窑炉设计 隧道窑.docx
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窑炉设计隧道窑
洛阳理工学院
《隧道窑课程设计》说明书
题目：
年产30万件蹲便器隧道窑设计
学号：
B07010221姓名：
李志博
院（系）：
材料科学与工程学院
专业：
无机非金属材料工程
指导教师：
钱跃进
1前言………………………………………………………………………………………1
2设计任务与原始资料……………………………………………………………………4
3窑体主要尺寸的确定……………………………………………………………………5
3.1装车方法…………………………………………………………………………
3.2窑车尺寸的确定…………………………………………………………………
3.3窑主要尺寸的确定…………………………………………………………………
3.4各带长度的确定
3.5推车时间
4烧成制度的确定…………………………………………………………………………
5工作系统的确定…………………………………………………………………………
5.1燃烧系统…………………………………………………………………………
5.2排烟系统…………………………………………………………………………
5.3其他附属系统结构……………………………………………………………………
5.3.1事故处理孔…………………………………………………………………
5.3.2测温测压孔及观察孔………………………………………………………
5.3.3膨胀缝………………………………………………………………………
5.3.4挡墙…………………………………………………………………………
5.3.5窑体加固钢架结构形式……………………………………………………
6燃料及燃烧计算……………………………………………………………………………
6.1空气量的计算……………………………………………………………………
6.2烟气量的计算……………………………………………………………………
6.3理论燃烧温度的计算………………………………………………………………
7窑体材料及厚度的确定……………………………………………………………………
8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………………………………………………………
8.1.2热平衡框图……………………………………………………………………
8.1.3热收入项目……………………………………………………………………
8.1.4热支出项目……………………………………………………………………
8.1.5列出热平衡方程式……………………………………………………………
8.1.6列出预热带烧成带热平衡表…………………………………………………
9冷却带热平衡………………………………………………………………………………
9.2.1热平衡计算基准及范围………………………………………………………
9.2.2热平衡框图……………………………………………………………………
9.2.3热收入项目……………………………………………………………………
9.2.4热支出项目……………………………………………………………………
9.2.5列出热平衡方程式……………………………………………………………
9.2.6列出冷却带热平衡表…………………………………………………………
10烧嘴的选用…………………………………………………………………………………
11总结…………………………………………………………………………………………
12参考文献……………………………………………………………………………………
二设计任务与原始资料
2.1课程设计的目的与任务
本课程的目的是对学生学习《陶瓷工业热工设备》课程的最后总结，学生通过课程设计将能综合运用和巩固所学知识，并学会如何将理论知识和生产实践相结合，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、过程与内容。
2.2设计基本要求
2.2.1课程设计应当成为创造性劳动，应表达出自己的设计思想，而不是简单地照搬现成的资料，独立思考完成，杜绝抄袭往届的课程设计。
2.2.2窑炉结构和工作系统合理，设计计算正确，独立完成，大胆创新
2.2.3图纸：
清晰干净，制图规范，尺寸齐全；图纸文字一律仿宋字体，各字体大小参考机械制图书；图纸上墨。
2.2.4设计图纸范围：
窑体结构图，窑体主要断面图。
2.3设计任务
年产300000件蹲便器天燃气隧道窑设计
2.4原始数据
产品尺寸：
600*400*300产品质量4公斤/件；
入窑水分：
2%
产品合格率：
90%
烧成制度：
烧成周期：
18小时，最高烧成温度：
1250℃
窑具：
窑车
三窑体主要尺寸的确定
3.1装车方法
由于产品不能承受较大压力，为了便于装车和便于控制和测量温度及气氛，采用顺序单层次装车方案：
沿长度方向上装6列棚板，沿宽度方向上装3排棚板，高度方向上装4层。
3.2窑车尺寸的确定
取制品与制品间间距为50mm
窑车车面尺寸为：
长Lc=300*5+4*50=1700mm，
宽Lb=600*3+50*2=1900mm。
3.3窑主要尺寸的确定
取制品与窑顶间间距为100m。
窑内高：
H=4*（175+25）+100=900mm。
取车台面高为400mm。
窑高：
400+H=1300mm。
取窑车也窑墙间距为75mm。
窑内宽：
B=600*3+50*2+75*2=2050mm。
为改善窑内传热，使制品在烧成带受热均匀。
烧成带窑内宽加宽300mm，取2800mm。
全窑制品数：
G=300000/24/330=37.9件。
每车制品数：
Gc=3*5=15件。
装窑密度：
ρ=15/2.02=7.43件/米。
窑内存车数：
Nc=101/2.02=50辆，取50辆。
窑的有效长度：
L=50*2.02=101m，实际长度取101m。
3.4各带长度的确定
预热带：
Ly=101*10/18=56.1米，实际取57米。
烧成带：
LS=101*4/18=22.4米，实际取23米。
冷却带：
LL=101-57-23=21米。
3.5推车时间
每车用时：
18*60/50=22min。
设室内1/3的窑车数为备用车，则共需窑车数为50+16=66辆。
四工作系统的初步确定
5.1燃烧系统
在烧成带20-35号车位设10对烧嘴，均匀分布且呈交叉设置。
助燃空气不事先预热，由助燃风机直接抽取车间的室内空气。
5.2排烟系统
在预热带2-18号车位设17对排烟口，每车位一对交叉排列，烟气通过排烟孔到窑墙内的水平烟道，由3、6、9号车位的垂直烟道经窑顶的金属管道至排烟机，然后由铁皮烟囱排出至大气。
排烟机与铁皮烟囱皆设于预热带窑顶的平台上。
在冷却带的第35-43车位处设有21米长的间壁急冷段，由间壁上的7对小孔直接吸取车间冷空气。
同时，在同一段的窑顶有一段15米长的急冷风口，将排出去的热空气经窑顶上的金属管道送往预热带蹲气幕。
自40-49号车位设有4对热风抽出口，每车位对应一对。
5.3其他附属系统结构
5.3.1事故处理孔
事故处理孔尺寸为：
宽500毫米，高1250毫米，分别设在18号车位和34车位。
5.3.2 测温孔及观察孔
测温孔及观察孔在烧成曲线的关键处设置测温孔，低温段稀疏，高温处密集，以便于更好地了解窑内各段的温度情况。
观察孔是为了观察烧嘴的情况。
5.3.3测压孔
压力制度中零压面的位置控制特别重要，一般控制在预热带和烧成带交接面附近。
若零压过多移向预热带，则烧成带正压过大，有大量热气体逸出窑外，不但损失热量，而且恶化操作条件；若零压过多移向烧成带，则预热带负压大，易漏入大量冷风，造成气体分层，上下温差过大，延长了烧成周期，消耗了燃料。
本设计以观察孔代替测压孔。
5.3.4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，必须留设膨胀缝。
分别在4、8、11、14、16、18、21、24、29号车位设置20mm的膨胀缝。
5.3.5窑道档板和挡火墙
窑道上的档板和挡火墙可以起到窑内气体的上下和水平导流、调整升温曲线、蓄热辐射及截流作用。
档板负责对窑内上半窑道的控制,采用耐高温硬质陶瓷纤维板制成,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。
窑道档板和挡火墙设置在同一横截面上。
全窑共设置5对闸板和挡火墙结构，分别设置在9-10节、13-14节、23-24节、28-29节。
5.3.6钢架结构
遂道窑钢架结构起着加固窑体作用，而钢架本身又是传动系统的机身。
本设计采用金属框架装配式钢架结构，立柱用2.5t×75×50mm方钢、上横梁用2.3t×50×50mm方钢、下梁用2.5t×100×50mm方钢。
在一节窑体钢架中，每侧共有立柱3根，两头每个立柱上开有攻M12螺栓节间联接的6个孔。
下横梁每节共3根，焊在底侧梁上，下横梁上焊有50×50mm的等边角钢作底架，以便在其上搁置底板。
上下侧板可用2～3mm钢板冲压制成，吊顶梁采用50×50×5mm的等边角钢。
五燃料燃烧的计算
6.1空气量的计算
6.1.1理论空气量：
V
V
=［0.5CO+0.5H2+2CH4+（m+
）CmHn+1.5H2S-O2］*
=［0.5*6.8+0.5*57+2*22.3+（m+
）*2.9+1.50.2-0.8］*
因为组分CmHn的化学式不明确，所以采用经验数据进行计算。
据Qnet=17.52MJ/Nm3>12.56MJ/Nm3,
所以：
V
=0.26*
-0.25=4.3Nm3
6.1.2实际空气量Va
设空气过剩量系数为r=1.25
Va=r*V
=5.38（Nm3/Nm3）
6.2烟气生成量的计算
6.2.1理论烟气量Vo
Vo=0.272*
+0.25=5.0Nm3
6.2.2实际烟气量V
又α=
=
=1.25
V=Vo+（1.25-1）V
=6.075MJ/Nm3
6.3燃烧温度的计算
6.3.1燃料的成分及热值
6.3.2理论燃烧温度Tth
假定空气不预热ta=20℃此时Ca=1.30KJ/Nm3.℃
天燃气tf=20KJ/Nm3Cf=1.41KJ/Nm3
烟气tc=1210℃Cc=1.58KJ/Nm3
则Tth=
=
=1830.9℃
相对误差ε=
=33.9%》5%
应当再进行计算：
取烟气tc=1700℃Cc=1.65KJ/Nm3.KJ/Nm3.℃
则Tth=
=
=1753.26℃
相对误差ε=
=2%<5%
符合计算要求，即Tth=1753.26℃.
6.3.3实际燃烧温度Tp
隧道窑的高温系数取：
η=0.8
则Tp=Tth*0.8=1402.6℃
比制品烧成温度高了152.5℃.
所以，空气和燃料可不用事先预热亦可达到烧成温度的要求，即先前的假设是正确可取的。
六窑体材料的确定
根据各带的温度对窑墙、窑顶的要求，考虑砖型及外观，以及经济等因素，窑体材料的选择和参数列于下表：
温度范围
长度范围
窑壁材料厚度
窑顶材料厚度
钢板
粘土砖
轻质粘土砖
高铝砖
红砖
硅藻土转
钢架
轻质粘土砖
石棉
粘土砖
20-900
0-35
30
320
450
100*100
150
350
900-1210
35-55
30
500
220
100*100
400
200
1210-80
55-96
30
220
200
100*100
250
图表4窑体材料材质及厚度
七热平衡的计算
8.1计算基准
8.1.1热平衡的计算标准：
计算时间基准：
1h
计算温度基准：
0℃
8.1.2热平衡计算范围：
Q
预热带和烧成带，不包括冷却带，冷却带另外单独计算。
Qa
Qf
8.1.3热平衡收支图
Q1
Qg
热收支平衡图
Q8
Q2
Q3
Q4
Q5
Q7
Q6
Q1=坯体带入的显热
Q2=棚板带入的显热
Q3=产品带出的显热
Q4=棚板带出的显热
Q5=窑墙窑顶散热
Q6=窑车积散热
Q7=物化反应耗热
Q8=其他热损失
Qg=废气带走显热
Q
=漏入空气显热
Qa=助燃空气带入显热
Qf=燃料带入化学热及显热
图表5热平衡收支示意图1
8.2热收入
8.2.1坯体体带入的显热
坯体入窑时的热数据：
温度t120℃
比热c10.9kJ/kg.℃
每小时入窑干制品的质量G12400kg/h
则Q1=G1*c1*t1=43197kJ/h。
8.2.2棚板带入的显热
棚板入窑时的热数据：
温度t2=20℃
比热c2=0.75kJ/kg.℃
每小时入窑棚板的总质量G2=1147.5kg/h
则Q2=G2*c2*t2=17212.5kJ/h。
8.2.3燃料带入的化学热及显热Qf
设每小时需天燃气XNm3/h：
燃料的化学热数据：
Qnet=17520kJ/Nm3；
温度tf=20℃；
比热cf=1.41kJ/Nm3.℃；
则Qf=X*（Qnet+tf*cf）=X*17548.2kJ/h。
8.2.4助燃空气带入的显热Qa
助燃空气热数据：
温度ta=20℃；
比热ca=1.29kJ/Nm3.℃；
每小时需助燃空气量Va=5.38X；
则Qa=Va*ca*ta=X*138.8kJ/h。
8.2.5漏入空气带入显热Q
取预热带烟气中空气过剩系数αg=2.5,；
取烧成带燃料燃烧时空气过剩系数αf=1.29；
漏入空气的热数据：
温度t
=20℃；
比热c
=1.29kJ/Nm3.℃
每小时漏入空气量V
=X*（αg-αf）*V
=X*6.9Nm3/h；
Q
=V
*c
*t
=X*178kJ/h。
8.2.6气幕空气带入显热Qm
用作气幕的气体为冷却段急冷段处抽出来的热空气，其带入的显热由冷却带热平衡计算。
Qm=7200*cm*tm=2358000kJ/h.
8.3热支出
8.3.1制品带出显热Q3
离开烧成带制品的热数据：
温度t3=1210℃；
比热c3=0.92kJ/kg.℃；
烧成制品质量G3=2282.4kg/h；
则Q3=G3*c3*t3=2540767.7kJ/h.
8.3.2棚板带走显热Q4
离开烧成带棚板的热数据:
温度t4=1210℃；
比热c4=0.80kJ/kg.℃；
棚板质量G4=1147.5kg/h;
则Q4=G4*c4*t4=1110780kJ/h.
8.3.3烟气带走显热Qg
烟气包括燃料燃烧产生的烟气、预热带从不严密处漏出烟气，还有用于气幕的空气，其中气幕空气体积有冷却带热平衡计算：
Vm=72000Nm3/h.
离窑烟气热数据：
温度tg=250℃；
比热cg=1.32kJ/Nm3.℃；
体积Vg=[V
+（αg-1）*V
]*X+VmNm3/h；
则Qg=Vg*cg*tg=2004.75*X+330*Vm。
8.3.4窑车积散热Q6
采用经验计算方法：
窑车积散热占总热收入的25%。
8.3.5通过窑墙窑顶散失的热Q5
因各段窑墙窑顶的筑炉材料不尽相同，因此各段散热应加以分别计算。
8.3.5.1预热段
窑墙材料热数据：
窑墙厚S1=δ1+δ2+δ3=30+320+450=800mm
温差t2-t1=900-20=880℃
导热系数λ1=43.2，λ2=0.33，λ3=0.7
窑墙面积S1=108.5m2
则热流量q1=
=
=545.5W/m2窑墙散热Q1=q1*S1=59186.75kJ/h.
窑顶材料热数据：
窑顶厚S2=δ1+δ2=150+350=500mm
温差t2-t1=880℃
导热系数λ1=0.073，λ2=0.7
窑顶面积S2=115.5m2
则热流量q2=
=
=344.45W/m2
窑顶散热Q1=q2*S2=39784kJ/h.
8.3.5.2烧成段
窑墙材料热数据：
窑墙厚S1=δ1+δ2+δ3=30+220+500=750mm
温差t2-t1=1210-20=1190℃
导热系数λ1=43.2，λ2=0.105，λ3=0.092
窑墙面积S1=76m2
则热流量q1=
=
=158W/m2
窑墙散热Q1=q1*S1=12009.5kJ/h.
窑顶材料热数据：
窑顶厚S2=δ1+δ2=200+400=800mm
温差t2-t1=1190℃
导热系数λ1=0.073，λ2=0.092
窑顶面积S2=72m2
则热流量q2=
=
=168W/m2窑顶散热Q1=q2*S2=12088.8kJ/h.
8.3.6物化反应耗热Q7
入窑水分：
<1%取0.8%
自由水质量Gw=0.008*G1=19kg/h。
制品中含Al2O3，r=17.5%
根据经验公式：
Q7=Qw+Qr
=Gw（2490+1.93tg）+Gr*1200*r=212062kJ/h.
8.3.7其他热损失Q8
采用经验计算方法，其他热损失占总热收入的5%。
8.4热平衡方程
Q收=Q支
Q收=Q1+Q2+Qf+Qa+Q
=Qg+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8=Q支
解得X=179.3m3
8.5热值收支表
图表6热值收支表1
八冷却带热平衡的计算
9.1计算基准
9.1.1热平衡的计算标准：
计算时间基准：
1h
计算温度基准：
0℃
9.1.2热平衡计算范围：
Q10
预热带和烧成带，不包括冷却带，冷却带另外单独计算。
Q9
9.1.3热平衡收支图
Q3
Q16
热收支平衡图
Q17
Q4
Q11
Q12
Q13
Q15
Q14
Q3=坯体带入的显热
Q4=棚板带入的显热
Q9=窑车带入的显热
Q10=冷却带末端送入空气带入的显热
Q11=坯体带出的显热
Q12=棚板等带出显热
Q13=窑车积散热
Q14=抽送干燥用的空气带走的显热
Q15=窑墙窑顶散热
Q16=抽送气幕热空气带走的显热
Q17=其他热损失
图表7热平衡收支示意图2
9.2热收入项目
9.2.1坯体带入显热Q3
Q3即为烧成带坯体带出的显热,即：
Q3=2540767.7kJ/h。
9.2.2棚板等带入显热Q4
Q4即为烧成带棚板带出的显热，即：
Q4=1110780kJ/h。
9.2.3窑车带入显热Q9
Q9即为烧成带窑车带出显热，即：
Q9=Qsum*0.25*0.95
9.2.4冷却带末端送入空气带入显热Q10
送入空气热数据：
温度ta=20℃；
比热ca=1.29kJ/Nm3.℃。
送入空气量Vm=7200Nm3/h.
则Q10=Vm*ta*ca=26*Vm=187200kJ/h.
9.3热支出项目
9.3.1坯体带出显热Q11
出窑制品热数据：
温度t11=80℃；
比热c11=0.905kJ/kg.℃
出窑制品的质量G11=2281kg/h
则Q11=G11*c11*t11=165166.5kJ/h.
9.3.2棚板等带出显热Q12
棚板的热数据：
温度t12=80℃；
比热c12=0.75kJ/kg.℃；
棚板的质量G12=1147.5kg/h。
则Q12=G12*c12*t12=68850kJ/h。
9.3.3窑车带走和散失的热Q13
采用经验算法，占窑车带入热量的55%
Q13=0.55*Q9=0.55*Qsum*0.25*0.95。
9.3.4抽送干燥用的空气带走的显热Q14
抽送干燥用的空气为冷空气鼓入量Vx，并设此时空气温度为t14=250℃，c14=1.31kJ/Nm3.℃.
则Q14=Vx*c14*t14=327Vx。
9.3.5窑墙窑顶散失热Q15
窑墙材料热数据：
窑墙厚S1=δ1+δ2+δ3=30+220+200=450mm
温差t2-t1=1210-80=1130℃
导热系数λ1=43.2，λ2=0.7，λ3=1.5
窑墙面积S1=116.85m2
则热流量q1=
=
=2520.5W/m2
窑墙散热Q1=q1*S1=294527kJ/h.
窑顶材料热数据：
窑顶厚S2=δ=250mm
温差t2-t1=1130℃
导热系数λ=0.7kJ/kg.℃
窑顶面积S2=120.95m2
则热流量q2=
=
=3955W/m2
窑顶散热Q1=q2*S2=478357kJ/h.
9.3.6抽送气幕热空气带走的显热Q16
设每个小孔的气流量为Vo=800Nm3/h
气幕空气的热数据：
温度t16=250℃；
比热c16=1.31kJ/Nm3.℃；
气幕空气量Vm=9*Vo=7200Nm3/h.
则Q16=Vm*c16*t16=2358000kJ/h。
9.3.7其他热损失Q17
采用经验计算方法，为收入量的5%。
9.4热平衡方程
热收入=热支出
Q3+Q4+Q9+Q10=Q11+Q12+Q13+Q14+Q15+Q16+Q17
解得Vx=3245m3
9.5热值收支表
图表8热值收支表2
热收入
热支出
项目
热值KJ/h
占收入百分比%
项目
热值KJ/h
占支出百分比%
Q3
Q11
Q4
Q12
Q9
Q13
Q10
Q14
Q15
Q16
Q17
Qsum
九烧嘴的选择
每小时燃料消耗求出为X=173.9Nm3/h，该窑共设10对烧嘴。
每个烧嘴的燃料消耗量为：
173.9/20=10.87Nm3/h，查《现代建筑陶瓷工程师手册》选烧嘴号：
DW-I-3型涡流式短焰烧嘴，其生产能力为18Nm3/h，烧嘴前液化气压力为800Pa，空气压力为2000Pa，与其配合的烧嘴砖厚为230mm。
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