20m3烧成电瓷制品梭式窑设计Word文档格式.docx
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为了让我们掌握梭式窑的特点及结构、增强工程设计能力、提高计算能力和理论分析能力,我们设计了一个20m³
最高烧成温度为1300℃的烧成电瓷制品的梭式窑。
1.设计要求
1窑内有效容积:
33m³
2最高烧成温度:
1300℃
3燃料的种类及组成:
净化煤气
煤气组成:
成分
CO2
CO
H2
CH4
C2H4
H2S
N2
含量(%)
4.5
29
14
1.8
0.2
0.3
50.2
4空气过系数:
α=1.1
5燃料消耗量:
160kg/h
6成品率:
95%
7装窑密度:
1.2吨/立方米
8窑容积系数:
0.9
9当地气候条件:
夏季平均温度为27℃,年平均大气压力96000Pa。
2.窑炉主要尺寸设计
窑体的尺寸主要依据被煅烧制品的产量要求、产品性能、烧嘴喷射能力、温度分布均匀性等各方面因素综合确定。
1梭式窑内高为窑车台面至窑顶的空间高度。
根据材料所能允许的对多高度来确定窑的内高。
如镁砖由于其荷重软化温度和它的烧成温度接近,故砖跺高度不宜太高,通常其窑内高在1米左右;
而硅砖由于其荷重软化温度高,其窑内高通常在1.9-2.1米;
现有粘土砖和高铝砖窑内高分别为1.5-1.9米和1.1-1.5米。
砖跺上下所允许的温差也是考虑窑内高时应注意的影响因素之一。
窑高增加,上下温度加大,容易造成烧成质量不均匀。
本设计中窑内高H取1.6米,即H=1..6m。
2梭式窑的内宽为窑内两侧窑墙之间的距离。
窑的内宽与窑的产量和允许的温差有关。
产量随窑的宽度增加而增大,太宽则中心温度偏低。
现代梭式窑多采用扁宽型断面设计,窑的宽高比一般为B/H≈2,其中B为窑内宽,H为窑的内高。
梭式窑内宽一般在1—3米之间,国外最宽梭式窑已达6.4米。
则本设计中B=3m,查设计指导书附录2取B=3.016m。
3烧成温度较低断面较宽的陶瓷梭式窑则常采用平吊顶的窑顶结构。
平吊顶结构是由异型轻质耐火砖或耐火纤维叠块所构成,用吊杆将其单独的或成组的吊挂在窑体的钢梁上。
综合考虑以上各因素,该窑采用平顶结构。
4当梭式窑的内高、内宽确定后,可以计算出梭式窑的横截面积,从而确定出梭式窑的总长度L:
L=
(式中:
V-窑容积,可由装窑密度、产量要求及窑容积系数求出,在本设计中V=35m³
;
F-窑横截面积,可由B与H之积求得)。
由于B=3.016m,H=1.6m可得:
F=B×
H=3.016×
1.6=4.83m2
则
=33÷
4.83=6.9m
3.窑炉砌筑体的设计
3.1砌筑体材质的选择
选择砌筑体材质窑充分考虑砌筑体所处的工作条件,其中包括:
①工作温度:
窑炉因用途不同,工作温度相差很大,应区别选用不同品种或不同等级的制品砌筑。
②温度应力:
承受温度应力较大的窑炉或部位,应选择稳定性好的材料,特别是间歇操作的窑炉更应该充分注意。
③承重荷载:
承受荷重大的部位应选择强度大的砖。
轻质砖和硅藻土砖不能用于砌筑承重拱顶或拱角砖,也不能用于砌筑同钢结构立柱相接触的窑墙。
在温度下承重还要考虑材料的荷重软化点。
④机械损伤:
如煅烧原料的竖窑和回转窑都要考虑受料的冲击和磨损。
⑤化学侵蚀:
不同种类的耐火制品砌筑接触时,要考虑它们之间的反应。
对于整个窑体来说,还要防止由于局部砌体过早损坏而导致停产。
查课本《无机非金属材料热工设备》选用粘土砖、轻质粘土砖、红砖以及高炉矿渣作为砌筑体材料,其最高使用温度、体积密度及导热系数如下表所示:
粘土砖
轻质粘土砖
红砖
高炉炉渣
最高使用温度(℃)
1300~1400
1150
600
700
体积密度(Kg/m³
)
400
1900~2300
500~550
导热系数[W/(m·
℃)]
0.698+0.64
t
0.291+0.256
0.7~1.2
0.093+0.291
3.1.1窑墙
窑墙窑要有一定的强度才能承受荷重、支持窑顶,同时还要耐高温、能保温,以维持窑内煅烧温度,减少热量损失,降低环境温度。
一般窑墙都由能够承受高温的耐火材料、保温隔热材料及外表面维护结构组成。
本设计中窑墙由内至外分别采用了粘土砖、轻质粘土砖、红砖砌筑。
3.1.2窑顶
窑顶除了要有一定的强度、耐热、保温性能,还要不漏气、重量轻、推力小等要求。
本设计中窑顶由内至外分别采用粘土砖、轻质粘土砖,并用高炉矿渣填充,窑顶表面铺上一层红砖以便于行走。
3.1.3窑车
窑车衬砖是梭式窑的活动窑底,它是用来保护金属窑车和装载制品烧成的。
它每经过窑内一次,就会被加热冷却一次,经受周期性的温度变化。
同时还要在窑车衬砖面上进行经常性的装卸工作,因此窑车衬砖较容易松动和损坏,严重时阻碍窑车在窑内正常运行。
所以窑车表面和周围要选用能承受高温、温度变化,并能承受荷重的耐火材料。
窑车内部衬砖砌筑,为了减少窑车重量,并减少窑车本身蓄热及散热,宜采用容重小,热容小,热容量小及热导率小的轻质保温材料。
由于本设计窑长L=6.9m,故选择3个长度为2.3m的窑车。
3.2砌筑体尺寸的确定
砌筑体的各种材料的厚度可用公式q=
(t内–t外)来确定。
对于高温窑炉,窑墙外表面温度一般取100℃-120℃,空气温度一般取20℃。
在本设计中窑墙外表面温度取100℃,空气温度取20℃。
同时砌筑体的长、宽、高的尺寸都应该考虑到砖行,计算时还要考虑灰缝在内。
耐火砖灰缝一般为2mm-3mm。
标准耐火砖尺寸为230×
113×
65mm。
耐火砖墙高度砌筑尺寸取68的倍数,耐火砖墙水平砌筑尺寸取116的倍数,其值可由指导书的附录表格中查出。
窑顶厚度也用同样的方法计算。
通常吊平顶厚200-250mm。
本设计中窑墙外表面温度取100℃,空气温度取20℃。
窑墙由内至外分别采用粘土砖、轻质粘土砖、红砖砌筑,温降分别为1300℃、1120℃、280℃、100℃。
窑顶由内至外分别采用粘土砖、轻质粘土砖,并用高炉矿渣填充,温降分别为1300℃、1120℃、570℃、80℃,窑顶表面铺上一层红砖以便于行走。
3.2.1窑墙尺寸的计算
查指导书附录3可得:
窑墙外表面温度为100℃,空气温度为20℃时,窑墙的散热量为q=1000千卡/(米²
·
时),
即q=1000×
4.184÷
3600×
1000=1162J/(m²
s)
粘土砖:
λ=0.698+0.64×
10-3t×
(1300+1120)÷
2=1.47[W/(m·
1=λ/q1(t内–t外)=1.47÷
1162×
(1300-1120)=0.228m
查指导书附录5后取
1=232mm。
轻质粘土砖:
λ=(0.291+0.256×
10﹣3)×
(1120+280)÷
2=0.470[W/(m·
2=λ/q1(t内–t外)=0.470÷
(1120-280)=0.340m
2=348mm。
红砖:
λ=0.8[W/(m·
3=λ/q1(t内–t外)=0.8÷
(280-100)=0.124m
3=126mm。
3.2.2窑顶尺寸的计算
查指导书附录4可得:
空气温度为20℃时,窑顶的散热量为
q=1200千卡/(米²
时)即q=1200×
1000=1395J/(m²
10-3×
4=λ/q2(t内–t外)=1.47÷
1395×
(1300-1120)=0.190m
4=204mm
λ=0.291+0.256×
(1120+570)÷
2=0.507[W/(m·
5=λ/q2(t内–t外)=0.507÷
(1100-570)=0.20m
5=204mm
高炉炉渣:
λ=0.093+0.291×
(570+60)÷
2=0.185[W/(m·
6=λ/q2(t内–t外)=0.185÷
(670-60)=0.068m
6=68mm
3.3膨胀缝
几种常用的耐火材料每米砌体的膨胀缝按下列尺寸留设。
耐火粘土砖和轻质粘土砖砌体5~6mm/m
硅砖砌体12mm/m
镁砖砌体10~12mm/m
高铝砖砌体6~8mm/m
由于上述所用的材料的工作温度都大于80℃,都应设膨胀缝,且膨胀缝的位置应避开受力部位和骨架,关应按间距2米左右均布。
窑墙膨胀缝的内层与外层之间留成锯齿形,上下层之间留成锁口形式以保证密封。
窑顶膨胀缝,单层拱顶留直缝,为保证密封应在拱顶压一层砖;
多层拱顶膨胀缝应错开,最上一层应拱顶也应压一层砖保证密封。
如下图:
4.燃烧计算及燃烧设备的选择
4.1燃料燃烧计算
设窑炉使用的煤气组成干基如下表:
成分
其中含水率为4%,α=1.1时。
基准:
1Nm3湿煤气xu×
1=xd(1-H2O)
换算成湿煤气组成:
xu=xd
=0.96xd
换算后的煤气组成如下表:
H2O
4.32
27.84
13.44
1.73
0.19
0.29
48.19
4.0
(1)1Nm3煤气燃烧所需要的空气量
理论空气量为:
V
=(1/2CO+1/2H2+2CH4+3C2H4+3/2H2S)×
100/21
=(
+
+0.0173×
2+0.0019×
3+0.0029×
)×
=1.195Nm3/Nm3煤气
实际空气量为:
Va=αVa0=1.1×
1.195=1.315Nm3/Nm3煤气
(2)1Nm3煤气燃烧理论生成烟气量为:
V0=(CO+H2+3CH4+4C2H4+2H2S+CO2+N2+H2O)+Va0×
79/100
=(0.2784+0.1344+3×
0.0173+4×
0.0019+2×
0.0029+0.0432+0.4819+0.04)+1.195×
=1.99Nm3/Nm3煤气
1Nm3煤气燃烧实际生成烟气量为:
V=V0+(α-1)V
=1.99+(1.1-1)×
1.195=2.11Nm3/Nm3煤气
烟气组分:
=(CO2+CO+CH4+2C2H4)/V×
100%
=
×
=16.24%
=(H2O+H2+2CH4+2C2H4+H2S)/V×
=10.22%
=H2S/V×
=0.14%
=(N2+αV
79%)/V×
=(0.4819+1.195×
1.1×
79%)÷
2.11×
=72.05%
=(α-1)V
×
0.21/V
=(1.1-1)×
1.195×
0.21/2.11×
=1.19%
4.2实际燃烧温度温度
查《材料工程基础》公式6.14知:
气体燃料的低位发热量:
Qnet=12600CO+10800H2+35800CH4+59000C2H4+63700C2H6+80600C3H6
+91200C3H8+118700C4H10+146000C5H12+23200H2S(KJ/Nm3)
Qnet=126×
27.84+108×
13.44+358×
1.73+590×
0.19+232×
0.29
=5758KJ/(Nm3·
℃)
燃烧所需空气量:
Va=1.315Nm3/Nm3煤气
实际烟气量:
V=2.11Nm3/Nm3煤气
发生燃烧时煤气温度tg与空气温度ta均为20℃,其中空气在0~20℃的平均比热容为1.296KJ/Nm3
理论燃烧温度:
tth=
即2.11ctth=5818.5
设tth′=1700℃,查《材料工程基础》表6.16知发生煤气燃烧产物的平均比容C′=1.67。
则Q′=2.11×
1.67×
1700=5990.29>5818.5
设tth′′=1600℃,C′′=1.65则Q′′=2.11×
1.65×
1600=5570.4<5818.5
此时,tth的值必在tth′与tth′′之间,可用内插法以求tth值,即:
tth=1659℃
实际燃烧温度tp=ηtth
设取高温系数η=0.78(陶瓷倒焰窑)
∴tp=0.78×
1659.1=1294℃
4.3烧嘴的数量、选型以及布置
现代的梭式窑基本上采用先进的高速调温烧嘴,或者更新型、节能的脉冲(高速调温)烧嘴。
这次设计的梭式窑采用性能优良的高速调温烧嘴。
高速调温烧嘴属无焰烧嘴,它是指燃气和空气在烧嘴内“完全”进行燃烧,再与二次空气(调温空气)混合来调节所喷出的气体温度。
使用高速调温烧嘴,燃烧效率高,燃烧室的体积小,燃烧室的容积能力强度非常高,最高可达2.1×
108W/m3,且窑内温度均匀,这样有利于消除窑内的过热部位,减小窑体的蓄热损失和散热损失。
同时在窑内,温度均匀气流的强烈循环与搅拌作用又强化了烟气对制品的传热,这样既可以实现安全快速的加热,又可以降低烟气排除的温度,使窑炉的燃料消耗量下降。
调温方便,而且高温烟气高速喷出,喷出的速度通常在70m/s以上,高达200~300m/s。
本次设计选择4对高速调温烧嘴,且布置在半窑车位处,在窑的高度方向上,高速烧嘴往往是设置在梭式窑的偏上部,这样的布置有利于窑内气体形成强烈的循环。
5.结束语
本次热工课程设计时间为三周,经过设计计算、绘制梭式窑剖面图、撰写设计计算说明书这三个阶段。
三周的时间虽然很短,但我觉得受益匪浅,不仅仅是学习到了相关的知识、方法,而且深深感受到了老师敬业的工作态度,很值得我们学习。
这次的设计计算说明书经过细心地编写,由于自己能力有限,学习中不乏有浅尝辄止的时候,其中还有很多不足之处,希望老师批评指正。
最后,非常感谢徐长海老师及其他几位老师三周来的耐心指导,在这里道一声您们辛苦了。
当然也要感谢同学给予的帮助和支持!
参考文献
[1]热工课程设计任务书(自编)
[2]徐德龙,谢峻林.《材料科学与工程》.武汉:
武汉理工大学出版社,2008
[3]姜洪舟.《无机非金属材料热工设备》.武汉:
武汉理工大学出版社,2005
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- 20 m3 烧成 制品 梭式窑 设计