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1、26M 、1700氧化铝制品高温梭式窑设计 班级: :材料科学 0903 姓名：张瑞 指导教师：高里存 摘要摘要 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, 热工制度灵活, 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
2、等。 关键词关键词：梭式窑，重油，高温，氧化铝制品 3 第 1 页 共 14 页 26M3,1700 alumina products high temperature shuttle kiln design AbstractAbstract Shuttle kiln is also called drawer kiln, the improved an intermittent kiln, its characteristic is investment little, turnover is rapid, good labor condition, thermal system flexi
3、ble, suitable for the many varieties, small batch production. With the domestic ceramic industry fuel from coal to gas structure, oil, liquefied petroleum gas transition, has been widely used in ceramics, refractory materials and building materials industries. To meet the product quality and product
4、ion capacity at the same time, as far as possible through the atmosphere temperature, easy adjustment, improve the firing quality, reduce the temperature difference inside the kiln, quick firing, improve production efficiency, saving fuel, reducing cost; the shuttle kiln using heavy oil as a fuel, m
5、ainly describes the shuttle kiln shuttle kiln body design, kiln main size calculation, fuel combustion calculation. Key wordsKey words: shuttle kiln, heavy oil, high temperature, alumina products 第 2 页 共 14 页 目录 前言.4 1.设计要求.4 2.窑炉主要尺寸设计.5 3.窑炉砌筑体.6 3.1 砌筑体材质的选择.6 3.1.1 窑墙 .6 3.1.2 窑顶 .6 3.1.3 窑车.7 3
6、.2 砌筑体尺寸的确定.7 3.2.1 窑墙尺寸的计算 .8 3.2.2 窑顶尺寸的计算 .8 3.3 膨胀缝.9 4.燃烧计算及燃烧设备的选择.10 4.1 燃料燃烧计算.10 4.2 实际燃烧烟气组成及实际燃烧温度温度.11 4.3 烧嘴的数量、选型以及布置.13 参考文献.14 致谢：.14 第 3 页 共 14 页 前言前言 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
7、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 个 10m3刚玉制品高温梭式窑。 1.1.设计要求设计要求 1.窑炉种类：氧化铝制品高温梭式窑 2.窑内有效容积：26m3 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 含量（%） Car 85.5 Oar 0.2 Har 11.5 War 1.8 Sar 0.6 Nar 0
8、.3 Aar 0.1 9.空气过系数 =1.11.15 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 4 页 共 14 页 2.2. 窑炉主要尺寸设计窑炉主要尺寸设计 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 1.92.1 米； 现有粘土
9、砖和高铝砖窑内高分别为 1.51.9 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 1400mm。 (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 采用扁宽型断面设计，窑的宽高比一般为 B 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 2784mm。 (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
10、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 60180 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 2784mm，矢高为 373mm。 (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 后再确定出梭式窑的总长度 L：L= V F 式中：V窑容积，m3。可由装窑密度、产量要求及窑容积利用系数求出； 第 5 页 共 14 页 F窑横截面积，m2。可由窑矩形及弓形面
11、积之和求出。 求得: : F= B2 6 +B（H-h）- 3 23.561=7.301mB = =3.561m2， L=V/L=26 4 3.3.窑炉砌筑体窑炉砌筑体 3.13.1 砌筑体材质的选择砌筑体材质的选择 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
12、) 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。 3.1.13.1.1 窑墙窑墙 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、红砖砌筑。 3.1.23.1.2 窑顶窑顶 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 6 页 共 14 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
13、，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。 3.1.33.1.3 窑车窑车 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 最高使用温度 （） 体积密度 （kg /
14、m3） 导热系数 W/(m) 刚玉砖（98%） 17001800 3000 2.900.5810-3t 轻质高铝砖 1350 750 0.175+0.26810-3t 红砖 600 19002300 0.71.2 高炉矿渣 700 0.531.2 3.23.2 砌筑体尺寸的确定砌筑体尺寸的确定 根据公式 q= （t内-t 外 ） 来确定各种材料的厚度。 由此公式可以堆出： q （t内-t 外 ） 第 7 页 共 14 页 3.2.13.2.1 窑墙尺寸的计算窑墙尺寸的计算 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 100120，空气温度取 20。查表得
15、：散热表面的温度 100时， 散热表面垂直（窑墙）时的散热量为1000 千卡/ 米 2时，散热表面向上（窑顶） 时的散热量为 1200 千卡/ 米 2时。 窑墙散热量：q1=10001034.1843600=1162J/m2s 刚玉砖（98%）:1=2.900.5810-3(1700+1320)2=2.0242 W/(m) 1 1 q 1 （t 内 -t 外 ）=2.02421162(1700-1320)=0.662m 查表后取 696mm; 验算：代入 1 =696mm，得 T 实1=1300 ，相对误差为 1.54%4% 轻质高铝砖：2=0.175+0.26810-3(1320+290)2
16、=0.391 W/(m) 2 2 q 1 （t 内 -t 外 ）=0.3911162(1320-290)=0.346m 查表后取 348mm; 验算：代入 2 =348mm，得 T 实2=285，相对误差为 1.72%4% 红砖：3=1.1 W/(m) 3 3 q 1 （t 内 -t 外 ）=1.11162(29045)=0.232m 查表后取 232mm； 验算：代入 3 =232mm，得 T 实 3=44.9，相对误差为 0.22%4%。 3.2.23.2.2 窑顶尺寸的计算窑顶尺寸的计算 窑顶散热量：q2=12001034.1843600=1395J/m2s 第 8 页 共 14 页 刚
17、玉砖（98%） ：4=2.900.5810-3(1700+1350)2=2.016 W/(m) 4 4 q 2 （t 内 -t 外 ）=2.0161395(1700-1350)=0.506m 查表后取 544mm; 验算：代入 4 =544mm，得 T 实4=1323，相对误差为 2.0%4% 轻质高铝砖：5=0.175+0.26810-3(1350+450)2=0.4162 W/(m) 5 5 q 2 （t 内 -t 外 ）=0.41621395(1350450)=0.269m 查表后取 272mm; 验算：代入 5 =272mm，得 T 实5=438，相对误差为 2.7%4% 高炉矿渣：6
18、=0.8 W/(m) 6 6 q 2 （t 内 -t 外 ）=0.81395(450-95)=0.2036m 取 204mm； 验算：代入 6 =204mm，得 T 实6=94.3，相对误差为 0.7%4% 3.33.3 膨胀缝膨胀缝 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 56mm/m 硅砖砌体12mm/m 镁砖砌体1012mm/m 高铝砖砌体68mm/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
19、 9 页 共 14 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 4.4.燃烧计算及燃烧设备的选择燃烧计算及燃烧设备的选择 4.14.1 燃料燃烧计算燃料燃烧计算 窑炉使用的重油组成如表 1，空气过剩系数 =1.1。 (1) 每 1 kg 重油燃烧所需要的空气量 理论空气量为： O ar 100C ar H ar S ar 100 0 V0= V=(+)22.4 O2a 21211243232 = ( 0.8550.1150.0060.002100 +) 22.4 211243232 =10
20、.67Nm3/ kg 实际空气量为： Va=V0 a =1.110.67=11.74 Nm3/ kg (2) 1 kg 重油燃烧生成烟气量 理论生成烟气量为： 第 10 页 共 14 页 V0=VCO 2 +V H2O +VSO 2 +VN 2 =( =( C ar H ar S ar N ar W ar 79 0+) 22.4+V a 100122322818 0.8550.1150.0060.0030.01879 +)22.4+10.67 100122322818 =11.346Nm3/kg 实际生成烟气量为： V= V +(1)V =11.35+(1.11)10.68=12.413 Nm
21、3/kg 0 0 a 4.24.2 实际燃烧烟气组成及实际燃烧温度温度实际燃烧烟气组成及实际燃烧温度温度 （1）烟气组成： CO2= C ar 10.8551 22.4100%=22.4100%=12.86% V1212.41312 S ar 10.0061 22.4100%=22.4100%=0.034% V3212.4133 H ar W ar 10.1150.0181 +)22.4100%=+22.4100% V21812.413218 SO2= H2O=( =10.56% O2=(1) V021% a 1 100% V 1 =(1.11) 10.6721%100%=1.81% 12.4
22、13 N2=( =( N ar 1 22.4+ Va79%)100% V28 0.0031 22.4+ 11.74879%)100%=74.74% 2812.413 （2）实际燃烧温度温度 液体油的发热量: 第 11 页 共 14 页 Qnet=32793Car+98320Har9100(OarSar)2450 War =327930.855+983200.115+91009100(0.0020.006)24500.018 =39337.115 kJ /kg 燃烧所需空气量：Va=11.74Nm3/ kg 实际烟气量：V=12.413 Nm3/ kg 发生燃烧时重油温度 tf与空气温度 ta均
23、为 27，其中空气在 027的平均 比热容为 1.296 kJ/Nm3.,重油在 027的平均比热容为 1.36 kJ/Nm3.。 理论燃烧温度： tth= QnetCftfVaCata VC 39337.1151.362711.741.29627 = 12.413c 39784.823 = 12.413c 即 12.413ctth=39784.823 设 tth=1900,查表知重油燃烧产物的平均比容物 C=1.66 kJ/Nm3.， 则 Q=12.4131.661900=39150.60239784.823 设 tth=2000，C=1.67kJ/Nm3.， 则 Q=12.4131.672
24、000=41459.42039784.823 tthtthQQ 此时， tth的值必在tth与tth之间， 可用内插法以求tth值， 即：= tthtthQQ 2000tth41459.42039784.823 =解得 tth=1927.47 2000190041459.42039150.602 实际燃烧温度 tp=tth，设取高温系数 =0.75（陶瓷倒焰窑） tp=0.751928=1445.601700 需对空气进行预热， （利用余热） ： 设预热到 600，则由 tth= QnetCftfVaCata ，查书得（姜金宁硅酸盐工 VC 业热工过程及设备P304）C a=1.3837 kJ
25、/Nm3. （600） 第 12 页 共 14 页 得到，tth= 49120.8 12.413c 设t th =2200，Q=12.4131.692200=46151.53449120.8 此时，tth的值必在 tth与 tth之间，可用内插法以求 tth值，即： 2400tth50942.952 49120.8 =解得 tth=2323.94 2400220050942.952 46151.534 实际燃烧温度 tp=tth，设取高温系数 =0.75（陶瓷倒焰窑） tp=0.752323.94=17431700，满足要求 4.34.3 烧嘴的数量、选型以及布置烧嘴的数量、选型以及布置 本窑
26、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： 热负 荷 2104 燃气 流量 2.4 3 助燃空气 流量 24 3 流量调 压力节比例 1：6 火焰 长度 200 3000 炉膛 温度 1800 压力 1000Pa 0.2MPa 温度 常温1500 Kcal/hBm /hBm /h5503500Pa 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
27、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6001800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 13 页 共 14 页 参考文献参考文献 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 5白振福.新型隧道
28、窑的设计.陶瓷，1997， （1） ：3134 6陈帆主编.现代陶瓷工业技术装备.北京：中国建材工业出版社，1999 7刘振群主编.陶瓷工业热工设备.武汉:武汉工业大学出版社，1999 8宛良德.隧道窑窑车车衬砌结构优化设计计算.硅酸盐通报， 1997， （3） ： 50 54. 9E.Clark et al.Recent Development in the Microwave Processing of Ceramics. Materials Bulletins, 1993，（11）：4146 10N.H.Scurrah. Heat Pipes for Heat Recovery. World Cement，1986， （3）： 5052 致谢：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, 高里存老师、马林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 14 页 共 14 页