热升温。旋风筒含尘气流在旋风筒内作旋转运动时，含尘气流中的气流和粉尘的受力状况基本相同（受离心力、器壁的摩擦力和阻力作用及受到含尘气流从旋风筒上部连续挤压而产生的向下推力作用）。但由于气流和粉尘的物理特性不同：一个是气态物质，质量较小，容易变形；另一个是固态物质，质量较大，不易变形。故当含尘气流受离心力作用，向旋风筒内壁浓缩时，它所受到的离心力较气体大。故粉尘在力学上有条件将气流挤出，浓缩于筒壁，而气流则贴附于粉尘层上，从而使得含尘气流最后得到分离。,105,第5章热工设备,5.4水泥窑,影响旋风筒流体阻力及分离效率的两大因素一是旋风筒的几何结构；二是流体本身的物理性能。降低旋风筒阻力可采取10项措施。,106,第5章热工设备,5.4水泥窑,3.换热管道结构与功能结构管道本身及其上装设的下料管、撒料器、锁风阀等，它们与旋风筒一起组合成一个换热单元。功能不但承担着上下两级旋风筒间的连接和气固流的输送任务，同时承担着物料分散、均布、锁风和气固两相间的换热任务。正确确定换热管道尺寸，必须首先确定合适的管道风速。各类旋风预热器的管道风速，般为1218ms。,107,第5章热工设备,5.4水泥窑,撒料装置的作用在于防止下料管下行物料进入换热管道时向下冲料，并促使下冲物料冲至下料板后的飞溅、分散。装置虽小，但对保证换热管中气、固两相充分换热，作用却很大。撒料装置的类型和结构一是板式撒料器，二是撒料箱。预分解窑系统中被广泛采用。,108,第5章热工设备,5.4水泥窑,锁风翻板排灰阀（简称锁风阀）它是预热器系统的重要附属设备。它装设于上级旋风筒下料管与下级旋风筒出口的换热管入料口之间的适当部位。作用保持下料管经常处于密封状态，既保证下料均匀畅通，又能密封物料不能填充的下料管空间，最大限度地防止上级旋风筒与下级旋风筒出口换热管道间由于压差容易产生的气流短路、漏风，做到换热管中的气流及下料管中的物料“气走气路、料走料路”，各行其路。,109,第5章热工设备,5.4水泥窑,110,第5章热工设备,5.4水泥窑,四、分解炉预分解技术是水泥工业发展史上的一次重大技术突破。预分解窑（窑外分解窑）是在悬浮预热器和回转窑之间增设一个分解炉，把大量吸热的碳酸钙分解反应从窑内传热速率较低的区域移到单独燃烧的分解炉中进行。在分解炉中，生料颗粒呈悬浮或沸腾状态，以最小的温度差，在燃料无焰燃烧的同时，通过高速传热过程，使生料迅速完成分解反应。入窑生料的表观分解率可达到8595（悬浮预热器窑为40左右），从而大大地减轻了回转窑的热负荷，使窑的产量成倍的增加，同时延长了耐火材料使用寿命，提高了窑的运转周期。预分解窑的热耗比一般悬浮预热器窑低，是由于窑产量大幅度提高，减少了单位熟料的窑体表面散热损失；在投资费用上也低于一般悬浮预热器；由于分解炉内的燃烧温度低，不但降低了回转窑内高温燃烧时所产生的NOx有害气体，而且还可使用较低品位的燃料。,111,第5章热工设备,5.4水泥窑,分解炉的基本原理在分解炉内同时喂入经预热后的生料、一定量的燃料以及适量的热气体，生料在炉内呈悬浮或沸腾状态；在900以下，燃料进行无焰燃烧，同时高速完成传热和碳酸钙分解过程；燃料的燃烧时间和碳酸钙分解所需要的时间约需24s，生料中碳酸钙的分解率可达到8090，生料预热后的温度约为800850。分解炉内可用固体、液体或气体燃料，我国主要用煤粉作燃料，加入分解炉的燃料约占全部燃料的5565。,112,第5章热工设备,5.4水泥窑,分解炉按原理分为旋流式、喷腾式、紊流式、涡流燃烧式和沸腾式等多种，其基本原理是类似的。以日本石岛公司的NSF（新型悬浮预热和快速分解炉）为例。,113,第5章热工设备,5.4水泥窑,NSF分解炉是SF分解炉的改进型。它主要改进燃料和来自冷却机新鲜热空气的混合，使燃料充分燃烧。同时，将预热后的生料分成上下两路分别进入分解炉反应室和窑尾上升烟道，后者是为了降低窑尾废气温度，减少结皮的可能性，并使生料进一步预热，与燃料充分混合，以提高传热效率和生料分解率。预分解窑和悬浮预热器窑对原料的适应性较差，为避免结皮和堵塞，要求生料中的碱含量（K2ONa2O）小于1。当碱含量大于l时，则要求生料中的硫碱摩尔比SO3摩尔数（K2O摩尔数十Na2O摩尔数/2）为0.51.0。生料中的氯离子含量应小于0.015，燃料中的SO3含量应小于3.0。,114,第5章热工设备,5.4水泥窑,五、回转窑1.功能（在预分解窑系统中回转窑，五大功能）（l）燃料燃烧功能（2）热交换功能（3）化学反应功能（4）物料输送功能（5）降解利用废弃物功能,115,第5章热工设备,5.4水泥窑,2.回转窑内的物料反应带反应带物料进入回转窑后在高温作用下，进行一系列的物理化学反应，煅烧成熟料。不同反应在回转窑内所占有的空间称为“带”。以湿法长窑为例，说明各带的划分及其特点。,116,第5章热工设备,5.4水泥窑,（l）干燥带物料温度20150，气体温度200400。含有大量水分的生料浆入窑后，被热气流加热，温度逐渐升高，水分开始缓慢蒸发，当物料达到一定温度时，水分迅速蒸发，直到约150，水分全部蒸发，物料离开干燥带进入预热带。湿法窑干燥带消耗热量较多，为提高热交换效率，在干燥带的大部分空间设有链条作为热交换器。干法回转窑几乎没有干燥带。（2）预热带物料温度150750，气体温度4001000。离开干燥带的物料温度上升很快，粘土中的有机物进行干燥和分解，同时，高岭土开始脱水反应，碳酸镁的分解也开始进行。新型干法的悬浮预热器窑和窑外分解窑的预热过程在预热器内进行，窑内无预热带。立波尔窑的预热在炉篦子加热机上，回转窑内也无预热带。,117,第5章热工设备,5.4水泥窑,（3）碳酸盐分解带物料温度7501000，气体温度10001400。物料进入分解带后，烧失量开始明显减少，化合二氧化硅开始明显增加，这表明同时进行碳酸钙分解和固相反应。由于碳酸钙分解反应吸收大量热量，所以物料升温较慢。同时由于分解后放出大量CO2气体，使粉状物料处于流态，物料运动速度较快。由于此带所需热量最多，物料运动速度又快，要完成分解任务，就需要一段长的距离，所以分解带占回转窑长度比例较大。（4）放热反应带物料温度10001300，气体温度14001600。由于碳酸盐分解产生大量的氧化钙，它与其他氧化物进一步发生固相反应，形成熟料矿物，并放出一定热量，故取名为“放热反应带”。因反应放热，再加上火焰的传热，使得物料温度迅速上升，所以该带长度占全窑长度的比例很小。,118,第5章热工设备,5.4水泥窑,在12501300氧化钙反射出强烈光辉而碳酸钙分解带物料显得发暗，从窑头看去能观察到明暗的界线，即所谓的“黑影”。可根据黑影的位置来判断窑内物料的运动情况及放热反应带的位置，进而判断窑内温度状况。（5）烧成带物料温度130014501300。物料直接受火焰加热，开始出现液相，一直到1450，液相量继续增加，同时，游离氧化钙被迅速吸收，水泥熟料烧成，故称烧成带。该带必须保证较高的温度。在不损害窑皮的情况下，适当提高该带温度，可促进熟料的迅速形成，提高熟料的产、质量。烧成带还要有一定的长度，使物料在烧成温度下持续一段时间，使生成C3S的化学反应尽量完全，熟料中游离氧化钙的含量最少。一般物料在烧成带停留时间约1520min，烧成带的长度取决于火焰的长度，一般为火焰长度的0.60.65倍。,119,第5章热工设备,5.4水泥窑,（6）冷却带熟料温度由出烧成带的1300左右开始下降，液相凝固成为坚固的灰黑色颗粒，进入冷却机内再进一步冷却。3.预分解窑系统中回转窑的工艺特点（l）一般只把窑划分为三个带从窑尾到物料温度为1300左右的部位，称为“过渡带；从物料出现液相到液相凝固止，即物料温度约为130014501300，称为烧成带；其余称为冷却带。在大型预分解回转窑中，几乎没有冷却带，温度高达1300的物料立即进入冷却机骤冷，这样可改善熟料的质量，提高熟料的易磨性。,120,第5章热工设备,5.4水泥窑,（2）回转窑的长径比缩短，烧成带长度增加。一般预分解回转窑的长径比（LD）约为15左右，而华新型湿法回转窑的长径比高达41。由于大部分碳酸钙分解过程外移到分解炉内进行，因此回转窑的热负荷明显减轻，造成窑内火焰温度提高，长度延长。预分解窑烧成带长度一般为（4.55.5）D，其平均值为5.2D，而湿法窑一般小于3D。（3）回转窑转速相应提高。窑转速为23rmin，比普通窑转速加快，使物料在烧成带内的停留时间有所减少，一般为1015min。因为物料预热情况良好，窑内和来料不均匀现象大为减少，所以，窑的快转率较高，操作比较稳定。,121,第5章热工设备,5.4水泥窑,六、熟料冷却机（热交换装置）对冷却机的要求（工艺和热工）尽可能多地回收熟料的热量，以提高入窑二次空气的温度，降低熟料的热耗；缩短熟料冷却时间，提高熟料质量，改善易磨性；冷却单位质量熟料的空气消耗量要少，以便提高二次空气温度，减少粉尘飞扬，降低电耗；结构简单、操作方便、维修容易、运转率高。,122,第5章热工设备,5.4水泥