窑炉课程设计任务书.doc

成 都 理 工 大 学窑炉设计说明书题目：设计一条年产卫生瓷12万大件的隧道窑学 院：材料与化学化工学院专 业：材料科学与工程班 级：材料科学与工程2班学 号：201102040204姓 名：任 欣指导老师：叶巧明 刘 菁2013-2014学年第1学期课程设计任务书一、课程设计题目设计一条年产卫生瓷12万大件的隧道窑 二、课程设计原始资料1.年产量：12万大件/年；2.产品规格：400200200mm,干制品平均质量10Kg/件；3.年工作日：340天/年；4.成品率：90%；5.燃料种类：天然气，热值 QD=36000KJ/Bm3 6.制品入窑水分：2.0%； 7.烧成曲线： 20970, 9h； 9701280, 4h； 1280， 保温1h； 128080, 14h； 最高烧成温度1280，烧成周期28h。三、课程设计要求1课程设计严格按照成都理工大学课程设计(学年论文)工作管理办法进行规范管理；2要求提交窑炉设计说明书一份，设计图一张(隧道窑剖面图)；3要求计算正确，设计合理，文图相符，课程设计报告3000字(含数据表、插图)；4采用学校规定的“成都理工大学学生的撰文专用稿纸”，参照学校规定的毕业设计(论文)撰写格式要求(含数据表、插图)，撰写或编排打印课程设计；参照学校规定的毕业设计(论文)装订结构，课程设计报告、图纸等一并装入学校规定的“成都理工大学学生撰文资料袋”。一、 前言 随着经济不断发展，人民生活水平的不断提高，陶瓷工业在人民生产、生活中都占有重要的地位。陶瓷的发展与窑炉的改革密切相关，一定结构特点的窑炉烧出一定品质的陶瓷。因此正确选择烧成窑炉是获得性能良好制品的关键。 陶瓷窑炉可分为两种:一种是间歇式窑炉,比如梭式窑;另一种是连续式窑炉,比如隧道窑。隧道窑由于窑内温度场均匀，从而保证了产品质量，也为快烧提供了条件；而隧道窑中空、裸烧的方式使窑内传热速率与传热效率大，又保证了快烧的实现；而快烧又保证了产量，降低了能耗。所以，隧道窑是当前陶瓷工业中优质、高产、低消耗的先进窑型，在我国已得到越来越广泛的应用。 烧成在陶瓷生产中是非常重要的一道工序。烧成过程严重影响着产品的质量，与此同时，烧成也由窑炉的窑型决定。 在烧成过程中，温度控制是最重要的关键。没有合理的烧成控制，产品质量和产量都会很低。要想得到稳定的产品质量和提高产量，首先要有符合产品的烧成制度。然后必须维持一定的窑内压力。 最后，必须要维持适当的气氛。这些要求都应该遵循。二、设计任务及原始资料（一）、课程设计题目设计一条年产卫生瓷12万大件的隧道窑 （二）、课程设计原始资料1.年产量：12万大件/年； 2.产品规格：400200200mm,干制品平均质量10Kg/件； 3.年工作日：340天/年； 4.成品率：90%； 5.燃料种类：天然气，热值 QD=36000KJ/Bm3 6.制品入窑水分：2.0%； 7.烧成曲线：20970, 9h； 9701280, 4h； 1280， 保温1h； 128080, 14h； 最高烧成温度1280，烧成周期28h。（三）、课程设计要求1课程设计严格按照成都理工大学课程设计(学年论文)工作管理办法进行规范管理；2要求提交窑炉设计说明书一份，设计图一张(隧道窑剖面图)；3要求计算正确，设计合理，文图相符，课程设计报告3000字(含数据表、插图)；4采用学校规定的“成都理工大学学生的撰文专用稿纸”，参照学校规定的毕业设计(论文)撰写格式要求(含数据表、插图)，撰写或编排打印课程设计；参照学校规定的毕业设计(论文)装订结构，课程设计报告、图纸等一并装入学校规定的“成都理工大学学生撰文资料袋”。三、烧成制度的确定烧成曲线： 20970, 9h， 预热带； 9701280, 4h， 烧成带； 1280， 保温1h， 保温带； 128080, 14h， 冷却带； 最高烧成温度1280。烧成周期：28h2、窑型选择卫生瓷是大件产品，采用普通窑车隧道窑。由于考虑到燃料为天然气，经过净化处理，不会污染制品。若再从窑的结构上加以考虑，避免火焰直接冲剧制品，所以采用明焰露装的形式(制品不袭匣钵)，既能保证产品质量，又增加了产量，降低了燃料消耗，改善了工人的操作条件，并降低了窑的造价，是合理的。四、窑体主要尺寸的确定1、窑主要尺寸的确定为使装车方便，并使窑内温度均匀，快速烧成，采用单层装车的办法，即窑车上只放一层制品。根据几种装车方法确定：窑车长宽1500870 mm，平均每车装制品10件车，干制品的平均质量为每件10Kg，则每车装载量为100Kg/车。则窑车的装载图为：可直接求出窑长： =1200002834024（0.9101.5） =68.63 m窑内容车数：n=68.63/1.5=45.8辆 取46辆则窑车有效长度为：461.5=69 m2、窑体各带长度的确定 根据烧成曲线：预热带长=（预热时间/总烧成时间）总长=9/2869=22.18 m 烧成带长=（烧成时间/总烧成时间）总长=（4+1）/2869=12.32 m冷却带长=（冷却时间/总烧成时间）总长=14/2869=34.5 m设进车室2 m，出车室2 m，则窑总长为69十2十273 m 窑内宽B根据窑车和制品的尺寸取800 mm。窑内侧墙高(窑车装载面至拱脚)根据制品最大尺寸(并留有空隙)定为500 mm。拱心角取60，则拱高f0134B0134800107mm轨面至窑车衬砖面高660 mm。为避免火焰直接冲击制品，窑车上设300 mm高之通道(由40 mm厚耐火粘土板及耐火粘土砖柱组成)。 侧墙总高为(轨面至拱脚)H500十300十40十6601500 mm 窑内容车数46辆 推车时间： 2860/46=36.5 min/车 小时推车数： 60/36.5=1.6 车/h 五、工作系统的确定在预热带210号车位设9对排烟口，每车位一对。烟气通过各徘烟口到窑墙内的水平烟道，由5号车位的垂直烟道经窑顶金属管道至排烟机，然后由铁皮烟囱排至大气。排烟机及铁皮烟囱皆设于预热带窑顶的平台上。 在1号、3号、6号车位有三道气幕。其中1号车位气幕为封闭气幕，窑顶和侧墙皆开孔，气体喷出方向与窑内气流成90角。3号和6号车位为扰动气幕，气体由窑顶喷出，方向与窑内气流成150角。用作气幕的气体从冷却带的间接冷却部位抽出。 在烧成带1415号2l22号车位设7对燃烧室，不等距分布，两侧相对排列。 助燃空气不预热，由助燃风机直接抽车间冷空气，并采用环形供风方式，使各烧嘴前压力基本相同。 冷却带在2428号车位处，有7 m长的间壁急冷段，由侧墙上的小孔直接吸入车间冷空气，冷却气体流动方向与窑车前进方向相同(顺流)。从换热观点，逆流冷却效率高，但砖砌体易漏风，逆流漏进的冷风和700左右的产品接触，易急冷至更低温度，达到SiO2晶形转化温度而使产品开裂。所以要采用顺流。该处窑顶自2328号车位有8 m长的二层拱间接冷却，冷空气亦由窑顶孔洞处自车间吸入。由间壁、二层拱抽出来的热空气经窑顶上金属管道送往预热带作气幕。（实际上该段应采用直接风急冷或直接、间接相结合，将两层拱抽来的热气再喷入窑内作急冷，可防止大件产品炸裂。） 自3038号车位设9对热风抽出口，每车位一对。热空气经过窑墙内的水平热风通道，于33号车位处用金属管道由热风机抽送干燥。 窑尾46号车位处，由冷却风机自窑顶和侧墙集中鼓入冷却空气。车下自1434号车位，每隔3 m设一个冷却风进风口，由车下冷却风机分散鼓风冷却，并于5号车位处由排烟机排走。 烧成带前后，即13号、24号车位处，设两对事故处理口。全窑无检查坑道。 六、窑体材料以及厚度的确定 窑体的材料及厚度如下表所示。材料及厚度确定后可进行材料的概算。确定全窑的材料消耗量。七、燃料燃烧计算 1、燃烧所需空气量 该窑用天然气，其热值为：QD=36000KJ/Bm; 理论空气量： Va=0.264QD/1000+0.02=9.524 Bm/Bm; 实际空气量: 取空气过剩系数=1.29 Va=Va=1.299.524=12.286 Bm/Bm;2、燃烧产生烟气量 理论烟气量： Vg=0.264QD/1000+1.02=0.26436000/1000+1.02=10.524 Nm/Nm实际烟气量： V= Vg+（-1）Va=10.524+（1.29-1）9.524=13.286 Nm/Nm3、燃烧温度 理论燃烧温度tth：tth =(Qnet+CfTf+VaCaTa)/VC现设t=1730 ，查表，在1730 时的烟气比热为：C=1.64 KJ/Bm 则： tth =(Qnet+CfTf+VaCaTa)/VC =（36000+3.1220+12.2861.320）/（13.2861.64）=1669.7 (1730-1669.7)/1669.7100%=3.6%5%，所以合理取高温系数：=0.80 则实际温度为:Tp=0.801669.7=1335.8 比烧成温度1280高55.76，认为合理。4、用经验数据决定燃料消耗量 燃料消耗量的计算，可直接选用经验数据(如下表)。表中列出隧道窑焙烧各种陶瓷产品的单位热耗。将每小时的产量乘以表中数据，即为该窑每小时财的热耗。 八、加热带的热平衡计算 1、 预热带及烧成带的热平衡计算 （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。 （2）热平衡框图2、热收入项目： （1）制品带入显热Q用公式计算 每小时入窑干制品： G1=1001.6=160(Kg/h)入窑制品含2%自由水，每小时入窑的湿制品为： G1=160/（1-0.02）=163.27(Kg/h)入窑制品的比热随各地原料成分及分配方的不同而变化，一般在0.841.26KJ/kg范围。 现取平均比热 c=0.92 KJ/kg. 入窑制品温度 t1= 20 则 Q1=G1 c t1=163.270.9220=3004（Kg/h) （2）垫板及支柱带入显热Q2: 此窑制品不装匣体，亦不用棚板，为避免火焰冲击制品，窑车上有耐火粘土热垫板及支柱组成的火焰通道。垫板与支柱窑吸热，根据器体积、密度可求得每车质量为158.1 Kg 。 G2=158.11.6=252.96（Kg/h)C2=0.845KJ/kg.根据公式可得： Q2=252.960.84520=4275（Kg/h)(3)燃料带入化学热及显热Qf QD=36000KJ/Bm; 入窑天然气温度，t=20 查手册，此温度下的天然气平均比热为：Cf=3.12 根据公式可得; Qf=x(QD+tfCf)=x(36000+3.1220)=36062.4x（Kg/h) (4) 空气带入显热Qa; 全部助燃空气作为一次空气。燃料所需空气量为： Va=12.286x Bm /h 助燃空气温度 t =20 查手册，在20 时空气的平均比热为： Ca =1.30J/kg.根据公式可得 Qa=Va*Ca*ta=12.286x1.3020=319.436x KJ/h(5)从预热带不严密处漏漏入空气带入显热Q. 取预热带烟气中的空气过剩系数a=2.5理论空气量：Va=0.264QD/1000+0.02=9.524 Bm/Bm; 烧成带燃料燃烧时的空气过剩系数af=1.29 Va=x(2.5-1.29) 9.524=11.52x Bm /h漏入空气温度为 ta=20 查手册，Ca=1.30kJ/kg. 根据公式可得； Qa=VaCata=11.52x1.3020=299.52x kJ/h（6）气幕空气带入显热Qm； 作气幕用的气体由冷却带时间接冷却出抽来，其带入之显热由冷却带热平衡计算为；Qm=216000kJ/h3、热支出项目: (1)产品带出显热Q3 出产品带出质量G3=160kg 出烧成带产品温度:t3=1280 查手册，得产品平均比热；C3=1.20 kJ/kg.根据公式可得：Q3=1601.201280=245760 kJ/h （2）垫板支柱带走显热Q4 垫板、支柱质量：G4=237 kg/h 出烧成带垫板、支柱温度，t4=1280 查手册，次时粘土垫板、支柱的平均比热为： C4=1.178 kJ/kg.根据公式得：Q4=G4C4t4=2371.1781280=357358 kJ/h （3）烟气带走显热Qg； 烟气中包括燃烧生成的烟气，预热带不严密处漏入之空气外，尚有用于气幕的空气。用于气幕之空气体积由冷却带计算为； Vm=1552Bm3 /h离窑烟气体积： Vg=V g+(ag-1)V ax+Vm 离窑烟气温度一般为200300，现取tg=250 查手册，此时烟气的平均比热为：Cg=1.44kJ/m . 根据公式得： Qg=V g+(ag-1)V ax+VmCgtg=10.524+(2.5-1)9.524x+15521.44250 =8931.6x+558720 kJ/h （4）通过窑墙，窑顶散失的热Qs 根据各处材料的不同，并考虑温度范围不能太大，将预热带窑墙分为四段计算其向外散热，一侧散热： 第一段；20750， 长15米， 散热8200kJ/h 第二段；750970， 长5.25米， 散热7160kJ/h 第三段；9701280， 长8.25米， 散热13600kJ/h 第四段；1280 ， 长3米， 散热5800kJ/h 一侧总散热：34760kJ/h 两侧总散热：347602=69520kJ/h 窑顶按同样原则，计算结果为：112500kJ/h Qs=69520+112500 =182020 kJ/h(5)窑车积蓄和散失之热Q6 取经验数据，占热收入的25%。 （6）物化反应耗热和散热之热Q7 不考虑制品所含之结构水 自由水质量 Gw=163.27-160=3.27 kJ/h 烟气离窑温度 tg=250 制品中A12O3含水量为25%。 根据公式可得； Q7=Qw+Qr=Gw（2490+1.93tg)+Gr2100A12O3% =3.27(2490+1.93250)+16021000.25=93720 kJ/h (7)其他热损失Q8 去经验数据，占热收入的5%. 4、列出热平衡方程式 热收入=热支出 Q1+Q2+Qf+Qa+Qa+Qm=Q3+Q4+ Qg+Q5+Qs+Q6+Q7+Q8 3004+4275+36062.4x+319.436x+299.52x+216000=245760+357358+8931.6x+558720+69520+112500+93720+(3004+4275+36062.4x+319.436x+299.52x+216000) （0.25 +0.05）移项整理得16745.3492x=1281282.7x=76.5,即每小时需要天然气76.5 Bm 5、列出预热带及烧成带平衡表如下：热收入热支出项目KJ/h%项目KJ/h%1.坯体带入显热30040.101.产品带出显热2457608.112.垫板、支柱显热42750.142.垫板、支柱显热35735811.803.燃料化学热，显热2758773.691.073.烟气显热1241987.440.994.阻燃空气显热24436.90.814.窑墙、窑顶散热1820206.015.漏入空气显热22913.30.765.窑车积、散热757350.725.006.气幕显热2160007.136.物化反应热937203.097.其他热损失151470.145.00总计3029402.8100.01总计3029666.24100.00九、冷却带热平衡计算冷却带热平衡的计算，其计算方法与预热带，烧成带热平衡计算方法相同。先确定热平衡计算基准：1h,0；划计算范围：冷却带；画冷却带热平衡示意图；列出热收入、热支出的所有项目，然后解热平衡方程式。在这个热平衡方程式中也只能有一个未知数，即冷却空气需要量Vx(或可供干燥的热空气量)。其他一切项目都应已知，或用Vx代替，或事先用分段热平衡的办法算出，所以Vx可求。而可供干燥的热空气抽出量是由冷却空气鼓入量和助燃二次空气量决定的，亦可求。热收入的项目为离烧成带而进入冷却带时产品带入显热，棚板带入显热，窑车带入显热，冷却空气带入显热等。热支出项目为离窑时产品带出显热，匣钵，棚板带出显热，窑车带出显热，窑墙、窑顶散热、抽送干燥热空气带走显热，作气幕气体带走显热，其他热损失等。计篡公式同预热带、烧成带。1、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= 245760 kJ/h(2) 垫板、支柱带入显热Q4 此项热量即为预热、烧成带垫板、支柱带出显热： Q4= 357358 kJ/h(3)窑车带入显热Q9 预热带、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 = 0.95757350.7 =719483.2 KJ/h（4）冷却带末端送入空气带入显热Q10，用公式可计算得：ta=20，此温度下空气平均比热，查手册为：Ca=1.30KJ/m。 Q10=VaCata=Va1.3 20 =26Va KJ/h2、热支出项目： (1)产品带出显热Q11 出窑产品质量 G11= 135 Kg/h 出窑产品温度 t11= 80 查手册，此时产品平均比热，C11= 0.896 kJ/kg. 根据公式计算可得： Q11=G11C11t11= 160 0.89680 =11468.8 KJ/h(2)垫板、支柱带出显热，Q12 出窑垫板、支柱质量：G12= 237 Kg/h 出窑垫板、支柱温度：t12= 80 在80时粘板、支柱的比热为： C12= 0.84 +0.000264t =0.858 KJ/mQ12= G12 C12 t12= 16268 KJ/h(3)窑车带走和向车下散失之热Q13此项热量占窑车带入显热的55%， Q13=0.55Q9=0.55719483.2 = 395715.76 KJ/h(4)抽送干燥用的空气带走显热Q14, 该窑不用冷却带热空气作二次空气，且气幕所用空气由冷却带间壁抽出，所以，热空气抽出量即为冷却空气鼓入量Va。 设抽送干燥器用的空气温度为200： 此温度下的空气平均比热为： C14=1.32kJ/Bm Q14=VaC14t14=Va1.32200=264Va kJ/h（5）计算得，冷却带窑墙，顶散热为：Q15=100000 kJ/h(6)抽送气幕热空气带走显热Q16 抽送气幕热空气包括两侧间壁及二层拱内抽出之热空气，其所带之热由窑墙、窑顶之计算中已知为:Q16=Q+Q= 216000 kJ/h抽送气幕的热空气体积为；Vm=V+V= 1552 Bm/h(7) 其他热损失Q损 取经验数据，占总热收入的5% 3 、列热平衡方程式 热收入=热支出，即： 0.95(245760+357358+719483.2+26Va)= 11468.8+16268+395715.76+264Va+100000+216000移项整理得： V=2160.5 Bm/h. 即每小时有 2160.5 标准立方米，200 的热空气抽送干燥。 4、 列出冷却热平衡表及全窑热平衡表，方法同预热带、烧成带，此处从略。 热平衡采用计算机辅助计算，可节约时间。并可制成软件包，便于变更条件时采用。 十、烧嘴的选用及燃烧室的计算 每小时燃料的消耗量求出为： X=76.5 Bm/h 该窑共设7对烧嘴。 每个烧嘴的燃料消耗量为：76.514=5.46 （1） 选用DW-I -3型涡流式短焰烧嘴，其生产能力为18 Bm/h，烧嘴前天然气 压力800Pa，空气压力2000Pa。 与其配合的烧嘴砖厚230 mm。 （2） 燃烧室体积 V=5.4615500/1250000=0.068 m燃烧室深为: L=窑墙厚 - 烧嘴砖厚=1.16-0.23=0.93 m 燃烧室面积： F=V/L=0.068/0.93=0.07 m取燃烧室宽B为四个半砖宽，即4（砖宽+灰缝）=4（0.113+0.003）=0.464m 选用60拱，拱高f=0.1340.464=0.062m，燃烧室的截面积=拱形部分面积+侧墙矩形部分面积：0.147=(0.670.0620.464+0.464H) 燃烧室侧墙高：H=(0.147-2/30.0620.464)0.464 =0.275 m 取H=0.272m，即四砖厚：4（砖厚+灰缝）= 4(0.065+0.003)=0.272 m则燃烧室总高为：0.272+0.062=0.334m 十一、烟道和管道计算，阻力计算和风机选型 1、 烟道和管道计算：需要由排烟系统排除的烟气量，由预热带烧成带的热平衡应为： Vg=Vg+(ag-1)Vax+Vm =10.524+（2.5-1）9.524 76.5+1552 =3449.97 Bm/h （1）排烟口及水平支烟道尺寸 共有9对排烟口，则每个排烟口的流量为：V1=3449.97/18=191.7 Bm/h烟气在砖砌管道中的流速为125 Bms，流速太大则阻力大，流速太小则管道直径过大，造成浪费，且占地太多。现取流速w=1.5 Bm/s： 则 F1=V1/W=186/1.5/3600=0.0355 m排烟口高取三砖厚即0.204m：则宽为0.0355/0.204=0.174 m，考虑砖型，取一砖长，即0.232 m。排烟口水平深度定为0.46 m。（2）垂直支烟道尺寸由于烟气由排烟口至垂直支烟道流量不变，流速相同，所以截面面积应相等。但考虑砖型，取直道支烟道为:宽长=0.2300.232，垂直深度定为0.9 m。（3）水平烟道尺寸水平烟道内烟气流量为排出口处烟气流量的4倍（由垂直烟道的位置决定），流速不变则截面积应为排烟口的4倍，即：40.0355=0.142取宽为一砖半长，即0.345 m，则高为：0.142/0.345=0.412 m考虑砖型，取高为0.340 m，长定为6.75 m。（4）垂直烟道尺寸若烟气流速不变，垂直烟道又设于水平烟道的中部，所以其内烟气流量增加了一倍，因此截面积应为水平烟道的两倍。但从窑的结构强度来考虑，墙内通道过大，则窑的结构强度低，由于采用风机排烟，流速可以适当取大些，所以取垂直烟道截面积等于水平烟道截面积，并考虑砖型为0.3450.348 m，高定为1.5 m，此时垂直烟道内流速为3 Bm/s。（5）垂直烟道上接金属管道，直径为0.350 m，长定为8 m。2.阻力计算（1）料垛阻力hl根据经验数据，每米窑长的料垛阻力为1 Pa。设“0”压位在第一对烧嘴，即15号车位处，最末一对排烟口在第2号车位处，每车位长1.5 m。hl=（15-2）1.5 1=19.5 Pa（2）位压阻力hg由排烟口至烟囱底，位置升高1.5 m（烟囱与风机设于窑顶的平台上），取烟气温度为250。hg=H(a-g)g=-1.51.29273/(273+20)-1.30273/(273+250)9.80=-7.65 Pa(3)局部阻力hl查表可得烟气由隧道进入排烟口，突然缩小，取1=0.5；90转弯至垂直支烟道，2=2；再90转弯至水平烟道，3=2；在水平烟道中与另三个排烟口（2号、3号、4号排烟口）的烟气经三次90合流，4=32；再与同一水平烟道另一边的烟气180合流，5=3；至垂直烟道，然后90转弯，6=2；与另一侧垂直烟道180合流，7=3；再90转弯，8=2；与车下冷却风90合流，9=2；至风机（与车下冷却风合流后，流量增加至1730 Bm/h，但管道直径未变，此时流速为5 Bm/s）。 hl=1 51/2+6 82/2+93/2 =(0.5+2+2+323) 1.5/21.30(273+250)/273+(2+3+2) 3/21.30(273+250)/273+25/21.30(273+250)/273=178 Pa(4)、摩擦阻力hf对非圆形通道应求其当量直径d：d=4通道截面积/通道周边长排烟口直径和长度：d1=4（0.2040.232）/2（0.204+0.232） =0.217 m l1=0.45 m垂直支烟道直径和长度：d2=4（0.2300.232）/2(0.230+0.232)=0.231 ml2=0.8 m水平烟道直径和长度：d3=4（0.3450.340）/2(0.345+0.340)=0.343 ml3=6.75 m垂直烟道直径和长度：d4=4（0.3450.348）/2(0.345+0.348)=0.347 ml4=1.5 m金属管道直径和长度：d5=0.350 m，l5=8 m摩擦阻力系数，砖砌管道1=0.05金属管道2=0.03