年产50万件卫生洁具隧道窑设计.docx
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年产50万件卫生洁具隧道窑设计
《窑炉课程设计》说明书
题目：
年产50万件卫生洁具隧道窑设计
目 录
前言
一原始资料
二窑体主要尺寸的确定
2.1窑主要尺寸的确定
2.2推车时间
三工作系统的初步确定
3.1窑体
3.2燃烧系统
3.3排烟系统
3.4冷却系统
3.5检查坑道和事故处理孔
3.6 测温孔及观察孔
3.7测压孔
3.8钢架
四窑体材料和厚度的确定
五燃料燃烧计算
5.1 助燃空气量计算
5.2烟气量计算
5.3 燃烧温度计算
六热平衡的计算
6.1计算基准
6.2热收入项目
6.3热支出
6.4列热平衡方程式
6.5预热带和烧成带热平衡表
七冷却带热平衡的计算
7.1计算基准
7.2热收入项目
7.3热支出项目
7.4列热平衡方程式
7.5冷却带热平衡表
八排烟系统设计与计算
8.1排烟系统的设计
8.2阻力计算
8.3风机选型
九总结
一原始资料
1.1原始数据
卫生洁具坯体组成（%）
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
K2O
Na2O
TiO2
I.L
67.2
19.04
0.34
0.23
0.34
3.14
0.21
4.7
4.8
图1-1坯体组成
年产量：
50万件/年
产品名称：
卫生洁具
年工作日：
350天/年
成品率：
95%
燃料：
城市天然气35500
制品入窑水分：
1%
燃烧曲线：
20～970℃ 5.5h
970～1280℃ 2.6h
1280℃ 1.5h
1280～80℃ 7.4h
最高烧成温度1280℃ 烧成周期17h
窑型选择：
卫生洁具是大件，所以采用普通窑车隧道窑
二窑体主要尺寸的确定
2.1窑主要尺寸的确定
为使装车方便，并且使窑内温度均匀，快速烧成，采用单层装车的办法，即窑车上只放一层制品。
根据几种方法确定：
窑车长×宽=1500×3300mm平均每车装制品15件，制品的平均质量为每件10kg，则每车装载量为150kg/车
可以直接求出窑长：
窑长L=[（生产任务×烧成时间）/（年工作日×24）]/（成品率×装成密度）=106m
窑内容车数：
n=106/1.5=71辆
取要有效长为：
106m
根据烧成曲线：
预热带长=（预热时间×总长）/总烧成时间=（5.4×106）/17=33.6取34m
烧成带长=（烧成时间×总长）/总烧成时间=（4.1×106）/17=25.6m取26m
冷却带长=（冷却时间×总长）/总烧成时间=（7.4×106）/17=46.1m取46m
2.2推车时间
窑内容车数54辆，则：
推车时间：
（17×60）/71=14.36min/车；推车速度：
60/14.36=4.17车/小时。
三工作系统的初步确定
3.1窑体
以2米为一个单元节，全窑106米，共有53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。
3.2燃烧系统
在烧成带18～29号车位设12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。
3.3排烟系统
在预热带2～15号车位设14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。
3.4冷却系统
冷却带在30～38车位，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。
从热交换的角度来看，冷却带实质上是一个余热回收设备，它利用制品在冷却过程中所放出的热量来加热空气，余热风可供干燥用，达到节能目的。
3.5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。
3.6 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，低温段布稀点，高温处密点，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。
3.7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。
3.8钢架
每一钢架长度为2米，含钢架膨胀缝。
全窑共53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。
四窑体材料和厚度的确定
窑体所采用的材料及其厚度应该满足各段使用性能要求，综合考虑各处的温度对窑墙、窑顶的要求，窑体表面最高温度限制以及砖形、外观整齐等方面的因素，确定窑体材料和厚度见如下。
窑墙
窑顶
温度段
（℃）
该段长度
（m）
轻质
高铝
砖（mm）
聚轻高铝砖
（mm）
轻质
粘土
砖
（mm）
硅酸铝棉
（mm）
硅酸钙硬板
（mm）
该段
厚度
（mm）
堇青莫来石板
（mm）
莫来石绝热砖
（mm）
硅酸铝纤维
（mm）
20-900
26
114
230
10
354
20
230
900-1220
20
114
230
100
10
454
230
230
1220-800
8
114
230
100
10
454
230
230
800-80
28
114
230
10
354
20
230
表4—1 窑体材料和厚度表
堇青莫来石板制品具有热膨胀系数小，抗震稳定性好，使用寿命长，且不会突然断裂，使用过程中不氧化不落脏掉渣，不污染烧品，是在1300℃以下烧制品最理想的材料。
五燃料燃烧计算
5.1 助燃空气量计算
所用燃料为天然气：
Qnet,ar=35500KJ/m3。
查工具书，得理论空气燃烧计算式，Va0=0.26×
+0.02（m3/m3）
则理论空气需要量为：
Va0=0.26×（35500/1000）+0.02=9.25（m3/m3）
取空气过剩系数为1.29，则实际需要空气量为：
Va=qv,a=αVa0=1.29×9.25=11.93（m3/m3）
5.2烟气量计算
查工具书，得理论空气燃烧计算式：
V0=0.26×
+1.02（m3/m3）
则理论烟气量为：
V0=0.26×（35500/1000）+1.02=10.25（m3/m3）
实际烟气量为：
V=V0+（α-1）Va0=10.25+（1.29-1）×9.25=12.93（m3/m3）
5.3 燃烧温度计算
燃烧温度计算式：
t=（QDw+VaCata+CfTf）/（VC）
查表在t=1730℃时的烟气比热为C=1.64kJ/（Nm3?
℃），在室温20℃时空气比热为Ca=1.30kJ/（Nm3?
℃），天然气的比热为Cf=1.56kJ/（Nm3?
℃），代入公式得
t=（35500+11.93×1.30×20+1.56×20）/（12.93×1.67）=1659.85℃
相对误差为：
（1730-1659.85）/1659.85=4.2%<5%，认为合理。
取高温系数n=0.8，则实际燃烧温度为tp=ηtth=0.8×1782=1327.88℃。
1327.88－1280=47.88℃，比烧成温度高出47.88℃，认为合理。
六热平衡的计算
6.1计算基准
热平衡的计算标准：
计算时间基准：
1h
计算温度基准：
0℃
热平衡计算范围：
预热带和烧成带，不包括冷却带，冷却带另外单独计算。
热平衡收支图：
Q
Qa
Qf
Q1
Q9
热收支平衡图
Q2
Q8
Q4
Q5
Q6
Q7
Q3
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
Q9=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6-1热平衡收支
6.2热收入项目
6.2.1制品带入的显热Q1
每小时入窑干制品：
G1=10×15×4.17=625.5kg/h
入窑制品含1%自由水，每小时入窑的湿制品为：
G1′=625.5/（1-0.01）=631.8kg/h
入窑制品的平均比热：
C1′=0.92KJ/（Kg·℃）
入窑制品温度：
t′=20℃
Q1=G1′C1′t′=631.8×0.92×20=11625.12KJ/h
6.2.2硼板、支柱等窑具带入显热Q2
每小时入窑的总质量G2=300×4.17=1251Kg/h
C2=0.963+0.000147t=0.963+0.000147×20=0.96594KJ/（Kg·℃）
Q2=G2C2T2=1251×0.96594×20=24167.8188（kJ/h）
6.2.3燃料带入的化学热及显热Qf
QD=35500KJ/m3
入窑天然气温度为Tf=20℃
查表，Tf=20℃时天然气平均比热容为：
Cf=1.56KJ/（Kg·℃）；
Qf=（QD+TfCf）x=（35500+20×1.56）x=35531.2x kJ/h
6.2.4助燃空气带入的显热Qa
qv=VaX=11.93x（m3/h）
Ta=20℃,查表，Ta=20℃助燃风时平均比热容为：
Ca=1.30KJ/（Kg·℃）
Qa=qvCaTa=11.93x×1.30×20=310.18x（kJ/h）
6.2.5漏入空气带入显热Q
取预热带烟气中的空气过剩系数ag=2.5，已求出理论空气量Va0=9.25Nm3/Nm3
烧成带燃料燃烧时空气过剩系数af=1.29
Va/=x×（ag-af）×Va0=x（2.5-1.29）×9.25=11.19x（Nm3/h）
漏入空气温度为ta/=20℃，此时Ca/=1.30kJ/（Nm3·℃），
则：
Qa/=Va/×Ca/×ta/=11.19x×1.30×20=290.94x（kJ/h）
6.2.6气幕、搅拌风带入显热Qs
气幕包括封闭气幕和搅拌气幕，封闭气幕只设在窑头，不计其带入显热。
取搅拌气幕风源为空气，其风量一般为理论助燃空气量的0.5-1.0倍，取为0.8倍。
所以：
Vs=0.8qv=0.8×11.93x=9.544x（Nm3/h），设ts=20℃，查得Cs=1.30kJ/（Nm3·℃）
则：
Qs=Vs×Cs×ts=9.544x×1.30×20=248.144x（kJ/h）
6.3热支出
6.3.1制品带出显热Q3
离开烧成带制品的热数据：
温度t3=1280℃；
比热C3=1.20kJ/kg.℃；
烧成制品质量G3=4.17×（300+15×10）=1876.5kg/h；
则Q3=G3×C3×t3=1876.5×1280×1.2=2882304kJ/h.
6.3.2棚板支柱带走显热Q4
离开烧成带棚板的热数据:
温度t4=1280℃；
棚板质量G4=1251kg/h
C4=0.84+0.000264t=0.84+0.000264×1280=1.178kJ/kg.℃
则Q4=G4×C4×t4=1251×1.178×1280=1886307.84kJ/h.
6.3.2 烟气带走显热Q9
Qg=qgCgTg（kJ/h）
烟气中包括燃烧生成的烟气，预热带不严密处漏入空气外，还有用于气幕的空气。
用于气幕的空气的体积Vs=9.544x （Nm3/h）
离窑烟气体积：
qg=[Vg0+（ag-1）×Va0]x+Vs烟气温度为100℃
此时烟气比热Cg=1.068kJ/（Nm3·℃）
Qg＝qg×Cg×tg＝{[12.93+（2.5-1）×9.25]x+9.544x}×1.068×100
＝3882.0732x（kJ/h）
6.3.3窑墙、窑顶散失热量Q5
根据各段材料不同,并考虑温度范围不能太大,将预热带和烧成带分成三段计算。
6.3.3.120—750℃段
该段窑长度为22米，窑宽为3.55米。
窑外壁表面平均温度80℃，窑内壁表面平均温度：
（20+750）/2=385℃。
6.3.3.1.1窑墙部分散热计算
此部分用材料如下：
轻质高铝砖，厚度δ=114mm，导热系数0.706w/（m·℃）；
轻质粘土砖，厚度δ=230mm，导热系数0.342w/（m·℃）；
硅酸钙硬板，厚度δ=10mm，导热系数0.07w/（m·℃）；
热流q1=
=
=312.23W/m
不考虑车台面以下部分的窑墙散热，窑内高按1200mm计算，
则两侧窑墙散热量：
Q/1=2×312.23×22×1.2×3.6=59348.6784（kJ/h）
6.3.3.1.2窑顶部分散热计算
此部分用材料如下：
堇青莫来石板，厚度δ=20mm，导热系数0.2w/（m·℃）；
硅酸铝棉，厚度δ=230mm，导热系数0.24w/（m·℃）；
热流q2=
=
=288.19W/m
窑顶散热量：
Q/2=288.19×3.55×22×3.6=81027.5（kJ/h）
所以，20—450℃段的窑体散热总量为：
Q/a=Q/1＋Q/2=59348.6784+81027.5=140376.1784（kJ/h）
6.3.3.2750—970℃段
该段长度为13米，窑外壁表面平均温度80℃，窑内壁表面平均温度：
（750+970）/2=860℃
6.3.3.2.1窑墙部分散热计算
此部分用材料如下：
轻质高铝砖，厚度δ=114mm，导热系数0.706w/（m·℃）；
轻质粘土砖，厚度δ=230mm，导热系数0.342w/（m·℃）；
硅酸钙硬板，厚度δ=10mm，导热系数0.07w/（m·℃）；
热流q3=
=
=798.49W/m
则两侧窑墙散热量：
Q/7=2×798.49×1.2×13×3.6=89686.39（kJ/h）
6.3.3.2.3窑顶部分散热计算
此部分用材料如下：
堇青莫来石板，厚度δ=20mm，导热系数0.2w/（m·℃）；
硅酸铝棉，厚度δ=230mm，导热系数0.24w/（m·℃）；
热流q4=
=
=737.01W/m
窑顶散热量：
Q/8=3.55×737.01×13×3.6=122446.84（kJ/h）
所以，750—970℃段的窑体散热总量为：
Q/9=Q/7+Q/8=89686.39+122446.84=212133.23（kJ/h）
6.3.3.3 970—1280℃段
该段长度为23米，窑外壁表面平均温度80℃，窑内壁表面平均温度：
（970+1280）/2=1125℃
6.3.3.3.1 窑墙部分散热计算
此部分用材料如下：
聚轻高铝砖，厚度δ=114mm，导热系数0.45w/（m·℃）
硅酸铝棉，厚度δ=100mm，导热系数0.24w/（m·℃）
轻质粘土砖，厚度δ=230mm，导热系数0.342w/（m·℃）；
硅酸钙硬板，厚度δ=10mm，导热系数0.07w/（m·℃）
热流q10=q5=
=
=703.53W/m
不考虑车台面以下部分的窑墙散热，窑内高按1300mm计算，
则两侧窑墙散热量：
Q/10=2×703.53×1.3×23×3.6=151455.94（kJ/h）
6.3.3.3.2 窑顶部分散热计算
此部分用材料如下：
莫来石绝热砖，厚度δ=230mm，导热系数0.3w/（m·℃）；
硅酸铝棉，厚度δ=230mm，导热系数0.24w/（m·℃）；
热流q11=q6=
=
=605.79W/m
窑顶散热量：
Q/11=23×3.55×3.6×605.79=178065.91（kJ/h）
所以，970—1280℃段的窑体散热总量为：
Q/12=Q/10+Q/11=151455.94+178065.91=329521.85（kJ/h）
综上所述，预热带和烧成带窑体散失热量总和为：
Q5=140376.1784+212133.23+329521.85=682031.2584（kJ/h）
6.3.4 窑车蓄热和散失热量Q6
取经验数据，占热收入的10%。
6.3.5 物化反应耗热Q7
自由水蒸发吸热:
Qw=Gw×（2490+1.93×tg）
自由水的质量Gw=631.8-625.5=6.3kg/h
烟气离窑的温度tg=100℃。
制品中Al2O3含量为19.04%
则可得：
Q7=Qw+Qr=Gw（2490+1.93tg）+Gr×2100×Al2O3%=6.3（2490+1.93×100）+625.5×2100×19.04%=267002.82kJ/h
6.3.6其他热损失Q8
一般取经验数据，此项热支出占热收入的5%—10%，本次计算取5%。
6.4列热平衡方程式
由热平衡方程：
热收入=热支出，有
Q1+Q2+Qf+Qa+Q/a+Qs=Q3+Q4+Qg+Q5+Q6+Q7+Q8
11625.12＋24167.8188＋35531.2x＋310.18x＋290.94x＋248.144x=2882304＋1886307.84＋13085.64x＋682031.2584＋268826.67＋10%Q收＋5%Q收
X=210.32
即每小时需要天然气210.32Nm3
6.5预热带和烧成带热平衡表
热收入
热支出
项 目
（kJ/h）
（%）
项 目
（kJ/h）
（%）
坯体带入显热
11625.12
0.15
产品带走显热
2882304
37.49
燃料化学显热
7472921.984
97.21
烟气带走显热
816477.6354
10.62
助燃空气显热
65237.0576
0.85
窑墙、窑顶带走显热
682031.2584
8.87
漏入空气显热
61190.5008
0.79
物化反应耗热
267002.82
3.49
棚板、立柱带入显热
24167.8188
0.32
棚板、立柱带出显热
1886307.84
24.53
气幕显热
52189.64608
0.68
窑车积、散热
768733.2127
10
其它热损失
384366.6064
5
总 计
7687332.127
100
总 计
7687223.373
100
表6-1预热带和烧成带热平衡表
七冷却带热平衡的计算
7.1计算基准
热平衡的计算标准：
计算时间基准：
1h
计算温度基准：
0℃
热平衡计算范围：
预热带和烧成带，不包括冷却带，冷却带另外单独计算。
热平衡收支图：
Q10
Q9
Q3
Q16
热收支平衡图
Q17
Q4
Q11
Q12
Q13
Q15
Q14
Q3=胚体带入的显热
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=胚体带出的显热
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7-1热平衡收支示意
7.2热收入项目
7.2.1 制品带入显热Q3
此项热量即为预热，烧成带产品带出显热Q3=2882304kJ/h
7.2.2硼板、支柱等窑具带入显热Q4
此项热量即为预热带和烧成带硼板、支柱等窑具带出热Q4=1886307.84kJ/h
7.2.3窑车带入显热Q9
预热带和烧成带窑车散失之热约占窑车积热的5%，即95%之积热进入了冷却带。
Q9=0.95×Q6=768733.2127×0.95=730296.5521（kJ/h）
7.2.4急冷风与窑尾风带入显热Q10
设窑尾风风量为Vx,一般急冷风量为窑尾风量的（1/2-1/4），本设计取急冷风是窑尾风的1/2，则急冷风与窑尾风的总风量为：
1.5Vx
空气的温度ta=20℃,此时空气的平均比热ca=1.296kJ/（Nm3·℃）.
则：
Q10=Va×ca×ta=1.5Vx×1.296×20=38.79Vx（kJ/h）
7.3热支出项目
7.3.1制品带出显热Q11
出窑产品质量G11=625.5kg/h
出窑产品温度t11=80℃，产品比热C11=0.896kJ/（kg·℃）
Q11=G11×C11×t11=625.5×80×0.896=44835.84（kJ/h）
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