“烟气”辊道窑设计计算

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辊道窑设计计算
2008.07.10

辊道窑的设计计算包括：窑体主要尺寸计算，燃料燃烧计算、热平衡计算、通风阻力计算等，这里以某厂消化吸收引进窑自行设计的一条气烧明焰辊道窑为例来说明辊道窑设计计算步骤。

一、原始资料收集

设计前必须根据设计任务收集所需的原始资料，该厂已引进一条玻化砖生产线，考虑到原料车间、压机等仍有270000m2富余的生产能力，故进行挖潜技改，对照已有生产线，设计原始资料如下：

1、产量：年产270000m2瓷砖。

2、产品规格：100×200×7,200×200×8,200×300×8,300×300×9(mm)

3、年工作日：300天

4、燃料：半水煤气，热值5233.8kJ/m3，压力0.1—0.16MPa，供气量800m3/h。

5、坯入窑含水量：≤2％

6、原料组成：中粘性土，低粘性土，风化长石各占30％。还有适量低温溶剂原料。

7、烧成制度

（1）温度制度

①烧成周期：72min

②各带划分：烧成周期比原引进WELKO公司辊道窑60min增加12min，12min全部用于增加预热及冷却时间，而高温烧成时间仍按原设计不变。各段温度与时间划分如表1。

表1 各段温度的划分与升温速率

名称

温度/℃

时间/min

升温速率/℃·min

长度比例/％

窑前段

40~350

9.2

22.8

18

预热带

100~1050

25

26

33

烧成带

1000~1245

12

16.25

18

冷却带

1245~80

25.8

45.16

36

合 计

72

100

（2）气氛制度：全窑氧化气氛。

（3）压力制度，预热带-40~-25Pa；烧成带<8Pa。

二、窑型选择

设计考虑到该厂已引进WELKO公司FRW2000型辊道窑，该窑设计合理，利用余热干燥生坯和进窑坯，热效率高；温度控制准确、稳定；传动用传统链条传动，磨擦式联接辊筒，传动平衡，维护方便，无级调速，控制灵活。设计认为，FRW2000型窑炉适合该厂使用，通过仿制吸收其先进技术，又有助于加深对原窑的认识，更好管理窑炉，新旧窑零部件可互用，节约资金，因此，窑型选择为仿FRW2000型煤气辊道窑。

三、窑体主要尺寸的计算

1、窑内宽：这里以200mm×200mm产品进行计算，参考原引进窑，取内宽1.5m，可并排6片砖。

2、内高取：第1—3节、19-23节：582mm；第4-18节；825mm。

3、窑长：

按式（1—2）计算窑容量：

窑容量=

同一列砖砖距取40mm，则：

装窑密度= （m2/每m窑长）

故窑长L=50

利用装配式，由若干节联接而成，设计每节长度为2120mm，节间联接长度8mm，总长度2128mm，节数=50000/2128=23.5节，取节数为24节。

因而窑长度为：L=2120×24=51064mm

各带长度：窑前段：51064×13%=6640，取3节，长度=3×2128=6384(mm)

预热带：51064×33%=16851，取8节，长度=8×2128=17024(mm)

烧成带：51064×17%=8681，取4节，长度=4×2128=8512(mm)

冷却带：51064×37%=18894，取9节，长度=9×2128=19152（mm）

四、工作系统

A．通风系统

在第4节窑顶及两侧下方各设置一对抽烟口（主抽烟口），设置抽烟风机A抽出烟气（抽烟管中间设置热交换器）；A风机抽出烟气部分送入窑前段（在第3节窑顶、辊道下部设置进气口），部分经烟囱排出；在第1节窑顶、辊道下部设置一抽风口，由窑前段抽风机抽出烟气经烟囱排空。

由助燃风机B供应燃烧器的燃烧空气；由急冷风机C供应第17节急冷空气。

在第19—21节窑顶部、下部各设置一抽热风口，第21节为主抽风口，由抽风机E抽出热风部分送入窑下面干燥器（在窑下干燥器的第19节一侧窑墙设置一进热风口），其余热风经烟囱排空。
第24节窑顶部、底部各设置一排风扇，以450向窑内吹入冷空气。

热交换风机G将冷空气送入热交换器，空气被加热后送入窑下干燥器（在窑下干燥器的第3节一侧设置一进气口），在干燥器第1节一侧设置一抽风口，由干燥器抽风机F抽出废气经烟囱排出；在干燥器第24节一侧设置吹冷风机。

在第5—18节，节之间辊道上、下方各设置档板，上方采用耐火纤维板吊挂，下方用高铝砖砌筑；12节、16节在靠近窑尾处再增设一档板。

在进窑口，第3节靠近窑尾处，第3、4节，18、19节，21、22节，节之间设置闸板。

B．燃烧系统

1、烧嘴设置

在第5—16节和第18节，每节分别在辊上、下各设置两对烧嘴，辊上下烧嘴及对侧烧嘴均互相错开排列。

在辊道上方每个燃烧器对侧窑墙分别设置一个火焰观察孔。

2、煤气输送装置

煤气由升压风机升压，通过管道、阀门、总管煤气处理系统，送至各节烧嘴，助燃空气由风机通过管道、阀门送到烧嘴。

总管煤气处理系统：汽水分离器→过滤器→过滤器→调压器。

煤气总管尺寸，参考引进窑尺寸，考虑本厂煤气热值较低及为了较好稳定煤气压力，内径选取偏大值，故内径取200mm。

C．温度控制系统

1、热电偶设置

在第5—16节和第18节，每节分别在窑顶中部插入一根热电偶及一侧窑墙中部的辊下方插入一根热电偶，第2、4、17、19~21节，在窑顶插入一根热电偶，在窑下干燥器第2、22节一侧窑墙辊上方各设置一热电偶。

2、烧嘴控制装置

热电偶→DDZⅢ型电动单元组合仪表（变送、调节、显示）

经电动调节阀调节后的空气信号输送到比例调节器，以实现对空气和煤气管道按预定值进行比例调节，保证窑内氧化气氛。

第12~16节，每节由两套控制装置分别控制辊上、下烧嘴的供气量，辊上4个烧嘴一套，辊下的4个烧嘴为一套。

在第5~11节，第18节，每节由一套控制装置控制该节所设置的全部8个烧嘴。

3、急冷系统、余热利用系统温度控制装置

控制装置设置如下：

热电偶→DDEⅣ电动单元组合仪表（变送、调节、显示）

空气→电动调节阀→手动阀→控制区域

在窑第17节、21节的温度控制各由一套控制装置控制。

4、温度控制系统各仪表选型

热电偶：高温区：铂铑-铂热电偶，WRP-130S，L=750mm

低温区：镍铬-镍硅热电偶，WRN-122K，L=750mm

温度调节采用肇庆仪表厂开发的RM40型智能温度调节器。

D、检查处理系统

第1—3节，每节分别在两侧辊上、下各设一对检查处理口，上、下对侧互相错开；第4节、17节在两侧辊下方各设置一个检查处理口，位置靠近窑尾方向；第5—16节和第18节，每节分别在辊下方设置一个检查处理口，对侧错开；第19—23节，每节分别在两侧下方各设置3个检查处理口，对侧相对。

E．传动系统

传动机构采用链轮链条传动，并采用分段带动统一传动的传动方式，辊棒与传动系统的联接方式采用托轮磨擦式。辊子自由地放在窑墙外侧的两只托轮上，辊子传动端放在两只传动磨擦托轮上，全窑设置两台电机（配无级变速器），其中一台备用、一台带动一条贯穿窑头、尾的传动轴，传动轴通过7个圆柱蜗杆减速器分别带动每段链条，从而带动传动托轮，通过磨擦传动使其上的辊子转动。每段设置一链条张紧装置。全窑还设置一台直流电机，以便在停电时带动传动轴，避免辊子在高温下变形。

在第9节处设置手动离合器，将传动轴分成两段，以便在特殊情况下停止第1—6节传动系统的运转。

1、传动链、减速器选型、齿轮齿数确定链条、齿轮齿数选取完全依照引进窑，因此省略设计计算，主要参数见表2。

表2 传动链选型

电机与传动轴传动

传动轴与减速器传动

减速器与传动

摩擦辊子传动

链条选型

TG190

TG127

TG127

主动轮齿数

30

30

20

从动轮齿数

30

20

11

张紧装置齿轮齿数

18

减速箱选型：圆柱蜗杆减速器WS80-30-Ⅱ，i=1/30。

摩擦传动轮直径取42mm。

无级变速器电机输出端至陶瓷辊筒，总传动比：

无级变速的输出转速：33.3~150r/min；线速度：397.3~1789.8mm/min，即制品运行时间范围：128.5~28.5min；烧成周期72min，主动轴转速：59.5r/min。

2、电机选型

JF02-42-4/A301型电机，功率4kw配FRC3R(立2)型齿轮链无级变速器。

输入轴转速：1440r/min；

输出端减速装置传动比：i=1/10.2；

输出轴转速Nmax=150r/min, Nmin=33.3r/min;

输出功率：Pmax=3.9K Pmin=2.01kw；

直流机选型：AR50、2dDC、0.66kw。

3、辊棒选型

刚玉莫来石质辊棒，高温荷重软化温度；1550℃；长度：2316mm；外径：40mm。

4、确定辊距

按 式，辊距<200
考虑到每节长2120mm，辊距定为53mm，每节装40根辊棒。

5、设置进砖砖距控制装置，设置对主传动轴进行探测，显示的装置。

6、传动报警：在窑头、尾各设置一激光探测器，对制品在运行过程中发生堵塞现象报警。

五、窑体材料

整个窑体由金属支架支承，窑体外壳除第4—8节的顶部外中，都由金属板构成，第24节全部由金属板及支架构成。支承钢架结构仿制引进窑，省略设计计算。窑体材料的选择如表3所示。

表3 窑体材料的选择

1、窑前段（1-3节）

（1）底部及下侧壁

材质

使用温度/℃

密度/g·cm-3

导热系统/

W/（m·℃）-1

厚度/mm

隔热层

耐火混凝土

900

0.35~0.81

(20~400℃)

膨胀缝

矿渣棉

700

0.012

0.45(20℃)

（2）顶部及上侧壁（内壁：金属板）

隔热层

矿渣棉

700

0.012

0.45（20℃）

（3）中间辊筒部位

孔砖

轻质高铝砖(PM)-1.0

1300

1.0

0.66+8×10-5t

填充层

硅酸铝耐火纤维束

1150

0.07

0.1~0.3

2、冷却段（19—23节）

（1）底部及下侧壁

隔热层

耐火混凝土

900

0.35-0.81

（20-400℃）

膨胀缝

矿渣棉

700

0.012

0.45（20℃）

（2）顶部及上侧壁（内壁：金属板）

隔热层

矿渣棉

700

0.012

0.45（20℃）

（3）中间辊筒部位

孔砖

轻质高铝砖

1300

1.0

0.66+8×10-5t

填充层

陶瓷棉

1250

0.07

0.1-0.3

3、预热段、急冷区、过渡区（4-11、17-18节）

（1）底部

耐火层

轻质高铝砖

1300

1.0

0.66+8×10-5t

65

隔热层

硅藻土砖

900

161

膨胀缝

硅酸铝耐火纤维束

1350

0.07

0.1—0.3

10

（2）顶部：使用悬挂式吊顶结构

耐火层

轻质高铝砖

1800

1.0

0.66+8×10-5t

300

隔热层

蛭石

800

0.1

0.052—0.058

膨胀缝

硅酸铝耐火纤维束

1150

0.07

0.1-0.3

150

（3）侧部

耐火层

轻质高铝砖

1300

1.0

0.66+8×10-5t

113

隔热层

硅酸铝耐火纤维束

1350

0.3

0.1—0.2

197

检查处理口

轻质高铝砖

1400

1.2

0.66+8×10-5t

压顶砖

（4）烧嘴周围

耐火层

轻质高铝砖

1400

1.2

0.66+8×10-5t

隔热层

温石棉

600

2.3

0.07

（5）中间辊筒部位

耐火层（孔砖）

轻质高铝砖

1400

1.2

0.66+8×10-5t

填充层

陶瓷棉

1350

0.07

0.1-0.3

（6）膨胀缝及结合处

膨胀缝

硅酸铝耐火纤维束

1350

0.07

0.1-0.3

节间弹性连接

硅酸铝耐火纤维板

1350

0.3

0.1-0.2

4、烧成带（12-16节）

（1）底部

耐火层

轻质高铝砖，（PM-1.0）

1400

1.0

0.66+8×10-5t

130

隔热层

硅藻土砖

900

0.35-0.81

130

硅酸铝耐火纤维束

1350

0.2

0.1-0.3

100

（2）顶部：采用悬挂式吊顶结构

耐火层

轻质高铝砖

1400

1.0

0.66+8×10-5t

300

隔热层

蛭石

800

0.1

0.052-0.058

硅酸铝耐火纤维束

1150

0.07

0.1—0.3

150

（3）侧部

耐火层

轻质高铝砖（PM）-1

1400

1.0

0.66+8×10-5t

113

隔热层

硅酸铝耐火纤维毡

1350

0.3

0.1—0.2

119

硅酸铝耐火纤维束

1350

0.2

0.1—0.3

78

检查处理口

轻质高铝砖

1400

1.2

0.66+8×10-5t

压顶砖

（PM）-1.2

（4）烧嘴周围

耐火层

轻质高铝砖

1400

1.2

0.66+8×10-5t

隔热层

温石棉

600

2.3

0.07

（5）中间辊筒部位

耐火层（孔砖）

轻质高铝砖（PM）-1.2

1400

1.2

0.66+8×10-5t

填充层

硅酸铝耐火纤维束

1350

0.07

0.1—0.3

（6）膨胀缝及结合处

膨胀缝

硅酸铝耐火纤维束

1350

0.07

0.1-0.3

节间弹性连接

硅酸铝耐火纤维毡

1350

0.3

0.1-0.2

六、燃料燃烧计算

1、空气量（标准情况下）

当QDW<5233.8kJ/m3时，用经验公式：

理论空气量

取空气过剩系数

实际空气量：

2、烟气量（标准情况下）

当QDW<5233.8kJ/m3时，用经验公式：

理论空气量

实际烟气量：Vg=1.91+(1.15-1.0)×1.09=2.07(m3/m3煤气)

3、燃烧温度

理论燃烧温度

已知ta=tf=20℃→ ℃），cf=1.32kJ/(m3·℃)

设tth=1500℃，查有关表得cf=1.635(kJ/m3·℃)

(℃)

求得温度与假设温度相对误差： ，所设合理，取高温系数 =0.85，实际温度tp=0.85×1564=1329℃，比要求温度1245℃高出84℃，基本合理。

热平衡计算

热平衡计算包括预热带、烧成带热平衡计算和冷却带热平衡计算，这里仅以预热带、烧成带热平衡计算为例来说明其计算方法，冷却带热平衡计算在此略去。预热带、烧成带热平衡计算的目的在于求出燃料消耗量。热平衡计算必须选定计算基准，这里时间以1h为计算基准，0℃为基准温度。

A．热收入项目

第1-3节热源为烟气余热，即利用烟气带走显热，所以1—3节不列入热平衡计算中，但是计算时，应以第3节坯体计算坯体带入显热，以第4节烟气温度值计算烟气带走显热。

1、坯体带入显热Q1

取烧成灼减5％

入窑干制品质量

入窑制品含自由水2％，湿基制品质量

制品入窑第4节时温度t1=250℃，入窑制品比热容


℃)

2、燃料带入化学热及显热Qf

煤气低热值QDW=5233.8kJ/m3

入窑煤气温度tf=20℃，20℃时煤气比热溶Cf=1.32kJ/(m3·℃)

设煤气消耗量为xm3/h

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=1.30kJ/(m3·℃)

助燃空气实际总量Va,总=Va·x=1.25x(m3/h)

=Va,总cata=1.25x×1.3×20=32.5x(kJ/h)

4、预热带漏入空气带入显热Q。

取预热带空气过剩系数 ，漏入空气温度ta=20℃, Ca=1.3

漏入空气总量


B．热支出项目

1、产品带出显热Q2

烧成产品质量G3=G1·95％=783.8×95%=744.6(kg/h)

制品出烧成带（第16节）温度t2=1245℃

制品平均比热容C2=0.84+26×10-5×1245=1.16[kJ/(kg·℃)]


2、窑体散失热

将计算窑段分为两部分，即第4—11节：400~1000℃，取平均值700℃；第12—16节：1000~1245℃，取平均值1123℃。

(1)第4—11节，窑外壁表面平均温度40℃，窑内壁平均温度700℃。

a．窑顶

高铝砖导热系数 ℃），厚度

耐火纤维导热系数 ℃)，厚度

热流

窑顶散热面积A顶=

b. 窑墙：

高铝砖平均导热系数 ℃），厚度

耐火纤维导热系数 ℃），厚度

热流

一侧窑墙散热面积


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。

高铝砖导热系数 ℃)，厚度
硅藻砖导热系统 ℃)，厚度

耐火纤维导热系数 ℃)，厚度

热流

窑底散热面积


窑体总散热量：

Q3=62395+67423+48529+71816+104267+72323=426753（kJ/h）

3．物化反应耗热Q4

（1）自由水蒸发吸热Qw

自由水质量Gw=G2-G3=799.8-783.8=16.0(kg/h)

烟气离窑温度tg=400℃


（2）其余物化反应热Qr

用Al2O3反应热近似代替物化反应热

入窑干制品质量G1=783.8kg/h，Al2O3含量=20％


故

4、烟气带走显热Qg

离窑烟气总量

烟气离第4节窑温度tg=400℃，400℃时烟气比热容Cg=1.45(kJ/m3·℃)

5．其他热损失Q5

根据经验占热收入的5％

Q5=（Q1+Qf+Qa+Qa）×0.05

=(180955+5260.2x+32.5x+24.2x)×0.05

=9048+265.8x

C．热平衡方程

每小时烧成产品质量为744.6kg/h.

所以，公斤产品热耗=

表4为预热带、烧成带热平衡表。

热收入

热支出

项目

kJ/h

%

项目

kJ/h

%

坯体带入显热

180955

6.18

产品带出显热

1075351

36.72

燃料化学热及显热

2719523

92.82

窑炉散失之热

426753

14.57

助燃空气显热

16803

0.57

物化反应热

381389

13.02

漏入空气显热

12511

0.43

烟气带走显热

899580

30.71

其他热损失

146474

5.00

总计

2929792

100.00

总计

2929547

100.00

八、烧嘴的选择

考虑到该厂已有引进窑，选用WELKO公司HS20000型烧嘴，它由煤气喷嘴、助燃 空气喷嘴和烧嘴砖组成。

煤气节流孔板孔径：烧成带第12—16节，取直径8.7mm，预热带第5-11节，取直径5.6mm。

空气喷嘴瓷管内径：烧成带第12-16节，取直径6.5mm，预热带第5-11节，取直径4.5mm.。
烧嘴砖耐火材料选用：莫来石轻质高铝砖，最高使用温度1420℃，密度1.2g/cm3。

九、管道计算、阻力计算、风机选型

A．计算抽烟风机的管道尺寸、阻力损失，对风机选型

（1）管道尺寸

排烟系统需排除烟气量；


烟气在金属管中流速 ，据经验数据取 。

烟气抽出时实际体积V；

（1）总烟管尺寸

内径

总管内径取直径为360mm，长度4m。

（2）分烟管尺寸

分管流量

内径

分管内径取210mm，长度为3.2m

（3）支管尺寸

支管流量V’’=V/6=1.06/6=0.177(m3/s)

内径

支管内径直径150mm，顶部支管长定为1.1m，两侧支管长定为0.5m。

（4）热交换器

热交换管选直径83mm×3.5mm无缝钢管，内径d交=76mm，长度取2m。

考虑粉尘阻塞与热交换的需要，流速 交取2m/s。

热交换管条数

热交换管条数取118条。

热交换管外表面积S=3.14×0.083×2×118=61.5(m2)，引进窑热交换管外表面积为3.14×0.032×2×397=79.8（m2）,(79.8- 61.5)/79.8×100%=23%，新窑热交换表面积比引进窑少23％，但新窑需热交换量比引进窑少35%以上，取118条能满足要求。

（2）阻力计算

（1）料垛阻力hi

根据经验每米窑长料垛阻力为0.5Pa。

设O压在11-12节交界处，则hi=（7+0.5）节×2.13m/节×0.5Pa=8Pa。

（2）位压阻力hg

烟气从窑炉至风机，高度升高H=1.8m，此时几何压头为烟气流动的动力即负位压阻力，烟气温度400℃。

（3）局部阻力he

局部阻力 由表查得：

烟气从窑炉进入支管： 1=1

支烟管进入分烟管： 2=1.5

并900急转弯： 3=1.5

分管900急转弯： 4=1.5

分管900圆弧转弯： 5=0.35 （r/d=2）
分管进入总管： 6=1.5
并900急转弯： 7=1.5

进入交换管： 8=0.28
为简化计算，烟管中烟气流速均按10m/s计，烟气温度均按400℃计，虽在流动过程中烟气会有温降，但此时流速会略小，且取定的截面积均比理论计算的偏大，故按此值算出的局部阻力只会略偏大，能满足实际操作需要。

（4）摩擦阻力hf

摩擦阻力系数：金属管取 1=0.03，热交换管取 2=0.05（粉尘粘壁严重）。

烟囱阻力忽略不计（可由本身几何压头来克服）。

风机应克服总阻力

（3）风机选型

为保证正常工作，取风机抽力余量0.5。

所以选型应具备风压：H=（1+0.5）×255.2=382.8(Pa)

流量取储备系数1.5，风机排出烟气平均温度250℃。

选用风机时应考虑窑炉有时空气、煤气比例失调，大量增加烟气量，增大抽风阻力，热交换器粉尘阻塞，造成较大阻力，选型时全风压留有较大余地。所选风机见表5。

B．其他系统管道尺寸确定、风机选型

根据引进辊道窑数据，结合本窑具体情况和已经计算出来的抽烟系统的数据来确定其他系统的风管尺寸、风机型号。

省略风量计算、阻力计算。

各系统管理尺寸、风机型号规格见表5、表6。

表5 窑主体系统管理尺寸、风机型号规格

项目

抽烟

助燃

急冷

抽热风

管道尺寸

/mm

总管400，分管210，支管150

总管300

直径200

总管400，分管200

风机代号

抽烟风机A

助燃风机B

急冷风机C

抽热风机E

风机名称

高温离心通风机

高压离心通风机

高压离心通风机

高温离心通风机

风机型号

W5-481-11 No5.5

5-29 No6.5

9-26-1 No4

W5-481-11 NO5.5

全风压/Pa

1405

8050

3930

1405

风量/m3·h-1

8060

5763

2198

8060

电机型号

Y120M-2

Y160L-2

Y132S1-2

Y120M-2

功率/Kw

22

18.5

5.5

22

转速/r·min-1

2900

3150

2900

2900

传动方式

C

C

A

C

出口方向

右00

右2700

左2700

右2700

外形尺寸

940×813×117

592×712×723

质量/kg

（不带电机）

214.5

62

表6 其他系统管理尺寸、风机型号规格

系统

窑前抽风

热交换

干燥抽风

干燥吹风

管道尺寸

/mm

直径300

直径400

直径550

风机代号

窑前抽风机D

热交换风机G

干燥抽风机F

干燥吹冷风机

风机名称

锅炉离心引风机

离心通风机

锅炉离心引风机

离心通风机

风机型号

Y4-70Ⅱ No5

4-72 No6

Y5-47 No8

4-72 I No3

全风压/Pa

1100

1800

2580

1150

风量/m3·h-1

5400

8520

15430

1710

电机型号

Y112M-2

JO2-51-4

JO2-71-4

功率/Kw

4

7.5

22

1.1

转速/r·min-1

2180

1800

1820

2900

传动方式

C

C

C

A

出口方向

900

900

900

右900

外形尺寸

790×900×914

828×964×1169

1701×1191×1485

455×540×450

质量/kg

（不带电机）

160

366

750

20

好了，今天关于“烟气”辊道窑设计计算就讲到这。