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53M31400℃硅砖梭式窑设计

53M31400℃硅砖梭式窑设计

班级:材料1003

姓名:张肖轩

学号:15

指导老师:徐长海

摘要:梭式窑是一种间歇式的工业烧成设备,跟火柴盒的结构类似,窑车推进窑内烧成,烧完了再往相反的方向拉出来,卸下烧好的陶瓷,窑车的往复运动如同织布时的“梭子”,故而称为梭式窑。在陶瓷材料、耐火材料以及建筑材料等烧成方面,尽管目前大规模生产所使用的是隧道窑或更为先进的辊道窑,但是由于梭式窑对所生产制品的适应性较强,可以适应不同尺寸、不同形状、不同材质制品的烧成,所以梭式窑特别适应于小批量、多品种产品的生产,使其满足市场多样化的需求,梭式窑能够非常方便的改变其烧成曲线,因而它还被许多科研单位所采用,用来进行一些新产品的实验,随着保温效果极佳且耐高温的轻质保温耐火砖和耐火纤维的出现,使得梭式窑的烧成热耗大大降低,于是出现的高效节能梭式窑的耗能指标甚至可以与隧道窑相媲美,所以梭式窑至今仍具有强大的生命力。

本文主要介绍了梭式窑窑体尺寸的设计计算、窑炉砌筑体的设计计算、燃烧系统的设计计算。

关键词:梭式窑,设计,计算

目录

1 引言 (3)

2 设计要求 (4)

2.1 设计数据 (4)

2.2 设计的主要内容 (4)

3 窑炉主要尺寸设计 (5)

3.1 窑体主要尺寸的确定 (5)

3.1.1 窑体尺寸的确定规则 (5)

3.1.2 窑体尺寸大小 (6)

3.2 窑炉砌筑体的设计 (7)

3.2.1 材质的选择条件 (7)

3.2.2 砌筑体材料的选择 (7)

3.2.3 窑墙的选择及尺寸 (8)

3.2.4 窑顶的选择及尺寸 (10)

3.3 窑车与膨胀缝 (12)

3.3.1 窑车设计 (12)

3.3.2 膨胀缝设计 (12)

4 燃烧计算及燃烧设备的选择 (13)

4.1 燃料燃烧计算 (13)

4.2 实际燃烧温度的计算 (15)

4.3 烧嘴的选型、数量及布置设计 (16)

5 硅砖梭式窑其它附属系统 (17)

致谢 (18)

参考文献 (19)

1 引言

梭式窑是一种间歇式窑,自上世纪80年代以来,我国引进了不少梭式窑,在借鉴的基础上,也自行研发了许多适用于不同烧制温度、烧成气氛、和材料的梭式窑。梭式窑除具有一般倒焰窑操作灵活性大,能满足多品种生产等优点外,其装窑、出窑和制品的部分冷却可以在窑外进行,既改善了劳动条件,又可以缩短窑的周转时间。但由于间歇烧成,窑的蓄热损失和散热损失大,烟气温度高,热耗量较高。新型节能型梭式窑改进了窑体砌筑结构,增设了废气余热利用装置,使这一缺点很大改善。

梭式窑的窑体为矩形,窑墙的砌筑沿厚度方向分为三层结构,工作衬即采用高强度高档耐火隔热砖,夹层是隔热耐火材料,外层采用耐火纤维毡贴在窑壁上。窑顶采用平吊顶结构,砌筑也分为三层,内层为高强度高档隔热砖,吊挂于吊顶砖下方,夹层是隔热砖,顶层采用耐火纤维毡,既为隔热层又为密封层。由于窑门经常移动,所以窑门的砌筑为两层,内层为高强度高档隔热砖,外层为隔热层,采用耐火纤维毡贴于窑门金属壳上。烧嘴安装在窑墙上,视窑的高度设一排或两排。以窑车台面为窑底并和窑顶、窑墙构成窑的烧成空间,窑车衬砖中心留设主烟道,与地下烟道相接。窑的一端(或两端)设有窑门,窑门可单独设置也可砌筑在窑车端部。窑车两侧裙板插入窑墙砂封槽内,窑车与窑车之间,窑车与端墙、窑门之间设有曲封槽,耐火纤维挤紧,起密封作用。在窑墙砂封槽下部留有许多通风孔,有利于窑车底部散热,延长了窑车的使用寿命。

典型的梭式窑以轻型、薄壁、节能为特征,其主要特点是:1)适应多品种小批量生产。2)采用轻型薄壁式窑墙结构,内衬采用高温轻质材料。3)装卸砖在窑外进行。4)采用高速等温烧嘴,高低错落布置,喷出高速气流,使窑内气流强烈地旋转,对流换热效果极大提高,高温阶段窑内各点温差可

控制在5℃以内。低温阶段,采用调温风增大烟气量,调节喷入窑内烟气温度,窑内温差在5℃~10℃之间。升温、降温速度快,烧成周期短。5)可配置适宜的检控仪表,采用PLC控制,实现全自动化操作。

由于梭式窑属于间歇窑,窑的蓄热损失和散热损失大,烟气温度高,热耗量较高。设计时,需要增设废气余热利用装置,使这一缺点得到很大改善。

2 设计要求

2.1 设计数据

①窑内有效容积:53M3

②最高烧成温度:1400℃

③燃料的种类及组成:重油

表1: 重油的组成

成分 C H O S W

含量(%)85.5 11.5 0.5 0.5 2.0

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。

2.2 设计的主要内容

(1)窑体结构及主要尺寸的设计计算;

(2)窑体砌筑体(窑墙、窑顶)的设计;

(3)燃料燃烧计算及燃烧设备的选择;

(4)烧嘴的选型、布置、数量;

(5)绘制梭式窑系统剖面图。

3 窑炉主要尺寸设计

3.1 窑体主要尺寸的确定

3.1.1 窑体尺寸的确定规则

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。

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。

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,其烧成温度高,多为拱顶窑。拱顶使用楔形砖砌筑,拱中心角的选择很重要,拱中心角太小,拱砖受力太大,在使用过程中会产生下沉显现;反之若拱中心角太大,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,拱顶制品之间的孔隙加大,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。拱中心角确定后,窑的内宽要选择并圆整成标准拱的通用跨度。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。

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,再可以确定

出梭式窑的总长度L :L=V F ;式中:V-窑容积,m 3。可由装窑密度、产量要求

及窑容积系数求出,F-窑横截面积,m 3。可由窑矩形及弓形面积之和求得(最大梭式窑长度为11m )。

3.1.2 窑体尺寸大小

①在本设计中由于是硅砖梭式窑,其荷重软化温度较高,因此选用窑内高为H=2.0m(h 1=15mm,h 1是热电偶的长度,可忽略。) ②根据窑内宽高比≈H

B 2,可得B 0=4.0m 。 ③在梭式窑设计中,采用吊拱顶时,其60°的拱中心角采用较多。因此本设计拱中心角α=60°,通过热工设计指导书中附录1和2得:当α=60°,窑内宽B 0=4.0m 时,拱的实际内宽圆整为B=4060mm ,查的拱半径R=4060mm ,失高h=544mm ,这时窑体几何尺寸关系如图1。 ④由图1尺寸关系可知:窑横截面积F=()2243-6h -R R H B π+

?,代入上面数据可知:F=7.40017m 2,又V=53m 3,所以梭式窑的总长度L :L=V F =7.162m 。

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图1:窑体尺寸关系

3.2 窑炉砌筑体的设计

3.2.1 材质的选择条件

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。

3.2.2 砌筑体材料的选择

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。

M1400℃硅砖梭式窑的分析,查热工课程设计任务指导书选用通过对523

硅砖、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表2所示:

表2:采用的砌筑体材料的性能

3.2.3 窑墙的选择及尺寸

窑墙窑具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硅砖、轻质粘土砖、红砖砌筑,砌筑示意图如图2。

窑墙由内至外分别采用硅砖、轻质粘土砖、红砖砌筑,温降分别为1400℃、1100℃、600℃、100℃。 对于高温窑炉,窑墙外表面温度取100℃-120℃,空气温度20℃,可查热工课程设计指导书附录3得:当t w =100℃,t a =20℃时,窑墙的散热量q=1000千卡/(m 2?h),即q=4.18310?3600÷?1000J/(m 2·s)=1162.22J/(m 2·s),又由表2知硅砖的导热系数λ1=0.815+0.756-3

10?t 。

硅砖 轻质粘土砖 红砖 高炉矿渣 最高使用温

度(℃)

1600 1150 600 700 体积密度

(Kg/m3)

1850-1950 400 1900-2300 500-550 导热系数

[W/(m·℃] 0.815+0.756-310?t 0.815+0.221-310?t 0.7-1.2 0.53-1.2

①计算重质窑强厚度:如图2,假设0t =1100℃,且0t 为任务书中规定的温度,即0t =1400℃,那么, 由λ=f(

2t t 21+) (1)可得: λ1=0.815+0.756-310?t

=0.815+0.756?1250=1.76[W/(m ·℃];

由公式:q=δ

λ(外内t t -) (2)可得: 硅砖δ=)(外内t -t q 1λ=300162

.176.1?=454mm ; 查附录5后可将硅砖δ圆整为硅砖δ=464mm ;这时将硅砖δ=464mm 回带到(2)中解得 t 外=1094℃;

验证:利用?=?大小大t t -t 100% (3)可得: 1?=0.6%<4%,假设成立t 1=1100℃。

②计算轻质粘土砖的厚度:如图2假设t 2=500℃,

2λ=0.815+0.221-310?t=0.26935[W/(m ·℃];由公式(2)得:粘土δ=115.88mm ,

查附录5后圆整为粘土δ=116mm ;将粘土δ回带到公式(2)中t 外=599.48℃;再利

用公式(3)2?=0.088%<4%,假设成立t 2=500℃。

③计算安全层厚度:由于t w =100℃对于红砖,3λ=0.7-1.2,这里取3λ=0.73。由公式(2)得:红δ=314mm ,查附录6后红δ圆整为315mm ;将红δ回带到(2)中

t

外=98.5℃;利用公式(3)

3

=1.5%<4%。

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图2:窑墙尺寸示意图3:窑顶尺寸示意

3.2.4 窑顶的选择及尺寸

为了要保证窑顶除了要有一定的强度、耐热、保温性能,还要有不漏气、重量轻、推力小等要求,窑顶一般采用5层材料进行设计如表3。

表3:梭式窑窑顶的设计

层数 1 2 3 4

材料硅砖轻质粘土砖高炉渣红砖

注:耐火泥厚度一般为50-60mm,以窑轴线处算炉渣高度。

选用耐火泥的目的是,当拱顶选用粉料保温时,为了防止粉料在拱顶膨胀时掉落到拱砖缝内,停窑时拱砖不能复原。为了使窑顶密封严密,可以在拱顶铺上一层50mm左右的耐火泥。设计时窑顶最上表面可以平铺一层红砖,以便行走,有利于工作。

窑顶由内至外分别采用硅砖、轻质粘土砖(1250℃)、并用高炉矿渣填充,温降分别为1400℃、1130℃、520℃、300℃。对于高温窑炉,窑顶外表面温度也可取100℃-120℃,空气温度20℃,可查热工课程设计指导书附录4得:

当t

w =100℃,t

a

=20℃时,窑墙的散热量q=1200千卡

/(m 2·h),q=4.18?12003600÷?1000J/(m 2·s)=1393.33J/(m 2·s),又由

表2知硅砖的导热系数λ4=0.815+0.756-310?t 。

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=1.99%<4%,假设成立。

5

3.3 窑车与膨胀缝

3.3.1 窑车设计

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。

对于本设计窑长为L=7162mm,窑宽为B=4060mm,因此,窑车选用宽4m,长

2.2m,每窑可并排放置3辆窑车。

3.3.2 膨胀缝设计

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。如图4:

图4:膨胀缝示意图

4 燃烧计算及燃烧设备的选择

4.1 燃料燃烧计算

根据热工课程设计指导书本设计燃料选择重油,其窑炉使用的重油组成干基如下表: 成分 C H O S W (H 2O ) 含量(%) 85.5 11.5 0.5 0.5 2.0

基准:1kg 重油,空气过系数α=1.1,燃料消耗量:160Kg/h,夏季温度为27℃,气压P=96MPa 。

①空气量计算

理论上完全燃烧,燃烧中可燃成分发生下列化学反应:

22C+O CO → ; 224H+O 2H O →

;22S+O SO → 则1kg 重油燃烧需要氧气的理论量为:

32

32412ar ar ar 0a ar O S H C V -++= (kmol/kg ) 在标准状态下1kmol 任何气体体积均为22.4Nm 3,所以

4.22)3232412(ar ar ar 0o 2?-++=ar O S H C V

故理论空气量:0a V =0o 2V ?21100 =(3205.03205.04115.012855.0-++)21

1004.22??=10.67(Nm 3/kg ) 实际空气量为:a V =1.1?10.67=11.74(Nm 3/kg )

每小时重油所学空气量:V =160a V =160?11.74=1878.4(Nm 3/kg );

②重油燃烧烟气量的计算

烟气中只含有CO 2、SO 2、H 2O 三种燃烧产物以及空气带入的气体N 2。 理论烟气量为0V =02CO V +02O H V +02SO V +02N V

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烟气组分

CO 2 SO 2 H 2O O 2 N 2 含量(%) 12.22% 0.027% 10.05% 1.721% 71.03%

4.2 实际燃烧温度的计算

燃料的燃烧温度是指燃料燃烧时放出热量使烟气达到的温度,根据热平衡原理,当收入的热量与支出的热量相等时,重油的燃烧产物即达到一个相对稳定的燃烧温度。为便于研究和分析问题,通常建立两种燃烧温度的概念,及实际燃烧温度和理论让烧温度。这样有利于,在设计梭式窑时能够使窑内温度达到所要求的范围。

①理论燃烧温度

根据《材料工程基础》课本燃料低位发热量:

Q net =32793C ar +98320ar H -9100(ar O -ar S )-2450ar W (kJ/kg ),将重油中各组分的量代入公式得:Q net =32793?0.855+98320?0.115-9100?(0.005-0.005)-2450?0.02=39295.82(kJ/kg );

理论燃烧温度t th =c

t c t c a a a f f net V V Q ++ (7) 其中 Q net 为发热量,f c 为燃料的比热容,a c 为空气的比热容,a t 为空气预热温度,f t 为燃料预热温度,c 为烟气的比热容,a V 为实际空气量,V 为实际烟气量。

由热工设计指导书所给出的当地气象条件:平均温度为27℃,故a t =27℃,f t =27℃根据重油比热公式2.01878+0.003222(t a -100)得:

f c =

1.784kJ ∕(kg ·℃),查表知:a c =1.301kJ ∕(kg ·℃);将数据带入公

式(7)得:t th =057c

.1311.7427301.127784.182.39295??+?+ 即13.057ct th =39756.378。设t 1th =1800℃,由《材料工程基础》课本知c=1.65,

则根据Q 1=13.057?1.65?1800=38779.29<39756.378,

设t 2th =2000℃,由《材料工程基础》课本知c=1.67,则根据:

Q 2=13.057?1.67?2000=43610.38.>39756.378。

此时,利用内插法求温度t th ,即21th1t th th th t t t --=2

11Q Q Q Q -- 1800-2000t 2000th -=38

.43610378.39756378.3975629.38779--,解得t th =1947.86℃ ②实际燃烧温度

当燃烧过程中,收入的热量与支出的热量相等时,燃烧产物即达到一个相对稳定的燃烧温度,此温度是实际燃烧温度t p ,在生产中,实际燃烧温度可直接测得。其值t p =ηth t ,查表可知对于重油η可取0.65-0.75。

此处取η=0.73,t p =0.73?1947.86=1421.94℃>1400℃,证明燃料选取合理。

4.3 烧嘴的选型、数量及布置设计

现代梭式窑大多采用高速调温烧嘴或脉冲烧嘴等高速烧嘴。设计中采用高温调速烧嘴,烧嘴布置在窑车和窑车的接头处,或者窑车的边缘处。根据此设计中有3辆窑车,因此用4对高速调温烧嘴,采用两层交错式布置在窑墙上。使用时,坯料的码装要留有适当的火焰通道,料剁之间要留出100-400mm 的火道。高速烧嘴通常采用立体交错的方式布置在窑体的侧墙上,这样在窑内形成一个循环旋转气流,避免高速火焰直接冲刷坯件,以防止坯件对火焰的影响以

及使气流温度分布更均匀。高速调温烧嘴布置在半窑车位处,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。

设计时,烧嘴砖为粘土质异型砖,靠炉内两拱中心角为180℃.外侧拱中心角90℃,三层拱呈阶梯形。烧嘴砖可以从外层拱取出,便于更换.烧嘴处拱下面的底为活底,如果燃料油雾化不充分,易在底上积渣。长期使用后,底砖可以更换.小致于破坏其他砌体结构。

5 硅砖梭式窑其它附属系统

窑内排烟系统:梭式窑的排烟系统设置在它的窑车上,即窑车的耐火衬砖上设置有吸火孔,吸火孔下部有烟道,它与要强下部的烟道相连,然后通向烟囱。因此,设计为烟气经设在车面的吸火孔, 支烟道、窑墙上的排烟孔, 总烟道进入用普通钢板制成的薄壁式顺流式换热器, 烟气通过换热器后温度降至250℃以下再进排烟机, 通过烟囱排入大气。

窑门、窑底及砂封:本设计窑室容积( 包括燃烧通道) 是梭式窑的烧成周期短, 因此要求窑门开闭简单、迅速、关闭后气密性要好。窑门有多种式样, 该窑所用的窑门系窑车式门, 它由窑门车、窑门金属外壳及耐火衬里所构成。当窑门关闭时, 用螺栓将窑门固紧。窑底是由铸铁制成或型钢焊接的窑车,上面衬以耐火材料。窑车两侧有砂封裙板, 当窑车推入窑内时, 裙板插入窑内两侧的砂封槽内, 槽内盛有颗粒大小为1.4-2.5毫米的石英砂,借此阻止窑内烟气溢出窑外和窑外的冷空气进入窑。

废气余热利用:此设计在考虑了传统梭式窑热好高的重要原因是废弃中的余热未被充分利用,特别是在高温阶段。为了有效利用废弃的余热,设计采用单元式换热器新技术,在每个烧嘴附近安装1个小型分散的烟筒型喷流辐射换热器,高温烟气以总分式下侧排烟方式从窑侧墙上的每个排烟口直接进入相应的

烟筒型换热器内。换热器同时起到了烟囱的作用,无需设置排烟机和较长的管道,免去其蓄热、散热损失,提高了换热效率并节约燃料,同时也可降低整个换热及排烟系统的投资。

致谢

1400℃硅砖梭式窑窑炉尺寸的设在两周的热工设备课程设计中,通过对523

计,窑墙和窑体材料及厚度的设计计算,燃料燃烧的计算,还有窑内一些附属系统的设计,使我深刻了解了梭式窑窑体的结构及工作原理,初步学会对窑体的设计计算,熟悉掌握了运用CAD画图,通过这一次的训练,为以后更好的工作或学习,打下了一定的基础。两周时间虽然短暂,但却受益颇多。最后,感谢马林老师、徐长海老师的悉心指导,以及同学们的帮助和支持!

参考文献

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