1700℃高温梭式窑设计

1700℃高温梭式窑设计 3 8M、1700?氧化铝制品高温梭式窑设计 班级:材料科学0801 姓名:胡德志 指导教师:马林 摘要 梭式窑又称抽屉窑, 是近代改进的一种间歇式窑炉, 其特点是投资小、周转快、劳动条件好, 热工灵活, 适合多品种、小批量生产。随着国内陶瓷工业燃料结构由煤、油向煤气、液化石油气的过渡, 已被广泛地用于陶瓷、耐火材料以及建筑材料等行业。在满足产品质量和生产能力的同时，应尽可能的通过温度、气氛容易调节，提高烧成质量，缩小窑内的温差，实现快速烧成，提高生产效率，节约燃料，降低成本;本文中梭式窑选用重油燃料，主要叙述了梭式窑梭式窑主体的设计、窑体的主要尺寸计算、燃料燃烧的计算等。 关键词:梭式窑，重油，高温，氧化铝制品 第 1 页 共 13 页 目录 前言 ............................................................... 3 1.设计要求 ......................................................... 3 2.窑炉主要尺寸设计 ................................................. 4 3.窑炉砌筑体 ....................................................... 5 3.1砌筑体材质的选择 ............................................ 5 3.1.1窑墙 .................................................. 5 3.1.2窑顶 .................................................. 5 3.1.3 窑车 .................................................. 6 3.2砌筑体尺寸的确定 ............................................ 6 3.2.1窑墙尺寸的计算 ........................................ 7 3.2.2窑顶尺寸的计算 ........................................ 7 3.3膨胀缝 ...................................................... 8 4.燃烧计算及燃烧设备的选择 ......................................... 9 4.1燃料燃烧计算 ................................................ 9 4.2实际燃烧烟气组成及实际燃烧温度温度 ......................... 10 4.3烧嘴的数量、选型以及布置 ................................... 12 参考文献 .......................................................... 13 致谢: ............................................................ 13 第 2 页 共 13 页 前言 梭式窑(Shuttle kiln,也称:往复窑，或称:台车式窑)是从传统的倒焰窑演变而来，故而属于“间歇式”或“半连续式”窑型。自80年代来，我国引进不少梭式窑，也在借鉴的基础上，自行研制开发不少梭式窑，梭式窑在我国投入使用以来，因其具有升、降温速度快、操作灵活方便，便于维修等特点，近年来在冶金、化工、陶瓷、无机材料等领域得到广泛使用。为了掌握梭式窑的特点和结构点，增强工程设计能力，提高设计计算和理论分析能力而设计一 3个10m刚玉制品高温梭式窑。 1.设计要求 1.窑炉种类:氧化铝制品高温梭式窑 32.窑内有效容积:8m 3.最高烧成温度:1700? 4.每窑要求生产成品:5-150吨/窑 5.成品率:95% 6.装窑密度:1.2吨/立方米 7.窑容积系数:0.9 8.燃料种类及组成:重油 表1. 重油组成 成分 C O H W S N A ararararararar 含量(%) 85.5 0.2 11.5 1.8 0.6 0.3 0.1 9.空气过系数α=1.1,1.15 10.燃料消耗量:160kg/h 11.当地气象条件:夏季平均温度27?，年平均大气压力96000Pa 第 3 页 共 13 页 2.窑炉主要尺寸设计 窑体的主要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堆垛高度来确定窑的内高。如镁砖由于其荷重软化温度和他的烧成温度接近，砖跺高度不宜太高，姑其窑内高通常在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，上下温差加大，容易造成烧成质量不均匀。本梭式窑的内高设计为1200mm。 (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。产量随窑宽的增加而增大，太宽则中心温度偏低。现代梭式窑多 B采用扁宽型断面设计，窑的宽高比一般为,2，其中B为窑的内宽，H为窑H 的内高。本梭式窑的内宽设计为2436mm。 (3) 拱中心角的选择。梭式窑的窑顶有拱顶和吊顶两种类型。耐火材料梭式窑，烧成温度高，多为拱顶窑。拱顶采用楔形砖砌筑，拱中心角的选择很重要，拱中心角太小，拱砖受力太大，在使用过程中还会产生下沉现象;反之若拱中心角大，拱半径小，当受热时，拱砖膨胀，拱会被挤起而产生开裂现象，同时拱过高，拱顶制品之间孔隙加大，增加上下温差。拱中心角一般在60?~180?之间，其中60?的拱中心角采用较多。本梭式窑的拱中心角采用60?，其半径为2436mm，矢高为326mm。 (4) 当梭式窑的内高、内宽确定以后，就可以计算出梭式窑的横截面积，而 V后再确定出梭式窑的总长度L:L= F 3式中:V—窑容积，m。可由装窑密度、产量要求及窑容积利用系数求出; 第 4 页 共 13 页 2F—窑横截面积，m。可由窑矩形及弓形面积之和求出。 2,B3V22求得:F= =2.923 m， L==2.737m (h)-+BH-B,F64 3.窑炉砌筑体 3.1砌筑体材质的选择 选择砌筑体材质时充分考虑了砌筑体所处的工作条件，其中包括: (1) 工作温度:该窑炉因用于刚玉制品，最高烧成温度为1700?。 (2) 温度应力:承受温度应力较大的部位，选择稳定性好的材料。 (3) 承重荷载:承受荷重大的部位选择了强度大的砖。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垟。在温度下承重还考虑了材料的荷重软化点。 (4) 化学侵蚀:不同种类的耐火制品砌筑接触时，考虑了它们之间的反应;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。 3.1.1窑墙 窑墙要有一定强度才能承受荷重、支持窑顶;要耐高温;要能保温，以维持窑内煅烧温度，减少散热损失，降低环境温度。本梭式窑的窑墙由内向外分别采用了刚玉砖(98%)、轻质高铝砖、粘土砖砌筑。 3.1.2窑顶 窑顶除要有一定强度、耐热、保温性能好坏，还要不漏气、重量轻，推力小等要求。 当拱顶选用粉料保温时，为了防止粉料在拱顶膨胀时掉到拱砖缝内，停窑 第 5 页 共 13 页 时拱砖不能复原，以及为使窑顶严密可在拱顶上铺一层砖，其上抹20毫米厚粘土熟料泥浆，窑顶表面平铺一层红砖以便行走。本梭式窑的窑顶采用刚玉砖(98%)、轻质高铝砖砌筑，用高炉矿渣填充。 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，既被加热又被冷却，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，因此窑车衬砖较易松动和损坏，严重时阻碍窑车在窑内正常运行。 刚玉砖(98%)、轻质高铝砖、粘土砖、高炉矿渣的最高使用温度、体积密度及相应的导热系数如表2: 表2. 耐火材料、建筑材料及绝热材料的导热系数 刚玉砖粘土砖 高炉矿渣 轻质高铝砖 (98%) 最高使用温度 1700~1800 1300~1400 1300~1400 700 (?) 体积密度 3000 750 3(kg /m) 导热系数2.90–0.58×-3-3t 0.698+0.64×10t 0.53~1.2 0.175+0.268×10-3[W/(m??)] 10t 3.2砌筑体尺寸的确定 ,,tt根据公式q=(-)来确定各种材料的厚度。由此公式可以堆出:,,内外q, tt(-) 内外 第 6 页 共 13 页 3.2.1窑墙尺寸的计算 对于本窑炉，窑内最高温度为1700?，保温层的温度为530?，窑墙的外 表面温度取100~120?，空气温度取20?。查表得:散热表面的温度120?时， 2散热表面垂直(窑墙)时的散热量为1380千卡/ 米?时，散热表面向上(窑顶) 2时的散热量为1600千卡/ 米?时。 32窑墙散热量:q=1380×10×4.184?3600=1604J/m?s 1 -3刚玉砖(98%):λ=2.90–0.58×10×(1700+1380)?2=2.0097 W/(m??) 1 2.0097,1tt(-)= =0.400m (1700-1380),,内外1q16041 查表后取464mm; 验算:代入=464mm，得，相对误差为3.69%<4% T=1329?,1实1 -3轻质高铝砖:λ=0.175+0.268×10×(1380+530)?2=0.431 W/(m??) 2 0.431,2tt(-)=0.228m ,(1380-530),,内外2q16041 查表后取232mm; 验算:代入=232mm，得，相对误差为2.53%<4% T=516.6?,2实2 —3粘土砖:λ=0.698+0.64×10×(530，120)?2=0.906 W/(m??) 3 0.906,3tt(-)×(530,120)=0.231m ,,,内外3q16041 查表后取232mm; 验算:代入=232mm，得，相对误差为0.83%<4%。 T=119?,3实3 3.2.2窑顶尺寸的计算 32窑顶散热量:q=1600×10×4.184?3600=1860J/m?s 2 第 7 页 共 13 页 -3刚玉砖(98%):λ=2.90–0.58×10×(1700+1400)?2=2.001 W/(m??) 4 2.001,4(t-)×(1700-1400)=0.323m t,,,内外4q18602 查表后取340mm; 验算:代入=340mm，得，相对误差为1.14%<4% ,T=1384?4实4 -3轻质高铝砖:λ=0.175+0.268×10×(1400+550)?2=0.4363 W/(m??) 5 0.4363,5t(-t)×(1400,550)=0.199m ,,,内外5q18602 查表后取204mm; 验算:代入=204mm，得，相对误差为3.58%<4% ,T=530?5实5 高炉矿渣:λ=0.53 W/(m??) 6 0.53,6tt(-)×(550-120)=0.1225m ,,,内外61860q2 取123mm; 验算:代入=123mm，相对误差为1.38%<4% ,6 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800?，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 第 8 页 共 13 页 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。如图1: 图1 4.燃烧计算及燃烧设备的选择 4.1燃料燃烧计算 窑炉使用的重油组成如表1，空气过剩系数α=1.1。 (1) 每1 kg重油燃烧所需要的空气量 理论空气量为: SCHO10010000ararararV= V×=(++,)×22.4× Oa221211243232 0.0020.0060.8550.115100= (++,) ×22.4× 323221124 3 =10.67Nm/ kg 实际空气量为: 0 3 aVa=αV=1.1×10.67=11.74 Nm/ kg (2) 1 kg重油燃烧生成烟气量 理论生成烟气量为: 第 9 页 共 13 页 0V=+++ VCOVHOVNVSO2222 SWCHN79 0ararararar=(++++) ×22.4+Va100122322818 0.0060.8550.1150.0030.01879 =(++++)×22.4+×10.67321001222818 3 =11.346Nm/kg 实际生成烟气量为: 00 3 aV= V+(α,1)V=11.35+(1.1,1)×10.68=12.413 Nm/kg 4.2实际燃烧烟气组成及实际燃烧温度温度 (1)烟气组成: C0.85511arCO=×22.4××100%=×22.4××100%=12.86% 2V121212.413 S0.00611arSO=×22.4××100%=×22.4××100%=0.034% 2 V32312.413 WH0.1150.01811ararHO=(+)×22.4××100%=+×22.4××100% 2V21821812.413 =10.56% 1 0O=(α,1) V×21%××100% 2 aV 1=(1.1,1) ×10.67×21%××100%=1.81% 12.413 N1arN=(×22.4+ Va×79%)××100% 2 V28 0.0031=(×22.4+ 11.748×79%)××100%=74.74% 2812.413(2)实际燃烧温度温度 液体油的发热量: 第 10 页 共 13 页 Q=32793C+98320H,9100(O,S),2450 Wnetararararar =32793×0.855+98320×0.115+9100,9100(0.002,0.006),2450×0.018 =39337.115 kJ /kg 3燃烧所需空气量:V=11.74Nm/ kg a 3实际烟气量:V=12.413 Nm/ kg 发生燃烧时重油温度t与空气温度t均为27?，其中空气在0~27?的平均fa 3.3.比热容为1.296 kJ/Nm ?,重油在0~27?的平均比热容为1.36 kJ/Nm ?。 理论燃烧温度: netffaaaQ，Ct，VCtt= thVC 39337.1151.362711.741.29627，，，，，= 12.413c 39784.823= 12.413c 即12.413ct=39784.823 th 3.设t′=1900?,查表知重油燃烧产物的平均比容物C′=1.66 kJ/Nm ?， th 则Q′=12.413×1.66×1900=39150.602,39784.823 3.设t′′=2000?，C′′=1.67kJ/Nm ?， th 则Q′′=12.413×1.67×2000=41459.420,39784.823 tth',tthQ',Q此时，t的值必在t′与t′′之间，可用内插法以求t值，即:= ththththQ',Q''tth',tth''2000,tth41459.42039784.823,= 解得t=1927.47? th2000,190041459.42039150.602, 实际燃烧温度t=ηt设取高温系数η=0.75(陶瓷倒焰窑)，pth ?t=0.75×1928=1445.60?<1700? p 需对空气进行预热，(利用余热): netffaaaQ，Ct，VCt设预热到600?，则由t=，查书得(姜金宁《硅酸盐工thVC 3.业热工过程及设备》P304)=1.3837 kJ/Nm ?(600?) Ca 第 11 页 共 13 页 49120.8得到，t th=12.413c ''''''设=2200?，?=12.413×1.69×2200=46151.534<49120.8 tQth 44设=2400?，?=12.413×1.71×2400=50942.952>49120.8 tQth 此时，t的值必在t′与t′′之间，可用内插法以求t值，即: thththth 2400,t50942.95249120.8,th= 解得t=2323.94? th24002200,50942.95246151.534, 实际燃烧温度t=ηt设取高温系数η=0.75(陶瓷倒焰窑)，pth ?t=0.75×2323.94=1743?>1700?，满足要求 p 4.3烧嘴的数量、选型以及布置 本窑采用2对北京神雾公司的WDH-TCC2型烧嘴 该烧嘴技术性能如下: 燃气 助燃空气 热负流量调火焰 炉膛荷 节比例 长度 温度 流量 压力 流量 温度 压力 4 2×102.4 1000Pa,24 常温 1500,200,1800 1:6 33Kcal/h Bm/h 0.2MPa Bm/h ,550? 3500Pa 3000 ? 布置在窑墙两侧，在同一水平面上交错布置，每只还配置了自力式燃气—空气比例调节器以及分散单元式小型换热器。高速凋温烧嘴选择重油和预热空气预混无焰完全燃烧后再混入调温风的技术路线，并采用阻力小、稳定范围大的燃烧器凹槽火焰稳定装置。由于高速焰气带动窑内气体在窑内循环流动，起着强烈的搅拌作用，使窑内温度和气氛均匀，可实现快速、均匀的升温;喷出焰气的温度可在600,1800?内自由调节，容易实现窑内温度的精细调节，满足苛刻的工艺要求;克服了一般预混式烧嘴易回火爆燃的缺点;提高了燃烧装置的安全性，并能够使用高达600?的预热空气助燃。 第 12 页 共 13 页 参考文献 [1]胡国林，《建陶工业辊道窑》.中国建材工业出版社.1998.6 [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 [4]姜金宁.《硅酸盐工业热工过程及设备》(第二版). 冶金工业出版社，1994 致谢: 本次课程设计增强了我们实践操作和动手应用能力，也提高了独立思考的能力。 在本次课程设计过程中, 马林老师、武志红老师给予了我极大的帮助。同时老师们严谨的治学态度、丰富渊博的专业知识、以及侮人不倦的师者风范是我学习的楷模。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意～ 第 13 页 共 13 页