设计一条年产卫生陶瓷10万大件的隧道窑.docx

设计一条年产卫生陶瓷10万大件的隧道窑.docx

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成都理工大学

隧道窑课程设计书

课程设计题目：

设计一条年产卫生陶瓷10万大件的隧道窑

学院：

材料与化学化工学院

专业：

材料科学与工程

姓名：

朱廷刚

学号：

20080204

指导老师：

叶巧明

刘菁

目录

前言 2

一原始资料的收集 3

二窑型选择 3

三窑体主要尺寸的计算 4

四工作系统的确定 8

五窑体材料及厚度的确定 10

六燃料燃烧的计算 12

七用经验数据决定燃料的消耗量 13

八预热带及烧成带的热平衡计算 13

九冷却带热平衡计算 19

十烧嘴的选用及燃烧室的计算 22

十一烟道和管道计算，阻力计算和风机选型 24

30

前言

窑炉的设计计算，其基本原则都是一样的。

掌握隧道窑设计计算的主要内容，方法及具有识固的能力，对其他窑炉的设计计算也就举一反三了。

隧道窑的设计计算包括三大部分：

1．窑体主要尺寸及结构的计算；设备的计算；3．通风设备及其他附届设施计算。

2．燃料燃烧及燃烧隧道窑的设计计算工作且相当繁重，所以在计算过程中往往采用简化的经验数据。

近年来采用电子计算机技术，对隧道窑设计进行了研究，使设计工作向前推进了一步。

例如，对窑墙传热，窑车不稳定传热，绕成带绕宪分布及各对烧嘴中照料的分配，预热带排拥口分布乃久对排姻口烟气量的分配等都可用电子计算机设计计算。

一原始资料的收集

1.年产量：

10万大件／年；

2.产品规格：

400×200×200mm，干制品平均质量

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.制品如要水分：

2.0%；

7.烧成曲线：

20℃~970℃,9h;

970℃~1280℃,4h;

1280℃,保温1h;

1280℃~80℃,14h;

最高烧成温度1280℃，烧成周期28h.

二窑型选择

卫生瓷是大件产品，采用普通窑车隧道窑。

由于考虑到燃料为城市煤气，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，所以采用明焰露袭的形式（制品不袭匣钵），既能保证产品质量，又增加了产量，降低了燃科消耗，改善了工人操作条件，并降低了窑的造价，是合理的。

烧成制度：

20~~970℃，9h；预热带

970~~1280℃，4h；烧成带

1280℃，保温1h；保温阶段

1280~~80℃，14h；冷却带

烧成周期:

28小时

三窑体主要尺寸的计算

（一）隧道窑容积计算

道容积是根据生产任务、成品车、烷成时间及装窑密度四个因素决定的。

装窑密度是根据制品对焙烧过程的要求，制品的尺寸等找出最合理酌装车方法而计算出来的，也可以从生产实践中收集数据。

绕成时间是由绕成曲线决定的。

生产任务和成品率都是已知的。

隧道容积=（生产任务×烧成时间）÷（成品率×装窑密度）

=（100000×28）÷（90%×9÷1.5）

=518518.5m3

（二）窑长和窑车数计算

为使装车方便，并使窑内温度均匀，快违烧成，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L＝1500×870mm，平均每车装制品9件／车，干制品的平均质量为每件10kg，则每车装载量为90kg／车。

装车方式图

装窑密度：

9/1.5=6件/车

可直接求出窑长

窑长L＝（生产任务×烧成时间÷年工作日×24）÷（成品率×装窑密度）

=（100000×28÷340÷24）÷（90%×9÷1.5）

=63.5m

窑内容车数：

n=63.5÷1.5=42.4取43辆

则窑车有效长为：

43×1.5=64.5m

（三）隧道窑内高、内宽、长度及各带长度的计算

容车装载面至铁顶的高度。

隧道内高的确定，应考虑窑垂直断面温度分布的均匀性，制品规格，以及工人操作的方便。

窑越高气体分层题严重，窑内温度越不均匀，太矮则不能满足生产任务的要求。

目前一般内高在1—2m（快速埃成的隧道窑内高较低）。

内宽指窑内两侧场间的距离。

内宽的确定原则要考虑水平断面温度的均匀性，制品尺寸和装车方法。

太宽则火焰不易到达隧道中心，使窑两侧与中心温差大。

太窄不经济．，加宽比加高有利。

一股隧道内宽在1．一2m。

顶烧隧道窑的宽度则较此数大。

确定了隧道的内高、内宽。

就可算出隧道截面积，并确定隧道长度。

隧道长些，容易达到预定的烧成制度。

但隧道过长，则阻力加大，为克服窑内阻力，相应的鼓风、抽风压强也要大，使窑处于较大的正压和负压下经作。

若正压过大，热气体冒出窑外，操作条件恶劣，燃耗增加，且易挠损窑车。

负压大，则容易漏进冷空气，窑内上下温差大；降低了产品的产量和质量，也增加了燃料消耗。

一般隧道窑长度在70m左右，最长的约120m（快速烧成用的隧道窑甚短）。

所以应根据具体情况，从产量、质量、投资、生产费用等各方面去比较，确定。

但总的看来，隧道窑是向快速烧成，降低窑高，缩短窑长方向发展。

对一些大件产品，设计时也可根据合理的装车图，首先确定窑车的尺寸，根据每车制品的装载量直接求出窑的长度及各带长度，再根据窑车宽和制品的尺寸，确定窑的内宽和内高。

根据烧成曲线：

窑体各带长度的确定

预热带长Ly=（预热时间/总烧成时间）×总长=9/28×63=20.25m

烧成带长Ls=（烧成时间/总烧成时间）×总长=5/28×63=11.25m

冷却带长Lv=（冷却时间/总烧成时间）×总长=14/28×63=31.5m

设进车室2m，出车室2m，则窑总长为63十2十2＝67m。

窑内宽B根据窑车和制品的尺寸取1000mm。

窑内侧墙高（窑车挂9z面至拱脚）根据制品最大尺寸（并留有空隙）定为500mm。

拱心角口取60°，则拱高J＝0．136B＝0．134×800＝107mm

轨面至窑车衬砖面高660mm。

为避免火焰直接冲击制品，窑车上设300mm高之通道（由40mm厚耐火粕土板及耐火粘土砖柱组成）。

侧墙总高为（轨面至拱脚）H＝500十300十40十660＝1500mm

窑内容车数43辆

推车时间：

28×60/43=39min/车

小时推车数：

60/39=1.5车/h

四工作系统的确定

窑型及窑的主要尺寸确定后，应确定窑的工作系统，即燃烧系统和通风系统如何?

供油管路b燃烧室、排烟口、支烟道、主烟道、烟囱如何布置?

采用什么冷却方式，要否二次空气，如何抽余热，气幕、气氮幕如何布置?

风机如何安排，是否没检查坑道等。

工作系统的确定原则是要满足制品的烙烧要求，减少窑内温差，加速传热和充分利用余热，便于施工以及操作控制等。

而且还要考虑当地实际情况，就地取材，节约投资。

采取齿轮泵供油易控制，雾化效果好，但如条件限制，也可采取高位油槽供油。

又如隧道窑两侧主烟道在窑墙内平行引向窑头汇合进烟囱：

（不先在窑底汇合由一侧进烟囱），可以减少阻力，降低烟囱高度。

又在风机安排上，最好风机专用。

则每台风机容量小，功率小，而且便于控制各点的气氛和温度。

但有时受条件限制，也可一机数用，即几个供风系统共用一台风机。

在预热带2—10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后管道至徘烟帆，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号车位有三运气幕。

其中1号车位气幕为封闭气幕，窑顶和侧培皆开孔，气体喷出方向与窑内气流成90。

声。

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14／15号一2l／22号车位设7对携烧室，不等距分布，两测相对排列。

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24—28号车位处，有7m长的间壁急冷段，由侧路上的小孔直接吸人车间冷空气，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23—28号车位有8m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。

这里只作为计算例题，实际上该段应采用直接风急冷或直接、间接相结合，将丙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30—38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：

3号车位处用金届管道由热风机拍送干燥。

窑后43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14—34号车位，每隔3m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号车处由排姻机排走。

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。

五窑体材料及厚度的确定

根据上述原则，确定窑体的材料及厚度如下表：

查表：

①预热带温度为20℃~970℃，则：

厚度=0.230m（II等粘土砖）+0.235m（轻质粘土砖）+0.495m（红砖）

=0.960m

②烧成带温度为970℃~1280℃，则：

厚度=0.345m（I等粘土砖）+0.230m（II等粘土砖）+0.470m（轻质粘土砖）+0.345m（红砖）

=1.390m

③冷却带温度为1280℃~80℃，则：

1280~710厚度=0.04m（间隙通道壁厚）+0.150m（空隙）+0.04m（壁厚）+0.350m（轻质粘土砖）+0.380m（红砖）

=0.96m

710℃~80℃厚度=0.23m（轻质粘土砖）+0.500（红砖）

=0.73m

六燃料燃烧的计算

燃料的计算包括：

燃烧所需空气的计算，燃烧生成烟气量的计算及实际燃烧温度的计算。

1、燃烧所需空气量

该窑用天然气，其热值QD=36000KJ/Bm3;

理论空气量：

Voa=0.264Q*D/1000+0.02=9.524Bm3/Bm3;

实际空气量:

取空气过剩系数α=1.29

Va=αVoa=1.29×9.524=12.286Bm3/Bm3;

2、燃烧产生烟气量

理论烟气量：

Vo=0.26QD/1000+1.02=0.26*36000/1000+1.02=10.38Nm3/Nm3）

实际烟气量

V=Vo+（α-1）Voa=10.38+（1.29-1）*9.524=13.14（Nm3/Nm3）

3、燃烧温度

理论燃烧温度tth=（Qnet+CfTf+VaCaTa）/VC

=（36000+3.12×20+12.286*1.3×20）/13.14.4c

=1688.3oC

（1730-1688.3）/1688.3×100%=2.5<5%所以合理

取高温系数η=0.80

则实际温度为:

Tp=0.80*1688.3=1350.6oC

比烧成温度1280oC高70.6oC，合理。

七用经验数据决定燃料的消耗量

燃料消耗量的计算，可直接选用经验数据（表2）。

表中列出隧道窑焙烧各种陶瓷产品的单位热耗。

八预热带及烧成带的热平衡计算

（1）确定热平衡的计算基准：

因为隧道窑是连续生产的，燃料是源源不断燃挠，制品不断地控进推出，计算时必须划出一个时间阶段来作为基准。

选用1小时作为计算基准。

（2）确定热平衡计算范围：

计算煽料消耗量时，热平衡的计算为预热带和烧成带，不包括冷却带。

（3）画热平衡示意图：

各项热量的计算方法：

（一）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=90×1.5=135（Kg/h）

入窑制品含2%自由水，每小时入窑的湿制品为：

G1’=135/（1-0.02）=137.76（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0.84~1.26KJ/kg*C范围。

现取平均比热c’=0.92KJ/kg.℃

入窑制品温度t1’=20℃

则Q1=G1’·c’·t1’=137.76*0.92*20=2535（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158.1Kg。

G2=158.1*1.5=237（Kg/h）

C2=0.845KJ/kg.℃

根据公式可得

Q2=237*0.845*20=4005（Kg/h）

（3）燃料带入化学热及显热Qf;

QD=36000KJ/Bm3;

入窑天然气温度，t=20℃

查手册，此温度下的煤气平均比热为；

Cf=3.12

根据公式可得;

Qf=x（QD+tf·Cf）=x（36000+3.12*20）=36062.4x（Kg/h）

（4）空气带入显热Qa;

全部助燃空气作为一次空气。

燃料所需空气量有1-10求得。

Va=12.286xBm3/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=12.286X·1.3·20=319·XKJ/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，由利1-10中已求出理论空气量V=9.524Bm3/Bm3;

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=11.52xBm3/h

漏入空气温度为ta'=20℃

查手册，Ca'=1.30kJ/kg.℃

根据公式可得；

Q、a=V、a*C、a*t、a=11.52x*1.3*20=299.5xkJ/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/h

3、热支出项目:

（1）产品带出显热Q3

出产品带出质量G3=135kg

出烧成带产品温度t3=1280℃

查手册，得产品平均比热；C3=1.20kJ/kg.℃

根据公式可得：

Q3=135*1.20*1280=207360kJ/h

（2）垫板支柱带走显热Q4

垫板、支柱质量：

G4=237kg/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=1.178kJ/kg.℃

据公式得：

Q4=G4*C4*t4=237*1.178*1280=357358kJ/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=[Vog+（ag-1）Voa]x+Vm离窑烟气温度一般为200~300℃，现取tg=250℃

查手册，此时烟气的平均比热为；Cg=1.44kJ/m^3.℃根据公式得：

Qg={[Vog+（ag-1）Voa]x+Vm}*Cg*tg

={[10.38+（2.5-1）*9.524]*x+1552}*1.44*250

=8880x+558720kJ/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；20~750℃，长15米，散热，8200kJ/h

第二段；750~970℃，长5.25米，散热，7160kJ/h

第三段；970~1280℃，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：

34760*2=69520kJ/h

窑顶按同样原则，计算结果为112500kJ/h

Qs=69520+112500kJ/h=182020

（5）窑车积蓄和散失之热Q6

去经验数据，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=137.76-135=2.76kJ/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）+Gr*2100*A12O3%

=2.76*（2490+1.93*250）+135*2100*0.25

=79079kJ/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+Q，a+Qm=Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8

2535+4005+36624x+319x+11.52x+216000=207360+357358+8880x+558720+69520+11250+79079+（2535+4005+36624x+319x+11.52x+216000）*（90.25

+0.05）

移项整理得16989x=1384537

X=73,即每小时需要天然气73Bm3

九冷却带热平衡计算

过程

①热平衡计算基准：

1h,0℃；

②划计算范围：

冷却带；

③画冷却带热平衡示意图；

④列出热收入、热支出的所有项目；

⑤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且是由冷却空气鼓入量和助燃二次空气量决定的。

热收入的项目为高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，窃车带出显热，窑堵、窑顶散热、抽送干燥热空气带走显热，作气暮气体带走显热，其他热损失笨。

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=207360kJ/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=357358kJ/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=0.95*Q6=0.95*725070=688817KJ/h

（4）冷却带末端送入空气带入显热Q10，用公式（1—62）计算：

ta=20℃，此温度下空气平均比热查手册为：

Ca=1.30KJ/m3*℃。

Q10=VaCata=Va×1.3×20=26VaKJ/h

2、热支出项目：

（1）产品带出显热Q11

出窑产品质量G11=135Kg/h

出窑产品温度t11=80℃

查手册，此时产品平均比热，C11=0.896kJ/kg.℃

根据公式（1--64）可得：

Q11=G11C11t11=135*0.896*80=9677KJ/h

（2）垫板、支柱带出显热，Q12

出窑垫板、支柱质量：

G12=237Kg/h

出窑垫板、支柱温度：

t12=80℃

在80℃是粘板、支柱的比热为：

C12=0.84+0.000264t=0.858KJ/m3*℃

Q12=G12C12t12=16268KJ/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=0.55×Q9=0.55×688817=378849KJ/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/Bm3·℃

Q14=Va·C14·t14=Va×1.32×200=264VakJ/h

（5）计算得，冷却带窑墙，顶散热为：

Q16=100000kJ/h

（6）抽送气幕热空气带走显热Q17

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：

Q17=Q+Q、=216000kJ/h

抽送气幕的热空气体积为；

Vm=Vo+Vo、=1552Bm3/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*（207360+357358+688817+26Va）=

9677+16268+378849+264Va+100000+216000

移项整理得：

V=1188Bm3/h.

即每小时有1188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

算出每小时全窑燃料消耗量后，可求每个烧嘴每小时的燃料消耗量，选用合适的烧嘴，及进行燃烧室尺寸的计算。

燃烧室的计算是根据燃烧室空间热强度，每1m3，燃烧空间每小时能发出（1.25~2.10）x106kJ的热，求出燃烧室的体积；根据窑墙的厚度，烧嘴砖的尺寸，确定燃烧室的深度，求出燃烧室的截面积；再根据砖形及工艺要求算出燃烧室的宽度和高度。

每小时燃料的消耗量求出为：

X=73Bm3/h

该窑共设7对烧嘴。

每个烧嘴的燃料消耗量为：

73÷14=5.21

（1）选用DW--3型涡流式短焰烧嘴，其生产能力为18Bm3/h，烧嘴前天然气压力800Pa，空气压力2000Pa。

与其配合的烧嘴砖厚230mm。

（2）燃烧室体积

V=5.21×15500/1250000=0.065m3

燃烧室深为:

L=窑墙厚-烧嘴砖厚=1.16-0.23=0.93m

燃烧室面积：

F=V/L=0.065/0.93=0.07m^2

取燃烧室宽B为四个班砖宽，即4×（砖宽+灰缝）=4×（0.113+0.003）=0.464m

选用60°拱，拱高f=0.134×0.464=0.062m，燃烧室的截面积=拱形部分面积+侧墙矩形部分面积：

0.065=（0.67*0.062*0.464+0.464H）

燃烧室侧墙高：

H=0.1m

取H=0.272m，即四砖厚：

4×（砖厚+灰缝）=

则燃烧室总高为：

0.1+0.062=0.1