年产80万件日用瓷隧道窑设计

摘要 本设计是年产80万件10寸汤盘隧道窑。窑炉总长43.5m，有效宽是1.7米，烧成温度是1300℃，烧成周期为24小时。燃料采用发生炉煤气，燃烧器采用高速烧嘴。设计的隧道窑，窑体趋向轻型化，烧成质量好，成品率高。 全窑的控制采用计算机自动控制来实现，这样既提高了产品的成品率又降低的工作人员的工作强度，降低了生产成本。 关键词：隧道窑 汤盘 发生炉煤 目 录 摘要    II 前言    1 1 原始数据    2 2 烧成制度的确定    2 3 窑体主要尺寸的确定    2 3.1 棚板和立柱的选用    2 3.2 装车方法    3 3.3 隧道窑有效高度    3 3.4隧道窑宽度    3 3.5 窑总长及各带长的确定    3 3.5.1 窑总长的确定    3 3.5.2 各带长度的确定    4 3.6 窑车数量及推车间隔时间    4 3.7 核算隧道窑的实际生产能力    4 4 隧道窑工作系统的确定    4 4.1 燃烧系统的确定    5 4.2 通风系统的确定    5 4.2.1 烧成带一次空气送风系统    5 4.2.2 冷却带抽风系统    5 4.3 排烟系统    5 4.4 冷却系统    5 4.4.1 急冷段    5 4.4.2 缓冷段    5 4.4.3 快冷段    5 4.4.4 窑尾段    5 5 窑顶结构的确定    6 6 窑体材料和厚度的确定    6 6.1 窑体材料确定原则    6 6.2 整个窑炉的材料名称和厚度    6 6.2.1窑炉窑墙部分的材料名称和厚度    6 6.2.2窑炉窑顶部分的材料名称和厚度    7 7 燃料燃烧计算    7 7.1 所需空气量    7 7.2 燃烧产生烟气量    7 7.3 燃烧温度    8 8 隧道窑热平衡计算    9 8.1 预热带、烧成带热平衡    9 8.1.1 燃料化学热    10 8.1.2 燃料的显热    10 8.1.3 助燃空气的显热    10 8.1.4 入窑坯体带入显热    10 8.1.5 坯体物化反应过程所需的热量    10 8.1.6 制品出烧成带带出的显热    11 8.1.7 其它热量    11 8.2 冷却带的热平衡计算    11 8.2.1 烧成带制品带入显热    12 8.2.2 窑车衬砖及金属件带入显热    12 8.2.3 冷却制品用空气带入显热    12 8.2.4 出窑制品带走显热    12 8.2.5 热空气从冷却带带走热量    12 9 全窑热平衡及热效率    12 9.1 全窑热平衡    12 9.2 隧道窑热效率    13 10 烧嘴选用及燃烧室计算    13 10.1烧嘴选用    13 10.2 燃烧室的计算    14 11 总结    14 参考文献    14 前言 随着经济的不断发展，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。 在日用瓷生产过程，烧成是非常重要的一道工序，烧成过程严重影响着产品的质量。隧道窑是现代化的连续式烧成的热工设备，以窑车为运载工具，具有生产质量稳定、产量大、消耗低的特点，最适合于工艺成熟批量生产的日用瓷。由于现在能源价格不断上涨，为了节约成本，更好的赢取经济利益，就需要窑炉在烧成过程中严格的控制温度制度、气氛制度，压力制度，提高生产效率及质量，便于更好的节约燃料，降低能量消耗。 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。 本窑炉采用轻质耐火保温材料，高速调温烧嘴，对余热进行集中利用，产品能耗较低，实现了自动化控制，连续式生产，大大提高了生产效率。符合大量生产的要求。在设计过程中，使我对窑炉设计及施工过程有了更深的认识。隧道窑是当前陶瓷工业中优质、高产、低消耗的先进窑炉，在我国已得到越来越广泛的应用。 1 原始数据 设计技术指标、参数： 1． 年产量：80万件(年工作日330天，合格率97%. 2． 产品规格：10英寸，0.375kg/件 3． 汤盘坯料组成（%） SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 K2O Na O I.L 63.37 24.87 1.15 0.32 0.81 2.05 1.89 5.54                 4． 入窑水分：≤2% 5． 最高烧成温度：1300℃ 6． 燃料：发生炉煤气 7． 烧成周期：24h 8. 气氛制度：还原气氛 9. 隧道窑：窑车式拱顶隧道窑 2 烧成制度的确定 根据制品的化学组成、形状、尺寸、线收缩率及其他一些性能要求，制订烧成制度如下： 常温－200℃          3.5小时          预热阶段 300℃－500℃        1.0小时          预热氧化分解阶段 500℃－750℃        2.0小时          预热氧化分解阶段 750℃－950℃        1.0小时          预热氧化分解阶段 950℃－1300℃        5.5小时          烧成阶段 1300℃－1300℃      2.0小时          保温阶段 1300℃－800℃        2.5小时          急冷阶段 800℃－400℃        5.0小时          缓冷阶段 400℃－60℃          1.5小时          快冷阶段 3 窑体主要尺寸的确定 3.1 棚板和立柱的选用 查资料得10寸汤盘的详细参数如下： 大小：255×255×30(单位mm)  单件制品质量：0.375kg 所以选用棚板的尺寸为：480×480×10 mm  支柱高度：50mm 3.2 装车方法 在窑车的长度方向上设置3块棚板，宽度方向上设置3块棚板，在窑车高度方向上装10层。棚板间的间隙在长度方向上为10mm，棚板与车边间距为20 mm。棚板间的间隙在宽度方向上为10mm，棚板与车边间距为20 mm。 由此确定窑车车面尺寸为：长：480×3＋10×2＋20×2=1500mm 宽：480×3＋10×2＋20×2=1500mm 窑车架高225mm，窑车衬面边缘用4层的轻质砖共260mm，在窑车的中部铺4层硅酸铝纤维棉和1层含锆纤维毯。 窑车总高为：225+260=485mm 在车面与棚板间留火道，其高度为200mm。 3.3 隧道窑有效高度 制品距窑顶的距离为200mm，窑车上装制品的高度为(50+10)×10=600mm，所以隧道窑有效高度：预热带、冷却带为：200+600+200=1000mm；为了加强传热，烧成带加高100mm,故烧成带有效窑高为：200+600+200+100=1100mm。 3.4隧道窑宽度 根据窑车和制品的尺寸，窑车车边距窑内墙取100mm，所以窑内宽B为1700mm 3.5 窑总长及各带长的确定 3.5.1 窑总长的确定 窑车装载量为1×9×10=90件每车，每件制品的质量为：0.375kg。则每车的质量为：33.75kg，故装窑密度为： 日产量为： ，取2500件/天。则 隧道窑的有效容积 窑长 t=24h η=97% g=25kg/ A=0.6×1.5=0.9 L= (39×24)/(25×0.97×1.35)=42.89m 窑车数量n=42.89/1.5=28.6，取29辆，则 隧道窑实际窑长L=29×1.5=43.5m 3.5.2 各带长度的确定 预热带带长： 因窑炉每节长度为1.5米，故预热带取9节。 烧成带带长： 因窑炉每节长度为1.5米，故预热带取9节。 冷却带带长： 因窑炉每节长度为1.5米，故预热带取11节。 3.6 窑车数量及推车间隔时间 窑车数量n=42.89/1.5=28.6，取29辆 推车时间间隔 3.7 核算隧道窑的实际生产能力 窑车每车转载质量g=1×9×10×0.375=33.75kg 故满足需求。 4 隧道窑工作系统的确定 4.1 燃烧系统的确定 此窑采用小功率多分布高速调温烧嘴的布置方式。两侧垂直和水平交错排列，这样有利于均匀窑温和调节烧成曲线。下部烧嘴喷火口对准装载制品的下部火道，上部烧嘴喷火口对准装载制品上方的部分。烧嘴砖直接砌筑在窑墙上，采用刚玉莫来石材质。 烧嘴的具体布置情况为：10～18节只设置下部烧嘴8对，共16只。并在每个烧嘴的对侧窑墙上设置一个观火孔。烧嘴总数为：16只，助燃风全部为外界空气。 4.2 通风系统的确定 4.2.1 烧成带一次空气送风系统 燃料燃烧所需的一次空气，一般由风机单独供给，也可用高温风机从冷却带抽出部分热空气送至各烧嘴，但抽出空气温度不能超过风机所能允许的使用温度。当要求采用高温助燃空气时，可采用喷射器最为一次空气输送装置。 4.2.2 冷却带抽风系统 为使制品有效的冷却，从冷却带鼓入的冷风量一般都比燃料燃烧所需的空气量要大，因此，热空气在进入燃烧带之前要从窑内抽出一部分。为避免烧成带烟气向冷却带倒流，抽热风口位置不宜太靠近烧成带。 4.3 排烟系统 为了更好的利用烟气的余热，采用分散排烟的方式。在预热带第4节箱体位近窑车台面的窑墙上设1对排烟口，使烟气自上而下流动，使得制品受热均匀，最终由排烟机排出，一部分送干燥房，其余的从烟囱排入大气。 4.4 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，余热风可供干燥用，从而达到节能目的。 4.4.1 急冷段 采用直接向窑内吹入冷风的方式，在19节中间位置设置了一道急冷阻挡气幕，19-21节分上下两排设置了12对急冷风管，直接向窑内喷入冷风，并在22节设置了2对侧部抽热风口。 4.4.2 缓冷段 制品冷却到800～400℃范围时，是产生冷裂的危险区，应严格控制该段冷却降温速率。为了达到缓冷的目的，本设计采用间壁冷却的形式，在23至26节设置2组中空墙来进行间壁冷却。 4.4.3 快冷段 在27-28节分上下两排设置12对快冷风管，气源为外界空气。并在顶部设置抽热口，由抽热风机送至干燥室。 4.4.4 窑尾段 29节设置3对轴流风机，直接对窑内的制品进行冷却，以保证制品的出窑温度低于60℃。 5 窑顶结构的确定 考虑到烧成温度，窑顶重量，保温性能，窑内气流等因素，本隧道窑选取拱顶窑顶。 已知窑内宽B为1700mm，所以拱的跨度B=1.7m。取拱心角α=60°，则： 拱半径 ； 拱高 所以，拱顶隧道窑窑内高为： 预热带、冷却带窑内高：485+1000+230=1715mm 烧成带窑内高：485+1100+230=1815mm 6 窑体材料和厚度的确定 6.1 窑体材料确定原则 整个窑体由金属支架支撑。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。窑体材料厚度的确定原则： 1、为了砌筑方便的外形整齐，窑墙厚度变化不要太多。 2、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。 3、厚度应保证强度和耐火度。 总之，窑体材料及厚度的确定在遵循以上原则得计出上，还要考虑散热少，投资少，使用寿命长等因素。 6.2 整个窑炉的材料名称和厚度 窑体所采用的材料及其厚度应该满足各段使用性能要求，受面最高温度限制以及砖形、外观整齐等方面的因素的影响，综合考虑确定窑体材料和厚度见如下。 6.2.1窑炉窑墙部分的材料名称和厚度 第1-9号车位窑墙（厚445mm）：345mm轻质保温砖+100mm岩棉毡； 第10-18号车位窑墙(厚560mm)：230mm聚轻高铝砖+230mm轻质粘土砖+100mm硅酸铝纤维毡； 第19-21号车位窑墙(厚560mm)：230mm聚轻高铝砖+230mm轻质粘土砖+100mm硅酸铝纤维毡； 第22-29号车位窑墙（厚445mm）：345mm轻质保温砖+100mm岩棉毡； 6.2.2窑炉窑顶部分的材料名称和厚度 堇青莫来石板制品具有热膨胀系数小，抗震稳定性好，使用寿命长，且不会突然断裂，使用过程中不氧化不落脏掉渣，不污染烧品，是烧成陶瓷制品最理想的材料。 第1-9号车位窑顶（厚250mm）：20mm堇青莫来石板+230mm硅酸铝纤维毡； 第10-18号车位窑顶（厚460mm）：230mm莫来石绝热砖+230 mm硅酸铝纤维毡； 第19-21号车位窑顶（厚460mm）：230mm莫来石绝热砖+230 mm硅酸铝纤维毡； 第22-29号车位窑顶（厚250mm）：20mm堇青莫来石板+230mm硅酸铝纤维毡； 综上所述，隧道窑全窑高为： 预热带窑内高：1715+250=1965mm 烧成带窑内高：1815+460=2275mm 冷却带19-21号车位窑内高：1715+460=2175mm 冷却带22-29号车位窑内高：1715+250=1965mm 7 燃料燃烧计算 7.1 所需空气量 所用燃料为发生炉煤气 ,其组成如下： 组成 COw% H2w% CH4w% C2H4w% CO2w% O2w% N2w% H2Ow%   29.0 15.0 3.0 0.6 7.5 0.2 42.0 2.7                   空气过剩系数α=1.08 得理论空气需要量 故所需实际空气量为： 7.2 燃烧产生烟气量 燃烧所生产的理论烟气量为： 实际烟气量： 7.3 燃烧温度 先根据发生炉煤气组成计算其低位热值： 空气预热带入的物理热： 燃料预热带的物理热： 每标准立方米燃烧产物所具有的热含量： 隧道窑温度介于1300℃~1400℃，燃烧产物中各组分在实际温度下的定压比热为：   1300℃ 2.3157 1.7907 1.4290 1.5123 1400℃ 2.3404 1.8150 1.4373 1.5219           1300℃燃烧产物热含量为其中各组分热含量之总和 1400℃燃烧产物热含量为其中各组分热含量之总和 故量热计温度为： 取隧道窑高温系数η=0.80，则实际燃烧温度为： ＞1300℃ 设计合理 8 隧道窑热平衡计算 本次计算选用1小时为计算基准，以0℃作为基准温度。预热带、烧成带的热收入和热支出项目如下所示： Q’3 Q1 Q2 Q’’3 Q4 Q8 Q9 Q5 Q6 Q11 Q7 Q12 Q13 Q10 8.1 预热带、烧成带热平衡 8.1.1 燃料化学热 式中，B—每千克制品燃料消耗量，Kg/Kg或m3/Kg； —燃料的低位热值，KJ/Kg或KJ/m3。 8.1.2 燃料的显热 式中，C2—燃料的比热，KJ/(Kg·℃)或KJ/(m3·℃)； t2—燃料入窑时的平均温度，℃。 KJ/Kg 8.1.3 助燃空气的显热 全部助燃空气为一次空气。 Q3=VαCαTα 式中，Vα—入窑助燃风流量，m3/h；前面燃烧部分计算得： Va =La×B=2.30B； Tα—入窑助燃风的平均温度，℃；Tα=20℃； Cα—入窑助燃风的平均比热容，KJ/（Kg·℃）；查表，Tα =20℃助燃风时平均比热容为：Cα =1.30 KJ/（Kg·℃）； Q3= Va CaTa=2.30B×1.30×20=59.8B  KJ/Kg 8.1.4 入窑坯体带入显热 式中，G4—入窑时含1kg干坯体的湿坯质量，Kg/Kg； Wr—入窑湿坯体所含的相对水分，%； t4—入窑坯体温度，℃； 、 —分别表示干坯体及水分的比热，KJ/（Kg·℃）。 KJ/Kg 8.1.5 坯体物化反应过程所需的热量 式中， —自由水分蒸发耗热； —结构水脱水吸热； G7—入窑湿坯体质量，Kg/Kg,G7=G4 Wr—入窑湿坯体相对水分，% 2490—0℃、1Kg水蒸发所需热量，KJ/Kg； 1.93—烟气离窑时水蒸气平均比热，KJ/(Kg·℃)； t7 —烟气离窑时的温度，℃； K1—坯体中结构水百分含量， q—坯体中结构水脱水吸收热量，KJ/Kg。 Q7=1.019×0.019×(2490+1.93×250)+1.019×(1-0.019)×10%×6700=727.31 KJ/Kg 8.1.6 制品出烧成带带出的显热 Q8=G8C8t8 式中，G8—出烧成带制品的质量，G8=G4(1-Wr)(1-K2)； K2—坯料灼减，%； C8—出烧成带制品比热，KJ/(Kg·℃)，查手册[11]，C8=1.20 KJ/(Kg? ℃)； t8—出烧成带制品温度，℃。 G8=1.019×0.981×(1-0.03)=0.969 Kg Q8=0.969×1.2×1300=1511.64 KJ/Kg 8.1.7 其它热量 因窑车衬砖及金属件带入显热Q5，预热带吸入常温空气带入的显热Q6，其它物化反应 ，窑车衬砖及金属物件出烧成带时带出的显热Q9，窑体散热损失Q10，燃料不完全燃烧损失Q12，出窑燃气带走的热量Q11，窑体开孔辐射及向窑外漏气的热损失Q13，的热量不大，故可忽略不计。 由以上各部分可得相应的热平衡为： Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=Q7+Q8+Q9+Q10+Q11+Q12+Q13 即6726.5B+29B+59.8B+20.02=727.31+1511.64 B=0.326 m3/kg 每千克制品燃料消耗量为0.326 m3/kg。 8.2 冷却带的热平衡计算 本次计算选用1小时为计算基准，以0℃作为基准温度。以冷却带为计算范围。冷却带热平衡示意图： 8.2.1 烧成带制品带入显热 Q14=Q8=1511.64 KJ/Kg 8.2.2 窑车衬砖及金属件带入显热 Q15=Q9，忽略不计 8.2.3 冷却制品用空气带入显热 Q16=V16C16t16 式中，V16—入窑空气量，待求值，m3/Kg； C16—入窑空气比热，KJ/(m3·℃)，C16=1.211KJ/(m3·℃) t16—入窑空气温度，℃。 Q16=V16×1.211×20=24.22V16 KJ/Kg 8.2.4 出窑制品带走显热 Q17=G8C17t17=0.969×0.896×60=52.09 KJ/Kg 8.2.5 热空气从冷却带带走热量 该隧道窑不用冷却带热空气作二次空气，故热空气抽出量为冷却空气鼓入量。设抽送干燥器用的空气温度为300℃，此温度下的空气平均比热为C19=1.38KJ/(m3·℃)，故 Q19=V16C19t19=V16×1.38×300=414V16 由以上各部分可得相应的热平衡为： Q14+Q15+Q16=Q17+Q18+Q19+Q20+Q21 1511.64+24.22V16=52.09+414V16 V16=3.75 m3 9 全窑热平衡及热效率 9.1 全窑热平衡 将预热带、烧成带、冷却带热平衡联合起来，即为全窑热平衡。全窑热平衡示意图： 热平衡可用下式表示： Q1+Q2+Q4+Q5+Q6+Q16=Q7+Q11+Q12+Q17+Q18+Q10+Q20+Q13+Q21+ 热 收 入 热 支 出 项　目 (KJ/Kg) （%） 项　目 (KJ/Kg) （%） 燃料化学热Q1 2192.839 92.8 坯体物化反应所需热量Q7 727.31 31.19 燃料的显热Q2 9.454 0.4 出窑制品带走显Q17 52.09 2.23 入窑坯体带入显热Q4 20.02 0.85 热空气从冷却带带走热量Q19 1552.5 66.58 冷却制品用空气带入的显热Q16 140.476 5.9       总　计 2362.789 100 总　计 2331.9 100             9.2 隧道窑热效率 综上所述，该窑的工作系统、结构等各方面合理，热耗最大项为烧成时的耗热。应提高装窑密度，设置各类型的热交换装置，选用隔热护衬尽量减少热量散失，采用先进技术控制窑炉操作等措施提高窑炉热效率。 10 烧嘴选用及燃烧室计算 10.1烧嘴选用 每小时燃料消耗量为： V=0.326×39=12.714m3 由于全窑共有16只烧嘴，则每个烧嘴的燃料消耗量为：0.795m3/h 考虑每个烧嘴的燃烧能力和烧嘴燃烧的稳定性，取安全系数1.5。所以每个烧嘴的燃烧能力为：1.25×0.795=1.0m3 WDH—TCC型高速燃烧器技术性能参数： 型号 热负荷 x104kcal/h 燃气流量 m3/h 助燃空气 最高温度(℃) F S T Y 压力Pa 温度 风量 TCC1 1 10 20 1.2 0.5 1500 -3500 常温-350 24 1800 TCC2 2 20 40 2.4 1 48 TCC4 4 40 80 4.8 2 96                     所以选用WDH—TCC2-Y型高速烧嘴，与其配合的烧嘴砖厚为230mm。 10.2 燃烧室的计算 每立方米燃烧空间每小时能发出1.25×106KJ。 燃烧室体积： 预热带处燃烧室深为： L=窑墙厚 - 烧嘴砖厚=560-230=330mm 预热带处燃烧室面积为： 取预热带处燃烧室宽B为四个半砖宽，即4×（砖宽+灰缝）=4×(0.113+0.003)=0.464m，选用60°拱，拱高f=0.134B=0.134×0.464=0.062m，燃烧室的截面积=拱形部分面积+侧墙矩形部分面积： H=0.391m 取H=0.408m，即六砖厚：6×(0.065+0.003)=0.272m，则燃烧室总高为：0.408+0.062=0.47m。 11 总结 本设计是年产80万件日用瓷隧道窑设计，隧道窑总长43.5m，有效宽度1.7m，采用发生炉煤气作为燃料，最高烧成温度1300℃，采用高速烧嘴，烧成周期为24小时。本设计分别对隧道窑的烧成制度、窑体主要尺寸、工作系统、窑顶结构、窑体材料和厚度、燃料燃烧、热平衡、烧嘴选用及燃烧室等方面进行了设计和计算，由于本人知识水平有限以及设计时间局促，本设计中任有诸多不完善之处和没有设计的方面。通过本次设计，我对隧道窑大的工作原理及特点有了进一步的认识，对燃料燃烧方面计算的印象更加深刻，对工业设计的一般步骤有了一定的了解。总之，通过本次设计我学到了很多知识，收获颇丰。 参考文献 [1]  刘振群《陶瓷工业热工设备》.武汉.武汉工业大学出版社.1998年 [2]  王淮邦《耐火材料工艺学》第二版.北京.冶金工业出版社.1993年 [3]  宋瑞《现代陶瓷窑炉》.武汉.武汉工业大学出版社.1996年 [4]  陈帆《现代陶瓷工业技术装备》.北京.中国建材工业出版社.1999年  [5]  胡国林 陈功备 《窑炉砌筑与安装》.武汉理工大学出版社.2005.5 [6]  蒋鉴华 张振刚 《热工测量及过程自动控制》.江西高校出版社.2009.2 [7]  孙晋淘 《陶瓷工业热工设备》. 武汉理工大学出版社.1989.10 [8]  蔡增基 龙天渝《流体力学泵与风机》.中国建筑工业出版社.1999.12 [9]  王秉铨 《工业炉设计手册》. 北京机械工业出版社.1996.8 [10] 杨世铭 陶文铨 《传热学》第三版 . 高等教育出版社.1998 [11] 韩昭沧  《燃料及燃烧》第二版  冶金工业出版社 2007