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隧道窑设计

景德镇陶瓷学院

《窑炉课程设计》说明书

题目：

年产265万件9寸平盘隧道窑

院（系）：

材料学院

专业：

08热工

（1）班

姓名：

陈亮华

学号：

200810610103

指导老师：

孙健

2011年10月13日

景德镇陶瓷学院

《窑炉课程设计》说明书

题目：

年产265万件9寸平盘隧道窑

院（系）：

材料学院

专业：

08热工

（1）班

姓名：

张韶磊

学号：

200810610133

指导教师：

孙健

20011年10月27日

前言

本次设计是设计年产265万件9寸平盘隧道窑。

经过此次设计，我对隧道窑有了进一步的了解，巩固了所学的有关隧道窑方面的知识。

在初步掌握了隧道窑结构的基础上，通过本次设计，使我对隧道窑认识更加全面。

设计任务书

原始资料收集

1、生产任务：

年产量265万件9寸平盘

2、产品的规格：

0.220kg∕件

3、工作日：

330天∕年

4、成品率：

98﹪

5、燃料的种类：

焦炉煤气组成如下：

H2

H2S

CO2

CO

N2

O2

CH4

CnHm

Qnet（MJ/Nm3）

58.5

0.1

1.6

5.9

5.0

0.4

25.5

3.0

17.4

6、坯体入窑水分：

2.2%

7、原料组成

坯料的化学组成（%）：

SiO2

Al2O3

CaO

MgO2

Fe2O3

K2O

Na2O

IL

70.10

19.65

0.25

0.45

1.05

1.0

1.75

5.72

8、烧成制度：

周期19小时

9、最高烧成温度：

1310oC

10、气氛制度：

还原气氛

11、窑具：

SiC棚板、SiC支柱尺寸自定

目录

一：

烧成制度的确定…………………………………………………………….4

二：

窑体主要尺寸的确定………………………………………………………...4

三：

工作系统的安排………………………………………………………………6

四：

窑体材料以及厚度的确定………………………………………………………8

五：

燃料燃烧计算…………………………………………………………………8

六：

物料平衡计算…………………………………………………………………9

七：

加热带热平衡计算……………………………………………………………10

八：

冷却带热平衡计算……………………………………………………………14

九：

排烟系统的设计计算…………………………………………………………17

十:

后记…………………………………………………………………………19

十二:

参考文献……………………………………………………………………20

一：

烧成制度的确定

1.1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℃—200℃2.5小时预热带氧化气氛

200℃—800℃2.5小时预热带氧化气氛

800℃—1050℃1小时预热带氧化气氛

1050℃—1310℃4小时烧成带还原气氛

1310℃—1310℃1小时保温阶段

1310℃—800℃2小时冷却带

800℃—60℃6小时冷却带

烧成周期:

21小时

1.2烧成曲线图如下：

二：

窑体主要尺寸的确定

2.1、窑内宽的确定

2.1.1、坯体规格

因此坯体规格：

255×25=6375mm2

2.1.2、装车方法的确定：

（车上棚板的放置方法）

沿车的长度方向装5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6行棚板，每个棚板的间距为10mm，棚板与车边间距为20mm。

棚板采用的规格为：

360×360×10重量：

2.2g/cm-3

支柱：

高40mm重量：

2.2g/cm-3

故窑车车面的尺寸：

Le（长）=2250mm

Be（宽）=1880mm

所以为了方便预热带和冷却带均取一样的内宽：

B=1930mm（其中25mm为窑车与窑墙的间距），为了改善传热，在烧成带窑宽增加70mm,B/=2000mm

2.2、窑内高尺寸的确定：

2.2.1、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7层放。

则高度为：

660mm，取715mm（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285mm，为了避免火焰直接冲刷制品，窑车上设300mm高的通道（由145mm厚的耐火粘土板及粘土砖组成）窑车的高度为：

H（车）=285+145+300=700mm

2.3、窑体有效长度的确定

每块棚板制品装1件，则：

装车密度Ge=6×5×7=210件/车

装窑密度=210/2.25=93.33（件/米）

窑长L=（生产任务*烧成时间/年工作日）/（成品率*装窑密度）

=（2650000×19/330×24）/0.98×93.33

=69.5m

窑内容车数：

n=L/2=31辆

2.3、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=7/21×70=22.1m

烧成带长Ls=（烧成时间/总烧成时间）×总长=5/21×70=18.4m

冷却带长Lv=（冷却时间/总烧成时间）×总长=9/21×70=29.5m

2.5、窑体总长度的确定

窑体总长为L=70米

推车时间：

19×60/31=36.7（分/车）

每小时推车数：

60/36.7=1.63（车/小时）

三：

工作系统的确定

3.1窑体

以2米为一个模数单元节，全窑70米，共有35节。

窑体由窑墙主体、窑顶和钢架组成窑体材料由外部钢架结构（包括窑体加固系统和外观装饰墙板）和内部耐火隔热材料衬体组成。

砌筑部分，均采用轻质耐火隔热材料。

窑墙、窑顶和窑车衬体围成的空间形成窑炉隧道，制品在其中完成烧成过程。

3.1.1钢架

每一钢架长度为2米，含钢架膨胀缝。

全窑共54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。

3.1.2窑墙

窑墙采用轻质耐火隔热材料。

常用材质如下：

聚轻高铝砖，轻质粘土砖，硅酸铝纤维毯，硅钙板，轻质高铝砖等耐火材料。

窑墙砌筑在钢结构上。

每隔两米留设20mm左右的热膨胀缝，用含锆散棉填实。

窑墙最外面用10mm厚的碳酸钙板。

3.1.3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，可大大减少窑体蓄热。

3.1.4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。

3.1.5测温孔

为了严密监视及控制窑内温度和压力制度，及时调节烧嘴的开度，一般在窑道顶及侧墙留设测温孔安装热电偶。

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。

3.1.6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。

3.2排烟系统

为了更好的利用烟气的热量能，采用分散排烟的方式。

在预热带1～6节设为排烟段，第一节两侧墙设置一道气幕，喷入有冷却带抽出的热风，并在窑头上部设一对排烟口，后半部下部和上部各设1对排烟口，第二节上部也加设1对排烟口，目的是使气流压力自平衡，以减少窑外冷风和向内侵入，其余每节在下部各设2对排烟口。

主烟道位于窑头方向，上设有排烟支阀。

烟气由各排烟口经窑墙内水平烟道进入窑内垂直烟管，汇总到排烟总管由排烟机抽出，送到成型车间干燥坯体。

为了方便调节预热带温度，在第7～11节上部设置喷风管，每节设3跟，一侧2

根另一侧则1根，反复交错布置，达到减小预热带上下温差的目的。

为了提高预热带后段下部制品温度，进一步缩小预热带后段的温差，在第7～11节下部设置高速调温烧嘴，每节设3只，高度就设在窑车棚板的下部通道上，两侧墙则交错布置。

3.3气幕的设定

1号车位窑头设封闭气幕。

考虑到烟气温度不是很高，故窑顶采用钢板风盒，出风与进车方向成90度角；窑两侧墙内竖插管道，管壁开孔与进车方向成90度角。

封闭气幕的风源为外界空气。

3.4燃烧系统

此窑采用两侧垂直和水平交错排列，这样有利于均匀窑温和调节烧成曲线。

下部烧嘴喷火口对准装载制品的下部火道，上部烧嘴喷火口对准装载制品上方的部分。

烧嘴

直接砌筑在窑墙上，采用刚玉莫来石材质。

第12～20节为烧成带，前两节仍与预热带一样，仅在下部设置3对烧嘴，从20节开始，每节上下均布有高速烧嘴，上部设置2只，下部设置3只，上下与两墙均呈交错布置，这样有利于烧成带温度制度的调节。

3.5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。

冷却带按烧成工艺分成三段，第21～24节为急冷段。

该段采用喷入急冷风直接冷却方法，除急冷前两节只在后半部分设冷风喷口（上设4对，下设3对）外，其余每节上部设5对，下部设4对冷风喷口。

上下风口交错设置；第25～29节为缓冷段，该节交错的设置若干抽气孔；第30～3节为快冷段，为加强出窑前的快速冷却，该段第46～52节布置冷风喷管，直接鼓入冷风，每节7对——上部4对，下部3对，下一节则上部3对，下部4对。

窑尾2节则在顶部设置抽热口，由抽热风机送至干燥室。

抽热风系统包括两部分：

一部分是急冷段抽热，冷一部分为窑尾快冷段直接抽热风系统，另一部分为窑尾快冷直接抽热风系统，各配2台抽热风机。

窑尾2节的窑顶设计成整体抽热风罩，该段抽出的热风有快冷段抽热风机系统抽出。

3.6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、钢板等经螺丝联结、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

窑墙、窑顶所采用的材料及厚度应满足各段使用性能要求，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（oC）

长度范围（m）

窑墙材料及厚度（mm）

窑顶材料及厚度（mm）

聚轻高铝砖

轻质粘土砖

硅酸铝纤维毯

硅钙板

迳青石—莫来石吊顶板

（硅酸铝纤维/混合纤维）

岩棉毯

结晶铝纤维毯

200-800

1-11

230

115

50　

10

15

150

100　

800-1320

12-20

345

150　

10

230

100

10

1320-60

20-35

345

150　

10

230

100

10

五：

燃料燃烧计算

5.1、燃烧所需空气量

5.1．1理论空气量：

L0=0.26Qd/1000+0.02=4.544（Nm3/Nm3）

5.1.2实际空气量:

取空气过剩系数α=1.06

La=1.06×L0=4.817（Nm3/Nm3）

5.2、燃烧产生烟气量

5.2.1理论烟气量：

Vg=aL0+0.68+0.06×（）Q

5.2.2实际烟气量

V=Vo+（α-1）Voa=4.46+0.23=4.69（Nm3/Nm3）

5.3、燃烧温度

理论燃烧温度tth=（Qnet+CfTf+VaCaTa）/VC

=（35960+10.43×20+1.571×20）/11.4C

Ta=Tf=20oCCa=1.30KJ/Nm3oCCf=1.38KJ/Nm3oC

设2000oC,C2000=1.67KJ/Nm3oC,T=QD*Va*Ca*ta+Cf*tf/Vc

t=2038相对误差小于%5

取高温系数η=0.80

则实际温度为:

Tp=0.80*2038oC=1630.4oC

比需求温度1310oC高

所以空气可不预热便可达到烧成温度要求。

六：

物料平衡计算

6.1、每小时烧成制品质量Gm

Gm=0.375×733=275（Kg/h）

6.2、每小时烧成干坯质量Ggp

Ggp=Gm×100/（100-IL）=275×100/（100-5.72）=292（Kg/h）

6.3、每小时入窑的湿制品质量Gsp

Gsp=Ggp×100/（100-W）=292×100/（100-1.9）=298（Kg/h）

6.4、每小时蒸发自由水的质量G2s

G2s=Gsp-Ggp=298-292=6.0（Kg/h）

6.5.1每小时从精坯中引入的CaO质量GCao和MgO质量GMgO

GCao=Ggp×Cao﹪=292×0.25﹪=0.73（Kg/h）

GMgO=Ggp×MgO﹪=292×0.45﹪=1.31（Kg/h）

6.5.2、GCO2=GCao×MCO2/MCao+GMgO×MCO2/MMgO

=0.73×44/56+1.31×44/40=0.57+1.44=2.01（Kg/h）

6.6、每小时从精坯中分解出的结构水质量Gjp

Gjp=Ggp×IL﹪-GCO2=292×5.72﹪-2.01=14.7（Kg/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

7.1预热带及烧成带的热平衡计算

7.1.1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热平衡框图

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

1、热收入项目

1.制品带入显热Q1

入窑制品的含1.9%自由水,

Gsp=Ggp*100/（100-W）=298/（1-0.019）=293Kg/h

入窑制品温度t’=20℃

入窑制品比热取为:

C1=0.95KJ/kgoC

Q1=G1*C1*t’=293*0.95*20=5567KJ/h

2.棚板及支柱带入的显热Q2

C=0.963KJ/Kg℃

Q2=Gb*C*t=2.85*141.4*20*0.963=7767.85KJ/h

3.燃料带入化学Qf

已知Qn=17400KJ/Nm3入窑温度t=20℃

查表得，C=1.38KJ/kg℃设每小时燃气X千克

Qf=x（17400*1.38*20）=17427.6xKJ/h

4.助燃空气带入Qa

燃料所要空气量Va=4.11m3/m3

空气温度t=20℃,可得：

C=1.3KJ/Nm3℃

Qa=Va*C*t=4.11x*1.30*20=106.86xKJ/h

5.漏入空气Qb

理论空气量Voa=3.88Nm3/Nm3

烧成带取空气系数a=0.95离窑烟气中空气过剩系数

Va=x*（ag-af）Vo=x*（1.85-0.95）*3.88=3.5x

Qb=Va*C*t=3.5x*1.30*20=90.8xKJ/h

2、热支出项目

①制品带出显热Q3

出烧成带产品质量G3=293kg/h（不考虑灼减）

出烧成带产品温度t3=1310℃

查得产品的平均比热C3=1.20KJ/kg℃

Q3=Gm*C*t=293*1310*1.20=366121.1KJ/h

②棚板及支柱带走显热Q4

棚板及支柱质量G4=1064kg/h

出烧成带温度t4=1310℃

C4=0.96+0.000146t*1310=1.151KJ/Kg℃

Q4=1064*2.85*1310*1.151=466774.4KJ/h

③烟气带走显热Qg

烟气中包括燃烧生成的烟气即预热带不严密处漏入之空气外

离窑烟气体积Vg=[Voa+（ag-1）Vog]x+Vm

离窑烟气温度为220℃，

取tg=220℃Cg=1.41KJ/Kg℃

Qg=Vg*Cg*tg={[Voa+（ag-1）Vog]x*Cg*tg

=[4.46+（1.85-1）]x3.88*1.41*220=652441.4KJ/h

④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50.3m,窑顶散热面面积

A顶=2.1*50.3=105.6m2热流密度=1085w/m2

∴Q顶=1085*105.6=114608.6KJ/h

侧窑散热面积A=（1.115+0.780）*50.3*2=190.7m2热流q=734w/m2

∴Q墙=190.7*734=139927.6KJ/h

Q5=Q顶+Q墙=161402.8KJ/h

5.物化反应耗热Q7

1）自由水蒸发QwT1=220℃G=6.0Kg/h

2）结构水脱水吸热：

Gw=14.7Kg/h

3）Qw=6.0*（2490+1.93tg）=6*（2490+1.93*220）=17487.6KJ/Kg

4）Qw1=14.7*6700=98490KJ/Kg

2其余物化反应Qr

制品中Al2O3含量为19.56%Qr=292*2100*0.1956=119941.9KJ/Kg

物化反应：

Q7=119941.9+98490+174873.6=235919.2KJ/Kg

6.窑车积蓄与散失Q6

取经验数据，占收入的15%

7.其他热损失Q8

取经验数据，占收入的5%

列出平衡方程

热支出=热收入

Q1+Q2+Qa+Qb`+Qf=Q3+Q7+Qg+Q5+Q6+Q8+Q4

7.1.5列出热平衡方程式

因为：

热收入=热支出

所以：

Q1+Q2+Qf+Qa+Qa`=Q3+Q4+Qg+Q5+Q6+Q7+Q8

得出：

x=112.98=113

7.1.6列出预热带及烧成带热平衡表并分析讨论

表8-1预热带、烧成带热平衡分析表

热收入

热支出

项目

KJ/h

%

项目

KJ/h

%

1.坯体带入显热

5567

0.27

1.产品带出显热

366121.1

18.26

2.棚板及支柱显热

7767.85

0.38

2.棚板及支柱显热

466744.4

23.28

3.燃料化学热显热

1969317.8

98.21

3.烟气显热

652441.4

32.54

4.助燃空气显热

12074

0.612

4.窑墙、窑顶散热

161402.8

8.05

5.漏入空气显热

10283

0.6

5.窑车积散热

301558

15.04

6.物化反应耗热

118297.6

5.9

7.其它热损失

99851.2

4.98

总计

2005009.65

100.00

总计

2005044.5

100.0

通过预热带和冷却带的热平衡计算可以看出，热收入的主要来源是燃料的化学显热，而热支出主要是由烟气带走大部分热量，另外产品和棚板好友窑车也带走了相当的热量。

八、冷却带热平衡计算

8.1冷却带热平衡

8.1.1热平衡计算及范围

热平衡计算基准为：

1h,0℃。

计算范围为：

冷却带。

8.1.2热平衡框图

Q3Q4

↓↓

Q9→→Q11

Q10→→Q12

↓↓↓↓

Q13Q14Q15Q损

其中Q3—产品带入显热Q4—棚板及支柱带入显热

Q9—窑车带入显热Q10—冷却带末端送入空气显热

Q11—产品带出显热Q12—棚板及支柱带出显热

Q13—窑车带走和向车下散失之热Q14—抽送干燥用空气带走显热

Q15—窑墙、窑顶散热Q损—其它热损失

8.1.3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=366121.1kJ/h

②棚板及支柱带入显热Q4

此项热量即为预热、烧成带棚板、支柱带入显热：

Q4=466744.4kJ/h

③窑车带入显热Q9

预热、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=0.95Q6=0.95*652441.4=619819.3kJ/h

④冷却带末端送入空气带入显热Q10

ta=20℃,此温度下空气平均比热为ca=1.30kJ/m3℃

Q10=Vvcata=26VakJ/h

8.2.4热支出项目

1产品带出显热Q11

出窑产品质量G11=384.75kg/h,出窑产品温度t11=60℃,此温度下产品平均比热c11=0.896kJ/kg℃

则Q11=G11c11t11=384.75*0.896*60=20401.2kJ/h

2支柱带出显热Q12

出窑棚板及支柱质量：

G12=348+487.67=835.67kg/h

出窑棚板及支柱温度：

t12=60℃

在60℃是棚板及支柱比热为：

c12=0.84+0.00026t=0.84+0.00026*60=0.8556kJ/kg℃

则Q12=G12c12t12=835.67*0.8556*80=43099.2kJ/h

3车带走和向下散失之热Q13

此项热量占窑车带走显热的55%，

所以Q13=0.55Q9=0.55*1