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隧道窑课程设计说明书

山东大学

窑炉设计说明书

题目：

设计一条年产卫生瓷5万大件的隧道窑

学号：

姓名：

学院：

材料科学与工程学院

班级：

指导教师：

一、前言

随着经济不断发展，人民生活水平的不断提高，陶瓷工业在人民生产、生活中都占有重要的地位。

陶瓷的发展与窑炉的改革密切相关，一定结构特点的窑炉烧出一定品质的陶瓷。

因此正确选择烧成窑炉是获得性能良好制品的关键。

陶瓷窑炉可分为两种:

一种是间歇式窑炉,比如梭式窑;另一种是连续式窑炉,比如隧道窑。

隧道窑由于窑内温度场均匀，从而保证了产品质量，也为快烧提供了条件；而隧道窑中空、裸烧的方式使窑内传热速率与传热效率大，又保证了快烧的实现；而快烧又保证了产量，降低了能耗。

所以，隧道窑是当前陶瓷工业中优质、高产、低消耗的先进窑型，在我国已得到越来越广泛的应用。

烧成在陶瓷生产中是非常重要的一道工序。

烧成过程严重影响着产品的质量，与此同时，烧成也由窑炉的窑型决定。

在烧成过程中，温度控制是最重要的关键。

没有合理的烧成控制，产品质量和产量都会很低。

要想得到稳定的产品质量和提高产量，首先要有符合产品的烧成制度。

然后必须维持一定的窑内压力。

最后，必须要维持适当的气氛。

二、设计任务与原始资料

1课程设计题目

设计一条年产卫生陶瓷5万大件的隧道窑

2课程设计原始资料

（1）、年产量：

5万大件/年；

（2）、产品名称及规格：

洗手盆，800*500*300,质量20Kg/件;

（3）、年工作日：

350天/年;

（4）、成品率：

90%；

（5）、燃料种类：

城市煤气，热值QD=15500KJ/Bm3;

（6）、制品入窑水分：

2.0%；

（7）、烧成曲线：

20~~970℃，8h；

970~~1280℃，3h；

1280℃，保温1.5h；

1280~~80℃，12.5h；

最高烧成温度1300℃，烧成周期25h。

3课程设计要求

采用合理窑型，对窑体尺寸进行计算，确定窑炉工作系统，选择窑体材料并确定其厚度，对燃料燃烧、窑炉热平衡及排烟系统进行计算，确定燃料消耗量。

依据上述计算，绘出窑炉详细结构图。

三、烧成制度的确定

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：

20~~970℃，8h；预热带

970~~1280℃，3h；烧成带

1300℃，保温1.5h；保温阶段

1300~~80℃，12.5h；冷却带

烧成周期:

25小时

2、窑型选择

卫生瓷是大件产品，采用普通窑车隧道窑。

由于考虑到燃料为城市煤气，经过净化处理，不会污染制品。

若再从窑的结构上加以考虑，避免火焰直接冲剧制品，所以采用明焰露袭的形式（制品不袭匣钵），既能保证产品质量，有增加了产量，降低了燃料消耗，改善了工人的操作条件，并降低了窑的造价，是合理的。

四、窑体主要尺寸的确定

1、窑主要尺寸的确定。

为使装车方便，并使窑内温度均匀，快速烧成，采用单层装车的办法，即窑车上只放一层制品。

根据几种装车方法确定：

窑车长×宽＝1500×870mm，平均每车装制品8件／车，干制品的平均质量为每件20Kg，则每车装载量为160Kg/车。

=50000×25÷350÷24÷（0.9×8÷1.5）

=31.00m

窑内容车数：

n=31.00/1.5=20.67辆取20辆

则窑车有效长度为：

20×1.5=30m

2、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=8/25×30=9.6m

烧成带长Ls=（烧成时间/总烧成时间）×总长=（3+1.5）/25×30=5.4m

冷却带长Lv=（冷却时间/总烧成时间）×总长=12.5/25×30=15m

设进车室2m，出车室2m，则窑总长为30十2十2＝34m。

窑内宽B根据窑车和制品的尺寸取800mm。

窑内侧墙高（窑车装载面至拱脚）根据制品最大尺寸（并留有空隙）定为500mm。

拱心角α取60°，则拱高f＝0．134B＝0.134×800＝107mm

轨面至窑车衬砖面高660mm。

为避免火焰直接冲击制品，窑车上设300mm高之通道（由40mm厚耐火粘土板及耐火粘土砖柱组成）。

侧墙总高为（轨面至拱脚）H＝500十300十40十660＝1500mm

窑内容车数20辆

推车时间：

25×60/20=75min/车

小时推车数：

60/75=0.80车/h

五、工作系统的确定

在预热带2—6号车位设9对排烟口，每车位一对。

烟气通过各徘烟口到窑墙内的水平烟道，由4号车位的垂直烟道经窑顶金后管道至徘烟帆，然后由铁皮烟囱排至大气。

排烟机及铁皮烟囱皆设于预热带窑顶的平台。

在1号、3号、5号车位有三运气幕。

其中1号车位气幕为封闭气幕，窑顶和侧培皆开孔，气体喷出方向与窑内气流成90。

声。

3号和5号车位为扰动气幕，气体由窑顶喷出，方向与窑内气流成150。

角。

用作气幕的气体从冷却带的间接冷却部位抽出。

在烧成带7号一10号车位设4对携烧室，不等距分布，两测相对排列。

助燃空气不预热，由助燃风机直接抽车间冷空气，并采用环形供风方式，各烧最前压力基本相同。

冷却带在11—14号车位处，有4m长的间壁急冷段，由侧路上的小孔直接吸人车间冷空气，冷却气体流动方向与窑车前进方向相同（顺流）。

从换热观点，逆流冷却效率高，但砖砌体易漏风，逆流漏进的冷风和700℃左右的产品接触，易急冷至更低温度，达到SiO2晶形转化温度而使产品开裂。

所以要采用顺流。

该处窑顶自12—14号车位有4m长的二层拱间接冷却，冷空气亦由窑顶孔洞处自车间吸入。

由间壁、二层拱抽出来的热空气经窑顶上金属管道送往预热带作气幕。

这里只作为计算例题，实际上该段应采用直接风急冷或直接、间接相结合，将丙层拱抽来的热气再喷入窑内作急冷，可防止大件产品炸裂。

自15—18号车位设4对热风抽出口，每车位一对。

热空气经过窑墙内的水平热风通道，于：

3号车位处用金届管道由热风机拍送干燥。

窑后4：

号车位处，由冷却风机自窑顶和侧墙集中鼓入冷却空气。

车下自7—17号车位，每隔3m设一个冷却风进风口，由车下冷却风机分散鼓风冷却，并于5号车他处由排姻机排走。

烧成带前后，即6号、12号车位处，设两对事故处理口。

六、窑体材料以及厚度的确定

根据上述原则，确定窑体的材料及厚度如表1—7。

材料及厚度确定后可进行材料的概算。

计算方法同例（1--1）、（1--2），逐段逐层的计算。

确定全窑的材料消耗量。

七、燃料燃烧计算

1、燃烧所需空气量

该窑用城市煤气，其热值QD=15500KJ/Bm3;

理论空气量：

Vºa=0.26QD/1000-0.25=3.73;

实际空气量:

取空气过剩系数α=1.29

Va=αVoa=1.29×3,73=4.82Bm3/Bm3;

2、燃烧产生烟气量

理论烟气量：

Vo=0.272QD/1000+0.25=0.272*15500/1000+0.25=4.45Bm3/Bm3）

实际烟气量

V=Vo+（α-1）Voa=4.45+（1.29-1.00）*3.73=5.53（Bm3/Bm3）

3、实际燃烧温度

理论燃烧温度tth=（Qd+CfTf+VaCaTa）/VC

=（15500+1.55×20+4.82×1.3×20）/5.53×1.64

=1720oC

（1730-1720）/1720×100%=0.6%<5%所以合理

取高温系数η=0.80

则实际温度为:

Tp=0.80*1720=1376oC

比烧成温度1280oC高90oC，认为合理

八、加热带热平衡计算

1、预热带及烧成带的热平衡计算

（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热平衡示意图

QfQaQa`

↓↓↓

Q2→→Qg

Q1→→Q8

↓↓↓↓↓

Q3Q4Q5Q6Q7

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

2、热收入项目：

（1）制品带入显热Q用公式计算

每小时入窑干制品：

G1=160Kg/车×0.80车/h=128（Kg/h）

入窑制品含2%自由水，每小时入窑的湿制品为：

G1’=128/（1-0.02）=130.6（Kg/h）

入窑制品的比热随各地原料成分及分配方的不同而变化，一般在0.84~1.26KJ/kg℃范围。

现取平均比热c’=0.92KJ/kg.℃

入窑制品温度t1’=20℃

则Q1=G1’·c’·t1’=130.6*0.92*20=2403（KJ/h）

（2）垫板及支柱带入显热Q2:

此窑制品不装匣体，亦不用棚板，为避免火焰冲击制品，窑车上有耐火粘土热垫板及支柱组成的火焰通道。

垫板与支柱窑吸热，根据器体积、密度可求得每车质量为158.1Kg。

G2=158.1*0.8=126（Kg/h）

C2=0.845（KJ/kg.℃）

根据公式可得：

Q2=126*0.845*20=2129.4（Kg/h）

（3）燃料带入化学热及显热Qf:

QD=15500KJ/Bm3;

入窑天然气温度，t=20℃

查手册，此温度下的煤气平均比热为；

Cf=1.37kJ/Bm3℃

根据公式可得:

Qf=x（QD+tf·Cf）=x（15500+1.37*20）=15530x（Kg/h）

（4）空气带入显热Qa

全部助燃空气作为一次空气。

燃料所需空气量有1-10求得。

Va=4.82xBm3/h

助燃空气温度ta=20℃

查手册，在20℃时空气的平均比热为；

Ca=1.30（kJ/kg℃）

根据公式可得

Qa=Va*Ca*ta=4.82x*1.30*20=125xkJ/h

（5）从预热带不严密处漏漏入空气带入显热Qa’

取预热带烟气中的空气过剩系数a=2.5，由利1-10中已求出理论空气量V=3.73Bm3/Bm3;

烧成带燃料燃烧时的空气过剩系数af=1.29

Va'=x（2.5-1.29）*3.73=4.52xBm3/h

漏入空气温度为ta'=20℃

查手册，Ca'=1.30kJ/kg.℃

根据公式可得；

Qa’=Va’*Ca’*ta’=4.52x*1.3*20=117xkJ/h

（6）气幕空气带入显热Qm；

作气幕用的气体由冷却带时间接冷却出抽来，其带入之显热由冷却带热平衡计算为；Qm=216000kJ/h

3、热支出项目:

（1）产品带出显热Q3

出产品带出质量G3=128Kg

出烧成带产品温度t3=1280℃

查手册，得产品平均比热；C3=1.20kJ/kg℃

根据公式可得：

Q3=128*1.20*1280=196608kJ/h

（2）垫板支柱带走显热Q4

垫板、支柱质量：

G4=126kg/h

出烧成带垫板、支柱温度，t4=1280℃

查手册，次时粘土垫板、支柱的平均比热为：

C4=1.178kJ/kg.℃

根据公式得：

Q4=G4*C4*t4=126*1.178*1280=189987kJ/h

（3）烟气带走显热Qg；

烟气中包括燃烧生成的烟气，预热带不严密处漏入之空气外，尚有用于气幕的空气。

用于气幕之空气体积由冷却带计算为；

Vm=1552Bm3/h

离窑烟气体积；Vg=[Vog+（ag-1）Voa]x+Vm离窑烟气温度一般为200~300℃，现取tg=250℃

查手册，此时烟气的平均比热为；Cg=1.44kJ/m3℃根据公式得：

Qg={[Vog+（ag-1）Voa]x+Vm}*Cg*tg

={[4.45+（2.5-1）*3.73]*x+1552}*1.44*250

=3600x+559000kJ/h

（4）通过窑墙，窑顶散失的热Qs

根据各处材料的不同，并考虑温度范围不能太大，将预热带窑墙分为四段计算其向外散热，一侧散热：

第一段；20~750℃，长7米，散热，4000kJ/h

第二段；750~970℃，长2.5米，散热，3500kJ/h

第三段；970~1280℃，长4.0米，散热6800kJ/h

第四段；1280℃，长1.5米，散热2800kJ/h

一侧总散热：

17100kJ/h

两侧总散热：

17100*2=34200kJ/h

窑顶按同样原则，计算结果为55000kJ/h

Q5=34200+55000kJ/h=89200

（5）窑车积蓄和散失之热Q6

去经验数据，占热收入的25%。

（6）物化反应耗热和散热之热Q7

不考虑制品所含之结构水自由水质量Gw=130.6-128=2.6kJ/h

烟气离窑温度tg=250℃

制品中A12O3含水量为25%。

根据公式可得；

Q7=Qw+Qr=Gw（2490+1.93tg）+Gr*2100*A12O3%

=2.6*（2490+1.93*250）+128*2100*0.25

=74929kJ/h

（7）其他热损失Q8

去经验数据，占热收入的5%.

4、列出热平衡方程式

热收入=热支出Q1+Q2+Qf+Qa+Qa+Qm=Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8

2403+2129+15530x+125x+117x+216000=196608+189987+3600x+559000+89200+74929+（2403+2129+15530x+125x+117x+216000）*（0.25

+0.05）

移项整理得7440x=955351

X=128.4,即每小时需要天然气128.4Bm3

1、列出预热带及烧成带平衡表如下：

九、冷却带热平衡计算

冷却带热平衡的计算，其计算方法与预热带，绕成带热平衡计算方法相同。

先确定热平衡计算基准：

1h,0℃；划计算范围：

冷却带；画冷却带热平衡示意图；列出热收入、热支出的所有项目，然后解热平衡方程式。

在这个热平衡方程式中也只能有一个未知数，即冷却空气需要量Vx（或可供干燥的热空气量）。

其他一切项目都应已知，或用Vx代替，或事先用分段热平衡的办法算出，所以Vx可求。

而可供干燥的热空气抽出且是由冷却空气鼓人员和助燃二次空气星决定的，亦可求。

热收入的项目为高烧成带而进入冷却带时产品带入显热，棚板带入显热，窑车带入显热，冷却空气带入显热等。

热支出项目为离窑时产品带出显热，匣钵，棚板带出显热，窃车带出显热，窑堵、窑顶散热、抽送干燥热空气带走显热，作气暮气体带走显热，其他热损失笨。

计算公式同预热带、烧成带。

1、热收入项目：

（1）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=196608kJ/h

（2）垫板、支柱带入显热Q4

此项热量即为预热、烧成带垫板、支柱带出显热：

Q4=189987kJ/h

（3）窑车带入显热Q9

预热带、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=0.95*Q6=0.95*561414=533343KJ/h

（4）冷却带末端送入空气带入显热Q10，用公式（1—62）计算：

ta=20℃，此温度下空气平均比热查手册为：

Ca=1.30KJ/m3℃。

Q10=VaCata=Va×1.3×20=26VaKJ/h

2、热支出项目：

（1）产品带出显热Q11

出窑产品质量G11=128Kg/h

出窑产品温度t11=80℃

查手册，此时产品平均比热，C11=0.896kJ/kg.℃

根据公式（1--64）可得：

Q11=G11C11t11=128*0.896*80=9175KJ/h

（2）垫板、支柱带出显热，Q12

出窑垫板、支柱质量：

G12=126Kg/h

出窑垫板、支柱温度：

t12=80℃

在80℃是粘板、支柱的比热为：

C12=0.84+0.000264t=0.858kJ/m3*℃

Q12=G12C12t12=126*0.858*80=8649kJ/h

（3）窑车带走和向车下散失之热Q13

此项热量占窑车带入显热的55%，

Q13=0.55×Q9=0.55×533343=293339KJ/h

（4）抽送干燥用的空气带走显热Q14,

该窑不用冷却带热空气作二次空气，且气幕所用空气由冷却带间壁抽出，所以，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℃：

此温度下的空气平均比热为：

C14=1.32kJ/Bm3·℃

Q14=Va·C14·t14=Va×1.32×200=264VakJ/h

（5）计算得，冷却带窑墙，顶散热为：

Q16=100000kJ/h

（6）抽送气幕热空气带走显热Q17

抽送气幕热空气包括两侧间壁及二层拱内抽出之热空气，其所带之热由窑墙、窑顶之计算中已知为：

Q17=Q+Q、=216000kJ/h

抽送气幕的热空气体积为；

Vm=Vo+Vo、=1552Bm3/h

（7）其他热损失Q损

取经验数据，占总热收入的5%

3、列热平衡方程式

热收入=热支出，即

0.95*（196608+189987+533343+26Va）=

9175+8649+293339+264Va+100000+216000

移项整理得：

Va=1031Bm3/h.

即每小时有1031标准立方米，200℃的热空气抽送干燥。

4、列出冷却热平衡表及全窑热平衡表，方法同预热带、烧成带，此处从略。

热平衡采用计算机辅助计算，可节约时间。

并可制成软件包，便于变更条件时采用

十、烧嘴的选用级燃烧室的计算

每小时燃料的消耗量求出为：

X=128.4Bm3/h

该窑共设7对烧嘴。

每个烧嘴的燃料消耗量为：

128.4/14=9.17

（1）选用DW--3型涡流式短焰烧嘴，其生产能力为18Bm3/h，烧嘴前天然气压力800Pa，空气压力2000Pa。

与其配合的烧嘴砖厚230mm。

（2）燃烧室体积

V=9.17×15500/1250000=0.114m3

燃烧室深为:

L=窑墙厚-烧嘴砖厚=1.16-0.23=0.93m

燃烧室面积：

F=V/L=0.114/0.93=0.122m2

取燃烧室宽B为四个班砖宽，即4×（砖宽+灰缝）=4×（0.113+0.003）=0.464m

选用60°拱，拱高f=0.134×0.464=0.062m，燃烧室的截面积=拱形部分面积+侧墙矩形部分面积：

0.122=（0.67*0.062*0.464+0.464H）

燃烧室侧墙高：

H=0.275m

取H=0.272m，即四砖厚：

4×（砖厚+灰缝）=0.272

则燃烧室总高为：

0.272+0.062=0.334m

十一、烟道和管道计算，阻力计算和风机选型

1、烟道和管道计算：

需要由排烟系统排除的烟气量，由预热带的热平衡为：

Vg=[Vg0+（ag-1）Va0]x+Vm

=[4.45+（2.5-1）*3.73]*128.4+1552

=2842（Bm3/h）

（1）排烟口及水平支烟道尺寸

共有9对排烟口，则每个排烟口的流量为：

V1=2842/18=158

烟气在砖砌管道中的流速为1—2.5Bm／s，现取流速w=1.5Bm/s：

则F1=V1/W=158/1.5/3600=0.0292m2

排姻口高取三砖厚即0.204m：

则宽为0.324/0.204=0.159m，考虑砖型，取一砖长，

即0.232m。

排烟口水平深度定为0.46m。

5、烟囱阻力h

铁皮烟囱高15m，取烟气在烟囱内流速：

w=6Bm/s:

烟气在烟囱内的平均温度为200℃

（1）先求烟囱直径d

由烟囱排出得气体量=烟气量+车下风量：

V=Vg+Vw=2842+1730=4572

截面积F=V/w=4572/6*3600=0.212所以d=0.519m

十二、参考资料

[1]葛林.《筑炉工手册》冶金工业出版社

[2]胡国林,周露亮,陈功备《陶瓷工业窑炉》武汉理工大学出版社

[3]王秉铨.《工业炉设计手册》机械工业出版社