热工专业隧道窑课程设计资料.docx
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热工专业隧道窑课程设计资料
一：
烧成制度的确定
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—200℃1.5小时预热带
200—600℃2.1小时预热带
600—1000℃2.5小时预热带
1000—1320℃4小时烧成带
1320—1320℃0.8小时烧成带
1320—700℃1.5小时急冷带
700—400℃5.1小时缓冷带
400—60℃1.5小时快冷带
烧成时间：
19小时
二：
窑体主要尺寸的确定
1.棚板和立柱的选用
棚板采用的规格为：
650×650×10重量：
2.7g/cm-3
支柱：
高40mm重量：
2.7g/cm-3
2.窑内宽的确定
沿车的长度方向装2行棚板，每个棚板的间距为10mm，与棚板车边间距为20mm。
沿车的宽度方向装3行棚板，每个棚板的间距为10mm，棚板与车边间距为20mm。
故窑车车面的尺寸：
Le（长）=2000mm
Be（宽）=1400mm
所以为了方便预热带和冷却带均取一样的内宽：
B=1450mm
3.窑内高尺寸的确定：
为了计算方便，可以将车上的棚板定为统一的高度，坯体在窑车内分15层放。
则高度为：
750mm，取780mm（为65mm砖厚的整数倍）
窑车高度的确定：
轨面到窑车衬砖面的高度为775mm，为了避免火焰直接冲刷制品，窑车上设300mm高的通道（由40mm厚的耐火粘土板及粘土砖组成）窑车的高度为：
H（车）=775+40+300=1115mm
4.窑体有效长度的确定
每块棚板制品装4件，则：
装车密度Ge=6×4×15=360件/车
装窑密度=360/2=180（件/米）
窑长L=（生产任务*烧成时间/年工作日）/（成品率*装窑密度）
=（4000000×19/330×24）/0.96×180
=55.53m
窑内容车数：
n=55.53/2=27.76辆取28辆
所以窑有效长为28×2=56m
设进车室2m,出车室2m，则窑体总长为L=56+4=60m
5.各带长度的确定
根据烧成曲线：
预热带长=（预热时间×总长）/总烧成时间=6.1×56/19=18m
烧成带长=（烧成时间×总长）/总烧成时间=4.8×56/19=14m
冷却带长=（冷却时间×总长）/总烧成时间=8.1×56/19=24m
三：
窑体及工作系统的确定
4.1窑体
以2米为一个模数单元节，全窑56米，共有28节。
窑体由窑墙主体、窑顶，钢和窑体的附属结构组成。
4.1.1钢架
每一钢架长度为2米，含钢架膨胀缝。
全窑共28个钢架结构，其高度、宽度随窑长方向会有所改变。
钢架主要由轻质方钢管、等边角钢等构成，采用焊接工艺，并在焊接处除去焊渣、焊珠，并打磨光滑。
窑墙直接砌筑在钢板上，钢架承担着窑墙和窑顶及附属设备的全部重量。
4.1.2窑墙
窑墙采用轻质耐火隔热材料。
常用材质如下：
堇青莫来石板、莫来石绝热砖、聚轻高铝砖、轻质粘土砖、硅酸铝棉等耐火材料。
窑墙砌筑在钢结构上。
每隔2米留设20mm左右的热膨胀缝，用含锆散棉填实。
4.1.3窑顶
窑顶是由吊顶板或吊顶砖和角钢或细钢筋等组成的平顶结构。
角钢直接焊接在窑顶钢架上，细钢筋则是做成钩状挂在窑顶钢架上。
吊顶板或吊顶砖与角钢或细钢筋紧固。
这样，窑顶的重量也由钢架承担。
在窑顶上，铺厚度适宜的保温棉和耐火棉。
窑体材料的轻质化，可大大减少窑体散热。
4.1.4检查坑道和事故处理孔
由于窑车上棚架稳固，不容易发生倒窑事故。
即使发生窑内卡车或者其他事故，也可停窑，能够快速冷却下来，再进行处理，对生产影响不大。
因此该隧道窑不设置窑内车下检查坑道。
这样既简化了窑炉基础结构，减少了施工量和难度，又降低了成本，窑体保温也得到明显改善。
4.1.5测温孔和观察孔
在窑体关键处设置测温孔，以便于更好地了解窑内各段的温度情况，测温孔的间距一般为3-5米，高温段布置密集些，低温段布置相对稀疏。
在窑体的第1节~9节，自第1节开始，每隔一节设置一处测温孔；在进入烧成带之后的第10节与16节各设置一处测温孔，在第19、21、23、25、27节各设置一处测温孔，共5处测温孔。
此外在烧成曲线的关键点，如窑头、氧化末段、晶型转化点、成瓷段、急冷结束等初都有测温孔的留设。
3.5.3膨胀缝
窑体受热会膨胀，产生很大的热应力，为避免窑体开裂，挤坏，必须重视窑体膨胀缝的留设。
本设计在窑节之间留20毫米膨胀缝，内填陶瓷棉。
3.5.4挡墙
本设计在预热带与烧成带的交界处设有挡墙，在烧成带与冷却带的交界处设有挡墙。
这样置一般都在温度拐点处，有利于温度和压力的调节。
4.1.6曲封、砂封和车封
窑墙与窑车之间、窑车与窑车之间做成曲折封闭。
曲封面贴一层高温耐火棉。
窑车之间要承受推力，所以在窑车接头的槽钢内填充散棉，以防止上下漏气。
砂封是利用窑车两侧的厚度约6～8mm的钢制裙板，窑车在窑内运动时，裙板插入窑两侧的内装有直径为1～3mm砂子的砂封槽内，隔断窑车上下空间。
砂封槽用厚度3mm左右的钢板制作而成，且留有膨胀缝。
在预热带和缓冷段头部的窑墙上各设置一对加砂斗。
4.1.7窑炉基础
窑炉基础、拖车道基础、回车线基础用毛石、混凝土或钢筋混凝土、三七灰土三层夯实。
3.1、排烟系统
在预热带从第2车位开始设置10对排烟口，烟气经过窑墙内水平烟道，由垂直烟道经窑顶金属管道到排烟机。
然后由铁皮烟囱排至大气。
排烟囱及铁皮烟囱皆设于预热带窑顶的平台上。
1号车位气幕为封闭气幕，窑顶和侧墙皆开孔。
气体喷出方向与窑火气流成90度角。
气氛气幕烧成带前端900摄氏度之前设置一道气氛幕，这是气氛出氧化转为还原的位置，从冷却带抽热风有窑侧墙和窑顶成90度垂直吹入。
3.2、燃烧系统
在烧成带10号到16号车位设7对燃烧室，每车位一对，不等距分布，前疏后密，一排布置，两侧相错排列
4.5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，冷却带实质上也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，余热风可供干燥用，从而达到节能目的。
4.5.1急冷段
17～18节为急冷带。
采用直接向窑内吹入冷风的方式，直接向窑内喷入冷风，并设置3对侧部抽热风口。
4.5.2缓冷段
19～26节为缓冷带。
缓冷采用间壁冷却的形式，在20到25节设置中空墙为间壁冷却。
4.5.2快冷段
27～28节为快冷带。
上下两排设置15对快冷风管，气源为外界空气。
4.7输送系统及附属装置
隧道窑内铺设轨道，轨道安放在钢架上的轨道垫板上，用螺丝联结并焊接。
窑车是制品运输的载体。
窑车底架由槽钢、钢板等用螺丝联结或焊接而成。
在窑头和窑尾各有一手动拖车道，每拖车道上有一辆拖车。
窑外有一条手动回车线。
拖车轨道和窑内轨道和回车线轨道相连接，并在同一水平面上。
空窑车在回车线上装载制品，然后推到拖车上，将拖车推到窑头，再用顶车机将窑车推入窑内，窑车从窑尾出来经拖车道送至回车线，并在回车线卸载制品。
窑头装有油压顶车机。
根据设定好的推车速度，顶车机将窑车顶入窑内。
顶车速度可调。
拖车道和回车线轨道直接装在轨道垫板上。
在自动回车线上设置有一个窑车下检查坑道，深约1.5米，其长宽尺寸约同窑车大小，用来检修运行不良的窑车。
在回车线前部和后部，各设置一道安全检查门，其断面尺寸和窑头断面、曲封尺寸一致。
检查门用多块薄钢板制作而成，用螺丝联结，可以调整其高度和宽度。
四：
窑体材料以及厚度的确定
窑体所采用的材料及其厚度应该满足各段使用性能的要求，受表面最高温度限制以及砖形、外观整齐等方面的因素的影响，考虑各处的温度，对窑墙、窑顶的要求，砖型及外型整齐等方面，根据上述原则，确定窑体的材料及厚度如下表：
温度范围
（°C）
窑墙材料及厚度（mm）
窑顶材料及厚度（mm）
高温
莫来
石绝
热
硅酸
铝纤
维/混
合纤
维
红
砖
钢
板
高温
莫来
石绝
热
硅酸
铝纤
维/混
和纤
维
红
砖
钢
板
进车室
230
230
200-600
230
100
10
230
100
10
600-1320
230
100
10
230
100
10
1320-700
230
100
10
230
100
10
700-60
230
100
10
230
100
10
出车室
230
230
五：
燃料燃烧计算
5.1、燃烧所需空气量和烟气量
所用燃料天然气，Qd=35.96MJ/Nm^3
5.1．1理论空气量：
Lo=0.264/1000*Qd+0.02=0.264/1000*35960+0.02=9.513（Nm3/Nm3）（Qd=35.96MJ/Nm^3）
5.1.2实际空气量:
取空气过剩系数α=1.06
La=αLo=1.06×9.513=10.084（Nm3/Nm3）
5.2.1理论烟气量：
Vg=aLo+0.38+0.018/1000*Qd=11.111（Nm3/Nm3）
5.2.2实际烟气量
V=Vg+（α-1）Lo=11.682（Nm3/Nm3）
5.3、燃烧温度
理论燃烧温度tth=（Qd+CrTr+CaLaTa）/VgCg
取室温为20°CTr=Ta=20°CCr=1.38KJ/（Nm3°C）Ca=1.30KJ/（Nm3°C）
假设烟气温度2000°C，则C1.67=KJ/（Nm3°C）
tth=2088°C相对误差小于%5符合要求
取高温系数η=0.80
则实际温度为:
Tp=0.80*2088oC=1670oC
比需求温度1320oC高，故符合要求
六：
物料平衡计算
7.1每小时烧成干制品的质量
=推车速度×每车载重=2.85×180=513kg/h
7.2每小时入窑干坯的质量
G1=Gm·100/（100-IL）=513×100/（100-5.72）=544kg/h
7.3每小时欲烧成湿制品的质量
G2=G1·100/（100-w）=544×100/（100-1.7）=553.4kg/h
7.4每小时蒸发的自由水的质量
GW=G2-G1=553.4－544=9.4kg/h
7.5.1每小时从精坯中引入的CaO和MgO质量
GCaO=G1·CaO%=544×0.25%=1.36kg/h
G
=G1·MgO%=544×0.45%=2.45kg/h
7.5.2产生的CO2质量
Gco
=Gc
o·
＋G
·
=3.77kg/h
7.6每小时从精坯中排除结构水的质量Gip
Gip=G1×IL%-Gco
=544×5.72%-3.77=27.35kg/h
6.7、棚板及支柱的质量
每块棚板的质量：
65*65*1*2.7=11.4Kg
每根支柱的质量：
Gb’=2.4×3×3×5=0.108Kg
每车棚板和支柱的质量：
Gb=（90*11.4+24*15*0.108）=102.6+38.8=141.4Kg
七：
加热带热平衡计算
8.1确定热平衡计算的基准、范围
本次计算选用1小时为计算基准，以0℃作为基准温度。
以预热带和烧成带为计算范围。
8.2热平衡示意图
Q1—坯体带入显热；
Q2—硼板、支柱等窑具带入显热；
Q3—产品带出显热；
Q4—硼板、支柱等窑具带出显热；
Q5—窑墙、顶总散热；
Q6—物化反应耗热；
Q7—窑车蓄热和散失热量；
Q8—其他热损失；
Qg—烟气带走显热；
Qf—燃料带入化学热及显热；
Qa—助燃空气带入显热；
Q/a—预热带漏入空气带入显热；
Qs—气幕、搅拌风带入显热；
1、热收入项目
1.坯体带入显热Q1
Q1=G1C1T1（kJ/h）
其中：
G1—入窑制品质量（Kg/h）；G1=544Kg/h；
T1—入窑制品的温度（℃）；T1=20℃
C1—入窑制品的平均比热（KJ/（Kg·℃））；T1=20℃时，C1=0.92KJ/（Kg·℃）；
Q1=G1C1T1=544×0.92×20=10009.6（kJ/h）
8.3.2硼板、支柱等窑具带入显热Q2
Q2=G2C2T2（kJ/h）
其中：
Gb—入窑硼板、支柱等窑具质量（Kg/h）；Gb=141.4Kg/h；
T2—入窑硼板、支柱等窑具的温度（℃）；T2=20℃
C2—入窑硼板、支柱等窑具的平均比热（KJ/（Kg·℃））；碳化硅硼板、支
柱的平均比热容按下式计算：
C2=0.963+0.000147t=0.963+0.000147×20=0.966KJ/（Kg·℃）
Q2=GbC2T2=141.4×0.966×20=2733.7（kJ/h）
8.3.3燃料带入化学热及显热Qf
Qf=（Qnet,ar+TfCf）x（kJ/h）
其中：
Qnet,ar—所用燃料低位发热量（KJ/m3）；燃料为天然气，低位发热量为：
Qnet,ar=34.5MJ/Nm3；
Tf—入窑燃料温度（℃）；入窑燃气温度为Tf=20℃；
Cf—入窑燃料的平均比热容（KJ/（Kg·℃））。
查表，20℃时发生炉煤气平均比热容Cf=3.0KJ/（Kg·℃）；
x—设每小时发生炉煤气的消耗量为x（m3/h）；
Qf=（Qnet,ar+TfCf）x=（34500+20×3.0）x=34560xkJ/h
8.3.4助燃空气带入显热Qa
Qa=qvCaTa（kJ/h）
其中：
qv,a—入窑助燃风流量（m3/h）；前面燃烧部分计算得：
qv=Va*x=11.682x（m3/h）；
Ta—入窑助燃风的平均温度（℃）；助燃风用冷却带抽出热风，Ta=20℃；
Ca—入窑助燃风的平均比热容（KJ/（Kg·℃））；查表，Ta=20℃助燃风时平均比热容为：
Ca=1.30KJ/（Kg·℃）；
Qa=qvCaTa=11.682x×1.30×20=303.73x（kJ/h）
8.3.5从预热带不严密处漏入空气带入显热Q/a
Qa'=qv'×Ca/×ta/
取预热带烟气中的空气过剩系数ag=2.5，已求出理论空气量Va=11.111Nm3/Nm3
烧成带燃料燃烧时空气过剩系数af=1.05。
Va/=x×（ag-af）×Va0=x（2.5-1.05）×11.111=16.11x（Nm3/h）
漏入空气温度为ta/=20℃，此时Ca/=1.30kJ/（Nm3·℃），则：
Qa/=qv/×Ca/×ta/=16.11x×1.30×20=418.88x（kJ/h）
8.3.6气幕、搅拌风带入显热Qs
取搅拌气幕风源为空气，其风量一般为理论助燃空气量的0.5-1.0倍，取为0.6倍。
所以：
Vs=0.6qv=0.6×16.11x=9.67x（Nm3/h），设ts=20℃，查得Cs=1.30kJ/（Nm3·℃），则Qs=Vs×Cs×ts=9.67x×1.30×20=251.3x（kJ/h）
8.4热支出项目
8.4.1制品带出显热Q3
Q3=G3C3T3（kJ/h）
出烧成带产品质量：
Gm=513kg/h
出烧成带产品温度：
t3=1320℃
查手册知，此时产品平均比热：
C3=1.20kJ/（kg•℃）
则：
Q3=Gm×C3×t3=513×1320×1.20=812592（kJ/h）
8.4.2硼板、支柱等窑具带出显热Q4
Q4=G4C4T4（kJ/h）
棚板、立柱质量：
Gb=141.4kg/h
出烧成带棚板、立柱温度：
T4=1320℃
此时棚板、立柱的平均比热：
C4=0.84+0.000264t=0.84+0.000264×1320=1.19kJ/（kg·℃）
Q4=Gb×C4×T4=141.4×1.19×1320=2264151（kJ/h）
8.4.3烟气带走显热Qg
Qg=qgCgTg（kJ/h）
烟气中包括燃烧生成的烟气，预热带不严密处漏入空气外，还有用于气幕的空气。
用于气幕的空气的体积Vs=0.90x（Nm3/h）
离窑烟气体积：
qg=[Lo+（ag-1）×Vo]x+Vs烟气温度为250℃
此时烟气比热Cg=1.44kJ/（Nm3·℃）
Qg＝qg×Cg×tg＝{[9.513+（2.5-1）×11.111]x+0.90x}×1.44×250
＝12610.7x（kJ/h）
通过窑墙、窑顶散失之热Q5
导热系数λ高温莫来石绝热砖=0.22W/（m℃）
纤维导热系数λ=0.11W/m℃
预热带、烧成带长度之和32m,窑顶散热面面积
A顶=2.1*32=67.2m2热流密度=1085w/m2
∴Q顶=1085*67.2=72912KJ/h
侧窑散热面积A=（1.115+0.780）*32*2=121.3m2热流q=734w/m2
∴Q墙=121.3*734=89019.5KJ/h
Q5=Q顶+Q墙=161931.5KJ/h
8.4.5窑车蓄热和散失热量Q6
根据经验数据，取热收入的10%。
8.4.6物化反应耗热Q7
8.4.6.1自由水蒸发吸热Qw
Qw=Gw×（2490+1.93×tg）自由水的质量Gw=9.4kg/h
烟气离窑的温度tg=250℃。
制品中AL2O3含量为19.655%
则可得：
Qw=9.4×（2490+1.93×250）=27941.5（kJ/h）
8.4.6.2其余物化反应吸热Qd
Qd=G1×2100×w（Al2O3）（kJ/h）
其中，G1—入窑干制品质量（Kg/h）；G1=544Kg/h；
2100—1KgAl2O3的反应热（KJ/Kg）；
w（Al2O3）—陶瓷洁具结合剂中Al2O3含量占总质量的质量分数；
w（Al2O3）=19.65%；
Qr=G1×2100×w（Al2O3）=544×2100×19.65%=224481.6（kJ/h）
则物化反应总耗热为：
Q7=37156.3+477580.95=252423.1（kJ/h）
8.4.7其他热损失Q8
根据经验数据，此项热支出占热收入的5%—10%
8.5列热平衡方程式
由热平衡方程：
热收入=热支出，有
Q1+Q2+Qf+Qa+Q/a+Qs=Q3+Q4+Qg+Q5+Q6+Q7+Q8
得出：
x=1983Nm3/h
9冷却带的热平衡计算
9.1确定热平衡计算的基准、范围
本次计算选用1小时为计算基准，以0℃作为基准温度。
以冷却带为计算范围。
9.2热平衡示意图
Q3—制品带入显热；
Q4—硼板、支柱等窑具带入显热；
Q9—窑车带入显热；
Q10—急冷风带入显热与冷却带末端送入冷却风带入显热；
Q11—制品带出显热；
Q12—硼板、支柱等窑具带出显热；
Q13—窑车蓄热、带出及散失之热；
Q14—窑墙、顶总散热；
Q15—抽走余热风带走热量；
Q16—其他热损失；
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