年产32万吨耐酸砖辊道窑设计方案说明学士学位论文.doc

年产32万吨辊道窑设计

湖 南 科 技 大 学

无机非金属材料工程专业

高温设备课程设计

年产32万吨耐酸砖辊道窑设计说明书
姓 名 苗 瑛 瑛
学 号 1106060129
指导老师 肖 秋 国

设计时间 2014年05月26日 至 2014年06月08日
目    录
设计任务书.....................................................................................................................................................4
1、原始资料收集...........................................................................................................................................5
2 、窑体主要尺寸的确定..............................................................................................................................5
2.1 进窑砖坯尺寸.........................................................................................................................................5
2.2 内宽的确定与排砖方法.........................................................................................................................5
2.3 内高的确定.............................................................................................................................................6
2.4 烧成制度的确定.....................................................................................................................................6
2.5 窑长及各带长的确定.............................................................................................................................7
3、窑体材料的确定.......................................................................................................................................8
3.1 窑体材料确定原则...............................................................................................................................8
3.2整个窑炉的材料表................................................................................................................................8
4、 燃料及燃烧计算......................................................................................................................................9
4.1所取燃气组成.........................................................................................................................................9
4.2 烟气量计算...........................................................................................................................................10
4.3烟气组成及密度计算...........................................................................................................................10
4.4燃烧温度计算.......................................................................................................................................10
4.5燃料需求量计算...................................................................................................................................10
5、 热平衡计算............................................................................................................................................11
5.1预热带及烧成带热平衡计算...............................................................................................................11
5.2 冷却带平衡计算...................................................................................................................................15
6 传动系统....................................................................................................................................................18
6.1 辊棒的选择...........................................................................................................................................18
6.2 传动装置...............................................................................................................................................18
6.3 辊距的确定...........................................................................................................................................18
6.4 辊棒的联接形式...................................................................................................................................19
6.5 传动过程...............................................................................................................................................19
7 窑体附属结构............................................................................................................................................19
7.1 事故处理孔...........................................................................................................................................19
7.2 观察孔与测温口...................................................................................................................................19
7.3 膨胀缝...................................................................................................................................................20
7.4 下挡墙和上档板...................................................................................................................................20
7.5 钢架结构...............................................................................................................................................20
7.6 测压孔...................................................................................................................................................20

设计任务书
设计任务：年产32万吨耐酸砖辊道窑设计
给定资料数据：
一、耐酸砖及备选原料化学成分（wt%）:

烧失量
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O
吸附水
耐酸砖
0.44
69.8
22.4
0.49
0.82
0.12
2.70
0.94
1
明砂土
13.12-3.2
44.69+3.2
34.01
0.99
0.40
0.24
3.41
0.94
4
马迹泥
13.76
40.42
33.62
0.31
0.40
0.08
0.42
0.82
4
东湖泥
6.96
72.80
16.47
0.40
1.28
0.20
1.08
0.40
4
长石
0
63.26+3.2
21.19-3.2
0.48
0.13
0.13
13.21
1.2
2
二、产品规格:200×200×10(㎜)，密度：2.4
三、年工作日：300天 
四、 燃料：焦炉煤气
燃气组成单位：%vol

H2
CH4
CO
C2H4
O2
N2
CO2
H2O
合计
46~60
20~24
6~8
2~3
0.3~0.7
4~10
2.4~3
2~2.4
100

能耗范围：16.00~16.40kg标煤/m2陶瓷板或290~310kg标煤/吨陶瓷材料
五、 坯入窑含水量：≤1﹪ 
六、最高烧成温度：1220℃  
七、烧成合格率：90% 
八、燃料：焦炉煤气，热值16000kJ/m3。
九、烧成制度： 
（1） 温度制度：烧成周期48分钟
（2） 气氛制度：全氧化气氛 
（3） 压力制度：预热带负压操作-40~-24Pa，烧成带微正压＜8Pa,冷却带正压
1、原始资料收集
随着经济不断发展，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。 
陶瓷窑炉可分为两种:一种是间歇式窑炉,比如梭式窑;另一种是连续式窑炉,比如辊道窑。辊道窑由于窑内温度场均匀，从而保证了产品质量，也为快烧提供了条件；而辊道窑中空、裸烧的方式使窑内传热速率与传热效率大，又保证了快烧实现；而快烧又保证了产量，降低了能耗。产品单位能耗一般在2000～3400  KJ/Kg ，而传统隧道窑则高达4400～9000 KJ/Kg 。所以，辊道窑是当前陶瓷工业中优质、高产、低消耗的先进窑型，在我国
 已得到越来越广泛的应用。
烧成在陶瓷生产中是非常重要的一道工序。烧成过程严重影响着产品的质量，与此
 同时，烧成也由窑炉决定。
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。
我设计的窑炉是连续式窑炉，窑炉总长32820mm，内宽2170mm，燃料采用焦炉煤气，窑体趋向轻型化，燃料清洁化，烧成质量好，年产320000平方米，全窑采用新型耐火材料，改善了窑炉的保温性。
2、窑内主要尺寸确定
2.1 进窑砖坯尺寸 
产品规格：200×200×10 mm
产品宽度200mm，考虑烧成收缩为10%,则：
坯体尺寸=产品尺寸÷（1-烧成收缩）=200÷（1-10%）=222.22mm
2.2 内宽的确定与排砖方法 
由于现在的辊棒等材料性能的提高，且辊道窑大多采用吊顶结构，所以此次设计成宽体辊道窑。再根据产量，所用的燃料（焦炉煤气）等因素，所以暂定窑内宽B =2000mm 。而坯体离窑墙内壁一般有100～200 mm 间隙，取140 mm。根据了解，横向的坯体是紧贴在一起，并没有留间隙。
所以内宽等于砖坯尺寸×每排片数＋砖坯离窑内壁的间距。 
则可排砖数为：n=(2000-2×140)÷222.22=7.74片, 
故确定并排8片，则窑内宽 B=222.22×8+140×2=2057.76 ㎜       
最后定窑内宽为 2060mm。 
2.3 内高的确定 
辊道窑的内高被辊子分隔成辊上高和辊下高两部分。对于辊上高的设置，要考虑以下四个方面：损坏的坯体能否顺利从辊棒之间掉下去，烧嘴的设置也要有一定的高度，气体与坯体之间的换热强度，气流通畅与燃烧空间。而对于辊下高的设置而言，主要是损坏的坯体能否顺利从辊棒之间掉下去即保证处理事故的方便。从传热角度来讲，烧成带以辐射为主，所以气体厚度要大点，内高稍高些。而预热带以对流换热为主，所以内高比烧成带低，使得横截面减小，流速加快，提高对流换热强度。辊上高应大于制品高度，但对大件瓷品，则辊上高应比辊半径，垫板厚度，以及最大制品高度之和稍大。滚下高则主要时保证处理事故的方便，从理论上讲对焙烧建筑瓷砖的辊道窑下高最好应大于砖对角线的长度，但对于大制品按此计算会造成内高太大，即增大了窑墙散热，也不利于窑内传热，由于制品从辊上掉下，一般都发生了破损大件尤其如此，尺寸都比都比整砖小了，故根据各地辊道窑实际情况来看辊下高只要大于或等于制品长边就足够。再
结合其他三方面，内高的设置如下（单位：mm）：

窑前带、预热带
烧成带
冷却带
辊上高
400
600
600
辊下高
400
400
400
内总高
800
1000
1000
（单位mm)
2.4 烧成制度的确定 
（1） 温度制度： 
考虑到入窑水分比较低，可以快速升温而不会使坯体炸裂。
烧成周期:48 min
各温度段的划分与升温速率如下：

温度/℃
时间/min
升温速率/℃·min-1
长度比例/%
窑前、预热带
20～500
16 
30
45
烧成带
500～1250 
12 
62.5
 18.3 
保温带
1250
3
0 
12
冷却带
 1250～100 
17 
67.6
36.7
累计

48

100
 （2）  气氛制度：全窑氧化气氛 
（3） 压力制度：预热带-14～-10 Pa  ，烧成带 < 8 Pa
2.5窑长及各带长的确定 
现在窑炉已经向宽体化、自动化、轻型化发展，已经有长300多米的宽体窑。其主要原因是现在的辊棒的质量的提高，还有各种材料的飞速发展。
2.5.1 窑长的确定  
窑长（m)=窑容量（m2/每窑）/装窑密度（m2/每米窑长）
窑容量(m2/每窑）=年产量（m2/a)*烧成周期（h)/年工作日*24*产品合格率
装窑密度（m2/每米窑长）=每米排数*每排片数*每片砖面积
窑容量=320000*(48/60)/(300*24*90%)=39.51(m2/每窑）
装窑密度=1000/(200+56)*8*0.2*0.2=1.25（m2/每米窑长）
故窑长=39.51/1.25=31.608m，取32m。
此次采用装配式，由若干节联结而成。由于制品的尺寸是200×200×10㎜，且辊棒在高温的时候会有一些变形。考虑这些因素，设计棍棒中心间距为100㎜。设计每节20根棍棒，即每节长2000㎜，节与节联接的长度为8㎜。
则节数=32000/(2000+8)=15.94节，取16节。
因而窑长度为：L=2008*16-8=32120m.
2.5.2 各带长的确定 
对于冷却带各段的设置：刚刚进入急冷阶段时，坯体仍处于熔融的塑性状态，不容易产生应力，可以急冷而不开裂，因为高温下的应力大部分被液相的弹性和流动性所偿。该阶段要控制好温度。 据烧成曲线中温度的划分，各段长度： 
窑前、预热带：32120*45%=14454mm             取7节         
长度=14056 mm 
烧成带：32120*18.3%=5877.96 mm             取2节          
长度=4016mm
保温带：32120*12%=3854.4mm 取2节
长度=4016mm
冷却带：32120*36.7%=11788.04mm              取5节            
长度=10040mm 
2.5.3 辊道窑窑头、窑尾工作台长度 
窑头工作台是制品进窑烧成的必经之路，也是使制品整齐有序进窑的停留之处。窑头工作台不宜太长，只要能满足要求即可，根据经验取值为3.3米。窑尾工作台是烧成后的产品从窑内出来，再经人工检验产品的部位。由于出窑产品温度一般高达80℃，所以窑尾的工作台不宜太短，目的是使制品有足够的时间冷却，根据经验取值为4.4米。， 
2.5.4 窑体总长度的确定 
窑体总长度＝32120＋3300＋4400＝39820 mm
3 窑体材料确定 
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。 
3.1 窑体材料确定原则 
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。
3.2整个窑炉的材料表
窑体材料的选择
名称
材质
使用温度
导热系数
厚度
1—7节，12—16节
窑顶
耐火层
轻质粘土砖
1150
0.35
230

隔热层
硅酸铝耐火纤维束
1000
0.13
90
窑墙
耐火层
轻质粘土砖
1150
0.35
230

隔热层
硅酸铝耐火纤维束
1000
0.13
130
窑底
耐火层
轻质粘土砖
1150
0.35
130

隔热层
硅藻土砖
1000以下
0.1+0.000228t
195
8—11节
窑顶
耐火层
轻质高粘砖
1400
0.45
230

隔热层
硅酸铝耐火纤维束
1000
0.13
130
窑墙
耐火层
轻质高粘砖
1400
0.45
230

隔热层
硅酸铝耐火纤维束
1000
0.13
130
窑底
耐火层
轻质高粘砖
1400
0.45
230

隔热层
硅藻土砖
1000以下
0.1+0.000228t
195

4 燃料及燃烧计算 
A、根据《热工过程与设备》相关资料查得，焦炉煤气热量在15470~16720（kj/m3),在本设计中取热值16000kj/m3，主要成分氢气、甲烷。 
B、焦炉煤气作为燃料有如下几个特点：      
（1）炼焦副产物，其中含有较多的氢和碳氢化合物，其热值较高
（2）由于氢的燃烧速度比较快，故燃烧产生的火焰短，火力集中。
4.1 所取燃气组成：
H2
CH4
CO
C2H4
O2
N2
CO2
H2O
合计
57
21
7
2.5
0.5
7
2.8
2.2
100
 理论空气量计算：
L0=4.762(1/2H2+2CH4+1/2CO+3C2H4-O2)/100=3.88m3/m3
取空气过剩系数1.15，
实际空气量：
La=aL0=4.46m3/m3
4.2 烟气量计算 
理论烟气量计算：
V0=（CO+H2+3CH4+4C2H4+CO2+H2O+N2)/100+0.79L0=4.56m3/m煤气
实际烟气量计算：
Va=V0+(a-1)L0=5.14m3/m3
4.3烟气组成及密度计算：
烟气组成：
CO2%=[(CO+CH4+2C2H4+CO2)/(100*Va)]*100%=6.95%
H2O%=[(H2+2CH4+2C2H4+H2O)/(100*Va)]*100%=20.66%
N2%=[(N2/100+0.79La)/Va]*100%=69.91%
O2%=[0.21(a-1)L0/Va]*100%=2.38%
标态烟气密度：
Ρ=(44CO2+18H2O+28N2+32O2)/(22.4*100)=1.21kg/m3
4.4燃烧温度计算
理论燃烧温度： t= (QDW + V0c0t0+cftf)/ VaC
低位热值：
QDW=10806*0.57+12648*0.07+35960*0.21+59813*0.025=16091 KJ/m3
现设t=1900℃，查表，在2000℃时烟气比热为C=1.654KJ/m3.℃
在室温20℃的空气比热为：Ca=1.30 KJ/m3.℃
煤气比热为；Cf=1.55 KJ/m3.℃
代入公式，可求得理论燃烧温度：
t=（16091+4.56×1.30×20+1.55×20）/(5.14×1.654)=1897℃
求得的t为1897℃，所以最初假设的1900℃的相对误差为：
（1900-1897）/1897=0.158％
小于5%，所设合理。取高温系数η=0.80。则实际燃烧温度为0.80×1897=1518℃，比烧成温度1250℃高出268℃，认为合理且多余热量可用于砖胚预热.
4.5燃料需求量计算
燃料焦炉煤气热值为：Q1=16000kJ/m3，辊道窑热耗为：Q2=7000 kJ/kg，则：
V=320000×107×7000/16000=1.4×1012m3.
5热平衡计算
热平衡计算包括预热带、烧成带热平衡和冷却带热平衡计算，预热带热平衡计算的目的在于求出燃料消耗量，冷却带热平衡计算，目的在于计算出冷空气鼓入量和热风抽出量。另外，通过热平衡计算可以看出窑炉的工作系统结构等方面是否合理，哪项消耗最大，能否采取改进措施。
5.1预热带及烧成带热平衡计算
5.1.1热平衡计算基准及范围
计算基准：（时间基准：1min；温度基准：0℃）
5.1.2热平衡框图
热平衡示意框图如下：

预热带及烧成带热平衡示意图
Q1——坯体带入显热； Qa—— 助燃空气带入空气显热；
Qa’——漏入空气带入显热； Qf——燃料空气带入化学热及显热；
Q2——产品带出显热； Q3——墙、顶、底散热；
Q4——物化反应耗热； Q5——其他热损失；
Qg——废气带走显热
5.1.3热收入项目
5.1.3.1坯体带入显热Q1
取烧成灼减5%
每小时入窑干制品质量G1=[320000/（300*24*90%）]*[（10*2.4）]/95%=1248（Kg/h）
入窑制品含自由水1%，湿制品质量G2=1248/（1-1%）=1261（Kg/h）
制品入窑第4节温度t1=250℃，入窑制品比热容c1=0.84+26*10-5*250=0.905(KJ/Kg.℃)
故：Q1=G1c1t1=1261*0.905*250=285075KJ/h
5.1.3.2燃料带入化学热及显热Qf
焦炉煤气低热值QDW=16000KJ/m3
入窑焦炉煤气温度tf=20℃，20℃时焦炉煤气比热容cf=1.32KJ/(m3.℃)
设焦炉煤气消耗量为xm3/h
故：Qf=x（QDW+cftf）=x（16000+1.32*20）=16026.4x（KJ/h）
5.1.3.3助燃空气带入显热Qa
助燃空气温度ta=20℃，20℃时空气比热容ca=1.30 KJ/(m3.℃)
助燃空气实际总量Va，总=Va.x=5.14x（m3/h）
故：Qa= Va，总cata=5.14x*1.3*20=133.64x（KJ/h）
5.1.1.4预热带漏入空气带入显热Qa’
取预热带空气过剩系数ɑg=2.0，漏入空气温度ta=20℃，ca=1.3
漏入空气总量Va=x（ɑg-a）.Va0=x（2.0-1.15）*3.88=3.298x（KJ/h）
故：Qa’=Vacata=3.298x*1.3*20=85.746x（KJ/h）
5.1.4热支出项目
5.1.4.1产品带出显热Q2
烧成产品质量G3=G1.90%=1248*90%=1123.2（Kg/h）
制品出烧成带（第12节）温度t2=1250℃
制品平均比热容2=0.84+26*10-5*1250=1.165[KJ/(Kg.℃)]
故：Q2=G3c2t2=1123.2*1.165*1250=1635660（KJ/h）
5.1.4.2窑体散失热
①窑前、预热带（1～7节）：该段温度范围为20～500℃，窑外壁表面平均温度40℃，窑内壁平均温度260℃
a窑顶：
轻质粘土砖导热系数λ砖=0.35W/（m.℃），厚度б1=230mm
硅酸铝耐火纤维束导热系数λ硅=0.13 W/（m.℃），厚度б2=90mm
热流q=（260-40）/（0.23/0.35+0.09/0.13）=162.96（W/m2）
窑顶散热面积A顶=2.06*2.008*7＝28.955m2
故：Q顶=162.96*28.955*3.6=16986.62（KJ/h）
b窑墙：
轻质粘土砖导热系数λ砖=0.35W/（m.℃），厚度б1=230mm
硅酸铝耐火纤维束导热系数λ硅=0.13 W/（m.℃），厚度б2=130mm
热流q=（260-40）/（0.23/0.35+0.13/0.13）=147.86（W/m2）
一侧窑墙散热面积A墙=0.8*2.008*7=11.24m2
故：二侧窑墙散热量Q墙=2*147.86*11.24*3.6=11966.01（KJ/h）
c窑底：在窑下面与干燥器间装有100mm厚耐火纤维起保温作用。
轻质粘土砖导热系数λ砖=0.35W/（m.℃），厚度б1=130mm
硅藻土砖导热系数λ硅=0.159 W/（m.℃），厚度б2=195mm
热流q=（260-40）/（0.13/0.35+0.195/0.159）=150（W/m2）
窑底散热面积A底=28.955 m2
故：Q底=150*28.955*3.6=15635.7（KJ/h）
②烧成带（8～11节）：该段温度范围为500～1250℃，窑外壁表面平均温度80℃，窑内壁平均温度875℃
a窑顶：
轻质高粘砖导热系数λ砖=0.45W/（m.℃），厚度б1=230mm
硅酸铝耐火纤维束导热系数λ硅=0.13 W/（m.℃），厚度б2=130mm
热流q=（875-80）/（0.23/0.45+0.13/0.13）=526.49（W/m2）
窑顶散热面积A顶=2.06*2.008*4=16.55m2
故：Q顶=526.49*16.55*3.6=31368.27（KJ/h）
b窑墙：
轻质高粘砖导热系数λ砖=0.45W/（m.℃），厚度б1=230mm
硅酸铝耐火纤维束导热系数λ硅=0.13 W/（m.℃），厚度б2=130mm
热流q=（875-80）/（0.23/0.45+0.13/0.13）=526.49（W/m2）
一侧窑墙散热面积A墙=0.8*2.008*4=6.43m2
故：二侧窑墙散热量Q墙=2*526.49*6.43*3.6=24374.38（KJ/h）
c窑底：
轻质高粘砖导热系数λ砖=0.45W/（m.℃），厚度б1=230mm
硅藻土砖导热系数λ硅=0.30 W/（m.℃），厚度б2=195mm
热流q=（875-80）/（0.23/0.45+0.195/0.3）=684.75（W/m2）
窑底散热面积A底=28.955m2
故：Q底=684.75*28.955*3.6=65122.69（KJ/h）
窑体总散热量：
Q3=16986.62+11966.01+15635.7+31368.27+24374.38+65122.69=165453.67（KJ/h）
5.1.4.3物化反应耗热Q4
自由水蒸发吸热QW
自由水质量GW=G2-G3=1261-1248=13(Kg/h)
烟气离窑温度tg=400℃
∴QW=GW（2490+1.93 tg）=13*（2490+1.93*400）=42406（KJ/h）
5.1.4.4烟气带走显热Qg
离窑烟气总量Vg=[Vg0+（ɑg-ɑ）.Va0].x=[5.14+（1.15-1）*4.56].x=5.824x(m3/h)
烟气离第11节窑温度tg=600℃，400℃时烟气比热容cg=1.45（KJ/m3.℃）
∴Qg=Vgcgtg=5.824x*1.45*600=5066.88x（KJ/h）
5.1.4.5其他热损失Q5
根据经验占热收入的5%
Q5=（Q1+Qf+Qa+Qa’）*0.05=（285075+16026.4x +133.64x +85.746x）*0.05
=14253.75+812.29x
5.1.5列出热平衡方程式
Q1+ Qf+Qa+Qa’=Q2+Q3+Q4+Qg+Q5
285075+16026.4x+133.64x+85.746x
=1635660+165453.67+42406+5066.88x +14253.75+812.29x
解得x=179.21m3/h
5.1.6列出预热带烧成带平衡表

热收入
热支出
项目
KJ/h
%
项目
KJ/h
%
坯体带入显热
285075
8.91
产品带出显热
1635660
33.91
燃料化学热及显热
2872091.14
89.85
窑炉散失之热
165453.67
6.12
助燃空气显热
23949.62
0.75
物化反应热
42406
11.59
漏入空气显热
15366.54
0.48
烟气带走显热
908035.56
43.38

其他热损失
159824.24
5.00
总计
3196482.3
100.00

2911379.47
100.00
5.2冷却带热平衡
5.2.1热平衡计算基准及范围
计算基准：（时间基准：1min；温度基准：0℃）
5.2.2热平衡框图
热平衡示意框图如下

冷却带热平衡示意图
Q——产品带入显热 ； Q6——冷却风带入显热；
Q——产品带出显热； Q——热风抽出带走显热；
Q——窑体散热； Q——其它热损失
5.2.3热收入项目
5.2.3.1制品带入的显热Q2
制品带入的显热在上面已经算出：Q2=285075（KJ/h）
5.2.3.2冷却风带入的显热Q6
鼓入冷风为自然风,t=20℃,查表