玻璃马蹄焰池窑课程设计说明书.docx

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玻璃马蹄焰池窑课程设计说明书

集团文件发布号：

（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-19882）

玻璃马蹄焰池窑课程设计说明书

玻璃窑炉及设计课程设计说明书

题目：

年产42200吨高白料酒瓶燃油

蓄热式马蹄焰池窑设计

学生姓名：

\

学号：

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：

2013年6月20日

1绪论

课程设计是培养学生运用《窑炉及设计（玻璃）》课程的理论和专业知识，解决实际问题，进一步提高设计、运算、使用专业资料等能力的重要教学环节。

目的是使学生受到设计方法的初步训练，逐步树立正确的设计观点，增强设计能力、创新能力和综合能力，初步掌握窑炉及其它热工设备设计的基本知识和技能，并对所学窑炉热工理论知识进行验证和深化，为将来从事生产、设计、研究及教学等方面工作打下良好的基础。

同时为毕业设计（论文）奠定良好的基础。

1.1设计依据：

（1）设计题目：

年产42200吨高白料酒瓶燃油马蹄焰玻璃池窑的设计

（2）原始数据:

产品规格：

高白酒瓶容量550mL,重量450g/只

行列机年工作时间及机时利用率：

325天，95%

机速：

QD8行列机高白酒瓶75只/分钟

QD6行列机高白酒瓶42只/分钟

产品合格率：

90%

玻璃熔化温度1430℃

玻璃形成过程耗热量q玻=2350kJ/kg玻璃液

重油组成（质量分数%），见表1。

表1重油组成

Car

Har

Nar

Oar

Sar

Mar

Aar

合计

89.43

6.50

0.60

0.01

0.43

3.00

0.03

100

1.2简述玻璃窑炉的发展历史及今后的发展动向

玻璃生产专用热工设备统称为玻璃窑炉。

玻璃窑炉是玻璃行业生产的心脏，是能源消耗的主要设备。

目前我国正在运行的窑炉以火焰炉为主，能耗水平较高（一般在300~500公斤标煤/吨成品左右，国际先进水平为相当于150～200公斤标煤/吨成品）；熔化率低（一般在1。

5~2吨玻璃液/平方米熔化面积·天，国际先进水平为3~3。

6吨工字钢玻璃液/平方米熔化面积·天），周期熔化率低（国际可超过10000吨玻璃液/窑炉运行周期，国内在2400～6200吨玻璃液/窑炉运行周期）这也与我们企业的产品结构、窑炉熔化面积的大小、生产线的合理配置有关；在能源结构方面，我们目前主要选用煤和油，热利用率低且污染严重，而目前国际上则普遍采用天然气和电等清洁能源，热利用率高污染少。

即使用油为燃料的企业，大部分都采用电助熔和纯氧燃烧技术，以提高热效率和熔化率减少污染。

在窑炉寿命方面，我们的窑炉一般在4~6年，而国际先进水平都在10年左右，有少数的窑炉寿命超过12年。

当然在采用耐火材料和一次性投资造价较高，但算总账可能比4~5年搞一次窑炉停产大修的投入还要低一些，我们需要结合国情有针对性地吸取国际先进经验。

在窑炉自动控制方面，国外几乎都采用了玻璃液熔化过程的自动控制技术，而我们的大多数窑炉没有安装自动控制系统，要提高熔化质量、延长窑炉寿命及做好节能减排，窑炉自动控制系统是不可缺少的。

玻璃制造有5000年历史，以木柴为燃料、在泥罐中熔融玻璃配合料的制造方法延续了很长时间。

1867年德国西门子兄弟建造了连续式燃煤池窑。

1945年后，玻璃熔窑迅速发展。

我国玻璃行业约拥有玻璃窑炉4000~5000座，生产各种玻璃2800~3500万吨。

其中大部分玻璃窑炉基本上都是火焰池窑、其基本结构为：

玻璃容制、热源供给、余热回收、排烟供气部分。

目前我国主要耗用能源（主要燃料为煤炭、重油、天然气及电等）折合标准煤1700~2800万吨。

平板玻璃国内平均能耗为7800kJ/kg玻璃液，比国际先进水平高出30%，窑炉热效率相比低12%。

玻璃窑炉节能潜力很大，走可持续发展的新路。

我国平板玻璃熔窑的发展历史大致可分为三个时期。

第一个时期是50年代至70年代的有槽垂直引上时期。

第二个时期是80年代的无槽引上、格拉威伯尔法的发展时期。

第三个时期是90年代及以后的浮法大发展时期。

近年来，前景广阔的玻璃熔窑富氧助燃技术是建材企业“脱困增效”的重要途径，研究开发和推广应用玻璃熔窑节能降耗的新方法、新技术，是实现玻璃行业节能降耗乃至“脱困增效”目标的当务之急。

玻璃熔窑富氧助燃技术在节能降耗、环境保护、经济效益等方方面面均具有显着的优越性，因此，《建材工业“九五”计划和２０１０年远景目标》明确提出要开发和推广此项技术。

本世纪４０年代，美国康宁玻璃公司为促进配合料的熔化和补充热量，开始在玻璃熔窑上采用天然气———氧气燃烧技术，从而开创了玻璃熔窑富氧助燃的先河。

近年来，由于燃料成本和环保因素，国外对富氧助燃技术的研究与应用方兴未艾。

我国对该技术的开发应用才刚刚起步，随着科学技术的进步和人们的环保意识的增强，国内国外出现许多新技术、新设备，如减压澄清、纯氧燃烧、纯氧助燃，顶插全电熔窑，澄清池，三通道蓄热室等。

通过采用新技术、新工艺，可进一步降低能耗，提高玻璃液质量，减少环境污染，走出一条节能环保的可持续发展道路。

1.3对所选窑炉类型的论证

表1玻璃窑炉发展情况

阶段

燃料

窑型

窑龄

古代

木材

直火式坩埚窑

几个月

奠基

煤炭

坩埚窑,发明池窑

0.5年~1.0年

缓慢

煤炭

1920~1945年池窑

1~2年

飞跃

高热值

1945~1960年池窑

3~4年

持续

高热值

1960~至今池窑

7~8年

本设计选用蓄热室马蹄焰流液洞池窑

优点：

a.火焰行程长，燃烧完全。

只需在窑头端部设一对小炉，占地小，投资省，燃料消耗较低，操作维护简便。

b.火焰对冷却部有一定影响，在个别情况下可借此调节冷却部的温度。

缺点：

a.沿窑长方向难以建立必要的热工制度，火焰覆盖面积小，在窑宽度上温度分布不均匀，尤其是火焰换向带来了周期性温度波动和热点的移动。

b.一对小炉限制了窑宽，也限制了窑的规模。

c.燃料燃烧时对配合料堆有推动作用，不利于配合料的澄清。

并对花格墙，流液洞盖板和冷却部空间砌体有烧损作用。

1.4有关工艺问题的论证

合理的玻璃熔制制度是正常生产的保证。

（1）温度制度

温度制度一般是指窑长方向的温度分布，用温度曲线表示。

温度曲线是一条有几个温度测定值练成的曲线。

“窑温”指胸墙挂钩砖温度。

依靠燃料消耗比例调节。

马蹄焰和纵焰池窑的热点值取决于熔化玻璃的品种、燃料和耐材质量。

热点位置选在熔化部的1/2~2/3处，不易控制。

（2）压力制度

压强或静压头，沿气体流程。

玻璃液面处静压微正压（+5Pa），微冒火。

测点在澄清带处大碹或胸墙。

用烟道的开度调节抽力压强。

（3）泡界限制度

人为确定玻璃液热点位置。

马蹄焰池窑稳定性不很强。

（4）液面制度

稳定。

波动会加剧液面处耐材侵蚀。

对成型也有影响。

日用玻璃池窑要求±0.5mm，轻量瓶为±0.1~0.3mm）。

探针式和激光式测量方法。

安装在供料道或工作池。

依靠控制加料机的加料速率来进行。

（5）气氛制度

通过烟气中O2含量和CO含量判断。

多数玻璃需氧化焰，但芒硝料要求还原焰。

改变空气过剩系数来调节（空气口大小和鼓风用量）。

Fe2+——深绿色，透光性差，透热差。

Fe3+——浅黄色，透热、透光性强。

火焰亮度判断，明亮为氧化焰，不大亮为中性焰，发浑者为还原焰。

（6）换向制度

池窑定期倒换燃烧方向。

使蓄热室格子体系统吸热和换热交替进行。

换向间隔一般为20~30/min，烧重油熔窑，换向时先关闭油阀，然后关小雾化剂阀，留有少量雾化剂由喷嘴喷出

（7）加料方式：

采用单侧加料。

2.设计计算内容

2.1日出料量的计算

日出料量由年产量和原始数据计算得：

单台DQ8列机年产合格瓶量（吨/年）m为

m（DQ8）=75×60×24×450×10-6×325×95%×90%=13504.725吨/年

单台DQ6列机年产合格瓶量（吨/年）m为

m（DQ6）=42×24×450×10-6×325×95%×90%=7562.646吨/年

由于给定年产42200吨高白料酒瓶，则

需要DQ8行列机台数n＝42200／13504.725=3.125台

需要DQ6行列机台数n＝42200／7562.646=5.58台

因此选择1台DQ8行列机,4台DQ6行列机就能满足生产需求，则玻璃熔窑日出料量G（t/d）为

G=（75×1+42×4）×60×24×450×10-6=157.464（t/d）

2.2熔化率的选取

熔化率k：

窑池每平方米面积上每昼夜熔化的玻璃液量。

熔化率K的选择依据：

1）玻璃品种与原料组成；2）熔化温度；

3）燃料种类与质量；4）制品质量要求；

5）窑型结构，熔化面积；6）加料方式和新技术的采用；

7）燃料消耗水平；8）窑炉寿命和管理水平。

参考教材P92，表4-2，取熔化率为：

K=2.5t/d

一般蓄热室马蹄焰池窑的熔化面积为15~60m2

熔化部面积按已定的熔窑规模/日产量和熔化率k估算

F熔=G/K（G-日出料量，K-熔化率，t/（m2·d）

得F熔=157.464/2.5=62.98m2取63.0m2

根据经验值，参考教材P98表4-9，

取F冷/F熔=20%。

则F冷=63.0×20%=12.6m2

F冷=1/2×3.14×r2+2rL

取r=2.33mL=0.87

所以F冷=（1/2）×3.14×2.332+2×2.33×087=12.58m2

根据玻璃品种，供料道条数，成型机部位操作条件等来决定冷却部的形状，本设计采用半圆形供料道。

冷却部比池深浅300mm，取1000mm

具体形状如下图所示：

长度L：

保证玻璃液在窑内停留一段时间，满足其澄清。

满足燃料充分燃烧，不造成大温差，不直接烧吸火口。

宽度B：

火焰扩散范围，小炉宽、中墙宽和小炉与胸墙间距来定。

窑池长宽有一定比例保证玻璃充分熔化和澄清，与火焰燃烧配合。

已知池底砖规格300mm×300mm×1000mm

本设计取长宽比1.6

实际熔化池长L=10.1mB=6.3m

具体形状如下图所示：

调整后：

实际熔化部面积：

F熔=10.1×6.3—1/2×0.5×（6.3—1.0）/2×2=62.3m2

实际熔化率=G/F=157.464/62.3=2.53t/（m2·d）

实际F冷/F熔=12.58/62.3=20.19%

确定合理的池深，必须综合考虑到玻璃的颜色，玻璃液粘度，熔化率，制品质量，燃料种类，池底砖质量，池底保温层情况，鼓泡、电助熔及新技术的采用等因素。

根据教材P93页知高白料池深一般为900~1000mm，初选1.1m若池底采取保温则增加20%~30%，

池底保温H=1.1×（1+20%~30%）=1.32~1.43m取H=1.4m

取窑坎高800mm,一般置于熔化池长2/3处

玻璃液的平均密度为2.45g/cm3,即2.45t/m3则玻璃液停留时间t=62.3×1.4×2.45/157.464=1.36天

因玻璃液在窑内停留一天以上，故冷却算合理，冷却部池深取浅，本设计取h=1.1m

2.3熔窑基本结构尺寸的确定

池壁

玻璃液的主要侵蚀为横向砖缝处，因此尽量避免在高温区出现横向砖缝。

池壁通常采用整块大砖立砌。

要求立砌排砖的尺寸必须相当精确，结合面应磨制加工达到砖缝密接。

本设计采用：

300mmAZS33QX—Y+30mm锆质捣打料+115mmLZ-55（NZ—40）+100mm硅钙板

池底

随着温度的提高，出料量的增加，炉龄的增加，更主要的是为减少散热损失，节约能源，现代熔窑池底多采用多层式

复合池底结构，本设计采用：

75mmAZS33WS-Y+35mm锆质捣打料+32mm烧结锆英石砖+30mm锆质捣打料+300mm浇注大砖+280mm轻质粘土砖+10mm石棉板+8mm钢板

火焰空间长度与窑池长度相等即L1=10.1m，宽度比窑池每侧宽100~200mm，

本设计取200mm，则火焰空间的宽B1=B+400=6700mm=6.7m

火焰空间的高度由胸墙高度和大碹股高度合成，参考教材P96，表4-8，取碹升高1/8，则得碹股为f=6.7/8=0.84m。

胸墙高度取h=1.0m。

则火焰空间的容积为：

V=B1×L1×（1+2/3f）=6.7×10.1×（1.0+2/3×0.84）=105.6m3

火焰分隔方式：

全分隔

火焰空间要求：

1）能经受火焰烟气冲刷、烧损，配合料、其他耐材的侵蚀。

化学、温度稳定，抗渣性强；2）严密不透气。

砖缝小；3）稳固。

钢结构牢固；4）散热少。

采取保温。

只取一个流液洞，本设计日出料量大，采用下沉式流液洞。

一、流液洞的作用：

撇渣器和冷却器的作用。

1）对玻璃液的选择作用；2）玻璃液的冷却作用好；3）减少玻璃液的循环对流，减少热损失；4）提高玻璃液的均匀性；5）下沉式。

对玻璃液的选择作用、冷却作用好，减少回流

二、几何尺寸：

希望为长方形。

1）宽度：

控制玻璃液的均匀性。

越宽越均匀。

一般中小型池窑300~500mm，大型可达700mm。

2）高度：

控制玻璃液的质量。

越低质量越好，而温降越大。

中小型池窑200~400mm，大型可达500mm。

3）长度：

控制玻璃液的降温程度。

一般洞长900~1200mm

越长降温越多。

1.2~1.5℃/cm。

本设计选洞长1000mm，,如下图所示：

则流液洞的长×宽×高为1000×500×400

流液洞流量负载

K流=G/BH=157.464×1000/（50×40×24）

=3.28kg/（cm2.h）

由教材P95,96表4-6可知，在2.1~4之间，该流液洞尺寸满足要求。

材质：

侧墙、盖板、挡砖均用电熔锆刚玉砖

按时按量加入、液面稳定，薄层加入，预熔作用，减少粉料飞扬。

马蹄焰池窑为侧面投料，只放一台投料机。

宽稍大于投料机宽，两侧留50~100mm。

深比窑池浅些。

本设计采用薄层加料方式，加料口向喷火方向倾斜。

取长为1350／1450mm,窑内宽800mm，窑外宽600mm,深比熔化池浅些，取1100mm

2.4燃料燃烧计算

理论氧气量：

V0O2=（C/12+H/2×1/2+S/32-O/32）×22.4/100=2.04Nm3/kg重油

理论空气量：

V0空气=100/21×（C/12+H/2×1/2+S/32-O/32）×22.4/100

=100/21×（89.43/12+6.5/4+0.43/32-0.01/32）×22.4/100

=9.70Nm3/kg重油

空气过剩系数a=1.15~1.25，取a=1.15根据教材及课件

实际空气量Va=1.15×9.70=11.17Nm3/kg重油

理论烟气各组成：

VN2=N/28×22.4/100+V0o279/21=0.6/28×22.4/100+1.15×2.04×79/21=7.68Nm3/kg重油

VCO2=C/12×22.4/100=89.43/12×22.4/100=1.67Nm3/kg重油

VH2O=（H/2+M/18）×22.4/100=0.73Nm3/kg重油

VSO2=S/32×22.4/100=0.43/32×22.4/100=0.003Nm3/kg重油

理论烟气量：

V0=0.089Car+0.323Har+0.0124Mar+0.033Sar+0.008Nar-0.0263Oar

=0.089×89.43+0.323×6.5+0.0124×3+0.033×0.43+0.008×0.6-0.0263×0.01

=10.10Nm3/kg重油

实际烟气量V产=V0产+V0空气（a-1）

=10.1+9.70×（1.15-1）

=11.56Nm3/kg重油

实际烟气各组成：

VN2=N/28×22.4/100+aVo279/21=0.6/28×22.4/100+1.15×2.04×79/21

=8.82Nm3/kg重油

VCO2=C/12×22.4/100=89.43/12×22.4/100=1.67Nm3/kg重油

VH2O=（H/2+M/18）×22.4/100=0.73Nm3/kg重油

VSO2=S/32×22.4/100=0.43/32×22.4/100=0.003Nm3/kg重油

2.5燃料消耗量的计算

（1）熔化玻璃消耗的热量Q1

Q1=Pq玻P为玻璃液熔化量，kg/（m2h）

q玻——玻璃形成过程耗热量

Q1=157.464/24×103×2350=1.542×107KJ/h

（2）烟气离开蓄热室带走的热量Q2

Q2=KQK=0.2~0.3取K=0.25

（3）全窑散失热量Q3

取决于窑的大小，窑愈小，单位熔化面积散热量愈大，热效率愈低，Q3以W表示，查课件得W=55800w/m2

本设计采用全保温，减少25~30%，取25%。

Q3=（1-25%）w=41850w/m2

w=41850×62.3×10-3×3600kJ/h

=9.39×106kJ/h

总的热量Q=Q1+Q2+Q3=Pq玻+KQ+W

Q=（Pq玻+W）/（1-K）

=（1.542×107+7.53×106）/（1-0.25）

=3.31×107kJ/h

=7.94×108kJ/d

根据经验公式进行校核：

Q1=（52.75+0.0588F热）+5.697T

其中：

Q为每天耗热量，×106kJ；

F为窑池加热面积，m2；

T为每天熔化玻璃液量，t。

Q1=（52.75+0.0588×62.3+5.697×157.464）kJ/d=9.53×108kJ/d

Q1与Q相近，由于采用了全保温式，所以散热少，故实际耗热量比经验值小，可取。

燃料为重油时，窑收入热量为：

Q入=B油（Q油+Q油物+Q介物）

B油为重油耗用量，kg/（m2h）；Q油低热值，kJ/kg；Q油物为重油物理热，kJ/kg；

Q介物为雾化介质物理热，kJ/kg

本设计中为简化计算，忽略了Q油物和Q介物从而得到

Q入=B油Q油

=339Car+1030Har-109（Oar-Sar）-25Mar

=3.69×104kJ/kg重油

所以B油=3.31×107/（3.69×104）=8.97×102kg重油/h

1）火焰空间热负荷

q=B油Q油/V火

=8.97×102×3.69×104/（3600×10.6）=87.06kw/m3

所得q在58~93（×103w/m3）所以q满足要求

2）热负荷值——每小时每m2熔化面积上消耗热量，W/m2；

Q=Q/F=3.31×107/62.3=5.31×105W/m2

3）单位耗热量——熔化每千克玻璃液所耗总热量，kJ/kg玻璃；

Q1=Q/D=24×3.31×107/（157.464×103）=5.04×103kJ/kg玻璃液

4）耗煤量或耗油量——熔化每千克玻璃液耗用的标准煤量或油量，kg煤/kg玻璃或kg油/kg玻璃。

t=m/D=8.97×102×24/（157.464×103）=0.136kg油/kg玻璃

根据经验值，查表可知，上述指标都符合要求

η熔

η熔=（熔化过程有效耗热量/供给系统热量）×100%

=pq油/Q×100%

=1.542×107/（3.31×107）×100%

=46.59%

根据经验值，上述结果符合要求

2.6小炉结构的确定与计算

一般油喷嘴安装在小炉口下面。

本设计采用小交角式小炉特点：

空、煤气交角小，预燃室长，舌头探出（长舌）。

小炉火焰平稳、较长，火根与火梢温差较小，易控制，自然通风，检修方便；但体积较大，散热损失大，占地多。

见教材P102。

本设计中，油喷嘴间中心距取700mm,油嘴直径为3.0mm,油嘴中心距液面高度为300mm,油嘴距池墙外壁450mm.

见教材P102，射喷火口空气预热温度为1000℃，空气出口速度为W空=8.0m/s，烟气排出温度1400℃

F喷=（V空+V煤）×（t喷+273）/（237×W喷）

F喷为喷火口面积,m2；

V空、V煤为小炉的空气、煤气量，

Nm3/s；t喷为喷火口处火焰温度，℃；

W喷为火焰喷出速度，m/s。

带入数据得

F喷=（11.17×897）×（273+1000）/（3600×273×10）

=1.30m2

F喷/F熔=1.30/62.3=2.09%

符合要求。

见教材P103表4-15，表4-16，取空气出口宽度1200mm，高取280mm，则出口宽高比为1200/280=4.3

由于小炉口宽度约占池宽的25~30%，所以取宽为1600mm,宽高比为（1.5~2.0，最大取2.5）取2.0，则高取800mm,小炉口碹升高1/10,则碹升高f1=1600/10=160mm,

小炉口面积1.60×（0.8+2/3×0.16）=1.45

小炉口间距取1200mm,空气下倾角取220小炉水平长度为（2000~3000mm）取2600mm

小炉口热负值q=897/1.45=618.62kg重油/（m2.h）

查表4-15，知设计符合要求

本设计每只小炉采用高压内混式喷嘴3个，共6个，属GNB型

喷火口碹砖、喷火口侧墙砖、底板砖、斜碹夹层砖、舌头砖和喷嘴砖均用电熔AZS-33砖

2.7蓄热室的设计

蓄热室为周期性换热设备，属周期性不稳定温度场，传热过程为不稳态传热。

工作特点类似于逆流换热器，将蓄热室看作逆流式换热器对整个周期进行传热分析。

主体为格子体。

作用是蓄热和换热。

格子体的排列方式有：

西门子式、李赫特式、连续通道式和编蓝式。

一般以标型砖码砌，砖厚65mm。

近年来出现波形砖、十字砖、筒形砖等。

提高了格子体强度、增加了换热面积，砖厚40mm。

本设计采用箱式蓄热室，格子体采用八角筒砖160×160×150，砖厚40mm

由教材Pg107表4-l8初步确定一侧蓄热室的比受热表面。

取A=35m2/m2

比受热面积：

每平方米熔化面积所需的格子体的受热表面。

A=F蓄/F熔

F蓄=F熔×A=35×62.3=2180.5m2

f蓄为单位格子体所具有的受热面积m2/m2查得14.94

格子体体积:

V格=F蓄/f蓄=2180.5/14.94=145.95m3

经验确定格子体的长、宽、高，格子体结构为L×B×H=4.24×4.04×8.55

则实际

V格=4.24×4.04×8.55=146.46m3

F蓄=V×f=146.46×14.94=2188.11m2

A=F蓄/F熔=2188.11/62.3=35.12m2/m2

计算格子体中：

格子体稳定系数：

H/（LB）0.5=8.55/（4.24×4.04）0.5=2.07

格子体流通面积：

F空=4.24×4.04×0.6=10.28m2

格子体空气流速：

w空=V0/F空=11.17×897/（10.28×3600）=0.271Nm/m2

格孔废气流速：

W底=V蓄/F蓄=11.57×897/（10.28×3600）=0.280Nm/m2

参考教材P108，表4-19可知，格子体设计合理。

确定格子体上中下材质：

上部电熔高纯镁砖、中部镁橄榄石或镁铝砖、下部低气孔粘土砖。

2.8窑体主要部位所用材料的选择和厚度的确定

碹顶（由内向外）：

300mm硅砖+30mm硅