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1、前言这次设计的是50立方米的燃煤气梭式窑炉，在设计前期阶段收集和查阅了相关资料和文献。中间进行了大量的计算，也学到了不少的东西。在设计过程中综合运用了自己大学四年来所学的的知识，在运用知识的同时，才深深感到所学知识面的狭窄和不够深。第一部分主要是参照江西萍乡远洋出口电瓷厂的窑炉确定了我此次设计的窑体尺寸，第二部分再根据实习过程中收集到的相关数据和资料确定了烧成制度和烧成周期，根据指导老师的意见和建议，再加上自己的设计思路，确定了工作系统，燃烧系统和排烟系统等。窑体结构采用了三层材料，多晶莫来石纤维，轻质莫来石砖和普通硅酸铝纤维，窑车结构主要是多晶莫来石纤维，轻质莫来石砖和轻质耐火粘土砖。采用窑
2、车中部开烟道，窑车两侧墙各设两个烟道，窑顶集中排烟，设有风机抽风。燃烧器采用高速喷射式烧嘴。还用到了打入急冷风快速冷却制品的设计思路。在设计过程中，得到了各位老师和同学的大力支持和帮助，特别是指导教师童剑辉老师提出了许多很有建设性的意见和建议，在此谨致以诚挚的谢意。同时也感谢江西萍乡远洋出口瓷厂提供了我前后共三次的窑炉实体观摩机会。限于设计者水平，书中难免有不妥之处，诚请各位专家、老师批评指正! 编者：章凯良 2008.5.24 第1章 设计任务及原始资料1.1设计任务书景德镇陶瓷学院毕业设计（论文）任务书院（系） 热能工程系 08年1月5日专业热能与动力工程班级热工2004学生姓名章凯良指导
3、老师童剑辉题目50m3梭式窑设计主要研究内容和设计技术参数：1. 产品名称：电瓷 规格：150mm2. 烧成周期：72小时 烧成温度：12703. 产品合格率：95%4. 燃料：煤气5. 其他设计技术指标，参数自定基本要求（含成果要求）：1. 窑炉结构和工作系统合理，设计计算正确，独立完成，大胆创新2. 图纸清晰干净，规范齐全图纸包括：窑炉砌筑结构图，刚架结构和安装图，管路布置安装图，异型砖图等3. 设计说明书详细，含设计计算，材料概算等。说明书格式规范，A4纸打印4. 符合计算绘图，外文应用等毕业设计要求 工作进度计划：第 4 周：整理资料，确定设计方案第 5-6 周：设计计算，结构确定第
4、7 周：整理设计方案，构思设计草图第 8-17周：绘图和编写设计说明书，打印第 18 周：答辩准备1.2原始资料1.2.1设计技术指标及参数 有效容积：50立方米 燃料：城市煤气低发热值：16515KJ，湿煤气含水量4%。最高烧成温度：1270烧成周期：72h1.2.2产品名称及规格 名称：电瓷 规格 高：150mm 直径：110mm 产品单位重量：1.0 坯体总线收缩率：1.9% 入窑水分：2% 产品合格率：95%第2章 窑体主要尺寸的确定2.1入窑坯体尺寸 外高：150mm 最大外径：110mm2.2预选硼板尺寸及装窑方式预选硼板尺寸：560*550*22mm装窑方法： 每个硼板上面放置1
5、4个电瓷。硼板之间紧密放置。坯体间留有10-15mm的火道.2.3窑车主要尺寸计算沿窑车宽度方向和长度方向上硼板外边缘与窑车边缘各留有70mm和125mm的空隙。根据上面的装窑方法得出窑车的尺寸：窑车长：3000mm窑车宽：3500mm2.4窑的有效尺寸计算由上面的计算得出窑的有效长：6000mm窑的有效宽：3500mm窑的有效高：2500mm体积=长*宽*高=52.5立方米2.5支柱规格支柱除需满足强度要求外，还要求平稳且有效体积尽量小。支柱规格：165*40*40（mm）2.6每窑所装层数高/支柱高+硼板高=2500/165+20=13.5，则每窑装13层。第3章 烧成制度的确定为了满足生
6、产工艺的要求，使设计操作有章可循，必须制定一个合理的烧成制度。根据制品的化学组成和矿物组成的特性以及烧成工艺过程来确定烧成制度，气氛制度，压力制度。基本要求如下： 在各阶段有一定的升（降）温速率，不得超过。以免内外温差过大形成破坏应力。使制品变形或开裂，同时还要考虑在该阶段中所进行的物理化学变化所需的时间。 在适当的温度下应有一定的保温时间，以使制品内外温度趋于一致，皆达烧成温度，保证整个制品内外烧结。 在氧化和还原阶段应保持一定的气氛制度，以保证制品中的物理化学过程的进行。 全窑应有一个合理的压力制度。以确保温度制度和气氛制度实现。3.1烧成制度3.1.1 各阶段的平均升温速率列表如下：表
7、2-1 各阶段的平均升温速率阶段 温度范围() 烧成时间 升温速率（/h） 一 25250 20 h 11.3 二 250950 10 h 70.0 三 9501000 8 h(氧化) 6.0 四 10001270 10 h (还原) 27.0 五 1270200 24 h 50.0 3.2气氛制度的确定 根据烧成工艺生产要求，全窑采用全氧化气氛，考虑到各阶段对气氛的要求不同，同时因氧化气氛过大，则应提高燃料需求量降低烧成温度。因而氧化气氛一般在a=1.05-1.15之间，而不宜过大。四 工作系统的确定 梭式窑的工作系统包括排烟系统，燃烧系统，冷却系统及窑体的附属设备。梭式窑工作系统的好坏与窑
8、的工作性能有很大关系。只有确定一个好的工作系统，才能保证窑炉的正常工作与运行。4.1排烟系统 梭式窑的排烟系统是由火道，水平烟道，垂直烟道，排烟罩，烟囱等排烟装置组成。 该窑窑底的60块硼板之间及硼板与窑的前后墙之间都留有火道，火道均匀地分布在窑底上。可使窑内水平截面上的温度均匀分布，同时窑底水平烟道和后墙上的垂直烟道相通。烟气由火道从窑内水平烟道。经由垂直烟道及设置在窑顶上的排烟罩，最后由烟囱排出。在窑顶与排烟罩底部设有烟道闸板，闸板材料为碳化硅质耐火板。该窑采用抽风机抽热风，因此可以通过调节抽风机转速来控制烟气排放量。4.2燃烧系统燃烧系统由供气管路，烧嘴等组成。供气管路上有调节阀，压力表
9、等使气体燃料的压力稳定，实现微调节。该窑采用的烧嘴为动力式高速烧嘴。这种烧嘴具有在窑内实现强烈的搅拌湍流气流，达到温度均匀。喷出热气温度可调，由于调温风的引入，使得烧嘴喷出的热气温度可调，使升温段在200是就可以实现自动控温。安全切断保护装置：当停电造成熄火时自动关闭燃气，避免因煤气泄露而发生爆炸。针对以上特点及生产过程中的实际情况和要求，我特选用了湖南一公司生产的燃烧器。4.3冷却系统由于梭式窑属于间歇式窑炉，因而余热可在窑内温度在1260时开启鼓风机直到窑内温度下降到200关闭鼓风机。当窑内温度下降到100时关闭抽风机。4.4附属设备该窑的附属设备包括：测温装置，测温孔，观火孔等。在窑体窑
10、墙设有六个测温孔，内插入热电偶。在窑门有3个观火孔，窑墙两侧各为3个和4个观火孔。可观察窑内的燃烧及制品的烧成情况。五 窑体材料及其厚度的确定5.1窑体材料的选择 本次设计的高温梭式窑，其最高烧成温度为1270，考虑到现代间歇窑向轻型化，灵活化发展。因此在选择窑体材料时要尽量满足以下几个要求： 窑体材料包括耐火材料和隔热材料。 由于窑在使用中要受到周期性的热冲击，因此窑体材料热稳定性要好。 耐火材料必须能够耐高温，具有良好的耐热性能并具有一定的强度，以保证窑炉升到最高温而不倒塌，同时导热系数要低，以降低外表面温度。减少散热量，降低能耗。保证烧成的高温。 隔热材料的蓄热小，散热也不大。要具有良好
11、的保温性能以降低能耗。 对某些安全使用温度限制的保温材料要校核安排的位置是否在材料的使用温度范围内。 窑体材料要轻，以减轻窑体重量及窑体蓄热。 为增加窑体的气密性和便于砌筑，梭式窑一般采用钢板外壳。5.2窑体材料厚度的确定原则 为方便砌筑和外观整齐，窑墙厚度变化不要太多。 与砌型尺寸一致，厚度方向不允许砍砖。总之，确定材料种类和厚度，应在考虑满足生产基本要求以及安全，经济的基础上。使窑体蓄热和散热两者都尽可能少或者总和尽可能少。5.3根据以上原则，结合所参观实习的一些窑炉特点，所选的材料和厚度如下： 窑体材料及厚度的确定材料厚度(mm)（）C(kJ/kg)P(kg/m)窑墙多晶莫来石纤维50
12、0.175 1.13 128轻质莫来石砖 345 0.25 1.20 800普通硅酸铝纤维 60 0.15 1.10 128窑顶多晶莫来石纤维 50 0.175 1.13 128轻质莫来石砖 300 0.25 1.20 800普通硅酸铝纤维 80 0.15 1.10 128窑门多晶莫来石纤维 50 0.175 1.13 128轻质莫来石砖 345 0.25 1.20 800普通硅酸铝纤维 60 0.15 1.10 128窑车多晶莫来石纤维 50 0.175 1.13 128轻质莫来石砖 300 0.25 1.20 800轻质耐火粘土砖 130 0.84 1.10 2000 硼板碳化硅质量 22
13、0.9632700立柱堇青石质 400.8431890六 燃料及燃烧计算6.1燃料组成 所用城市煤气成分 CmHn CO 57 26 3 7 3 5 0.6Q热=16515KJ/Bm,湿煤气含水量4%.6.2空气量的计算6.2.1换算成湿煤气组成: XV=Xd(100-H2O)/100=0.96Xd 组分 CO 体积(%) 54.72 24.96 2.88 6.72 2.88 4.8 0.576 46.2.2计算理论空气量Vao和实际空气量Va: Vao=(1/254.72+224.96+32.88+1/26.72-0.576)100/211/100 =4.224(Nm/Nm) 取空气过剩系数
14、a=1.1 硅酸盐工业热工基础P243 气体燃料 a=1.051.15 Va=aVao=1.14.224=4.656.3烟气量及烟气组成计算6.3.1理论烟气量Vo及理论烟气组成(气体燃料) 基准:1Nm气体燃料 理论烟气量中CO2含量来自气体燃料中的CO,CH4,CmHn中硫的氧化及气体燃料中原有的CO2: V=(+CO+mCmHn)1/100 =0.3744(Nm/Nm) 理论烟气量中含量来自气体燃料中的CO, ,CmHn,中氢的氧化及气体燃烧中原有的: V=(+2+1/2)1/100(Nm/Nm) =(4+54.72+224.96+22.88)1/100 =1.14(Nm/Nm)V=1/
15、100+V79/21 (Nm/Nm) =4.81/100+79/1004.224 =3.38(Nm/Nm)理论烟气量VO为:VO=V+V+V=0.3744+1.14+3.38=4.89(Nm/Nm)6.3.2实际烟气量及烟气组成 a=1.11时,实际烟气量V(Nm/Nm)燃料为: V=VO+(a-1)VaO =4.89+(1.1-1)4.224 =5.31 (Nm/Nm) 烟气组成中V, V与理论烟气量中VCO, V相同. 而V=1/100+aV79/21 =0.048+1.179/1004.224 =3.72 (Nm/Nm)6.4理论燃烧温度与实际燃烧温度的计算 燃料燃烧时放出热量,使燃烧产
16、物的温度升高.燃烧产物的温度叫做燃烧温度.燃烧温度可以通过分析燃烧过程收入和热量支出的平衡来求出. 燃烧过程中的热平衡项目如下 (基准:1Nm燃料,0) 收入热量: 料的化学热Qnet; 料带入的物理热Qf=Cf*tf; 气带入的物理热Qa=VaCata 支出热量: 燃烧产物所含的物理热Q=VCtp; 燃烧产物传给周围物体的热量Ql; 机械不完全燃烧造成的热损失Qml; 化学不完全燃烧造成的热损失Qch; 上述项目中的Cf,Ca,C分别表示燃烧.空气和燃烧产物从0至各自温度下的平均比热,KJ/Nm tf,ta分别表示燃料和空气进入燃烧室的温度. tp表示燃烧产物的实际温度. Va,V分别表示实
17、际空气量和烟气量. 据热平衡方程式为: Qnet+Qf+Qa=Q+Ql+Qml+Qch tp=(Qnet+Cftf+VaCata)/Vc 取燃料室温tf=20下进入燃烧室. 查硅酸盐工业热工基础表4-13和4-18可得: Cf=1.32KJ/Nm Ca=1.296KJ/Nm C=1.57KJ/Nm 又有Va=4.65Nm/Nm V=5.31 Nm/Nm 理论燃烧温度 Tth=(Qnet+Cftf+VaCate)/Vc =(16515+1.3220+4.651.29620)/5.311.57 =1998.6 因为实际燃烧温度计算式中的各项热损失数据较难获得.但实际燃烧温度本身却较易测定.故人们一
18、般均从不同窑炉的时间操作过程中.总结出实际燃烧温度tp与理论燃烧温度Tth的比值.高温系数,于是查硅酸盐工业热工基础表4-19,可得高温系数=0.75.该梭式窑tp=Tth=0.751998.6=1498.971260 该温度可满足该窑炉所需的最高温度.七 物料平衡计算根据装窑方法，在窑车上每层放840件制品，在高度方向上放13层，故每窑可放制品10920件制品，每件制品的质量为1.0。7.1 每窑烧成制品质量Gsp Gsp=109207.2 每窑干坯质量GgpGgp= Gsp(100-2)/100=1092098/100=10701.67.3每窑蒸发自由水质量G2S =10920-10701
19、.6=218.4Kg7.4硼板和支柱质量Gb硼板，支柱均采用重结晶碳化硅质，一般重结晶碳化硅质的密度p2500Kg/,这里所选用的硼板的密度p=2800kg/,C=0.96+0.146t。再根据装窑方法有Gb=60130.580.550.0222800=15327.31八 热平衡计算梭式窑属于间歇窑炉，热平衡计算属于不稳太导热，因此必须采用有限差分法。8.1窑体温度分布计算8.1.1最小厚度的划分：FO=a/x,又有F1/2,取=20min, =1200s;1. 多晶莫来石纤维 2. 轻质高铝砖 8.1.2整个部分层数的划分 在允许的范围内，我选取可使层数成为整数的最大n值（L=1）窑墙：20
20、0/nl43.98, nl=4 100/33.94, =2, nl=6 (L=2) 窑顶：300/n243.98, n2=6 200/33.94, =5, n2=11 (L=3) 窑门：n3=9 (L=4) 窑车：250/33.94， =7 ， n4=7 各热阻：/W /W /W /W /W L2: L4: 8.1.3异同种材料接点温度关系表达式 同种材料：根据传热学有： 异种材料：对异种材料M，N，因为当Qm=Qn时，有Qm=Tm/Rm=Qn=Tn/Rn（Rm，Rn分别为两种材料的热阻，RI=Xi/i） ，所以当边界与大气接触时，可近似的认为Rg=0.05/W 根据以上原理编程，输出的温度分
21、布结果如下（编程程序见附录）8.2各阶段的平均温度与温度变化8.2.1各阶段的平均温度与温度变化列表如下： 表6-1各阶段的平均温度与温度变化（Various stages average temperature and temperature change）第一阶段（）第二阶段（）第三阶段（）第四阶段（）第五阶段（）TTTTTTTTTT窑墙194.374.7515418.710184931179169.71295.487.8228.98.7146.3117.8356.7207.5473.1116.9564.9 90.4窑顶198.279.4538.5439.21026.3488.612101
22、78.61298.791.1227.27.6125.797.8310.6175.7418109.7514.797.8窑门193.775.8523.8427.81009.84891186180.81276.989.6228.79.2147.7115.8354.7203471115.9563.690.8窑车195.272.8518.7415.9982.7473.11154.8176.91179.888.9229.810.4166.4132.2381.7216.9492.7117.3569.276.4326.89.7150.6123376210.8481116.9564.887.9外表温度：窑墙（窑
23、门）34.6；窑顶47.6；窑车50.28.3窑体各部分的表面积1.窑墙 内表面积：S1=2.5562=30.6 外表面积：S2=2.9862=35.76 S=（S1+S2）/2=32.882.窑顶 内表面积：S1=63.6=21.8 外表面积：S2=64.41=26.46 S=(S1+S2)/2=24.133. 窑门 S=4.23.0=12.64窑车 纤维面积：S1=33.52.0=218.4各阶段净蓄热量 据公式： Q-热流通量 Qi=qiSi可分为不同的五个阶段的平均热流用及净蓄热量1第一阶段 窑墙 C。 mm S q Q KJ 115000.72420079.489.89150214.
24、17218530.57 2100011007.689.8968316.4 窑顶 C。 mm S q Q KJ 115000.72430074.744.79109065.87187000.47 2100012008.744.7977934.6窑门 C。 mm S q Q KJ 115000.72420075.89.7616686.2925665.49 2100011009.29.768979.2 窑车 C。 mm S q Q KJ 120000.8420072.83278745.684678.59 215000.72412010.4324370.49 3100012509.76.51562.5Q
25、1=515875.12KJ2第二阶段 窑墙 C。 mm S q Q KJ 115000.724200418.789.89923648.211982552.41 210001100117.889.89158904.2 窑顶 C。 mm S q Q KJ 115000.724300439.244.79143091.365285109.62 21000120097.844.7919560 窑门 C。 mm S q Q KJ 115000.724200427.89.7692918.161019902.04 210001100115.89.7611579 窑车 C。 mm S q Q KJ 120000
26、.84200415.932139742.46007062.4 215000.724120132.23217228.3 3100012501236.530750Q2=14294626.47KJ3.第三阶段 窑墙 C。 mm S q Q KJ 115000.72420049389.89107079.22827867.48 210001100207.589.8920750 窑顶 C。 mm S q Q KJ 115000.724300488.644.79159188.68703977.99 210001200175.744.7935140 窑门 C。 mm S q Q KJ 115000.72420
27、04899.76106210.81234754.4 2100011002039.76198128 窑车 C。 mm S q Q KJ 120000.84200473.132158961.67677696 215000.724120216.93228266.4 310001250210.86.552700Q3=20444286.87KJ4.第四阶段 窑墙 C。 mm S q Q KJ 115000.724200169.789.8936858.834364054.3 210001100116.989.8911690 窑顶 C。 mm S q Q KJ 115000.724300178.644.79
28、58187.83588924.2 210001200109.744.7921940 窑门 C。 mm S q Q KJ 115000.724200180.89.7639269.76496391.26 210001100115.99.7611590 窑车 C。 mm S q Q KJ 120000.84200176.93259438.83326406.4 215000.724120117.33215286.4 310001250116.96.529225Q4=51052264.86 KJ4. 第五阶段 窑墙 C。 mm S q Q KJ 115000.72420087.889.8919070.1
29、62526822.28 21000110090.489.899040 窑顶 C。 mm S q Q KJ 115000.72430091.144.7929680.382205476.62 21000120097.844.7919560 窑门 C。 mm S q Q KJ 115000.72420089.69.7619461.12278561.33 21000110090.89.769080 窑车 C。 mm S q Q KJ 120000.8420088.93229870.41977658.88 215000.72412076.4329956.44 31000125087.96.521975Q
30、5=6988519.11 KJ8.5热平衡851热平衡的计算范围本设计热平衡的计算范围为窑体、窑车、制品及窑具。 852 热平衡示意图:燃料带入化学热； ：烟气带走显热； ：窑体、窑车积散热；：物化反应耗热；：产品带出热；：棚板与支柱带出热；：其他热损失；853 第一阶段的热平衡计算 （1）、热收入项目 燃料带入化学热=108440，其中为燃料消耗量（）。 （2）、热支出项目 产品蓄热： 棚板和支柱蓄热： 查燃料与燃烧附表7，气体平均比热KJ/.知：210时以下气体的平均比热为： 种类温度2101.81521.30311.33911.5201 烟气带走显热： 窑体、窑车积散热：物化反应热： 其
31、中：1990KJ为20时1kg自由水蒸发所需之热。 1.93水蒸气平均比热KJ/kg*其他热损失：对比现有类型的窑加以确定，根据经验数据，现定为占总热收入的3%。（3）、列热平衡方程式 8. 6 烧一窑制品需要液化气量 每公斤制品耗热量：87 各热支出占总热支出的比例列表如下：总热收入（KJ）比例总热支出（KJ）比例说明3701057.2100%3699288.9100%1418069.738.3%烟气带出显热1226497.733.2%窑体、窑车积散热14338.270.4%物化反应热452845.212.2%产品带出热476507.112.9%棚板与支架带出热3%其他热损失九 钢架结构计算表7-1钢材材料一览（The steel products material as soon as looks at）材 料力学性能试件尺寸mm类别 牌号强度极限 MPa屈服极限 MPa延伸率 %碳素结构钢Q215Q235Q275335-410375-460490-610215235275 31 26 20 d16优质碳素结构钢 20 35 45 410 530 600 245 315 355 25 20 16 d25合金结构钢355SiMn40Cr20CrMnTi65Mn 883 981 1079 98
