年产60万m2素烧釉面砖的隧道窑课程设计.docx
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年产60万m2素烧釉面砖的隧道窑课程设计
一、前言1
二、设计任务和原始数据1
三、窑体主要尺寸的确定2
四、工作系统的安排2
五、窑体材料以及厚度的确定3
六、燃料燃烧计算4
七、预热带和烧成带热平衡计算5
八、冷却带热平衡计算9
九、选用烧嘴及燃烧室计算12
十、排烟系统的计算及排烟机的选型...................................13
十一、结束语14
十二、参考文献15
一、前言
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、设计任务和原始数据
1、设计任务:
设计一条年产60万m2素烧釉面砖的隧道窑
2、课程设计原始资料
(1)生产任务:
年产60万m2地砖;
(2)产品规格:
150*150*20mm;
(3)成品率:
85%
(4)坯体组成:
(干基)%Al2O3SiO2CaOMgO其余
21.2063.242.053.7510.5
(5)坯体水分:
相对水分3%;
(6)装窑密度:
39.9m2/m3,附匣钵烧,每个匣钵装150块砖坯,每个匣钵(加重法)8.052kg,每块砖坯入窑湿重0.410kg;
(7)燃料:
60号重油Qnet,ar=37000KJ/kg,预热温度90℃;
(8)烧成制度:
氧化气氛
烧成时间:
48小时
制品入窑平均温度85℃
制品出窑平均温度130℃
最高烧成温度1220℃
冷却带抽出热风温度200℃
温度制度:
85℃~~400℃~~700℃~~950℃预热带
950℃~~1220℃~~1200℃烧成带
1200℃~~700℃~~400℃~~130℃冷却带
(9)三带比例:
预热带:
烧成带:
冷却带=41:
20:
39
(10)年工作日:
340天/年;
(11)总烟道内烟气温度240℃(指烟囱底部温度),总烟道空气系数
α=3.5;
(12)外界空气温度25℃;地下水位较低地区;
(13)窑车高度取660mm(轨面至窑车衬砖高度),铁轨面至下拉杆高度为300mm;
(14)窑型:
明焰隧道窑;
三、窑体主要尺寸的确定
G=年产50万m2/年=60×104×100×0.410/24×340=3014.6kg/h
=7352.9件/h
g=装窑密度=39.9m2/m3/0.10×0.10m2=3990件/m3
1、隧道容积V=Gτ/Kg=7352.9×48/(85%×3990)=104.1m3
2、窑内长度L
取窑车长l=1.6m
设窑长为L=80m,则窑内车数n=80/1.6=50,则有效长度为80m
总窑长L=有效长度+进车室+出车室=80+3+2=85m
各带长度:
预热带长度=80*41%=32.8m
烧成带长度=80*20%=16.0m
冷却带长度=80*39%=31.2m
3、窑内宽度B
取B=1.2m
V=FLF=HB+2Bf/3
拱心角口α取60°则f=0.134B=0.134×1.2=0.16,代入数据得H=0.98m
验证:
H/B=0.99/1=0.82在(0.8~~1)范围内,故合理
则窑内宽B=1m窑内高=H+f=0.98+0.16=1.14m
四、工作系统的安排
在预热带—14号车位设13对排烟口,每车位一对。
烟气通过各排烟口到窑墙内的水平烟道,由7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。
在1号、4号、7号车位有三道气幕。
其中1号车位气幕为封闭气幕,窑顶和侧面皆开孔,气体喷出方向与窑内气流成90°声。
4号和7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22号一30号车位设9对燃烧室,先疏后密,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,烧成带各处烧前压力基本相同。
冷却带在32—36号车位处,有8m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31—36号车位有9m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38—46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41号车位处用金属管道由热风机输送风干燥。
窑尾50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21—41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8号车位处由排烟机排走。
烧成带前后,即20号、32号车位处,设两对事故处理口。
全窑无检查坑道。
五、窑体材料以及厚度的确定
根据上述原则,确定窑体的材料及厚度如表1—7。
材料及厚度确定忘可进行材料的蘸算。
计算方法同田(1--1)、(1--2),逐段逐层的计算。
确定全窑的材料消耗量。
温度
范围℃
长度
范围m
窑体材料m
窑体材料m
I等粘土砖
Ⅱ等粘土砖
轻质粘土砖
红砖
I等粘土砖
Ⅱ等粘土砖
轻质粘土砖
粒状高炉渣
红砖
钢筋混粘土
进车室
(2.5)
0.240
0.05
85~700
0~19
0.230
0.235
0.495
0.230
0.075
0.120
0.053
700~950
19~32.8
0.230
0.350
0.380
0.230
0.113
0.075
0.120
0.053
(事故处理口)
(空)
(空)
Ⅱ粘
0.120
0.230
0.265
0.345
0.230
0.113
0.075
0.120
0.053
Ⅱ粘
950~1220
32.8~48
0.345
0.470
0.345
0.230
0.113
0.075
0.120
0.053
(烧嘴处)
0.930
0.230
0.230
0.113
0.075
0.120
0.053
1220~1200
48.8~50.3
0.230
0.350
0.380
0.230
0.113
0.075
0.120
0.053
(事故处理口)
(空)
(空)
Ⅱ粘
0.075
0.120
0.053
0.120
0.230
0.265
0.345
0.230
0.115
0.075
0.120
0.053
1200~700
50.3~58.3
间隙通道壁厚+空隙+壁厚
0.04+0.150+0.04
0.350
0.380
0.113
0.113
0.075
0.089
0.053
(空)0.150
700~400
58.3~72.7
0.230
0.235
0.495
0.230
0.075
0.120
0.053
400~130
72.7~80
0.230
0.500
0.230
0.075
0.120
0.053
(出车室)
(2)
0.240
0.075
0.120
0.053
0.05
六、燃料燃烧计算
1、燃烧所需空气量
该窑用天然气,其热值QD=37000KJ/Bm3;
理论空气量:
V0a=0.203Qnet,ar/1000+2=9.51Bm3/kg;
实际空气量:
取空气过剩系数α=1.55
Va=αVoa=1.55×9.51=14.70Bm3/kg;
2、燃烧产生烟气量
理论烟气量:
Vo=0.265Qnet,ar/1000=0.265×37000/1000=9.81Nm3/kg
实际烟气量
V=Vo+(α-1)Voa=9.81+(1.55-1)×9.51=15.0(Nm3/kg)
3、燃烧温度
理论燃烧温度tth=(Qnet,ar+C油t油+VaCata)/VC
设t=1600℃查表的1600℃时烟气比热c=1.63KJ/Bm3.℃
在室温25℃的空气比热Ca=1.3KJ/Bm3.℃
重油比热Cf=1.74+0.0025t=1.74+0.0025×90=1.97KJ/Bm3.℃
带入公式得tth=(37000+1.97×90+14.7×1.3×25)/(14.57*1.63)=1540oC
(1600-1540)/1540×100%=3.9%<5%所以合理
取高温系数η=0.80
则实际温度为:
Tp=0.80×1540=1232oC
比烧成温度1220oC高12oC,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(表1—8)。
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。
陶瓷工业隧道窑的单位质量产品热耗和窑炉结构及操作条件各因亲之间的关系,可参下图1—8:
七、预热带和烧成带热平衡计算
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。
7.1.2热平衡框图
QfQaQa
↓↓↓
Q2→→Qg
Q1→→Q8
↓↓↓↓↓
Q3Q4Q5Q6Q7
其中Q1---制品带入的显热Q2---匣钵带入的显热
Qf---燃料带入化学热及显热Qa---助燃空气带入显热
Qa’---漏入空气带入显热Q3---产品带出显热
Q4---匣钵带出显热Q5---窑墙、窑顶散失之热
Q6---窑车积散之热Q7---物化反应耗热
Q8---其他热损失Qg---废气带走显热
2、热收入项目:
(1)制品带入显热Q用公式计算
每小时入窑的湿制品为:
G1’=7352.9×0.0.410=3014.6Kg/h
入窑制品含3%自由水,每小时入窑干制品:
G1=3016.4×(1-0.03)=2919.7Kg/h
入窑制品平均比热c’=0.84+.000264t=0.84+0.000264*85
=0.862KJ/kg.℃
入窑制品温度t1’=25℃
则Q1=G1’·c’·t1’=2919.7×0.862×85=213926.4Kg/h
(2)匣钵带入显热Q2:
此窑制品装匣钵,匣钵吸热,根据器体积、密度可求得每车质量G2为417.6Kg/h。
C2=0.96+0.000146t=0.96+0.000146×85=0.972KJ/kg.℃
根据公式可得
Q2=G2’·c2’·t2’=416.7×0.972×85=34516.7(Kg/h)
(3)燃料带入化学热及显热Qf;
Qnet,ar=37000KJ/Bm3;入窑重油温度,t=90℃
查手册,此温度下的煤气平均比热为;
Cf=1.74+0.0025t=1.74+0.0025×90=1.97KJ/kg.℃
根据公式可得;
Qf=x(QD+tf·Cf)=x(37000+1.97*90)=37177.3xKg/h
(4)空气带入显热Qa;
全部助燃空气作为一次空气。
燃料所需空气量已求得
Va=14.7xBm3/h
助燃空气温度t=25℃
查手册,在25℃时空气的平均比热为;
Ca=1.30J/kg.℃
根据公式可得
Qa=Va×Ca×ta=14.7x·1.3·25=477.8xKJ/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=3.5,由上述已求出理论空气量V=9.51Bm3/kg
烧成带燃料燃烧时的空气过剩系数af=1.55
Va'=x(3.5-1.55)x9.51=18.54xBm3/h
漏入空气温度为ta'=25℃,查手册,Ca'=1.30kJ/kg.℃
根据公式可得
Qa=Va·Cata、=18.54x.1.30×25=602.7xkJ/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=524.8kg
出烧成带产品温度t3=1220℃
产品平均比热;C3=0.84+0.000264×1220=1.16kJ/kg.℃
根据公式可得:
Q3=C3t3G3=1.16×1220×2919.7=4131959.4kJ/h
(2)匣钵带走显热Q4
匣钵质量:
G4=417.6kg/h
出烧成带匣钵温度,t4=1220℃
匣钵的平均比热为C4=0.96+0.000146×1220=1.14kJ/kg.℃
根据公式得:
Q4=G4C4t4=417.6×1.14×1220=580798kJ/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tg=240℃
查手册,此时烟气的平均比热为Cg=1.42kJ/m^3.℃
根据公式得:
Qg={[Vog+(ag-1)Voa]x+Vm}Cgtg
={[9.81+(3.5-1)x9.51]x+1552}x1.42x240
=11445.8x+528921.6kJ/h
(4)通过窑墙,窑顶散失的热Q5
取经验数据,占热收入的6.67%。
(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=G1’.3%=3014.6x3%=90.3kg/h
烟气离窑温度tg=240℃
制品中A12O3含水量为21.20%。
根据公式可得;
Q7=Qw+Qr=Gw(2490+1.93tg)+Gr.2100.A12O3%
=90.3×(2490+1.93×240)+2919.7×2100×0.212
=1566524.4kJ/h
(7)其他热损失Q8
去经验数据,占热收入的10%.
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+Qg
=(213926.4+34516.7+37177.3x+477.8x+602.7x+216000)×58.33%
=4131959.4+580798+11445.8x+528921.6+1566524.4
移项整理得13378.2x=6663286.5
X=498.1kg/h,即每小时需要重油498.1kg
5、列出预热带及烧成带平衡表如下:
八、冷却带热平衡计算
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=4131959.4kJ/h
(2)匣钵带入显热Q4
此项热量即为预热、烧成带匣钵带出显热:
Q4=580798kJ/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=0.95x1853255.4=1760592.6KJ/h
(4)冷却带末端送入空气带入显热Q10
用公式(1—62)计算:
ta=25℃,此温度下空气平均比热查手册为:
Ca=1.30KJ/m3*℃。
Q10=VaCata=Va×1.3×25=32.5VaKJ/h
2、热支出项目:
(1)产品带出显热Q11
出窑产品质量G11=2919.7Kg/h
出窑产品温度t11=130℃
此时产品平均比热,C11=0.84+0.000264×130=0.874kJ/kg.℃
根据公式可得:
Q11=G11C11t11=2919.7×0.874×130=331736.3KJ/h
(2)匣钵带出显热,Q12
出窑匣钵质量:
G12=417.6Kg/h
出窑匣钵温度:
t12=130℃
在130℃匣钵的比热为:
C12=0.96+0.000146t=0.96+0.000146*130=0.979KJ/m3*℃
Q12=G12C12t12=4173.6×0.979×130=53148.0KJ/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=0.55×1760592.6=968325.9KJ/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)窑墙窑顶散热Q15
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’= 1552 Bm3/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×(43131959.4+580798+1760592.6+32.5Va)=
331736.3+53148.0+968325.9+264Va+100000+216000
移项整理得:
233.12Va= 4480472.3
解得:
V=19219.6Bm3/h
即每小时有6746.3Bm3,200 ℃的热空气抽送干燥。
4、列出冷却带平衡表如下:
九、选用烧嘴及燃烧室计算
每小时燃料消耗量求出为:
x=498kg/h
该窑共设9对烧嘴,每个烧嘴的燃料消耗为:
498/18 =27.6 kg/h。
选择型号,与其配合的砖厚为230mm
燃烧室体积:
V=37.6×37000/1250000=0.819 m3;
燃烧室深度:
L=1.16-0.23=0.93m ;
燃烧室截面积:
F=0.819/0.93=0.881 m2;
取燃烧室10个半砖宽=10×(0.113=0.003)=1.16m
选用60o拱,拱高f=0.134B=0.134×1.16=0.155m
因此:
0.881=2/3×0.124×0.928+0.928H
侧墙高:
H=0.881-2/3×0.155×1.16/1.16=0.656m
取H=0.612m,即9块砖厚:
9×(0.065+03003)=0.612m
则燃烧室总高:
0.612+0.155=0.767m
十、排烟系统的计算及排烟机的选型
烟道和管道计算:
需要由排烟系统排除的烟气量,由预热带的热平衡为:
Vg=[Vg0+(ag-1)Va0]x+Vm=[9.81+(3.5-1)×9.51]×186.1+1552
=7802.2 Bm3/h
(1)排烟口及水平支烟道尺寸
共有13对排烟口,则每个排烟口的流量V1=18280.6/26=703.1 Bm3/h
烟气在砖砌管道中的流速为1—2.5Bm/s,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=2Bm/s:
则 F1=V1/W=703.1/(2×3600)=0.0977m2
排烟口高取六砖厚即0.408m:
则宽为0.0977/0.408=0.239m,考虑砖型,取一砖长,即0.232m。
排烟口水平深度定为0.46m。
(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,流速不变,多以截面面积应该相等。
但考虑砖型,取垂直支烟道为:
宽*长=0.232×0.232 m2 ,垂直深度定为0.9m。
(2)水平支烟道尺寸
水平烟道烟气流量为排烟口处烟气流量的7倍,流速不变,则截面积应为排烟口的7倍,即:
7×0.0977=0.684 m2 取宽为2砖长,即:
0.464m,则高为:
0.684/0.464=1.47m
考虑砖型取高为1.428=21×0.068m,长定为11.2m。
(4)垂直烟道上接金属管道,直径为0.46m,长为8m。
十一、结束语
通过这一个星期的设计,是我对窑炉有了更深一步的了解,以前学热工设备只能在书上听到窑炉,对窑炉的概念和并不是很清楚,经过这一次的课程设计,犹如我亲自见到了真正的窑炉一样,对窑炉里面的构造有了系统性的了解。
此次设计是在老师的悉心指导和同学们的帮助下,这其中还到图书馆查找了一些文献,经过自己还详细计算,最终顺利完成了此次任务。
再此,对耐心指导过我的叶老师和帮助过我的同学们表示最真诚的感谢。
十二、参考文献
【1】刘振群主编《陶瓷工业热工设备》武汉理工大学出版社1989
【2】《筑炉工手册》冶金工业出版社
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- 年产 60 m2 釉面砖 隧道窑 课程设计