日产7500平米玻化砖焦炉煤气辊道窑设计学位论文.docx

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日产7500平米玻化砖焦炉煤气辊道窑设计学位论文

景德镇陶瓷学院

《窑炉课程设计》说明书

题目：

日产7500平米玻化砖焦炉煤气辊道窑设计

学号：

201010230213

姓名：

武伟峰

院（系）：

材料科学与工程学院

专业：

材料化学

指导教师：

朱庆霞孙健宫小龙陆琳机动

二零一三年六月二十日

目录

1前言

2设计任务书（由教师给定）

3窑体主要尺寸的确定

3.1窑内宽的确定

3.2窑体长度的确定

3.3窑内高的确定

4烧成制度的确定（主要指温度制度）

5工作系统的确定

5.1排烟系统

5.2燃烧系统

5.3冷却系统

5.4传动系统

5.5窑体附属结构

5.5.1事故处理孔

5.5.2测温测压孔及观察孔

5.5.3膨胀缝

5.5.4挡墙

5.6窑体加固钢架结构形式

6燃料燃烧计算

6.1空气量

6.2烟气量

6.3燃烧温度

7窑体材料及厚度的确定：

列表表示全窑所用材料及厚度

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

8.2冷却带热平衡：

同上

9烧嘴的选用

9.1每个烧嘴所需的燃烧能力

9.2每个烧嘴所需的油（气）压

9.3烧嘴的选用

10参考文献

1前言

辊道窑是生产建筑陶瓷的现代化窑炉，我国早在两千多年前的战国时代就创造了馒头窑和龙窑，烧制出优质陶瓷。

随着社会的发展，后来引进了不少现代化操作，有了以窑车做窑内运输制品的辊道窑。

近年来又自国外引进了多条辊道窑，我们国家自己也仿制、设计建造了不少辊道窑。

馒头窑、龙窑改进为隧道窑，是把制品码砌在窑车上，推进建造出输送窑内制品，因为窑车的推动，必然使车上下的冷空气通过砂封漏入隧道，使隧道内的制品上下温度大，气流分层，温度不均匀，大大延缓了烧成时间。

现在辊道窑用连续多排辊子代替窑车输送制品，取消了窑车，取消了窑内砂封，避免了车下窑内冷空气漏入隧道，是要内同一截面上下温度均匀，大大缩短烧成时间，为优质高产低耗创造了条件。

使用焦炉煤气，发热值高、燃烧速度快，棍子所设计的辊道窑总长150米，内宽3米，烧成温度是1250摄氏度，燃料采用焦炉煤气。

为了更好的掌握辊道窑的结构和窑炉设计的程序，我对老师给定的设计任务进行了为期三周的设计计算，并绘制窑体视图

运输可减少窑内装卸制品，和窑外工序连在一起，操作方便，能达到大规模生产。

辊道窑还可以用来焙烧陶瓷餐具等扁平制品和集成电路的氧化铝基片等。

我

2设计任务书

设计任务：

日产7500平米玻化砖焦炉煤气辊道窑设计

给定资料

（一）玻化砖

1．坯料组成（%）：

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

Fe2O3

K2O

Na2O

I.L

68.35

16.27

2.30

2.65

0.85

2.20

2.15

4.85

2．产品规格：

800×800×10mm，单重5公斤/块；

3．入窑水分：

＜1%

4．产品合格率：

95%

5．烧成周期：

60分钟（全氧化气氛）

6．最高烧成温度：

1250℃（温度曲线自定）

1.燃料：

焦炉煤气

焦炉煤气

CO

H2

CH4

CmHn

H2S

CO2

N2

O2

Qnet（MJ/Nm3）

6.8

57.0

22.3

2.9

0.2

2.3

7.7

0.8

17.52

3窑内主要尺寸的确定

考虑到初次设计辊道窑，因此，设计时参考现在国外先进辊道窑意大利的SACMI窑炉。

该窑设计合理，利用余热干燥生坯，热效率高，温度控制准确、稳定，传动用齿轮传动，摩擦式联接辊筒，传动平衡、稳定，无级调速，控制灵活。

设计认为，通过仿制吸收其先进技术，有助于加深对窑的认识，能更好的管理窑炉。

所以，窑炉选择为FMS2400型煤气辊道窑。

3.1窑内宽的确定

确定内宽时，要考虑棍子长度、窑墙厚度及水平方向温度的均匀性等因素。

根据产量，所用的燃料，窑内传热等因素，粗略确定内宽的尺寸，设计为B米，成品的尺寸为800*800*10mm，制品收缩率为10%，

坯体尺寸=产品尺寸/（1-烧成收缩）=800/（1-10%）=888.9mm

两侧坯体与窑墙之间的距离取150mm，设B=2.2m，根据所定内宽B，计算宽度方向坯体排列的块数为（2200-150*2）/888.9=2.137确定并排3块，则窑内宽B=888.9*3+150*2=2966.7，取3000mm

3.2窑体长度的确定

计算装窑密度=每排排数×每排片数×每片砖面积

=（1000÷869）×3×（0.8*0.8）=2.20（m2/每米窑长）

窑容量=（日生产量×烧成周期）÷（24×产品合格率）

=（7500×60/60）÷（24×95%）=328（m2/窑）

有效窑长=窑容量/装窑密度=328/2.20=149m

三带长度与比例：

辊道窑一步采用装配式，设计每节长度为2200mm，节间连接长度为8mm，每节总长度为2208mm。

窑的节数=149/2.208=67.48节故取68节

所以窑炉总长=2.208*68=150.144米

划分三带长度如下：

窑前段；（40-200℃）；窑前段占总长的10.4%，取68*0.104=7.072节，长度=2.208×7=15.456m

预热带（200-1000℃）：

预热带占全窑总长的33%，取68*0.33=22.4节，长度=2.208×22=48.576m；

烧成带（1000-1250℃）：

烧成带占全窑总长的19%，取68*0.19=12.92节，长度=2.208×13=28.704m；

冷却带（1250-80℃）：

冷却带占全窑总长的37.6%，取68*37.6%=25.5节，长度=2.208×26=57.408m；

3.3窑内高的确定

辊道窑的内高被辊子分隔成辊上高和辊下高两部分。

内高式制品在窑内传热和烧成的空间，内高必须合理，既然有利于产品换热满足烟气有足够的流动空间，又必须满足一定的烧成空间和冷却空间，所以，内高的确定有一定的原则，为了有利于热量的传递，三带的内高不应一样，烧成带和急冷带由于温度比较高，为了保证有足够的烧成空间和冷却时间，所以内高可较其他两带稍高一些。

取高如下：

窑前带、预热带

烧成带

冷却带

辊上高（mm）

290

360

290

辊下高（mm）

390

460

390

内高（mm）

680

820

680

4烧成制度的确定

1．温度制度

　　①烧成周期：

60min

　　②最高烧成温度：

1250℃

各带划分：

各段温度划分与运

名称

温度段℃

时间（min）

升温速率（℃/min）

节数

窑前段

40-200℃

6

26.6

7

预热带

200-1000℃

18

44.4

22

烧成带

1000-1250℃

10

25

14

急冷带

1250-700℃）

8

62.5

7

缓冷带

700℃——300

9

44.4

8

快冷带

300-80℃

9

24.5

10

总计

60

行时间及其升（降）温速率如表1所示。

根据烧成曲线中温度的划分，各段长度：

5工作系统的确定

辊道窑的工作系统包括排烟系统、燃烧系统、冷却系统等，下面是各系统的初步安排。

5.1排烟系统

明焰辊道窑可分别从窑顶和窑底设排烟口。

本设计采用集中排烟法排烟，在第一节窑顶、窑底分别设置三对排烟口进行排烟。

在各烟口分别用圆管引出，汇总到窑顶、窑底的排烟支管中，最后连接到总管进行集中排烟。

在第二、三节窑顶设置放排烟风机的平台，并在布置排烟风机，并有一台备用。

5.2燃烧系统

因所涉及的为明焰辊道窑，且使用焦炉煤气作燃料，所以采用全部喷入窑道内燃烧的方式，仅通过烧嘴砖的燃烧道中部分燃烧，而不另设燃烧室，并在棍子上下各设一层烧嘴，同一层烧嘴两侧交错布置，同一侧烧嘴上下交错布置。

5.2.1烧嘴的设置

本设计在预热带后部即烧成带前就开始设置烧嘴，有利于快速升温和温度调节，缩短烧成周期，打到快烧的目的。

考虑到在低温段设置烧嘴不已太多。

因此，只在13—22节每节的辊上下设置一对烧嘴，在23—40节每节的辊上下设置3对烧嘴，辊上下烧嘴技术对侧烧嘴均互相错开排列。

并在辊上下方每个燃烧器对侧窑墙分别设置一个火焰观察孔，但如遇到事故处理孔，则取消观察孔。

5.2.2煤气输送装置

煤气由升压风机升压，通过管道、阀门、总管煤气处理系统，送至各节烧嘴，助燃空气由风机通过管道、阀门送至烧嘴。

总煤气处理系统：

汽水分离器→过滤器→调压器。

分管自动控制系统：

分管总阀→执行器→碟阀→烧嘴

分管手动控制系统：

碟阀→压力表→烧嘴

5.3冷却系统

制品在冷却带有晶体成长，转化的过程，并且冷却出窑式整个烧成过程最后一个环节。

从热交换的角度来看，冷却带实质上式一个余热回收设备，它利用制品在冷却过程中所放出的热量来加热空气，余热风可供干燥或作助燃风用，达到节能目的。

5.3.1急冷通风系统

从烧成最高温度至700℃以前，制品中由于液相的存在而具有塑性，此时可以进行急冷，最好的办法是直接吹风冷却。

辊道窑急冷段应用最广的直接风冷是在辊上下设置横摇断面的冷风喷管。

每根喷管上均匀地开有圆形或狭缝式出风口，对着制品上下均匀地喷冷风，达到急冷效果。

由于急冷段温度高，横穿入药的冷风管须用耐热钢制成，管径为40—60mm。

本设计业采用此种结构，在41节进行急冷，每节辊上下分布40根¢80急冷风管，风管采用交错排列布置。

5.3.2缓冷通风系统

制品冷却到700—400℃范围时，式产生冷裂的危险区，应严格控制该冷却降温速率。

为达到缓冷目的，一般采用热风冷却制品的办法。

大多数辊道窑在该段设有3—6处抽热风口，使从急冷段与窑尾快冷段过来的热风经制品，让制品慢速均匀地冷却。

本设计采用抽热风的方法，抽走来至冷却带和快冷带的热风，这样可缓和降温速率，达到抽走急热段的热风。

在第51节设有一个工作平台，上面布有两台风机，一台为正在运行的风机，一台为备用风机。

在51—59节设置抽热风口，抽热风口只限于窑顶、窑底每处设置5各小型抽热风口，在每个小型支管设置一个控制阀，支管经汇总与支管连接。

间接冷却不设风机抽热，直接与风管连接，利用抽热风管管内的抽力将冷却管另一端的冷空气吸入，冷却管壁，达到间接降低窑内温度。

5.3.3快冷通风系统

制品冷却到400℃以后可以进行快速冷却。

介由于制品温度较低，使传热动力温差小，即使允许快冷也不易达到。

因此段冷却也很重要，如达不到快冷目的的出窑产品温度大于80℃时，制品即使在窑内没有开裂，也会因出窑温度过高二出窑炸裂，故要加强该段的吹风冷却。

一般都采用冷风管进行快冷。

其冷却效果好，并便于该温度的调节。

快冷段共有27根￠80mm的冷风管，直接鼓冷风进行冷却制品。

5.4传动系统

5.4.1棍子材质的选择

辊道窑对棍子材质要求十分严格，它要求制辊材料热膨胀系数小而均匀，高温抗氧化性能好，荷重软化温度高，入编性好，热稳定性和高温耐久性好，硬度大，抗污能力强。

常用辊子有金属辊和陶瓷辊两种。

为节约费用，不同的温度区段一般选用不同材质的辊子。

本设计在低温段（37~250℃）选用的无缝钢管辊子;在中温段（250~600℃和400～80℃）选用的耐热不锈钢管;在高温段（600～1250℃和1250～700℃）选用的莫来石—刚玉质陶瓷辊棒；在（700～400℃）选用的莫来石辊棒。

5.4.2滚子直径与长度的确定

棍子的直径大，则强度大；但直径过大，会影响窑内的辐射换算和对流换热。

因本设计采用托辊摩擦式联接，辊子的直径窑大些，故选用直径为40mm的辊棒，而长度则按40mm辊子规格，取为3000mm。

在低温段（37~250℃）选用40*3000的无缝钢管辊子；在中温段（250~600℃和400～80℃）选用40*3000的耐热不锈钢管；在高温段（600～1200℃和1200～700℃）选用40*3000的莫来石—刚玉质陶瓷辊棒；在（700～400℃）选用的莫来石辊棒。

5.4.3辊距的确定

为了保证无论如何制品在转动过程中都有3根辊，所以应取为产品长度的1/4以下，即辊距不大于800*1/4=200mm，应考虑每节窑长为2400mm，为使每节窑能充分利用，在考虑到辊距如果对辊子的强度要求太高，因此，最终确定辊距为：

60mm，每节窑为2400/60=40根。

5.4.4传动系统的选择

辊道窑的传动系统有电动机、减速设备和传动机构所组成。

考虑到产品的质量问题，决定采用齿轮传动。

为避免停电对正常运行的辊道窑造成危害，辊道窑一般都设有滞后装置，通常是设一台以电瓶为动力的直流电机。

停电时，立即驱动直流电机，式棍子停电后仍持续运行一段时间，避免被压弯或压断，以便在这段时间内，起动备用电源。

本设计选用多电机分段传动分段带动的传动方案。

将窑内分成10段，每段有一台电机托动，采用变频调速。

所有电机可同时进行，每台亦可单独运行，当处理打摞等事故时，可关掉一台或几台电机，其余电机仍可以按一定时间（一般为几秒钟）简交替正、反转，砖坯前后摇摆进行，可保证这些区段的辊子不弯曲，砖坯亦不会进入下一个区段。

在分段传动中，参考目前辊道窑最常用链传动、齿轮传动、螺旋齿轮传动。

考虑到传动平稳性和产品质量等要求，选用螺旋齿轮传动。

5.4.5传动过程

电机→减速器→主动链轮→滚子链→从动链轮→传动轴→主动螺旋齿轮→从动螺旋齿轮→辊棒传动轴→辊子

5.4.6传动过程联接方式

根据以上原则，联接方式主要采用弹簧夹紧式，从动采用托轮摩擦式。

5.5窑体附属结构

5.5.1事故处理孔

本设计将事故处理孔设在辊下，且事故处理孔下面与窑底面平齐，以便于清除出落在窑底上的砖坯碎片。

为加强窑体密封，应尽量少设置事故处理，而为了便于处理事故，两侧墙事故处理一般采用交错布置形式，为了能清除窑内任何位置上的事故而不造成“死角”，两相邻事故孔间距不应大于事故处理孔对角线与对侧内壁交点连线。

考虑到砌筑应该比求出值稍大一些，故事故处理孔长度为：

390mm*120mm。

对于事故处理孔在不处理事故时，要进行密封，内部堵塞耐火材料做成的大盖板，间隙填入陶瓷棉，最外部的钢板密封前端仍需一段耐火材料。

密封式为了防止气体外溢，冷风漏气等引起的热损失对烧成制度产生影响。

5.5.2测温测压及观察孔

测温孔：

在温度变化明显的地方设置测温孔

观察孔：

在每个烧嘴的对侧窑墙设置80mm的观察孔，以便及时观察窑内情况。

5.5.3膨胀缝

为了避免砌体开裂、挤坏，在每节窑的中部设10mm的膨胀缝，并填陶瓷棉

5.5.4挡墙

由于辊道窑属中空窑，工作通道空间大，气流阻力小，难以调节窑内压力制度及温度制度。

因此，通常在辊道窑工作通道的某些部位，辊下筑挡墙，辊上插入挡板，缩小该外工作通道面积，以增加气流阻力，便于压力与温度制度的调节。

厚度为80mm，高度为200mm。

5.6窑体加固钢架结构形式

辊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。

6燃料燃烧计算

6.1空气量

当煤气低热值大于14650KJ/Bm3时，用经验公式

理论空气量:

Va0=0.26QD/1000-0.25=0.26*17520/1000-0.25

=4.305（m3空气/m3煤气）

取空气过剩系数ɑ=1.29，则实际空气需要量：

Va=ɑVa0=1.29*4.305=5.553（m3空气/m3煤气）

6.2烟气量

烟气生成量用经验公式，理论烟气生成量

Vg0=0.272QD/1000+0.25=0.272*17520/1000+0.25

=5.015（m3空气/m3煤气）

实际烟气量Vg=Vg0+（ɑ-1）Va0=5.015+（1.29-1）*4.305

=6.263（m3空气/m3煤气）

6.3燃烧温度

用公式先计算理论燃烧温度t：

t==（QDW+Vacata+cftf）/VgC

现设t=1730℃，查表，在1250℃时烟气比热为C=1.64KJ/Bm3.℃

在室温20℃的空气比热为：

Ca=1.30KJ/Bm3.℃

煤气比热为；Cf=1.55KJ/Bm3.℃

代入公式，可求得理论燃烧温度：

t=（17520+5.553*1.30*20+1.55*20）/（6.263*1.64）=1722.79℃

求得的t为1722.79℃，所以最初假设的1730℃的相对误差为：

（1730-1722.79）/1722.79*100％=0.419％

小于5%，所设合理。

取高温系数η=0.80。

则实际燃烧温度为0.80*1722.79=1378℃，比烧成温度1180℃高出198℃，认为合理。

7窑体材料及厚度的确定：

列表表示全窑所用材料及厚度

7.1窑体材料确定原则

窑体材料要用耐火材料和隔热材料。

耐火材料必须具有一定的强度和耐火性能以便保证烧到高温窑体不会出现故障。

隔热材料的积散热要小，材质要轻，隔热性能要好，节约燃料。

而且还要考虑到廉价的材料问题，在达到要求之内尽量选用廉价材料以减少投资。

7.2姚体材料厚度的确定原则

◆为了砌筑方便和外形整齐，窑墙厚度变化不要太多。

◆材料的厚度应为砖长或砖宽的整数倍；墙高则为砖厚的整数倍，尽量少砍砖。

◆厚度应保证强度和耐火度。

总之，窑体材料及厚度的确定在遵循以上原则的基础上，还要考虑散热少，投资少，使用寿命长等因素。

1～22、41～68节

名称

材质

使用温度（℃）

导热系数[W∕（m•℃）]

厚度（mm）

窑

顶

耐火层

轻质高铝砖

1300

0.66+0.08×10-5t

300

隔热层

耐火纤维

900

0.214

200

窑

墙

耐火层

轻质高铝砖

1300

0.66+0.08×10-5t

150

隔热层

硅藻土砖

900

0.214

300

窑

底

耐火层

轻质高铝砖

1000

0.66+0.08×10-5t

200

隔热层

硅藻土砖

900

0.214

300

23～40节

名称

材质

使用温度（℃）

导热系数[W∕（m•℃）]

厚度（mm）

窑

顶

耐火层

轻质高铝砖

1300

0.66+0.08×10-5t

300

隔热层

硅藻土砖

耐火纤维

900

1150

0.4

0.25

100

100

窑

墙

耐火层

轻质高铝砖

1300

0.66+0.08×10-5t

150

隔热层

硅藻土砖

耐火纤维

900

1150

0.4

0.25

200

100

窑

底

耐火层

轻质高铝砖

1000

0.66+0.08×10-5t

200

隔热层

硅藻土砖

耐火纤维

900

1150

0.40

0.25

150

150

8热平衡计算

热平衡计算包括预热带、烧成带热平衡和冷却带热平衡计算，预热带热平衡计算的目的在于求出燃料消耗量，冷却带热平衡计算，目的在于计算出冷空气鼓入量和热风抽出量。

另外，通过热平衡计算可以看出窑炉的工作系统结构等方面是否合理，哪项消耗最大，能否采取改进措施。

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

计算基准：

（时间基准：

1min；温度基准：

0℃）

8.1.2热平衡框图

热平衡示意框图如下：

预热带及烧成带热平衡示意图

Q1——坯体带入显热；Qa——助燃空气带入空气显热；

Qa’——漏入空气带入显热；Qf——燃料空气带入化学热及显热；

Q2——产品带出显热；Q3——墙、顶、底散热；

Q4——物化反应耗热；Q5——其他热损失；

Qg——废气带走显热

8.1.3热收入项目

8.1.3.1坯体带入显热Q1

取烧成灼减5%

入窑干制品质量G1=[7500/（24*95%）]*（5/95%）=1731（Kg/h）

入窑制品含自由水1%，湿制品质量G2=110.8/（1-1%）=2798（Kg/h）

制品入窑第4节温度t1=250℃，入窑制品比热容c1=0.84+26*10-5*250=0.905KJ/（Kg.℃）

∴Q1=G1c1t1=2770*0.905*250=626712.5KJ/h

8.1.3.2燃料带入化学热及显热Qf

焦炉煤气低热值QDW=17520KJ/m3

入窑焦炉煤气温度tf=20℃，20℃时焦炉煤气比热容cf=1.32KJ/（m3.℃）

设焦炉煤气消耗量为xm3/h

∴Qf=x（QDW+cftf）=x（17520+1.32*20）=17346.4x（KJ/h）

8.1.3.3助燃空气带入显热Qa

助燃空气温度ta=20℃，20℃时空气比热容ca=1.30KJ/（m3.℃）

助燃空气实际总量Va，总=Va.x=5.553x（m3/h）

∴Qa=Va，总cata=5.553x*1.3*20=144.38x（KJ/h）

8.1.1.4预热带漏入空气带入显热Qa’

取预热带空气过剩系数ɑg=2.0，漏入空气温度ta=20℃，ca=1.3

漏入空气总量Va=x（ɑg-a）.Va0=x（2.0-1.29）*4.305=3.06x（KJ/h）

∴Qa’=Vacata=3.06x*1.3*20=79.56x（KJ/h）

8.1.4热支出项目

8.1.4.1产品带出显热Q2

烧成产品质量G3=G1.95%=2770*95%=2631.5（Kg/h）

制品出烧成带（第41节）温度t2=1250℃

制品平均比热容2=0.84+26*10-5*1250=2.465[KJ/（Kg.℃）]

∴Q2=G3c2t2=2631.5*2.465*1250=8108309（KJ/h）

8.1.4.2窑体散失热

①预热带（1～29节）：

该段温度范围为20～1000℃，窑外壁表面平均温度800℃，窑内壁平均温度310℃

a窑顶：

高铝砖导热系数λ砖=0.685W/（m.℃），厚度б1=300mm

硅藻土砖导热系数λ硅=0.214W/（m.℃），厚度б2=200mm

热流q=（310-40）/（0.3/0.685+0.2/0.214）=196.7（W/m2）

窑顶散热面积A顶=（1.5+2.12）/2m*2.13m/节*22节=84.82m2

∴Q顶=227.28*84.82*3.6=60062.7（KJ/h）

b窑墙：

高铝砖平均导热系数λ砖=0.685W/（m.℃），厚度б1=150mm

硅藻土砖导热系数λ硅=0.214W/（m.℃），厚度б2=300mm

热