回转式热解窑的结构设计

摘要本次毕业设计完成了回转式热解窑的设计，这个回转窑主要用于热解秸秆。本次结构设计研究综合了我国现代大型回转式热解窑设备生产工艺的国内外发展现状，分析了它们的发展趋势；回转式热解窑的结构设计完成了包括筒体、滚圈、托轮和挡轮等的设计和计算工作；对筒体和托轮轴等主要零部件都进行了受力分析与强度计算，还应用了oosolidworks强度有限元测量分析方法对整个回转窑上的筒体托轮以及底座结构进行了强度有限元测量分析,分析了其的承应力和托轮变形反应情况,用直观的试验报告截图形式详细说明了其是否满足条件校核的试验结果。关键词：回转式热解窑、秸秆、SolidWorks、有限元材料分析AbstractThisgraduationprojectcompletedthedesignofrotarypyrolysiskiln,whichisusedtopyrolyzestraw.Thisdesignsynthesizesthedevelopmentstatusofmodernrotarypyrolysiskilnproductiontechnologyathomeandabroadandanalyzesitsdevelopmenttrend.Thestructuraldesignoftherotarykilnhascompletedthedesignandcalculationworkincludingbarrel,rollerring,gearandringgear,supportingwheelandretainingwheel,transmissiondevice,etc.Thestressanalysisandstrengthcalculationarecarriedoutforthemaincomponentssuchascylinder,gearandsupportingaxle.TheSolidWorksfiniteelementanalysismethodisalsoappliedtocarryoutfiniteelementanalysisforthesupportingwheelbaseontherotarykiln.Thestressanddeformationareanalyzed.Theintuitivereportformisusedtoillustratethatitmeetsthecheckingresults.Inaddition,AutoCADandCAXAengineeringsoftwareareusedinthisdesigntodrawthegeneraldrawing,cylinderassemblydrawing,backupwheelassemblydrawing,transmissiondeviceassemblydrawingandlargegearpartdrawingoftherotarypyrolysiskiln.Keywords:rotarypyrolysiskiln,straw,SolidWorks,finiteelementanalysis目录中文摘要英文摘要总论部分现代农业利用固体废弃物综合热解处理工艺的国内外应用发展研究现状及其发展趋势1.1农业可利用固体废弃物的分类1.2农业固体废弃物的现状1.3秸秆材料热解特性1.4秸秆回转窑热解的发展前景2回转式热解窑热解秸秆的概述3常用各种不同类型秸秆回转窑热解设备的简单介绍与优缺点的对比3.1回转窑的介绍3.2各种类型回转窑的性能对比分析专题部分介绍现代秸秆热解设备热解秸秆对比及回转窑热解设备的应用要求回转窑设计方案的价格比较与设计方案的确定、参数的选择确定5.1国内外各种回转式热解设备设计方案的比较5.2自己提出的设计方案6回转式热解窑的结构设计、结构参数的确定7回转式热解窑的筒体、支承与电机功率的设计计算7.1筒体基本参数确定部分7.2筒体尺寸与强度的设计计算7.3支承装置强度与尺寸计算7.4传动装置8回转式热解窑的零件安装、维护和润滑8.1回转式热解窑的安装8.2回转式热解窑的润滑9经济技术分析10设计体会谢辞参考文献总论部分1.现代农业固体废弃物热解工艺的国内外发展现状及其发展趋势1.1农业可利用固体废弃物的分类农业可利用固体废弃物我们根据它们的产生方式，可以把他们大致分成三大类。第一类农业废弃物叫做生产性废弃物是指农业生产活动后所栽种的植物成熟后遗留的废弃物，如小麦和玉米它们的秸秆、秋天掉落的枯枝和落叶等，这些农业废弃物含有丰富的纤维素以及蛋白质与脂肪。

第二类农业废弃物是指家养的各种动物所排放的具有很多有机物和氮、磷、钾等无机元素的粪便与尿液。而粪便和尿液的产量与动物的种类和体型密切相关。它的来源不是那么稳定。

第三类农业可利用废弃物主要还是指农村日常生活中居民所产生的废弃物，即称为农业生活中的垃圾。现在随着人们日常生活水平的上升与提高和城市化发展的加速，农村的生活垃圾从一开始比较容易降解的水果蔬菜等废弃物转变成农作物水稻小麦秸秆、厨房生活垃圾、各种包装袋和生产建筑垃圾等混合组成的集合体。1.2农业固体废弃物的现状根据不完全统计，目前为止我国已经是世界上农业可利用固体废弃物产量最多的一个国家，我国的固体可利用的废弃物每年大约会产生50多亿t左右（它们包括各种农作物秸秆大约有11亿t左右，这其中主要就是水稻与小麦的秸秆。；各种家禽和家畜的排泄物粪便以及尿液大约26.9亿t左右；农村居民的日常生活的日用垃圾以及它们的废弃物达到了3.5亿t左右，还有其他各种有机废弃物大约有9.2亿t左右），标准煤加起来一共30亿t左右，预计未来到了2025年这个数字可能会达到60亿t。1.3秸秆材料热解特性表1元素分析与工业分析

Table1FeedstockpropertiesandultimateanalysisdataCad/%Had/%Oad/%Nad/%Sad/%Aad/%Mad/%QGW/kJ·kg-1玉米秸41.65.643.70.80.28.14.216950麦秸42.55.441.40.70.29.83.716734秸秆生物质主要由纤维素(40%)、半纤维素(30%)、木质素(10%)和各种提取物组成，其组成元素主要是碳、氢、氧、氮等。秸秆生物质被加热和热解产生可燃气体(主要成分是一氧化碳、H2、甲烷、氯化萘、二氧化碳等)。)、液体焦油和固体焦炭。研究原料燃料的热解特性对其有效利用非常重要。对北方粮食产量最高的两种农作物秸秆:玉米秸秆和小麦秸秆进行了热重试验。它们的热重特性曲线如图1至4所示。从热重测试曲线可以看出，只有当秸秆生物质被加热到400K后，其组分才会发生快速热分解，导致更大的重量损失。失重明显阶段的温度范围为473~873K，该温度区的挥发分析量占整个温度区挥发分析量的85%~90%。由于纤维素的主要热分解区域为523~773K，热解后的碳量较少，热解速度很快。木质素热解速率峰值出现在673K[1]之后，位于纤维素的主要热解温度区。因此，在该温度区域，材料的重量损失很快，并且TG-t曲线显示急剧下降，而DTG-t曲线显示峰值。木质素热解开始较早，但持续时间较长。其热解几乎跨越整个热解过程，并且难以热解形成更多的碳。因此，木质素热解是高温区的主要热解方式。加热温度高于873K后，热重曲线和热解速率曲线趋于平缓。从图1至图4中的热解曲线还可以看出，实验中使用的加热速率影响最终气体产率约3%~7%，但达到相然而，挥发性分析所需的时间有很大不同。例如，当材料被加热到873千时，在不同的加热速率下，挥发分析产率约为70%，而30千/分钟的加热速率仅需要1/310K/分钟。最终加热温度对热解产物在气体和固体产物之间的分布有很大影响。当秸秆原料在与空气隔绝的情况下被加热到873K时，热解焦炭的残余重量约为30%，并且所沉淀的挥发物约为最终加热温度下所沉淀的总挥发物的90%。从玉米秸秆和小麦秸秆的热解速率图5可以看出，秸秆生物质热解速率较快的温度范围为473~773K.随着升温速率的增加，热解速率曲线向后移动，对应最高热解速率(-dc/dt)最大值的温度向更高的温度移动。当在不同的加热速率下达到最大热分解速率时，相应的温度出现在600和630k之间1.4秸秆回转窑热解的发展前景我国的秸秆资源非常丰富，每年大约产生11亿吨左右的秸秆，但是各个地区之间的利用率相差比较大。目前为止秸秆的综合利用率才75%左右，且农作物秸秆用作饲料大约有30%左右，剩余部分主要用以就地还田等。农作物秸秆的全面综合利用技术不是很足够，并且以上几种利用方式的利用效率比较低，由此产生的经济效益就不够大。目前我国新能源正在兴起，节能环保乃是大势所趋，如今秸秆资源丰富，提高秸秆的利用效率使用热解技术正是其中最优的选择之一。热解秸秆可以得到生物油，生物油的产率高达75%，大大提高了秸秆利用率。因此回转式热解窑热解秸秆拥有不错的发展前景。2回转式热解窑热解秸秆的概述回转式热解窑热解秸秆工艺简图如下：3.常用各种不同类型的回转窑设备的简要介绍与优缺点的对比3.1回转窑的简要介绍回转窑是一种工业设备，用于散状和浆状物料的热处理。现在它已经问世100多年了。目前，回转窑广泛应用于有色冶金、黑色冶金、耐火材料、水泥、化工、造纸等工业部门。回转窑在一些有色金属的生产中起着重要的作用。它用于烧结和焙烧矿石、精矿和中间产品。3.2各种回转窑的对比回转窑是指煅烧回转窑(俗称回转窑)，属于建材设备。根据处理的物料不同，回转窑可分为水泥窑、冶金和化学窑以及石灰窑。水泥窑主要用于煅烧水泥熟料，分为两类:干水泥窑和湿水泥窑。冶金化学窑主要用于冶金行业钢铁厂的贫磁化焙烧。铬镍铁矿石的氧化焙烧:耐火材料厂焙烧高铝钒铝土矿，铝厂焙烧熟料和氢氧化铝。化工厂焙烧铬矿砂、铬矿粉等矿物质。石灰窑(即活性石灰窑)用于焙烧钢铁厂和铁合金厂使用的活性石灰和轻烧白云石。专题部分4.秸秆热解对回转式热解窑设备的要求4.1对回转式秸秆热解窑的筒体材料的具体要求：回转式热解窑的筒体一般都主要是由钢板等各种金属材料直接卷制而成，是回转式热解窑的基本部分。因为回转式热解窑的筒体不仅需要承受自身的重量，还要承受耐火材料和秸秆的重量，因此，旋转热解窑的两个拖轮之间的筒体将在轮带处产生横截面的轴向弯曲和径向变形。回转窑筒体的轴向弯曲变形和径向弯曲变形是直接影响到回转式热解窑长期安全正常运转的重要原因之一，因此在设计上要求回转式热解窑的筒体要能有保持直和圆的能力。这就要求回转式热解窑的筒体必须具有相当大的强度和刚度。

4.2对耐火材料的使用要求回转窑中内壁的窑砖需要使用耐火砖，耐火砖具有保温和保护窑体的作用。而且窑内各部分发生的反应有所区别，所以应该根据实际情况调整耐火砖的厚度。4.3对喂料装置的要求对喂料装置的要求有以下几点：一、稳定。二、均匀。三、易于控制，以配合回转热解窑的运行。我们通常用变速电机来调节进给速度。4.4对回转窑密封装置的要求由于对秸秆进行热解需要在少氧甚至无氧的环境下进行，所以密封装置十分重要。为了防止外界空气进入内部或者窑内空气带着秸秆外泄，对回转式热解窑密封装置性能有以下几个方面的要求：1.筒体的密封性能要好。在回转窑的窑尾处，它的负压要能达到60毫米的水柱。2.热解回转窑的密封装置应能适应筒体的形状误差和运行过程中筒体沿轴向的连续往复运动。3.密封装置的材料要耐磨损，减少以后的维修和保养，降低使用成本；4.密封装置的形状和结构应该尽可能简单5.设计方案的比较与方案的确定、参数的确定5.1国内外各种热解设备设计方案的比较秸秆热解设备主要有两种不同类型的设备，即窑式热解炭化炉和固定床式热解炭化反应炉。其中，窑式热解炭化炉在传统窑式炭化工艺的基础上出现了大量新炉型。固定床碳化设备根据传热方式的不同可分为外燃式和内燃式。此外，固定床热解炭化设备还具有新型的循环气体加热式热解炭化炉，这也很有代表性5.2自己提出的方案回转窑在现代社会中应用的地方数不胜数，本课题的设计的回转式热解窑为1750×15000回转窑，它主要用于热解秸秆等农业废弃物。其具体的方案如下：性能良好的密封装置可适应的温度范围：室温-1000℃温度的范围是可以独立控制调节的传动系统要选择功率大小合适的电机与齿轮和联轴器，电机的调速方式经过比较选择变频调速，因为本次设计的回转式热解窑要求电机需要具有良好的调速性能，并且拥有比较高的精度轴承的选择方面采用滚动轴承代替以前常用的滑动轴承传动装置底座采用钢架结构代替以前的槽钢结构挡轮使用两档参数的确定：耐火砖的厚度为250mm，比重（即容重）为2.5g/cm使用温度为1300℃，最高温度为1400℃转速为0.5-3rpm；倾角为1/406.回转式热解窑的结构设计、结构参数的确定回转式热解窑筒体尺寸为：窑头悬伸段：L=(1~1.2)D取1.925m窑尾悬伸段：L=1.1L取2.118m中间跨：L=L-L-L=10.957m回转式热解窑的长度已经确定接下来应该确定它的支点数量。由之前学习的材料力学知识可以得出支点数大于两个将会是超静定结构，对回转式热解窑筒体直线性要求很高。而本次课题设计的回转式热解窑从尺寸上来讲属于比较小的回转窑，所以选择两个支点。其支承挡数为2；钢板厚度为0.014m7.回转式热解窑的设计计算7.1.基础计算部分已有条件：回转式热解窑的长度L=15m；直径D=1.75m；回转式热解窑斜度：sinβ=1/40=0.025；回转窑的倾斜角β=1.4325º；cosβ=0.999687;秸秆自然堆角α=43º；回转式热解窑转速：n=3rpm；计算：回转式热解窑的长径比：L/D=15/1.75=8.57秸秆在窑内的移动速度：v=324Dnsinβ/(24+α)D为回转窑空间部分的直径，D=D-D;D是耐火砖的厚度，其值为0.25米，考虑回转窑的结构取D=0.3m,所以D=1.75-0.3=1.45m代入数据到公式中可以算出v=1.417m/min秸秆的停留时间t==15/1.417=10.586min回转式热解窑内物料应该具有比较大的填充率，且不会产生相互干扰，按球磨机研磨体填充理论，y=0.42，y为填充系数，本设计取y=0.4。7.2筒体计算7.2.1回转窑筒体尺寸确定计算：回转式热解窑筒体尺寸为：回转窑头悬伸段：L=(1~1.2)D取1.925m回转窑尾悬伸段：L=1.1L取2.118m中间跨：L=L-L-L=10.957m因为D3m;=6.875,所以支撑挡数为2，查表得钢板厚取=0.014m回转式热解窑筒体的结构简图：7.2.2回转窑筒体载荷计算回转窑筒的内径：D===1.60m1.回转式热解窑筒体自重：q=7.85(D+)=7.85(1.6+0.014)0.014=0.5573吨/米=5.57310N/m为了方便计算估取q=(1.25-1.35)q=1.30q=1.35.57310=7.244910N/m2.窑衬重量：q=(D-h)hh为窑衬和底泥总厚度，h=h+0.005,0.005为底泥厚度。h为窑衬厚度，其值为0.25m为窑衬容重，其值为2.510N/m所以q=2.5(1.75-0.255)0.255=2.9441吨/米=2.944110N/m3.齿圈重量：估取为12吨，相当于1.2N4.物料重量：筒体的有效体积V1＝L×D12×π/4=11×1.452×π/4=18.2m3。回转热解窑内的物料数量按筒体填充率不大于40％来计算。内筒里物料的体积V物＝V1×40%=18.2×40%=7.28m3。秸秆在压缩后密度为0.5×103kg/m3；筒体内的物料质量m物料=V物×ρ=7.28×0.5×103=3640kg。有效长度11m，以停留10min算，则11÷10=1.1m/min。回转窑筒体转速1～5r/min，实际转速取3r/min，则1.1÷3=0.37m/r。圆整设计得桶内螺距0.4m。筒内的流量Q物料=m物料÷（10÷60）=21840kg/h，圆整取为22000kg/h。物料重量qm：q==330.3千克/米=0.3303吨/米=3.30310N/m7.2.3筒体弯矩和应力计算1.弯矩计算q=q+q+q=3.99889104N/m基本假设条件：（1）将筒体视作圆环截面水平连续梁。不计截面变形后对截面模数的影响，不计斜度的影响。（2）不计物料重心对窑轴线的偏移，不计筒体所受扭矩。（3）按静载荷计算。筒体的上部受均匀载荷的作用，简图如下：=0,R+R-qL-F=0=0qL+RL-q()-F1.02=0将数据代入上述式子可解出结果：R=4.035NR=3.165105N7.3支撑装置计算7.3.1滚圈/滚圈的材料为45号钢因为D3.5，所以滚圈外径D=(1.25-1.19)D取1.2D=2.1m截面高度H=(0.09-0.055)D取0.13m7.3.2托轮1.基础设计计算材料选45号钢滚圈与托轮的直径比I==3.5,所以D=0.6m最大接触应力P=0.418=0.418≤q为单位接触宽度上的载荷，q=N/mQ为支撑载荷，取由筒体弯矩计算取得的各支座反力的最大值为4.5NG：滚圈自重，G=（0.045-0.1）Q，估取G=0.08Q=3.4N：托轮滚圈中心连线与垂直方向夹角一般为30°B：滚圈宽度E=2kg/cm=2N/m当=30°，G=0.08Q时p=635=660∴B≥K==0.272∴B≥=0.2295m取0.225m2.滚圈的截面设计（1）.截面高度：H=S=S′+C，C是直径间隙，2C=D(t-t)t=100℃,t=60℃,=0.000012mm/mm℃D=D-2H=1.840m,计算得C=0.4416（2）.截面参数计算截面面积：F=BH=0.2250.13=2.92510m形心圆直径：D=D-H=2.1-0.13=1.970m截面惯性矩：I===0.41194m3.滚圈在筒体上的固定方式为松套式，且有间隙，间隙约为2mm并松套式滚圈的垫板与挡板型式取《回转窑》一书中P85图3-5的a图所示的型式。4.宽度：B〉B+2UB=B+(0.5-1)取B=0.28m7.3.3支撑装置受力分析径向力：滚圈自重G=0.08Q=3.6NN==0.0624Q=2.808NF=Nsin=0.312Q=1.404NF=Ncos+G=0.572Q=2.574NN′==0.652Q=2.934N轴向力每侧托轮轴向力：F′=fN=(0.0312-0.624)N=876.096-17521.92N每挡支撑装置上的总轴向力FF=2fN=(0.19-0.25)Q=8.55N-11.25N普通挡轮推力F,取G()与Gsin中的大者∵-sin=〉0∴取F=G()=G()=(2.1355-5.90281)N调整托轮轴承座的力PP==0.24Q=1.08N轴承座不倾翻条件：FH<F→b>1.09H,∴b>2H=0.26m且b>0.65H=0.0845m7.3.4托轮轴的设计托轮：D=0.6m;宽度B=0.28m托轮轴的参数确定轴中部直径d=0.15m托轮轴的材料为45号钢。力学性能参数为：=640N/mm,=355N/mm, =75N/mm,=155N/mm许用弯曲应力=215N/mm=100N/mm，=60N/mm轴的受力计算托轮的受力简图如下图：假设4个托轮所受的力均等，即N=N=N=N∴4Ncos30°=G∴N==1.183492N考虑到托轮受到筒体压力的不均匀性故取托轮的力N=N=2.511323NNN′FFN′=N=2.511323N=0F+F-N′=0对A:=0Fl-N′l=0算得：F=F=1.255661N托轮轴的校核：疲劳强度安全系数校核 =S= :从标准试件的疲劳极限到零件的疲劳极限达到换算系数，查«机械设计手册»第二册表6-1-27M：轴在计算截面上所受的弯矩Z：轴在计算截面上的抗弯截面模数，查«机械设计手册»第二册表6-1-24到表6-1-26得Z= ：疲劳强度的许用安全系数，查«机械设计手册»第二册表6-1-23取1.5-1.8K：有效应力集中系数，查«机械设计手册»第二册表6-1-28到30得：K=2.34 ：绝对尺寸影响系数，同上查表6-1-31得=0.75K：表面粗糙度系数，同上查表6-1-32得K=1.3 ：表面状态系数，同上查表6-1-33到35选择=1∴ ===3.52选择托轮轴的校核面1和2，如下图：对截面1：弯矩M=F0.025S==14.03971›所以截面1满足疲劳强度校核。对截面2：弯矩M=F0.083 S==8.29998›所以截面2满足疲劳强度校核。7.3.5挡轮的设计见《回转窑》一书的P130图4-29tan=d为挡轮大端直径 为挡轮的半堆顶角，取14°厚度h=取0.064m由接触强度确定直径：G=R+R+2G=6.524604N接触强度条件：P=0.418由图4-29所示的几何关系，有h=Scos；r=；r==∴p=0.59则d,由d=d+htan=d+h得：d=F=G()=6.524604=4.39602N∴d=139.48mm=0.13948m根据实际情况取d=0.356m7.4传动装置主传动装置的组成：主电动机、主减速器、齿轮齿圈、筒体和2个联轴器。传动流程图如下：电动机联轴器减速器联轴器开式齿轮传动效率：减速器为0.94；弹性柱销联轴器为0.99=0.995取0.992加工齿的开式齿轮传动为0.94-0.96取0.95传动功率计算：主传动功率：运转消耗功率：N=N:翻转物料消耗功率。N:克服轴承摩擦消耗功率。1.N=;G=4000kg;V=Vsinr=2-sin2=2=20.145846见《回转窑》的P154图5-7及表5-3可得：sin=0.52161 ==15º-12º;=30º∴r==1.04322V===0.16386N==6.42588(KW)2.N分析：N=p为每挡的摩擦阻力p=fNf=0.018=R+G=5.804604+3.6=6.164604Nv==d=0.085m∴v=∴N=1.17401KW综合1和2：N===8.64833(KW)N=CCN=1.6N=13.837根据窑的实际情况，可选11N=KW的电动机即Y160M-4型电动机。9.回转式热解窑的安装、维护和润滑 9.1回转式热解窑的安装9.1.1回转式热解窑窑体的安装：(1)将加工好的筒体部分运输至现场基础，并组装成吊装部分。首先，两段或三段筒体采用垂直安装方式，吊装段采用水平安装方式，每段接头之间用3毫米垫片。它用于补偿焊接收缩并确保焊接质量。环缝的偏移不得超过1.4毫米(0.1)。筒体的直线度应沿着筒体圆周的平分线和窑体外的拉线进行检查，误差不超过每4米2毫米。(2)窑体吊装:1.窑体完全为焊接结构，窑体之间对接的环形端口全部加工，为窑体对接创造了有利条件。在每个对应物垫上用3毫米的木块编号。检查各辊环与支撑轮中心面的相对位置是否符合图纸要求。2.使用在支撑轮座上校准的基准点和标记线，检查几个滚圈的同心度是否在2mm以内。如果同心度超过标准公差，可以调整支撑轮的位置来解决问题。3.使用吊装工具和缠绕在窑体上的钢丝绳旋转窑体。窑头、窑尾、大齿轮和每个对应部分的基准应分成8等份，以测量每个窑体的径向跳动值。根据测量值，分析窑体中心直线度偏差，并调整偏差。同时，观察辊环和支撑轮之间的接触。(3)窑体焊接:焊接应在窑体找正后进行。焊接时，可以同时焊接几个对接接头。每个焊缝应同时在两个方向对称焊接，即沿窑体直径方向。在焊接过程中应特别注意使用相同的焊条。焊接电流和速度应该相同。回转窑筒体的焊接工作主要通过手工电弧焊完成，也可以通过埋弧焊自动焊接完成。。9.1.2滚圈与垫板的组装滚圈与垫板、气缸和挡圈组合成一个组件。由于辊环本身的重量很重，很难在施工现场用气缸直接安装。因此，通常采用装配有起重