日用陶瓷窑炉设计说明书
年产730万件日用陶瓷窑炉
设计说明书
姓名：***
班级学号：****
指导教师：***
一、原始数据
1.1主要研究内容和设计技术参数：
1产品：茶壶（直径15cm 茶碗直径5cm）
2产量：730万件/年；
3 年工作日：330天；
4 燃料：天然气；Qnet,ar=35572.6KJ/Nm3
5 烧成合格率：95%；
6 坯体入窑水分：1%；
7 烧成周期：23小时
8 氧化气氛烧成；
9 烧成温度：1280℃。
1.2坯料组成:
SiO2AL2O3CaO MgO Fe2O3K2O Na2O
69.50 25.00 0.25 0.45 1.00 1.50 2.40
1.3 烧成周期
烧成周期为23小时，可调
1.4 燃料
天然气组成：CH4C2H6H2S CO2N2 其它
86.8% 0.11% 0.879% 4.437% 8.1% 0.343% 1.5 烧成制度(见图(3-1)烧成温度曲线)
20 ～970℃8.0 小时预热带
970～1280℃ 3.5 小时烧成带
1280～1280℃ 1.5 小时烧成带
1220～800℃ 1.6 小时急冷带
800～80℃8.4 小时冷却带
二、 窑体主要尺寸的确定
2.1 棚板和立柱的选用
根据原始数据，采用裸烧方式即可满足要求，选用棚板的材料是堇青莫来石板，立柱的采用的是堇青莫来石空心立柱，其体积密度为2.0 g/cm 3。 棚板尺寸：690×690×38 mm
支 柱： 85×85×500mm 横 梁： 950×30×30mm 支 帽： 105×105×27mm
2.2窑长及各带长
2.2.1 装车方法
在窑车的长度方向上设置2块棚板，宽度方向上设置2块棚板。棚板间的间隙在长度方向上为60mm ，在宽度方向上为60mm ，
由此确定窑车车面尺寸为：长：690×2+60=1440 取1500mm
宽：690×2＋60=1440mm 取1500mm
2.2.2 窑长的确定
装窑密度320件／m 。 窑
长
L=
装窑密度
成品率２４年工作日烧成时间
生产任务???? =730万*23/
（340*24*0.95*320）=67.7m
窑内容车数：n=67.7/1.5=45.1辆，取45辆。
窑有效长为45×1.5=67.5m ，进车室2m，出车室2m。所以窑总长为71.5m 2.2.3 各带长度的确定
根据烧成曲线：
预热带长=（预热时间×总长）/总烧成时间= 8×67.5/23=23.5m
烧成带长=（烧成时间×总长）/总烧成时间=5×67.5/23=14.7m
冷却带长=（冷却时间×总长）/总烧成时间= 10×67.5/23=29.5m
2.3窑车车面尺寸
2.3.1 窑车
窑内容车数45辆，则
推车时间：23×60/45=30.6 min/车；推车速度：60/30.6=1.96车/小时。
窑车架高240mm，窑车衬面边缘用三层的轻质砖共260mm，在窑车的中部铺4层硅酸铝纤维棉和1层函锆纤维毯。窑车共4层，层层之间200mm 窑车总高为：240+260+4*200=1300mm
在车面与棚板间留火道，其高度为200mm。
所以窑侧墙总高为：1300+200=1500mm。
2.3.2 确定窑截面的尺寸
根据窑车和制品的尺寸，窑内宽B取1500mm。
2.3.3 窑拱高
取拱心角为60°，则拱高f=0.134*B=201mm
2.4全窑高
窑全高（轨面至窑顶）：预热带、冷却带为1500+201=1701mm。
三、窑炉工作系统的确定
在预热带2—13号设12对排烟口，每车位一对。烟气通过各排烟口到窑墙内的水平烟道，由7号车位的垂直烟道经窑顶金属管道至排烟机，然后由铁皮烟囱排至大气。排烟机及铁皮烟囱皆设于预热带窑顶的平台上。
在1号，5号，9号车位有三道气幕。其中1号车位气幕为封闭气幕，窑顶和侧墙皆开孔，气体喷出方向与窑内气流成90°角。5号和9号气幕为扰动气幕，气体由窑顶喷出，方向与窑内气流成150°角。用作气幕的气体从冷却带的间接部位抽取。
在烧成带16／17号—26/27号车位设10对燃烧室，不等距分布，两侧相对排列。
助燃空气不预热，由助燃风机直接抽车间冷空气，并采用环形供风方式，使各烧嘴前压力基本相同。
冷却带在29—35号车位处，有7m长的间壁急冷段，由侧墙上的小孔直接吸入车间冷空气，冷却气体流动方向与窑车前进方向相同。从换热观点，逆流冷却效率高，但砖砌体易漏风，逆流漏进得冷空气与和700℃左右的产品接触，易急冷至更低的温度，达到二氧化硅晶形转变温度而使产品开裂。所以要采用顺流。该处窑顶自28—35号车位有8米长的二层拱间接冷却，冷空气亦由窑顶孔洞自车间吸入。由间壁，二层拱抽出来的热空气经窑顶上金属管道送往预热带作气幕。
自36—42号车位设7对热风抽出口，每车位一对。热空气经过窑墙内的水平热风通道，于39号车位处用金属管道由热风机抽送干燥。
窑尾45号车位处，由冷却风机自窑顶和侧墙集中鼓入冷却空气。
车下自16—40号车位，每各3m设一个冷却风进风口，由车下冷去风机分散鼓风冷却，并于7号车位处由排烟机排走。
烧成带前后，即17号，27号车位处，设两对事故处理口。
四、窑体材料和厚度的确定
窑体所采用的材料及其厚度应该满足各段使用性能要求，综合考虑各处的温度对窑墙、窑顶的要求，窑体表面最高温度限制以及砖形、外观整齐等方面的因素，确定窑体材料和厚度见如下。
1、预热带窑墙厚度及材料
已知预热带窑体内部温度为20-700℃，耐火层材料为粘土砖，厚度为0.23m，λ1=0.835+0.00058t，其中t为温度。窑墙外表面温度为50℃，外部空气温度为20℃。
查表知Aw=2.56，tw=80℃，t环=20℃,
根据公式α=Aw（tw-t1）1/4+4.54[（Tw÷100）4-（T1÷100）4]/ (tw-t1)求得窑墙与空气对流系数α=11.3。
则q=α（tw-t环）=11.3*（50-20）=339w；
假设夹层温度为550℃，则λ1=0.835+0.00058t=1.1975
T=t1-q/λ1*δ1=700-336*0.23/1.1975=635.4℃
所以假设不正确，需重新假设
设夹层温度T为640℃
则λ1=0.835+0.00058*（640+700）/2=1.2236
检验：
T=t1-q*δ1/λ1=700-336*0.23/1.2236 =636.8℃
该温度与假设的640℃只相差3.2摄氏度，所以假设正确，选用陶瓷棉作为保温材料，其导温系数为:
λ2=0.04
所以
δ2=λ2*△t2/q=0.04*590/336=0.0702m，即 7.02cm
故取保温层厚为8cm；
在700-900℃间最高温度取900℃，耐火材料为轻质高铝砖，厚度为0.23m，λ2=1.52+0.00018t，设夹层温度为800℃，则λ2=1.673
T= t1-q/λ2*δ=900-336*0.23/1.673=853.8℃
所以假设不正确，需重新假设
设夹层温度T为850℃，则λ2=1.52+0.00018t=1.6775
T= t1-q/λ2*δ=900-336*0.23/1.6775=853.9℃
假设正确δ=0.04*803.9/336=0.095m
取保温层为10cm
2、烧成带窑墙厚度及材料
已知烧成带的内部最高温度为1280℃，耐火材料为轻质高铝砖，厚度为0.46m，其导热系数λ2=1.52+0.00018t，，其中t为温度。窑墙外表面温度为50℃，外部空气温度为20℃。
查表知Aw=2.56，tw=80℃，t环=20℃,
根据公式α=Aw（tw-t1）1/4+4.54[（Tw÷100）4-（T1÷100）4]/ (tw-t1)求得窑墙与空气对流系数α=11.3。
则q=α（t w-t环）=11.3*（50-20）=339w；假设夹层处温度T为800℃，则λ2=1.52+0.00018t=1.7072
检验：
T=t1-q*δ1/λ1=t1-336*0.46/1.7072=1189℃
结果与假设相差太多，所以假设不正确，需从新假设；
设夹层温度为1190℃,
则λ2=1.52+0.00018*（1190+1280）=1.7423
检验：
t1-q*δ1/λ1=1280-336*0.46/1.7423=1191℃
结果与假设温度相差1℃，所以假设正确
故，δ2=λ2（t1-t2）/q
所以
δ2=0.04*（1190-50）/336=0.1357m
即 13.57cm
故保温层厚度取15cm；
3、冷却带保温材料及厚度
已知急冷带的内部温度为1280℃-700℃，耐火材料为轻质高铝砖，厚度为0.23m，其导热系数λ1=1.52+0.00018t，其中t为温度。窑墙外表面温度为50℃，外部空气温度为20℃。
假设夹层处温度T为900℃，则λ1=1.52+0.00018*（1280+900）/2=1.7162 检验：
T=t1-q*δ1/λ1=t1-336*0.23/1.7162=1234℃
结果与假设相差太多，所以假设不正确，需从新假设：
设夹层温度为1230℃，
则λ1=1.52+0.00018*（1230+1280）/2=1.7459
检验：
t1-q*δ1/λ1=1280-336*0.23/1.7459=1235.7℃
结果与假设基本相符，故假设正确：
λ2=0.04
所以
δ2=0.04*（1230-50）/336=0.14m
即 14cm，故取保温层厚度为15cm
已知在内部温度为700℃-80℃，耐火材料为粘土砖，厚度为0.23m，其导热系数λ1=0.835+0.00056t，其中t为温度。窑墙外表面温度为50℃，外部空气温度为20℃。
查表知Aw=2.56，tw=80℃，t环=20℃,
根据公式α=Aw（tw-t1）1/4+4.54[（Tw÷100）4-（T1÷100）4]/ (tw-t1)求得窑墙与空气对流系数α=11.3。
则q=α（t w-t环）=11.3*（50-20）=339w；
假设夹层温度为550℃，则λ1=0.835+0.00058t=1.1975
T=t1-q/λ1*δ1=700-336*0.23/1.1975=635.4℃
所以假设不正确，需重新假设
设夹层温度T为640℃
则λ1=0.835+0.00058*（640+700）/2=1.2236
检验：
T=t1-q*δ1/λ1=700-336*0.23/1.2236 =636.8℃
该温度与假设的640℃只相差3.2摄氏度，所以假设正确，选用陶瓷棉作为保温材料，其导温系数为:
λ2=0.04
所以
δ2=λ2*△t2/q=0.04*590/336=0.0702m，即 7.02cm 故取保温层厚为8cm
表6—1 窑体材料和厚度表
五、燃料燃烧的计算
1、所需空气量
该窑用管道天然气，其低热值为：Qnet=35572.6 KJ/Bm3
理论空气量：Va°=0.26*Qnet/1000-0.25；
所以Va°=0.26*35572.6/1000-0.25=8.998 Bm3/ Bm3
取空气过剩系数为α=1.29
则实际空气需要量为：
Va =αVa°=1.29*8.998=11.608 Bm3/ Bm3
2、烟气生成量
理论烟气量：Vg°=0.272*Qnet/1000+0.25
=0.272*35572/1000+0.25
=9.926Bm3/Bm3
实际烟气量：V=9.926+（1.29-1）*8.998
=12.54Bm3/Bm3
3、实际燃烧温度
理论燃烧温度t=(Qnet+Va*Ca*ta+Cf*tf)/Vc
设t=1730℃，查得烟气比热C=1.64 KJ/Bm3℃
在20℃时，Ca=1.30 KJ/Bm3℃
天然气比热Cf=3.12 KJ/Bm3℃
代入公式，有：
t=（35572+11.608 *1.3*20+3.12*20）/12.54/1.64
=1747℃
相对误差为：
（1747-1730）/1747*100%=0.99%
由于相对误差小于5%，所以假设合理，取高温系数η=0.80
则实际温度为0.8*1747=1397℃，该温度比烧成温度1280高出117.6℃，故认为合理。
六、热平衡计算
Q1—坯体带入显热；
Q2—硼板、支柱等窑具带入显热；
Q3—产品带出显热；
Q4—硼板、支柱等窑具带出显热；
Q5—窑墙、顶总散热；
Q6—物化反应耗热；
Q7—窑车蓄热和散失热量；
Q8—其他热损失；
Q g—烟气带走显热；
Q f—燃料带入化学热及显热；
Q a—助燃空气带入显热；
Q/a—预热带漏入空气带入显热；
Q s—气幕、搅拌风带入显热；
1、预热带、烧成带热平衡计算：
1.1、制品带入显热：
Q1=G1*C1*t1 KJ/h
已知：制品比热为C1=0.84KJ/Kg*℃；
t1=20℃；
所以,有：
G1=1.96*(240*250+240*80)= 155.232Kg/h
故，
Q1=155.232*0.84*20=2607.8 KJ/h
1.2、匣体或棚板等带入的显热：
Q2=G2*C2*t2 KJ/h
已知：窑车上有隔板，还有耐火材料，垫板及支柱，且隔板为粘土砖砌成；隔板、垫板、支柱质量为300Kg/车；
所以，有：G2=300*1.96=588 Kg/h；
查得：C2=0.84+0.00026*20=0.845 KJ/Kg*℃；
故，
Q2=G2*C2*t2=588*0.845*20
=9937.2KJ
1.3、燃料带入的化学热及显热Qf：
Qf=x（Qnet+Cf*tf）
已知：入窑天然气温度为20℃；
Qnet=35572.6KJ/Bm3；
查手册，此温度下天然气的平均比热为：
Cf=3.12KJ/Bm3℃
故，
Qf=x(Qnet+Cf*tf)=x（35572.6+3.12*20）
=35635x
1.4、空气带带入显热：
Qa=Va*Ca*x*ta
已知：Va=11.608x Bm3/h；
故，
Qa=Va*Ca*x*ta=11.608x*1.30*20
=301.808x KJ/h
1.5、漏入空气带入显热：
Qa1=Va1*Ca1*ta1
取预热带空气过剩系数为αa=2.5，烧成带燃料燃烧时的空气过剩系数αf=1.29；已知：理论空气量Va°=8.998Bm3/Bm3；
Ca1=1.3KJ/Bm3℃；
所以，Va1=x（αa-αf）Va°=x（2.5-1.29）*8.998
=10.89x；
故，
Qa1=Va1*Ca1*ta1=10.89x*1.3*20
=283.08x KJ/h
1.6气幕空气带入的显热Qm：
由冷却带求得Qm=46642.7KJ/h
1.7产品带出显热Q3：
Q3=G3*C3*t3
已知：产品平均比热 C3=1.20 KJ/Kg*℃；
出烧成带时产品质量G3=155.232Kg；
出烧成带产品温度t2=1280℃；
故，
Q3=G3*C3*t3=155.232*1.20*1280=238436.4KJ/h
1.8、隔板、垫板、支柱带走显热Q4：
已知：隔板、垫板、支柱质量G4=300*1.96=588 Kg/h；
出烧成带隔板、垫板、支柱温度t4=1280℃；
此时平均比热为：C4=0.84+0.00026*1280=1.178 KJ/Kg*℃故，
Q4=G4*C4*t4=588*1.178*1280
=886609.9 KJ/h
1.9、烟气带走显热Qg:
Qg=Vg*Cg*tg
已知：由冷却带有：Vm=1793.95Bm3/h；
离窑烟气体积Vg=[Vg°+(αg-1)Va°]*Vm；
取tg=250℃，此时Cg=1.44 KJ/Bm3℃；
Qg=Vg*Cg*tg={[Vg°+（αg-1）Va°]x}*Cg*tg ={[9.926+(2.5-1)*8.993]x}*1.44*250
=8429.5xKJ/h
1.10、通过窑墙、窑顶散失之热Q5：
Q5=Q墙+Q顶
窑墙散热 Q墙=q*L*H=193075KJ/h；
窑顶散热 Q顶=q*S=936*1.57*(16+7.5+10.29+4.41)
=202086 KJ/h
故，
Q5=193075*2+202086=588236 KJ/h
1.11、窑车积蓄和散失之热Q6：
取经验数据，占热收入的25%
1.12、物化反应耗热Q7：
Q7=Qw+Qr
已知：自由水质量 Q=1.568 Kg/h；
烟气离窑温度 tg=250℃；
制品中Al2O3含量为25%；
故，
Q7=Qw+Qr
=Gw（2490+1.93tg）+Gr*2100*0.25
=1.568*（2490+1.93*250）+155.2*2100*0.25 =86140KJ/h
1.13、其他热损失Q8
取经验数据，占热收入的5%
1.14、热平衡式为：
Q1+Q2+Qf+Qa+Qa1+Qm=Q3+Q4+Qg+Q5+Q6+Q7+Q8
(2607.8+9937.2+35635x+301.808x+283.08x+46642.7)*0.7=238436.4+886609.9 +8429.5x+588236+86140.9
移项整理有:
x=103.9 Bm3/h即每小时需天然气103.9 Bm3
1.15、预热带及烧成带热平衡表如下：
2、冷却带热平衡计算：
2.1、产品带入显热Q3:
由预热带与烧成带的计算知，Q3=238436 KJ/h
2.2、垫板、支柱带入显热Q4：
由预热带与烧成带的计算知，Q4=886609KJ/h
2.3、窑车带入显热Q9：
Q9=0.95*Q6
=0.95*25%*总热收入
=0.95*25%*3822434.1
=907594 KJ/h
2.4、冷却带末端送人空气带入显热Q10：
Q10=Va*Ca*ta
已知：ta=20℃；
此温度下空气比热Ca=1.30 KJ/Bm3*℃；
故，
Q10=Va*Ca*ta=Va*1.3*20=26Va
2.5、产品带出显热Q11：
Q11=G11*C11*t11
已知：出窑时产品质量G11=155.232Kg/h；
出窑产品温度t11=80℃；
此温度下产品平均比热为C11=0.89KJ/Kg*℃；
故，
Q11=G11*C11*t11=155.232 *0.89*80=11127KJ/h
2.6、隔板、垫板、支柱带出显热Q12：
Q12=G12*C12*t12
已知：出窑隔板、垫板、支柱质量G12=588Kg/h；
出窑隔板、垫板、支柱温度t12=80℃；
80℃时，平均比热C12=0.84+0.00026t12=0.858 KJ/Kg*℃；
故，
Q12=G12*C12*t12=588*80*0.858
=40360 KJ/h
2.7、窑车带走和向车下散失之显热Q13：
已知：此项热量占窑车带入显热的55%；
故，
Q13=55%*Q9=499177KJ/h
2.8、抽送干燥用的空气带走显热Q14：
Q14=Va*C14*t14
已知：此处热空气抽出量即为冷却空气鼓入量Va；
设抽送干燥器用的空气温度为200℃；
此时比热C14=1.32KJ/Bm3*℃；
故，
Q14=Va*C14*t14=Va*1.32*200
=264Va KJ/h
2.9、窑墙、窑顶散热Q15：
Q15=Q+Q墙+Q顶
已知：冷却带间壁内有通道抽空气，每侧两条，通道高250mm，宽160mm；
断面面积F=2*0.25*0.16=0.08 ㎡；
设空气流速为2Bm3/s；
流量V°=w*F=2*0.08=0.16Bm3/s
=576Bm3/h
设热空气温度为200℃；
则Q=V°C*t=576*1.32*200=152064 KJ/h；
窑墙，窑顶散热为：
窑墙：Q墙=936*29.5*1.5=41418 KJ/h；
窑顶：Q顶=936*1.57*29.5=43350.8 KJ/h；
故，
Q15=Q+Q墙+Q顶=152064+41418+43350.8
=236832.8 KJ/h
2.10、抽送气幕热空气带走显热Q17：
Q17=2Q=2*152064=304128 KJ/h；
Vm=V°=576 Bm3/h
2.11、其他热损失Q损占总热收入的5%：
2.12、热平衡方程式为：
热收入=热支出，即：
Q3+Q4+Q9+26Va=Q11+Q12+Q13+Q14+Q15+Q17+Q损
238436+886609+907594+26Va=11127+40360+499177+264Va+236832.8+304128+0. 05（238436+886609+907594+26Va）
整理得：
239Va=839382.2
解得：
Va=3512.1 Bm3/h；
即每小时有200℃,3512.1标准立方米的热空气抽送干燥；
2.13、冷却带热平衡表：
七、热效率及单位热耗
已知：
瓷器单位热耗范围为：4600-26000KJ/Kg；
每小时生产产品为155.232Kg/h；
而，每小时燃料发热量为：
Q=103.9 *35572.6=3695993KJ/h；
所以，单位热耗=Q/G=3695993/155.232=23809KJ/Kg；
热效率:
η1=（Q1+Q7）/Q=(2607.8+86140)/ 3695993*100%
=2.401%
η2=(Q1+Q2+Q3+Q7)/Q*100%
=(2607.8+9937.2+238436.4+86140)/3695993*100% =9.12%