以重油作燃料的快速烧成梭式窑的设计

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以重油作燃料的快速烧成梭式窑的设计   一、梭式窑的设计   　　（一）任务与要求　　1、为了提高滑石质日用细瓷的烧成质量，要求窑炉的温差小，温度、气氛容易调节。　　2、实现快速烧成，缩短烧成周期，提高生产效率，节约燃料，降低成本。　　3、改善劳动条件，减轻劳动强度。　　4、利于余热利用。　　（二）设计依据　　1、根据淄博市硅酸盐研究所以轻油作燃料的梭式窑技术资料；　　2、冶金和机械工业中使用的台车式热处理炉；　　3、国外陶瓷工业中的烧煤气、液化石油气、天然气和轻油的梭式窑实例；　　4、乳白瓷的烧成工艺参数：　　（1）乳白瓷坯、釉的化学组成列于表1；　　（2）制品的烧成温度和气氛　　注浆制品烧成温度1310℃（三角锥）　　塑性泥制品烧成温度1320℃（三角锥）　　釉的玻化范围1220—1260℃ 　　参考乳白瓷在倒焰窑内的烧成曲线，烧成温度确定的原则是以稍长的保温时间，采取烧成温度范围的下限为止火温度，以减少产品变形。　　为消除Fe2O3的有害影响，采用还原焰烧成，使得到的制品白中泛青。　　5、产量：50万件/年　　6、燃料：重油　　坯釉料的化学成份（%）                                   表1名  称n·n·nSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO注浆泥3.8862.265.420.110.8622.65塑性泥3.0062.634.250.191.1122.18釉3.1861.9719.070.111.762.76　　（三）梭式窑的结构设计　　梭式窑的主要组成部分是窑室、窑底、砂封、窑门、喷燃装置（燃烧室和喷嘴）以及通风系统，见图1。　　1、窑的容积　　窑的面积大小主要是依据产品品种、产量、烧成制度和喷燃装置的特性来确定。据高速等温喷燃器的发展和应用，大截面的大型窑炉已经发展起来了。　　　　　　本设计窑室容积（包括燃烧通道）是13.4米2，有效容积（装钵空间容积）是9.5米3。窑室的有效尺寸：　　窑长         6.225米　　窑宽         1.7米　　窑墙有效高度1.112米　　拱高             0.228米　　窑顶半径          1.7米　　拱的中心夹角60°　　2、窑门、窑底或砂封　　　　 　　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，见图2。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。在窑车上砌筑了吸火孔及三条支烟道。吸火孔的总面积为0.25米2，三条支烟道横截面积是0.13米2。　　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内。窑车的砌筑结构示于图3。全窑容纳2.0×1.55米（长×宽）的窑车三部。每辆窑车装载量：136标钵/车（匣钵尺寸φ350×115毫米）　　3、喷燃装置　　　　　　选用B—50 比例调节喷嘴，配合外设燃烧室，构成喷燃器。七个喷燃器布置在窑墙两侧，在同一水平面上交错布置。喷燃器的中心线距车面的高度是540毫米，正对着喷燃器出口的窑室内的燃烧空间，宽0.26米。　　外设燃烧室是为了保证重油喷燃仅应所必须的时间及空间，使燃料能够充分燃烧。　　设计选取燃烧室的容积热力强度为0.7×106千卡/米3·小时。　　计算得出燃烧室空间的有效尺寸：　　燃烧室直径0.5米　　燃烧室长度1.125米　　燃烧室容积0.212米3　　喷火口面积0.07米2　　为了便于点火，在燃烧室一侧的墙上留一个直径是60毫米的点火孔。在点火结束后，用一磨制的轻质耐火砖塞将点火孔堵严。　　喷火口位于窑墙的中部，直径300毫米。喷火口的大小直接关系着燃烧室气体喷出速度和喷火口局部所受热负荷的大小，以及是否容易造成结焦。　　该窑喷火口截面积较大，由计算得出烟气出口速度4~5米/秒，燃烧室静压约0.40毫米水柱。为了提高B—50喷嘴空气雾化效果，因而要用全部助燃空气的大部份作雾化介质。适当提高一次空气和油的温度是保证雾化质量的有效措施。　　重油经过滤后，用齿轮泵送至喷嘴。　　本设计采用的是无回路供油系统。油压1.5~2公斤/厘米2，油温在100—120℃。　　燃烧所用之一次和二次空气，由一台5号离心式鼓风机供给，见图1。使用风压600毫米水柱。二次风在燃烧室前壁风盒内予热到70~80℃喷入燃烧室内。　　4、通风系统　　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。　　设计选用锅炉引风机　　风量       6630米3/小时　　风压       99~141毫米水柱　　主轴转速2100转/分　　配用功率12千瓦　　烧成结束后，首先进行急冷，送风系统仍是燃烧所用的供风装置，这就避免了停火后烧坯喷嘴。　　5、测温系统　　全窑共装12支热电偶，用以测定窑内温度和检测烟气、热风温度。　　6、砌窑用的材料　　过去砌窑常用的耐火材料和隔热材料有粘土耐火砖、高铝砖、硅砖、耐火混凝土以及红砖等。这些材料的机械强度高、热容大、绝热性能差，因此造成窑的蓄热损失大，这对建造快速烧成窑是极为不利的。为实现快速烧成，在设计中选用了热容小，绝热性能好的轻质耐火材料和隔热材料。　　因为现有的轻质耐火材料和隔热材料的机械强度低，为改善其使用性能将窑室的内壁涂以耐火材料，外墙以3mm厚的钢板裹起，钢板固定在钢架上。既保护了耐火材料又起密封作用。　　窑墙曲封砖以上的窑体（拱脚砖除外）全是用PM—1（轻质高铝砖）砌0.345米厚，设计外表面温度为80℃ 。　　曲封以下全用粘土质耐火砖。窑墙脚部留有通风孔，即窑车下为敞开式。　　本设计燃烧室的容积热力强度最高时达0.7×106千卡/米3·小时，燃烧室选用NZ—40（粘土砖）。　　燃烧室耐火内衬的厚度：　　粘土耐火砖 YB390—63      0.113米　　陶瓷棉Al2O3含量>45%    0.063米　　二、乳白瓷在梭式窑内的实际烧成情况　　（一）温度制度　　　　　　乳白瓷在梭式窑内热电偶实测的烧成曲线见图4。从图中看出：点火到900℃只2.0小时，900~1060℃升温速率是100℃/小时，1060℃开始还原至1200℃还原结束计2.5小时，升温速率为56℃/小时，1200~1290℃为弱还原阶段，此阶段产品产生收缩，所以升温速度较慢（45℃/小时），控制止火温度在烧成温度范围的下限，短暂保温。　　烧成结束后适当地平均开大一、二次风阀，使窑内压力在+1~+1.5毫米水柱进行急冷，降温速率控制在230~280℃/小时，冷至1000℃关闭鼓风机。将燃烧室点火孔及看火孔上的耐火砖塞拿下来，开大排烟闸板，使窑内压力降至－2毫米水柱以下，自然冷却。　　（二）气氛制度　　窑内火焰气氛性质及其强弱的程度，影响着乳白瓷的质量。　　乳白瓷用还原焰烧成，釉面光润，质地白里泛青，色调柔和；如果还原不足烧出之产品则白中泛黄。　　烧成操作中，当温度上升到1000℃就开始逐渐降低过剩空气系统。温度上升到1050℃即开始还原，为了提高还原速度，控制窑内CO浓度在2~4%，直至温度到1200℃ ，强还原焰转为弱还原焰或中性焰。气氛的转变主要是调整二次空气来实现。CO的浓度越高，在增加二次空气时越是要谨慎操作，避免温度上升过快。乳白瓷烧成过程的烟气分析结果列于表2。从表2看出窑内气氛均匀，CO浓度波动较小，操作比较可靠。　　烟气分析结果                         表2　　　　    取样温度    （℃）    取样位置    化学成分（%）    αCO2COO2850烟道4.8014.23.331000烟道6.2012.22.581100烟道12.84.00.20.921130窑内12.04.00.60.941160窑内12.64.000.921200窑内12.04.600.901250窑内15.20.60.41.00　　（三）压力制度　　　　 　　窑内压力的控制很重要，在烧成过程车面上始终保持较小压力（0~0.1毫米水柱），这样可防止空气漏入窑内。若压力较大时，容易往窑外窜火，使燃烧操作变坏。若窑内负压较大则空气容易漏进窑内，增加了窑的温差。　　三、技术经济效果　　（一）窑的温差：小于10℃　　（二）产量　　按单位容积单位时间内同类产品的生产率（标钵/米3·时）比例焰窑提高四倍以上。　　（三）产品质量　　乳白瓷在梭式窑内烧成一级品率，1980年1~5月份平均为58.89%（按入窑数计算），合格率86.78%。影响合格率的主要因素是粘足子和脏点。　　（四）燃料消耗　　根据热平衡计算，每窑次的重油消耗量是650公斤。每公斤产品的热耗是12000（千卡/公斤瓷）。　　如减少窑具用量；降低钵瓷比，则可进一步实现节能。　　四、设计中的几个问题　　（一）喷燃器的布置、结构和计算　　喷燃器的分布方式有多种多样，主要是根据窑的容积大小、结构型式，火焰喷出速度来决定。　　有的窑的喷燃器是设在窑车台面以下的水平面上交错布置。在窑车台面以下设有火道，虽然烟气以较高的速度喷入火道，但因烟气窑时流股扩张而速度大大降低，所以在窑室内烟气的实际流速并不高，而本设计喷燃器是在窑墙中部的水平面上交错布置，在窑室内留有0.26米宽的火道，入窑烟气速度虽然是4米/秒，但因与产品立刻接触，在产品周围的流速相对来说并不比前者小。所以在窑的容积不大时喷燃器单设在窑墙的中部是可行的。　　本设计喷燃器结构见图5。从烟气分析结果知道在低温阶段过剩空气系数α>3，入窑烟气温度约在800℃ 左右，为了保证燃料的充分燃烧，入窑烟气温度不宜再低。　　为了扩大入窑烟气温度的调节范围，在设计新喷燃器时，可在喷燃器的近窑端加上三次空气。燃料充分燃烧后，烟气在入窑之前再掺入更多的过剩空气。这样既不影响燃料的燃烧，又扩大了低温阶段的温度调节范围。　　关于喷燃器燃烧室的计算：要重油达到完全燃烧必须有足够的时间、空间、温度和空气。燃烧室的计算主要是根据燃烧室的容积热力强度值和选用喷嘴的火焰特性值来进行。　　1、燃烧室体积计算　　计算重油燃烧室的容积应选取的容积热力强度值：　　即燃烧室的容积 　　式中：B——一个燃烧室的燃耗量公斤/小时　　——燃料低热值           千卡/公斤　　Q空——燃烧所需空气带入显热千卡/小时　　2、燃烧室断面积 F　　根据喷嘴火焰特性即火焰直径最大值d（m）来决定燃烧室的直径D　　D=d+(0.05~0.15)                米　　燃烧室的断面积F=0.785D2           米2　　3、燃烧室的长度L（米）　　4、喷火口的断面积 f　　式中：B——一个燃烧室燃油量公斤/小时　　α——空气过剩系数　　β——温度系数 　　t——燃气温度 ℃　　ω——喷出速度 米/秒　　V0烟——1公斤油当α=1时生成的烟气量标米3/公斤　　V0空——1公斤重油燃烧所需理论空气量     标米3/公斤　　（二）关于高速等温喷燃问题　　1、所谓“高速等温”是指高速喷出的烟气在窑内流过的通道内温度变化较小，故称高速等温喷燃。　　烧成操作一开始，燃烧室就要达到足够高的容积热力强度。入窑烟气温度的调节是通过掺入过剩空气来实现，根据计算，掺入烟气中的空气不仅抵销了烟气因温度降低而减少的体积，而且使烟气的总体积还略有增加，所以烟气质量流速相应增加。对流传热速率也相应提高。　　高速等温喷燃在烧成的全过程（从点火至止火）中烟气的喷出速度相对比较稳定地保持在一个数值上。换句话说：就是保证燃烧充分燃烧，维持一个相对恒定的燃烧温度，通过掺进过剩空气调节质量流速来实现高速等温。　　根据窑的结构怎样来选取合理流速，我认为这是值得探讨的问题。当提高烟气的喷出速度时，则燃烧室的压强   也要提高，这就带来了燃烧室需要加强密闭的问题。　　对矩形梭式窑，如果喷燃器是对着窑室的窑墙布置的，当气流速度很高时，气流股碰到窑墙，其流速由于流股扩张而降低。所以应根据窑的结构型式和大小，以能够促成窑内气流循环，找出经济合理的流速。　　2、高速等温喷燃快速烧成的理论根据　　在窑内的传热先是由热烟气以对流及辐射的方式传给物料外表面，再以传导方式传向物料内部。在对流传热中，传热速率Q可用下式表示：Q=α·F·△t千卡/小时　　由此可知影响对流传热速率的因素有三：一是传热面积F；二是烟气与物料的温差△t；三是对流传热系数α。　　若装窑的密度小一些，扩大了烟气与物料的接触面和增加了烟气层的厚度，即可提高传热速率，但是在选择了合理的窑具与装窑密度后，F则是定值。　　增大△t可以提高传热速率。但是由于△t的增大引起物料的热应力增大，容易造成废品，所以△t不宜取大。　　提高α值是可以提高传热速率的。气流强制流动时的对流传热系数α可用如下经验公式表示：（℃）　　由此可见α与气体流速W0.69（标米/秒）成正比，与气体通道的当量直径  （m）成反比。所以在窑的结构合理，气密性好的条件下提高气体流速是加快对流传热的有效措施。由于流速的增大，窑内温度就较均匀。　　提高对流传热系统α，增大传热速率，升温加快，相对缩短了传热时间，因而可以快烧。　　　　　　3、在烧成过程中1000℃之前要烧掉陶瓷坯体中的可燃物往往需要保温时间。根据苏联电瓷研究院柯尔塔涅夫的研究⑤，证明了可燃物燃烧排出的时间与烟气中游离氧含量的关系见图6。该梭式窑在900℃以前烟气中空气过剩系数高达3以上，即氧化分压大，在烧成反应中，极有利于氧化反应，所以可燃物燃烧排出的时间则会缩短，烧成速度可以加快。　　（三）排烟孔的布置：现有三种布置方式，其一是在窑车面以上的一侧或两侧的窑墙上设排烟孔；二是窑车面上设吸火孔，窑车面以下有水平支烟道，烟气由支烟道进入车面以下的窑墙上设置的排烟孔；三是窑车面有吸火孔，烟气经吸火孔进入设在窑车上的竖烟道而后进入窑车下的总烟道。　　第一种排烟方式，窑内压力不均匀，压力调节复杂，容易造成窑内温差大，在喷燃速度小时，可能更为明显；第二种排烟方式的优点是窑内压力分布比较均匀，便于调节窑内压力，窑底是热窑底，提高了窑的热效率；第三种排烟方式除具有第二种方式的优点外，窑车砌筑结构简单了，省去了两部窑车之间水平烟道衔接的密封接头。　　五、小结　　（一）实践证明：外设燃烧室，以重油作燃料低速（4~5米/秒）喷燃的梭式窑，取得了比同类型的用轻油作燃料，较高速度（50米 /秒）喷燃的梭式窑燃耗低、温差小的效果。　　（二）采用高级轻质耐火材料，机械通风，使窑的压力、温度、气氛容易控制，调节灵敏、可靠，能满足各种陶瓷制品的烧成。　　（三）以重油作燃料快速烧成的梭式窑，烟气是从设在窑车面上的吸火孔抽出，可以看作是一种新型倒焰窑。此种排烟方式使窑的压力、气氛、温度分布均匀。　　制品的装卸都是在窑外进行，改善了劳动条件，有利于缩短窑的周期。所以它比倒焰窑优越得多。　　（四）为了节约能源排出的烟道废气，可以通过换热器加热空气，供作烧窑用之一次，二次空气，也可用于干燥或其他。