热能与动力工程窑炉设计毕业论文.doc

华北电力大学毕业设计（论文）题目 天然气辊道窑设计专 业 班 级 学生姓名 指导教师 继续教育学院年 月 日摘 要本文为天然气辊道窑设计。通过对原始数据的分析和计算，为了对其他数据整体更好的把握，设定为三块砖并排行进的走砖方式。窑炉总长64.32米，有效宽是2.3米，烧成温度是1210。采用天然气作为燃料，燃烧器采用高速脉冲烧嘴，外加套管代替烧嘴砖的方式，可有效的提高燃烧质量。事故处理孔的布置相对密集，相对交错布置。排烟口和抽热风口分别设置在辊上下，且在这些区段的前后设有挡墙和挡板，有效加强内部气体滞留时间，提高冷热交换效果。窑体多使用轻质材料，在保证窑外生产管理环境的前提下减少窑墙厚度，加强保温效果；燃烧器分布较广，在预热带中前段基本只有辊下才有烧嘴，有利于节省燃料，调节温差，使制品烧成质量极好；缓冷段设置较长，有利于控制产品缺陷；每两节就有一对测温孔，测温管分别从窑顶和侧面伸入，侧面的测温孔相错布置，有利于全面获取窑炉内部相对较接近的温度数据。为了方便砌筑工作，在设计中我将砌筑考虑在内，在高度方向上尽可能不砍砖，且计算中已经将单砖和泥浆厚度带入到设计中。本设计将在缓冷抽出的热风部分用于助燃，加强了燃烧和预热效果，且其余废热和预热带抽烟段抽出热烟用于干燥及生活用水，能很好的节能减排。我设计的辊道窑，窑体趋向轻小型化，设计可能相对保守，但都求实用。全窑采用气密性良好的布置，尽可能隔绝窑内外环境，倡导洁净生产，优化工作环境。关键词：快速烧成、辊道窑、保温 、节能AbstractI design task as an annual output of 800,000 square meters of natural gas roller kiln After the analysis of raw data and calculations, in the grasp of the overall consideration of other data, I set three brick brick walk way to move side by sideTotal length of 64.32 m the furnace, the effective width is 2.3 meters, the firing temperature is 1210 . Using natural gas as fuel, high-speed pulse burner burner, plus a brick burner casing instead of the way, can effectively improve the combustion qualityAccident relatively dense arrangement of holes, relatively staggered layoutExhaust port and pump hot air up and down in the roll were set, and in these sections before and after the retaining wall and the baffle has effectively strengthen the internal gas retention time, improve the exchange of hot and cold effect. Kiln to use more lightweight materials, guarantee the production and management of the environment outside the kiln under the premise of reducing the wall thickness of the kiln to enhance the insulation effect; burner widely distributed in the preheating zone in the front burner only under basic only roll will help save Fuel, adjust the temperature, so that the quality of products, excellent firing; slow cooling section to set a longer conducive to control of product defects; every two holes have a pair of temperature, temperature control, respectively, stretching from the furnace top and side, the side Temperature with the wrong hole layout is conducive to relatively close to full access to the internal furnace temperature data. In order to facilitate the work of masonry, masonry in the design, I will take into account the height of cut as much as possible the direction of brick, and the calculation has a single thickness of brick and mud into the design. This design will be out of the hot air part of the slow cooling for combustion, enhanced combustion and preheating, and the remaining waste heat and preheat with hot smoke smoking section out of water for the dry and can be a good energy saving and emission reduction. I designed the roller kiln, my kiln tends to light and small, design may be relatively conservative, but they find useful. All kiln with good air tight layout, cut off from the kiln internal and external environment as much as possible, promote cleaner production, optimize the working environment. Keywords: quick firing, roller kiln, insulation, energy saving目录前 言61 设计任务书及原始资料72 窑体尺寸的确定82.1 进窑砖坯尺寸82.2 排砖方法、内宽及内高的确定82.2.1 排砖方法及内宽82.2.2内高82.3 烧成制度的确定92.4 窑长及各带长102.4.1窑长102.4.2各带长103 工作系统的确定113.1 排烟系统113.2 燃烧系统113.2.1 烧嘴的设置113.3 冷却系统123.3.1急冷通风系统123.3.2缓冷通风系统123.3.3快冷通风系统123.4 窑体附属结构133.4.1 事故处理孔133.4.2测温孔133.4.3观火孔133.4.4膨胀缝133.4.5挡墙、挡板134窑体材料确定154.1窑体材料确定原则154.2窑体材料厚度的确定原则154.3全窑体所用材料及厚度列表155燃料燃烧计算165.1空气量165.2.烟气量165.3.燃烧温度166物料平衡计算176.1相关物理质量计算177预热带烧成带热平衡计算187.1热平衡计算准则187.2热平衡示意图187.3热收入项目187.3.1坯体带入显热187.3.2燃料带入化学热及显热197.3.3助燃空气带入显热197.3.4预热带漏入空气带入显热197.4热支出项目207.4.1热制品带出显热207.4.2窑体散热207.4.3物化反应耗热267.4.4烟气带走显热267.4.5其他热损失267.5 热平衡方程268 冷却带热平衡计算288.2热收入项目288.2.1产品带入显热288.2.1冷风带入显热288.3 热支出项目288.3.1产品最终带出的显热298.3.4其它热损失348.4 热平衡方程349烧嘴选型3610 传动计算3710.1 传动系统的选择3710.2 传动过程：3710.3 辊子材质的选择3710.4 辊距的确定3810.5 辊子传动过程中的联接方式3810.6 辊子转速的选择3811 管道尺寸、阻力计算及风机的选用3911.1排烟风机的管道尺寸、阻力计算3911.1.2 抽烟管道及风机3911.1.3风机的选型4011.2 其他管道及风机4111.2.1天然气输送管径的计算4111.2.2助燃风管的计算4111.2.3冷却带风管计算4211.2.4缓冷抽热风管4211.2.5急冷风管4211.2.6快冷风管4311.2.7其他风机选型4312 材料概算45后 记49参考文献50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,比如辊道窑。辊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；而辊道窑中空、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。产品单位能耗一般在20003500 KJ/Kg ，而传统隧道窑则高达55009000 KJ/Kg 。所以，辊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，烧成也由窑炉决定。抛光砖产品的形状，吸水率，抗压强度及存放滞变情况都受到窑炉烧成制度合理程度的影响。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，压力是温度的保证，也是窑炉控制的保证。设计之前我已经将设计的基本情况确定，并进行了详尽的计算。当我在广东唯美陶瓷有限公司实习的时候，有机会长期观察辊道窑的细节部分并进行思考。这样我对我设计的窑炉有了更多的理解，且对之前一些荒唐的想法予以了否定。于是我又开始重新设计，因为对窑炉的实物了解，我的设计更加合理化。带着对公司的窑炉一些不足之处的理解，我设计的窑炉也甄于完善。我设计的辊道窑是连续式窑。窑炉总长64米，内宽2.3米，烧成温度是1210摄氏度。燃料采用天然气。我设计的辊道窑，窑体趋向轻型化，烧成质量好，产量高，年产80万。1 设计任务书及原始资料一、设计任务：年产80万抛光砖天然气辊道窑设计二、原始资料：1、产品规格 ：60060011 mm 密度:2300kg/m32、年工作日 ：330 天3、燃 料 ：天然气4、烧成合格率 ：97%5、坯体入窑水分 ： 1.3 %6、烧成周期：72分钟7、烧成气氛：全氧化8、烧成温度：1210三、基本要求：1、认真思考，独立完成；2、编写详细设计说明书，含设计计算、材料概算等并要求应用计算机计算、处理和分析。说明书采用学院规定的统一格式，一律用A4纸打印；3、绘制窑炉设计图纸，包括钢架结构、窑炉砌体、排烟通风系统、异形砖及燃烧器等；4、全部图纸要求上墨加黑并至少要有一张AutaCAD制作的1#图纸，要求视图关系正确、尺寸标注完整，图纸中阿拉伯数字和汉子的书写等必须符合相关国标；5、要求完成20003000字的英文文献调研报告和至少2000个英文字符的毕业设计摘要。2 窑体尺寸的确定2.1 进窑砖坯尺寸产品规格：60060011 mm产品宽度600mm，考虑烧成收缩为10%，则：666.67mm2.2 排砖方法、内宽及内高的确定2.2.1 排砖方法及内宽根据产量，所用的燃料，窑内传热等因素，粗略确定内宽的尺寸，入窑坯体的尺寸为666.67666.67，故暂定窑内宽B = 2800 mm。坯体离窑墙内壁一般有100200 mm 间隙，取150 mm，则可排砖数为：最终确定并排3片所以，窑内宽=666.673+1502=2300 mm，最后定窑内宽为 2300 mm。2.2.2 内高内高为窑道内整个空间的高度，等于辊上高（辊道中心线至窑顶的距离）与辊下高（辊道中心线至窑底的距离）之和。内高必须合理，既能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、缓冷带由于温度较高，为了保证有足够的烧成空间和冷却空间。所以，内高可较其他两带稍高一些。 取内高如下：标准砖：23011475mm。一般考虑耐火砖及轻质砖灰缝在24mm，红砖在710mm，此次设计考虑耐火砖灰缝取3mm。预热带，缓冷带和快冷带孔砖上排3层砖，孔砖下排7层砖。烧成带和急冷带孔砖上排5层，孔砖下排7层。第15节和第3032节第6节第29节辊上高324478mm辊下高610610mm总高9341088mm2.3 烧成制度的确定（1）温度制度： 烧成周期:72min 各温度段的划分与升温速率名称温度/时间/min升温速率/min-1长度比例/%节数预热带209502732.5937.512烧成带950121013.519.2618.756急冷带12109504.5-656.252缓冷段95040020.25-27.1628.1259快冷段400806.7547.49.3753累计7210032 温度曲线图（2）气氛制度：全窑氧化气氛（3）压力制度：预热带-8-4 Pa ，烧成带 8 Pa2.4 窑长及各带长2.4.1 窑长同一列砖砖距取30 mm ，则装窑密度=每米排数每排片数每片砖面积=30.670.67=1.933 （）所以， 窑长=。利用装配式，由若干节联结而成，设计每节长度为2002 mm ，节间联结长度 8 mm ，总长度 2010 mm 节数=取节数为 32节。所以，窑长度为：L=201032=64320 mm 2.4.2 各带长根据烧成曲线中温度的划分，各段长度：抽烟段： （节） 取 5 节 预热带： （节） 取 7节烧成带： （节） 取4节 保温带： （节） 取2节急冷段： （节） 取 2节 缓冷段： （节） 取 9 节快冷段： （节） 取 3 节3 工作系统的确定3.1 排烟系统在窑前段第1、2、4、5节设置排烟口，采用4段分散排烟的方式，且上下交错分布，使内部气流扰动剧烈，排水效果较好。在每段排烟处设4个排烟口直通窑体外，在排烟口出口处设置一条支烟管，每条支烟管设置排烟闸，以调节烟气支流量。然后经水平分管进入总烟管，水平管道第3、4节之间设置排烟闸，控制水平管道的烟气量。总烟管设于窑顶，上有总闸。利用烟气抽力，引导窑内气体流运动。在第4节处设置一个工作平台，上面布置两台排烟风机，一台为正常运作风机，另一台备用。3.2 燃烧系统在辊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。烧嘴的对侧是观察孔，以便更好的观察火焰的燃烧情况，便于操作控制。为均匀窑温，强化窑内对流换热，在选择烧嘴时，选用小流量高速烧嘴，本设计采用的是佛山市克罗姆热能技术有限公司的KIC KIO型燃气高速脉冲烧嘴. 该高速脉冲烧嘴，可直接点火及控制。最佳燃烧使得污染物排放水平极低。3.2.1 烧嘴的设置本设计在预热带中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，达到的目的。考虑到在低温段设置烧嘴不宜太多。因此，在7、8节每节辊下交错布置2个烧嘴；在912节每节辊下交错设置4个烧嘴；在1318节辊上和辊下均设置4个烧嘴，亦交错布置。辊上下烧嘴及对侧烧嘴均互相错开排列，并在每个烧嘴的对侧设置一观察孔。3.2.2 烧嘴布置位置78节912节1318节烧嘴布置每节2个烧嘴每节4个烧嘴每节8个烧嘴烧嘴总数4个16个48个总共68个3.3 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，达到节能的目的。3.3.1急冷通风系统从烧成最高温度至少800以前，制品中由于液相的存在而且具有塑性，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是直接风冷是在辊上下设置横窑断面的冷风喷管。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，达到急冷的效果。本设计也采用此种结构，在第19节20节，每节辊上6根、辊下6根，内径90mm急冷风管，风管采用相对排列布置。共24根急冷风管。与此同时，在第1920节处设置一个工作平台，上面放置急冷风机2台、助燃风机2台。各自一台运行，一台备用。3.3.2 缓冷通风系统制品冷却到800400范围时，是产生冷裂的危险区，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。大多数辊道窑在该处设有36处抽风口，使从急冷段与窑尾段过来的热风流经制品，让制品慢速均匀得冷却。本设计采用抽热风方法，缓冷覆盖区域达9节之多，可较好的解决冷裂问题。在第22、24、26、28四节窑顶设置抽热风口，每处设置4个小抽热风口；在第23、25、27三节窑底设置抽热风口，每处设置4个小抽热风口。在每根支管上设置一个控制阀，支管经汇总后与分管连接。3.3.3快冷通风系统本设计从第30节32节在辊上下均布置冷风管，此时砖已经基本定形但常出现裂砖掉落到窑下的情况。设置风管的好处是：一、对生产环境较有利，噪音小；二、在窑炉上所占位置较小，有利于设置测温孔和事故处理孔。三、价格相低廉且维修频率低。3.4 窑体附属结构3.4.1 事故处理孔本设计将事故处理设在辊下，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”，两相邻事故处理孔间距不应大于事故处理孔对角线延长线与对侧内壁交点连线。考虑到砌筑应该比求出值稍大一点，故取事故处理孔长度为：230mm，所以我们取事故处理孔尺寸为：23075。在事故处理口上设置一个30023075的过桥砖。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。密封是为了防止热气体外溢，冷风漏入等引起的热损失对烧成制度产生影响。3.4.2 测温孔为严密监视及控制窑内温度制度，及时调整烧嘴开度，一般在窑道顶及火道侧墙留设若干处测温孔以安装热电偶。测温孔间距一般为35米，高温段布密些，低温段布稀些，在烧成曲线的关键点，如氧化末段、晶体转化点、釉始溶点、成瓷段、急冷结束等都应设测温孔。本设计如下：第1、3、5、7、10、11、13、14、16、18、19、21、23、25、27、30节的窑顶和辊下侧墙各设置一个测温孔。窑顶测温孔设计安装在距离窑前1340mm处，侧墙安装位置距离窑底200mm,距窑前1340mm。侧墙的测温孔相错布置。3.4.3 观火孔在每个烧嘴的对侧窑墙设置直径50mm的观火孔，以便及时观察对面烧嘴火焰情况。遇到事故处理口，取消观火孔。3.4.4膨胀缝 窑体受热会膨胀，产生很大的热应力，为避免砌体开裂、挤坏，必须重视窑体膨胀的留设，窑墙、窑顶等砌体都要留设，一般每隔2m左右留设20mm膨胀缝，内填陶瓷棉或石棉。3.4.5挡墙、挡板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。为了更好的调节窑炉内温度制度的调节，本设计将在每个换带之间设计上挡板，在烧成带和冷却带设置挡墙、挡板是为避免烧成带的烟气倒流，又避免了压力波动时急冷风窜流向烧成带而降低高温区温度。再一个就是防止高温烟气的辐射对急冷管的损害。预热带设置挡墙、挡板可以增加烟气在高温区的滞留时间，提高烟气利用率且可控制低温区的温度。本设计在烧成带第22节前和急冷带第36节前端，各设置挡墙、挡板。挡墙高度为300mm。在19、21节的前段和在第12节、29节末端各设一对挡墙和挡板。挡板最大入窑深度距离辊子中心上150mm。挡墙用轻质高铝砖组成。4窑体材料确定4.1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价廉的材料以减少投资。4.2窑体材料厚度的确定原则 为了砌筑方便的外形整齐，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。4.3全窑体所用材料及厚度列表分段节数窑体位置材料名称使用温度导热率 W/（m.）厚度 m窑前段快冷段1-530-32窑墙硅藻土砖7000.063+0.1410-3t0.23窑顶轻质高铝砖13000.66+0.0810-3t0.23窑底硅藻土砖7000.063+0.1410-3t0.229预热带缓冷带6-1221-29窑墙粘土质隔热砖NG-1.011500.29+0.2610-3t0.114硅酸铝耐火纤维毡10000.150.143窑顶轻质高铝砖13000.66+0.0810-3t0.23硅酸铝耐火纤维毡11000.150.13窑底超轻质耐火粘土砖12000.058+0.17010-3t0.075硅藻土砖7000.063+0.1410-3t0.154烧成带、保温带、急冷带13-20窑墙轻质高铝砖13000.66+0.0810-3t0.114国产混合纤维毡LG-4613600.110.143窑顶轻质高铝砖13000.66+0.0810-3t0.23国产混合纤维毡LG-4613600.110.13窑底超轻质耐火粘土砖12000.058+0.17010-3t0.154硅藻土砖7000.063+0.1410-3t0.0755燃料燃烧计算5.1空气量=38000KJm理论空气需要量=0.264/1000+0.02=10.052（m/m）取空气过剩系数1.20实际空气量： =1.20 =1.2010.052=12.06(m/m)5.2.烟气量理论烟气量=+0.38+0.018 Qnet/1000=13.124实际烟气量= +(-1) =15.145.3.燃烧温度理论燃烧温度（Kj/m）（Kj/m）设=1500，查表得=1.635（Kj/m）=15495%取高温系数=0.85实际温度Tp=1549*0.85=1316.65比要求温度高出1316.65-1210=106.65，基本符合。6物料平衡计算6.1相关物料质量计算每小时烧成制品质量，每件产品质量密度为2300kg/m3 , 每件产品质量为9.1kg每小时生成干坯的质量Gg取灼减5%每小时生成湿坯的质量Gs （含水量 1.2 % ） 每小时蒸发自由水的质量GzGz=2775.8-2742.5=33.37预热带烧成带热平衡计算7.1热平衡计算准则 计算准则： 基准温度 0 基准质量 1小时进入系统的物料7.2热平衡示意图坯体带入显热：燃料带入化学热及显热：助燃空气带入显热：预热带漏入空气带入显热：热制品带出显热：窑体散失热 ：物化反应耗热：其他热损失：烟气带走显热：7.3热收入项目第1、2节热源为烟气余热，即利用烟气带走显热，所以1、2节不列入热平衡计算中，但计算时应以第2节末坯体温度计算坯体带入显热，以第2节末烟气温度计算烟气带走显热。7.3.1坯体带入显热入窑干制品质量Gg 烧成灼减5% ，取每块砖的质量为 9.1=2742.5 入窑制品含自由水 1.3%湿基制品质量 =2775.8制品入窑第2节末时温度t1=80，入窑制品比热=0.866（KjKg）= =2775.80.866100=240384.37.3.2燃料带入化学热及显热天然气低热值 38000入窑天然气温度 ，20时天然气比热容Cf=1.603设天然气消耗量为 = (38000+1.60220)=38032 7.3.3助燃空气带入显热助燃空气温度80 =80 时，空气比热容=1.32 = =12.06 =Va总CaTa=(12.06)1.3280=1273.5 7.3.4预热带漏入空气带入显热取预热带空气过剩系数=1.8漏入空气温度=20 ，空气比热容Cb=1.30漏入空气总量为=156 (KJh)7.4热支出项目7.4.1热制品带出显热制品烧成温度tg=1210 制品平均比热容，查手册=0.84+2610-51210=1.1546=GgtgC2=2742.512101.1546=3831453.5(KJh)7.4.2窑体散热将窑体分为三部分第35节:80400,取平均值240;第612节:4001000,取平均值700;第1318节:10001210取平均值11057.4.2.1第一部分第35节, 窑内平均温度240,窑外平均温度40 7.4.2.1.1窑顶散热: 材料及厚度：轻质高铝砖230mm高铝砖=0.66+0.0810-3t=0.66+0.0810-3=0.6776(w/m)单位热流q=589.2(w/)窑顶散热面积A顶=2.013=15.26Q顶 = 3.6qA=589.215.23.6=32241(kJ/h)7.4.2.1.2窑墙散热:材料及厚度：硅藻土砖厚度230mm硅藻砖=0.063+0.1410-3t=0.063+0.1410-3=0.0938(w/)单位热流q=81.57 (w/)一侧墙散热面积A墙=2.013=6.55二侧墙散热量Q墙=281.576.553.6=3846.84(kJ/h)7.4.2.1.3窑底散热:材料及厚度：硅藻土砖75mm硅藻砖=0.063+0.1410-3t=0.063+0.1410-3=0.0938 (w/m)单位热流q=250.13（w/)窑底散热面积A底=A顶=15.26Q底= qA3.6=250.1315.263.6=13741.14(kJ/h)7.4.2.2第二部分第612节, 窑内平均温度700,窑外平均温度80 7.4.2.2.1窑顶散热:材料及厚度：粘土质隔热砖230mm外壁最高温度为=80，环境温度取=20。根据对流辐射换热系数计算公式有：=+=14最大热流量为：据导热公式有：已知,，但未知，须采用试差法计算：先假定，则=0.498 ，重设,=0.5相对误差(613.6-