窑炉设计辊道窑.1(1)

1、窑炉设计说明书景德镇陶瓷学院窑炉课程设计说明书 题目：日产7000瓷质砖天然气辊道窑设计学 号： 201210260119 姓 名： 熊建峰 院 （系）： 材料科学与工程学院 专 业： 粉体材料科学与工程 指导教师： 周露亮 孙建 陆琳 童剑辉 陈功备 2015年 06月 14 日目录 1 前言 . (3)2 设计任务书 . (4)3 窑体主要尺寸的确定 . (5)3.1 窑内宽的确定 . (5)3.2 窑体长度的确定 . (5)3.3 窑内高的确定 . (6)4 烧成制度的确定（主要指温度制度） . (6)5 工作系统的确定 (7)5.1 排烟系统 . (7)5.2 燃烧系统 . (7)5.

2、3 冷却系统 . (7)5.4 传动系统 . (8)5.4.1 辊子的选择 . (8)5.4.2 辊子直径与长度的确定 . (8)5.4.3 传动方案 . (8)5.5 窑体附属结构 . (8)5.5.1 事故处理孔 . (8)5.5.2 测温测压孔及观察孔 . (9)5.5.3 膨胀缝 . (9)5.5.4 挡墙 . (9)5.6 窑体加固钢架结构形式 . (9)6 燃料燃烧计算 . (9)6.1 空气量 . (9)6.2 烟气量 . (10)6.3 燃烧温度 . (10)7 窑体材料及厚度的确定：列表表示全窑所用材料及厚度 . (10)7.1 所选材料的相关参数 . (10)7.2 厚度确

3、定 . (11)8 热平衡计算 . (11)8.1 预热带及烧成带热平衡计算 . (11)8.1.1 热平衡计算基准及范围 . (11)8.1.2 热平衡框图 . (11)8.1.3 热收入项目 . (12)8.1.4 热支出项目 . (13)8.1.5 列出热平衡方程式 . (17)8.2 冷却带热平衡 . (17)8.2.1 热平衡计算基准及范围 . (17)8.2.2 热平衡框图 . (17)8.2.3 热收入项目 . (18)8.2.4 热支出项目 . (18)8.2.5 列出热平衡方程式 . (22)9 烧嘴的选用 . (23)10 参考文献 . (23)1.前言 热工过程及设备作为

4、一门热工以及材料专业的专业课程，目的是对学生学习热工过程及设备课程后，引导学生总结归纳理论知识，在此基础上推陈出新，根据当前的社会和科学环境，不断创新，最大可能的从环境保护和能源节约方面考虑，设计出符合社会需要的新时代窑炉，为创建社会主义和谐社会贡献自己的智力支持。通过课程设计辊道窑，综合运用和巩固所学知识，学会将理论知识与生产实践相结合，去研究解决实际中的工程技术问题，本设计的任务主要是培养学生设计与绘图的基本技能，初步掌握窑炉设计的程序过程和内容；进一步了解窑炉设备的基本结构；掌握窑炉设备的工作原理，工程制图方法和编制设计说明书的方法。辊道窑属于连续性窑炉，传动方式有斜齿轮传动及链条传动两

5、种形式，一般以刚玉瓷辊作为传动辊子运载产品。按加热方式可分为火焰加热辊道窑炉和电加热辊道窑炉两类。可根据要求通气氛。辊道窑是当代陶瓷工业的先进窑炉，是近几十年来发展起来的新型快烧连续式工业窑炉，目前已广泛用于釉面砖墙地砖抛光砖彩釉砖等建筑陶瓷工业生产中。而辊道窑在短短的几十年中发展如此迅速，说明它具有旺盛的生命力，它代表了陶瓷工业窑炉的发展方向，这是因为辊道窑具备其他陶瓷工业窑炉无法比拟的优点。本设计书在写作过程中得到老师和同学的指导，在此表示深深地谢意。编写时，本人想设计一个实用、廉价的建陶工业辊道窑，内容上尽量达到符合工程上的需要，但由于本人水平所限，设计书中一定有不少缺点和不足之处，诚挚

6、地希望老师批评指正。2.设计任务书 2.1设计题目：日产量7000m2天然气辊道窑设计2.2设计技术指标，参数：1、坯料的化学组成（%）：SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3K2ONa2OI.L68.3516.272.302.650.852.202.154.852、产品的规格：80080011mm 3、入窑水分 ：0.5%4、产品合格率：94%5、烧成周期：54分钟6、最高烧成温度：1220oC7、气氛制度：全氧化气氛8、燃料组成成分：天然气COH2CH4C2H4H2SCO2N2O2Qnet(MJ/Nm3)0.20.295.63.50.30.10.1041.589、夏天最高温度40oC3窑

7、体主要尺寸的确定 3.1窑内宽的确定产品规格：80080011mm，可知砖的宽度为800mm，考虑到烧成收缩率为10，则： = 坯体离窑墙内壁一般应有100200 mm间隙，取150mm。暂定窑内宽B4000mm，则可排砖数为：确定并排4片砖，则窑内宽B为；最后定窑内宽B4m。 3.2 窑内长的确定日产量7000m2，烧成周期为54分钟，产品合格率为94，年工作日320天，则：=取一列砖砖距20mm故窑体长L为：=320/2.81=113.88m取窑长L114m。利用装配式，由若干节联接而成，设计每节长度为2100，节间联接长度10，每节总长度为2110，则有节数=114000/2110=54

8、.03节，取节数为54节，因而全窑总长L为: L=211054=113940(mm) 。3.3 窑体各带长度的确定预热带54节3317.82节，取18节，此段总mm)；烧成带54节3016.2节，取16节，此段总长16211033760 (mm)；冷却带54节3719.98节，取剩下的20节，此段总长20211042200(mm)。 3.4 窑体内高的确定 内高为窑道内整个空间的高度，等于辊上高（辊道中心线至窑顶的距离）与辊下高（辊道中心线至窑底或隔烟板的距离）之和。辊上高应大于制品高度，考虑到玻化砖的高度小，又是单层焙烧，只要保证气流顺畅即可。从理论上来说对焙烧建筑

9、瓷砖的辊道窑辊下高最好应大于砖对角线长度，但由于该制品较大，若按此计算会造成内高太大，既增大了窑墙散热，又不利于窑内传热。由于制品从辊上掉下，一般都发生了破损，尺寸都比整砖小了，故据各地辊道窑实际状况来看取辊下高640mm。表1-1 窑内高度表窑高窑高分部/节辊上高/mm辊下高辊内总高114480640112015275606401200284248064011204. 烧成制度的确定4.1各段的温度划分与升（降）温速率位置单元节温度（0C）升（降）温速率时间（min）备注预热带1-520-25035.06.12排烟段6-11250-60053.36.1212-14600-85050.74.6

10、24下设烧嘴段烧成带15-20850-100030.43.70721-271000-120014.611.403冷却带28-311200-85080.83.854急冷段32-38850-55021.512.915缓冷段39-42550-8071.46.136快冷段4.2 烧成温度曲线5. 工作系统的确定 辊道窑的工作系统确定包括排烟系统、燃烧系统、冷却系统等。5.1 排烟系统 18节为排烟段，在第1、3、5、节设置3处排烟口，每处在窑底和辊上窑侧墙同时设置。窑底排烟口一般设在该节的后半部，一排五个，用1.5mm的耐热钢板制成直径200mm的排烟支管直接从窑底插入窑辊道下部，为防止落渣，开口向着

11、烟气来流方向。辊上排烟口设在该节前半部，用1.5mm的耐热钢板制成400*240（mm）的排烟支管直接从窑顶下部插入量侧墙。上下排烟口均由直径400mm的垂直烟支管圆管引出，汇总到窑顶的直径900mm排烟总管中，最后连接到排烟机排除。5.2燃烧系统根据所选用的燃料为天然气，采用全部喷入窑道燃烧的方式，并在辊上一层烧嘴，为均匀窑内温度，强化窑内对流换热，选用小流高速烧嘴。辊道上下方及对侧均交错布置烧嘴，这样便于窑温度制度的调节，还有利于窑内热气流的强烈扰动与循环，改善了窑内端面温度均匀性。故在第1214节辊下每节布置2对烧嘴。自第1527节每节辊上下各布置2对烧嘴。烧嘴的对侧是观察孔，以便更好的

12、观察火焰的燃烧情况，便于操作控制。5.3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。从热交换的角度来看，冷却带实质上是一个余热回收设备，它利用制品在冷却过程中所放出的热量来加热空气，余热风可供干燥，达到节能的目的。本设计中冷却系统分急冷、缓冷段和快冷段。5.3.1急冷段 从烧成最高温度至800以前，制品中由于液相的存在而且具有塑性，此时可以进行急冷，而不会使产品破裂。最好的办法是直接吹风冷却。辊道窑急冷段应用最广的是直接风冷是在辊上下设置横窑断面的冷风喷管。每根喷管上均匀地开有圆形出风口，对着制品上下均匀地喷冷风，达到急冷的效果。由于急冷段温度高，横穿

13、入窑的冷风管须用耐热钢制成，管径为80120mm。本设计也采用此种结构，在2831节进行急冷，每节辊上6根，辊下3根，管内径80mm。5.3.2 缓冷段制品冷却到700500范围时，是产生冷裂的危险区，应严格控制该段冷却降温速率。为达到缓冷目的，采用间冷风管。在32-35节每节放置6根间冷风管以达到缓冷的目的，管内径80mm,在该节前半部设置一个测温孔.在3638每节设置一个抽热风口。5.3.3 窑尾快冷段制品冷却至500以后，可以进行快速冷却。辊上下布置16对冷风喷管，每节4对间距为400mm。每根喷风管上有30个直径30mm小孔对着制品吹冷风。5.3.4 热风抽出口位置、抽热风管走向热风抽

14、出口设在每节窑的中部，抽热风管走向为从各支管汇入窑顶总管，总管通向预热带，使抽出的热风进入预热风管，对制品进行预热。5.4 传动系统辊道窑对辊子材料要求十分严格，它要求制辊子材料热胀系数小而均匀，高温抗氧化性能好，荷重软化温度高，蠕变性小，热稳定性和高温耐久性好，硬度大，抗污能力强。5.4.1辊子的选择常用辊子有金属辊和陶瓷辊两种。为节约费用，不同的温度区段一般选用不同材质的辊子。本设计在选用如下：中温段（40400和40080）耐热不锈钢管40*3000（mm）高温段（4001200和1200400）碳化硅辊棒40*3000（mm）5.4.2辊子直径与长度的确定辊距即相邻两根辊子的中心距，确

15、定辊距主要依据是制品长度、辊子直径以及制品在辊道上移动的平稳性，一般用下面经验公式计算：式中：H为辊距，；l为制品长度，。因l800，故可得H的范围在：150，考虑到每节长2110，辊距定为150。 5.4.3 传动方案传动机构采用齿轮传动，并采用分段传动，分别带动的方式，全窑分为22段，每段由一台电动机驱动，采用变频调速。传动过程：电机-减速器-主动链轮-滚子链-从动链轮-联轴节-传动轴-主动齿轮-从动齿轮-辊棒传动轴-辊子。5.5 窑体附属结构5.5.1 事故处理孔事故处理孔一般设在辊下,且事故处理孔底面与窑底面平齐，以便于清除出落在窑底上的砖坯碎片，事故处理孔大小尺寸通常宽240450，

16、取320，高65135，取120。两侧墙事故处理孔一般均采取交错布置的形式。为了能清除窑内任何位置上的事故而不造成“死角”，两相邻事故处理孔间距不应大于事故处理孔对角线与对侧内壁交点连线。两事故处理孔中心间距L应小于或等于，其中为其宽，B为窑内宽，为窑墙厚。本设计中，b=0.3 m，B=3 m，=0.46 m，则有：又因每节长2110mm，故每节设置一个事故处理孔，相邻两节的事故处理孔对侧交错设置。 对于事故处理孔在不处理事故时，要用塞孔砖进行密封，孔砖与窑墙间隙用耐火纤维堵塞。密封时为了防止热气体外溢，冷风漏入等对烧成制度产生影响。5.5.2测温孔及观察孔5.5.2.1 测温孔 为严密监视及

17、控制窑内温度制度，及时调整烧嘴开度，一般在窑道顶及火道侧墙留设若干处测温孔以安装热电偶。测温孔间距一般为35米，高温段布密些，低温段布稀些，在烧成曲线的关键点，如氧化末段、晶体转化点、釉始溶点、成瓷段、急冷结束等都应设测温孔。5.5.2.2观察孔在每个烧嘴的对侧窑墙设置80mm的观察孔，以便烧嘴的燃烧状况。未用时，用与观察孔配套的孔塞塞住，以免热风逸处或冷风漏入。5.5.3膨胀缝窑体受热会膨胀，产生很大的热应力，因此在窑墙、窑顶及窑底砌体间要留设膨胀缝以避免砌体的开裂或挤坏。本设计窑体采用装配式，在每节窑体中部留设1处宽度为10mm的膨胀缝，内填矿渣棉，各层砖的膨胀缝要错缝留设。3.5.4 窑

18、道档板和挡火墙由于辊道窑属中空窑，工作通道空间大，气流阻力小，难以调解窑内压力制度及温度制度，因此，通常在辊道窑工作通道的某些部位，辊下砌筑挡墙，辊上插入挡板，缩小该处工作通道面积，以增加气流阻力，便于压力与温度制度的调节。挡板负责对窑内上半窑道的控制,采用耐硬质高温陶瓷纤维板制成,可以通过在窑顶外部调整位置的高低。挡火墙负责对窑内下半窑道的控制,采用耐火砖砌筑,高低位置相对固定。窑道挡板和挡火墙设置在同一横截面上。通常为防止预热带、冷却带冷气流进入高温区，在烧成带工作通道两端必须设有挡墙结构。烧成带与冷却带交界处的上下挡墙起分隔两带的作用。所以在5、14、17、31节处各设置一挡板、挡墙。5

19、.6 窑体加固钢架结构形式 辊道窑钢架起着加固窑体的作用，而钢架本身又是传动系统的本身。由于方形钢管造型美观，抗弯强度较大等优点，现代辊道窑的钢架外框越来越多的采用冷拔无缝方形钢管做外框。6. 燃料及燃烧计算燃料燃烧计算包括：燃烧单位燃料所需空气量及其生成烟气量的计算，实际燃烧温度的计算。 天然气组成成分： 天然气COH2CH4C2H4H2SCO2N2O2Qnet(MJ/Nm3)0.20.295.63.50.30.10.1041.586.1空气量计算： 计算理论空气量：L0 计算实际空气量： ，取a=1.3.使得辊道窑内成氧化气氛。 =L01.3=14.2966.2 烟气量计算 实际烟气量计算

20、：6.3燃烧温度计算取室温为20度，此时空气比热为1.30（KJ/（Nm3）,天然气的比热为1.51（KJ/（Nm3）；并设烟气温度为1600，此时烟气的比热为1.715（KJ/（Nm3），按理论燃耗内温度计算公式：可得=1587，（1600-1587）/16005%，所以温度合理。 取高温系数为0.85，则实际温度为：t=0.851587=1349，比最高烧成温度1200度高出149。符合烧成要求，认为合理。7. 窑体材料及厚度确定7.1 所选材料的相关参数材料使用温度/密度/gcm-3导热系数/W（m）-1轻质高铝砖14001.20.66+810-5t轻质粘土砖11500.26+0.000

21、23t硅酸铝耐火纤维束13500.070.10.2硅藻土砖9000.063+0.00014t7.2 厚度确定7.2.1低温段1-14/39-42 材料 厚度/部位轻质粘土砖硅酸铝耐火纤维束硅藻土砖窑顶230130窑墙230130窑底230907.2.2高温段15-38 材料 厚度/部位轻质高铝砖硅酸铝耐火纤维束硅藻土砖窑顶230130窑墙230130窑底230130657.3 膨胀缝的材料 部位 材料 区域窑顶窑墙窑底窑前段矿渣棉矿渣棉预热段硅酸铝耐火纤维束硅酸铝耐火纤维束烧成段硅酸铝耐火纤维束急冷带及过渡区硅酸铝耐火纤维束硅酸铝耐火纤维束8. 热平衡计算热平衡计算包括预热带、烧成带热平衡计算

22、和冷却带热平衡计算。8.1 预热带及烧成带热平衡计算8.1.1 热平衡计算基准及范围热平衡计算必须选定计算基准，这里时间以1h为计算基准，0作为基准温度。8.1.2 热平衡框图图 预热带和烧成带热平衡示意图 Q1坯体带入显热： Qa助燃空气带入显热 Qa漏入空气带入显热： Qf燃料带入化学热及显热 Q2产品带出显热 Q3墙、顶、底散热 Q4 物化反应耗热 Q5 其它热损失 Qg废气带走显热8.1.3 热收入项目8.1.3.1 坯体带入显热Q1 Q1G1c1t1 其中：G1湿制品质量(Kg/h) c1制品的比热 t1制品的温度每小时入窑干制品质量Gr=(48000.012500)/(240.95

23、)=5263(kg/h) 取烧成灼减量4%，入窑制品的含水率为1.0%.则入窑湿基制品质量G1=5263/(0.960.99)=5537(kg/h)入窑制品的比热随温度和配方的不同而变化，一般为0.841.26（KJ/（Kg），制品入窑第1节时的温度为20取平均比热0.86，Q1=G1c1t1=55370.8620=95236.4（KJ/h）8.1.3.2燃料带入化学热及显热Qf天然气热值Qd=41580KJ/Nm3入窑气温度tf =20，20时天然气比热容cf =1.51 KJ/(m3 )Qf=x（Qd+cftf）=x（41580+1.5120）=41610x（kj/h）8.1.3.3 助燃

24、空气带入显热 Qa助燃空气温度 ta=20，20时空气比热容Ca=1.30 kJ/（m3）助燃空气实际总量 Va，Va=Lax=14.296x（Nm3/h） Qa =Vacata=14.2961.320x=371.7x(kJ/h)8.1.3.4 预热带漏入空气带入显热 Qa 喷入从冷却带抽书的热风，取热风温度为200度，此时空气比热为1.32 kJ/（m3），喷入热风取理论空气量的0.5倍。辊道窑内负压较小，取预热带漏入空气过剩系数。Qa=0.210.9971.320x+0.510.9971.32200x=1508.8x(kJ/h)8.1.4 热支出项目8.1.4.1 产品带出显热Q2(KJ/

25、h) 烧成产品质量G3=5263（Kg/h） 制品出烧成带产品温度1200.查表可知:产品平均比热为:c2=1.16KJ/(kg) Q2 = G3c2t2=52631.161200=7326096（KJ/h）8.1.4.2窑体散失热 将计算窑段分为两部分，即第1-14节，低温段40-850，取平均值为445；第15-27节：高温段850-1200，取平均值1025。第1-14节：40850。环境温度取20，窑内壁平均温度为445窑墙散热轻质粘土砖230mm0.26+0.00023t硅酸铝耐火纤维130mm0.13设：t2=280，t3=40则：单位热流密度：校验：设计合理窑顶散热：轻质粘土砖2

26、30mm0.26+0.00023t硅酸铝耐火纤维130mm0.13设：t2=280，t3=40则：单位热流密度：校验：设计合理。窑底散热轻质粘土砖230mm0.26+0.00023t硅藻土砖90mm0.063+0.00014t设：t2=280，t3=40则：单位热流密度：校验：设计合理高温段15-27节：8501200散热。环境温度20，窑内平均温度1025。窑墙散热 轻质高铝砖230mm0.66+0.00008t硅酸铝耐火纤维130mm0.13设：t2=800，t3=70则：单位热流密度：校验： 设计合理窑顶散热：轻质高铝砖230mm0.66+0.00008t硅酸铝耐火纤维130mm0.13

27、设：t2=780，t3=70则：单位热流密度：校验： 设计合理窑底散热轻质高铝砖230mm0.66+0.00008t硅酸铝耐火纤维130mm0.13硅藻土砖65mm0.063+0.00014t设：t2=870，t3=65则：单位热流密度：校验： 设计合理序号节位置温度范围（度）长度(m)窑体名称散热面积(m2)热流量(W/m2)散热量( KJ/h)11-14节4085029.54窑墙92.75230153594窑顶89.02230.9534013窑底89.02217.869798.80215-27节850120027.43窑墙98.75685.8243801.9窑顶58.78690.21460

28、51.84窑底58.78502.5106333.02Q3=753592.56（KJ/h）8.1.4.3物化反应消耗热Q41.自由水蒸发吸热自由水质量 Gw=1%=55.37 ( KJ/h)烟气离窑温度 200Qw=Gw(2490+1.93tg)=55.37(2490+1.93200)=159244.12（KJ/h）2.其余物化反应耗热用反应热近似代替物化反应热入窑干制品质量Gr=5263（kg/h），含量=16.27%Qr=Gr21000.1627=1798209.21( KJ/h)。 则：Q4=159244.12+1798209.21= 1957453.33（KJ/h）8.1.4.5其它热损

29、失(kJ/h)根据经验占热收入的5%8.1.4.6 离窑废气带走显热Qg取离窑废烟气中空气过剩系数g=2.0，眼气离窑温度tg=200，烟气比热cg=1.445kJ/（Nm3）Qg=15.425+(2.0-1.3)10.997x1.445200=6682.52x(kJ/h)8.1.5 列出热平衡方程式由热收入=热支出得:计算得出x=287m/h8.2 冷却带热平衡8.2.1 热平衡计算基准及范围时间基准：1h； 温度基准：08.2.2 热平衡框图 图81： 冷却带热平衡示意图 产品带入显热 冷却风带入显热 产品带出显热 热风抽出带走显热 窑体散热 其它热损失8.2.3 热收入项目8.2.3.1

30、产品带入显热制品带入显热在上面已经算出：=7326096KJ/h8.2.3.2 冷风带入显热鼓入冷风为自然风,=20,查表知此时冷风的比热为:=1.30kJ/(m)设鼓入风量为m/h，则:=268.2.4热支出项目8.2.4.1 制品带走显热出窑时产品的质量G3=5263（Kg/h）,出窑口温度=80,查表知此时温度下制品的平均比热为：0.86+2610 0.86+2610800.89 kJ/(kg)则:=52630.8980=374725.6kJ/h8.2.4.2 热风抽出时带走的显热抽风为鼓入风的95%,故抽出热风量应为0.95m/h.取热风抽出时的温度为:=200C,查表知此时的比热为:

31、=1.32kJ/(m),则:=1.32200Vx=264Vx（KJ/（Nm3）8.2.4.3 窑体的散热急冷带（28-31节）1200850段散热 窑墙散热轻质高铝砖230mm0.66+0.00008t硅酸铝耐火纤维130mm0.13设：t2=800，t3=70则：单位热流密度：校验： 设计合理窑顶散热：轻质高铝砖230mm0.66+0.00008t硅酸铝耐火纤维130mm0.13设：t2=780，t3=70则：单位热流密度：校验： 设计合理窑底散热轻质高铝砖230mm0.66+0.00008t硅藻土砖195mm0.063+0.00014t设：t2=870，t3=65则：单位热流密度：校验：设计合理缓冷带、快冷带（3242节）：85080 ，要内壁平