碳素热工及窑炉课件

1、 本章学习目的在于通过间歇窑倒焰窑和连续窑环式多室焙烧炉、隧道窑比较，进一步了解和掌握碳素工业窑炉的共性与个性特点。 根据实际工况运用热工原理知识，培养发现和解决高温工程问题的基本技能。第七章 隧道窑 无论设计或操作隧道窑，都要符合工艺要求，保证优质，高产，低热耗和满足工厂技术经济指标等。一、分类 隧道窑有各种不同的分类方法，大致归纳为： 1按照烧成温度的高低可分为： （1）低温隧道窑(10001350)； （2）中温隧道窑(13501550)； （3）高温隧道窑(15501750)； （4）超高温隧道窑(17501950)。7.1 合理的烧成制度 2按照烧成品种可分为： （1）耐火材料隧道窑

2、； （2）陶瓷隧道窑； （3）红砖隧道窑。 3按热源可分为： （1）火焰隧道窑； （2）电热隧道窑。 4按火焰是否进入隧道可分为： （1）明焰隧道窑； （2）隔焰隧道窑； （3）半隔焰隧道窑。5按窑内运输设备可分为： （1）车式隧道窑； （2）推板隧道窑； （3）辊底隧道窑； （4）输送带隧道窑； （5）步进式隧道窑； （6）气垫式隧道窑。6按通道多少可分为： （1）单通道隧道窑； （2）多通道隧道窑二、隧道窑特点 （1）连续性生产，产量大； （2）机械化、自动化水平高； （3）工作制度稳定，成品率较高； （4）结构复杂，占地面积大，投资大； （5）能耗低，制品烧成周期短，总成本低； （6）产

3、品适应性差。三、合理的烧成制度 1. 烧成过程 1）低温预热阶段:制品从室温升到200，火道温度大约为350。2）中温剧变阶段（热解与缩聚反应）:制品的温度在200700之间，火道温度大约为350850之间。随着温度升高，煤沥青分解速度加快。此阶段粘结剂基本完成焦化，大量排除挥发份。3） 高温炭化阶段: 此阶段制品温度在7001000，火道温度约为8501300。焙烧制品温度达700以上，煤沥青分解及挥发速度减缓，粘结剂焦化过程基本完成。4）冷却阶段:制品外部开始冷却，制品各部分体积变化不均匀而产生内应力，如果表面部分冷却速度超过内部，使应力超过抗拉强度，将导致制品裂纹，所以冷却过程应缓慢。

4、冷却降温速度应控制在5.0h，一般至400以下可以出炉， 2. 烧成制度的确定原则 烧成制度包括温度制度，气氛制度和压力制度。 温度制度：是指沿窑长装在窑顶或窑侧的热电偶测得的窑内温度曲线。 气氛制度：是指窑内含游离氧或CO的情况。 压力制度：是为了保证温度制度和气氛制度的。 合理的烧成制度和原料的性质，制品的大小，形状，厚度，生坯入窑水分，坯体的机械性能，电气性能，燃料种类，燃烧方法，窑炉结构等条件有关。 合理烧成制度的确定原则： 1在各阶段应有一定的升(降)温速率，不得超过。 2在适宜的温度下应有一定的保温时间，以使制品内外温度趋于一致，皆达到烧成温度，保证整个制品内外烧结。 3在焙烧的各

5、阶段应保持一定的气氛制度，以保证制品中的物理化学过程的进行。 4全窑应有一个合理的压力制度，以确保温度制度和气氛制度的实现。 同一种制品可在较高的温度下和较短的时间内烧成，也可以在较低的温度下和较长的时间内烧成。 四、砌窑的耐火材料和隔热材抖 耐火材料必需具有一定的强度和耐火性能，以便保证窑炉烧到要求的温度而不倒塌。 隔热材料的作用是减少窑炉墙壁的积热和散热，节约燃料。 1. 耐火材料的主要性能 a. 耐火度：指材料在高温下抵抗熔化的性能。 b. 荷重软化点：是指耐火砖在一定压强下加热，发生一定变形和坍塌时的温度。 c. 热稳定性又叫耐急冷急热性，或温度急变抵抗性。 d. 抗化学腐蚀性：是指耐

6、火砖和熔渣，煤渣接触时，抵抗侵蚀的能力。 e. 高温体积稳定性：是指材料在高温下长期使用时，体积发生不可逆变化的性能。 f. 耐压强度：常温下抗压而不破坏的能力。 2. 砌窑用的耐火材料 a. 粘土质耐火砖：粘土砖属于弱酸性耐火材料，热稳定性较好，使用温度在1300以下。 b. 半硅砖：属半酸性耐火材料，其荷重软化开始温度比粘土砖高，急冷急热性比硅砖好，但比粘土砖稍差。 c. 高铝砖：耐火度及荷重软化点比粘土砖高，开始软化温度在1420-1500度以上，抗化学腐蚀性较好，但热稳定性较低，使用温度在14001600。 d. 硅砖：属酸性耐火材料，荷重软化开始温度高，一般在1620度以上，热稳定性

7、差。 e. 镁砖：是碱性耐火材料，耐火度甚高，一般超过2000 ，荷重软化点低，1500度就开始软化，热稳定性不好。 f. 镁硅砖：制造工艺和理化性能与镁砖相同，其烧成温度1620-1650，荷重软化开始温度约在1550 以上。 g. 镁铝砖：其耐火度很高达2130度，荷重软化点和热稳定性都比镁砖好。 h. 刚玉砖：以电熔刚玉砂或工业氧化铝为原料, 加入1下的氧化钛，在1600-1800 烧结而成，使用温度在1800以下。 i. 碳化硅耐火制品：用粘土作结合剂的碳化硅制品，其组成变化甚大。根据使用要求，粘土结合剂用量在5-20，可以外加高铝矾土，工业氧化铝等。 3. 砌窑用的耐火混凝土 4.

8、砌窑用的隔热材料 一、工作系统 工作系统又叫工作流程：是指窑内气体输送系统，即气体流向及其有关设备。7.2 工作系统及结构1、工作系统及分带 隧道窑都可划分为三带：预热带，烧成带，冷却带。 预热，烧成和冷却是指制品而不是气体，因为气体的加热和冷却恰恰相反。 对于三带的具体划分各有不同，有以砌筑体分，有以温度分，但多数以燃烧室的设置来分，设有燃烧室的部分为烧成带，前后各为预热及冷却带。缺点： 1. 全窑处于负压下操作， 易从外界漏入大量冷空气，窑内温度分布不均。 2. 产生气体分层，上下温差大。 3. 不易维持还原气氛，产品有时烧不熟，有时发黄。工作系统1工作系统2二、结构 陶瓷隧道窑一般长在1

9、5100米，内宽和内高都在2米以下。 隧道窑包括：窑体，窑内输送设备，燃烧设备，通风设备。 1、窑体由窑墙、窑顶和窑车衬砖围成码烧坯体的空间，也就是隧道。隧道主要是传热和坯休进行物化反应的场地。 2、窑内输送设备：目前用得最多的为窑车。现代小型隧道窑还有推板，输送带，辊底，步进梁等窑内输送设备。 3、燃烧设备:包括燃烧室和烧嘴，在这里燃料进行燃烧，燃烧产物进入隧道，将热送给制品。 4、通风设备包括排烟系统，气幕和气体的循环装置以及冷却系统。它们是由排烟机，烟囱，鼓风机及各种烟道、管道组成。 作用：是使窑内气流按一定方向流动，排除烟气，供给空气，抽出热空气，并维持窑内一定的温度、气氛和压力制度。

10、 1. 窑体：由窑墙、窑顶所成 (1) 窑墙a.窑墙的作用： 1) 与窑顶一起，将隧道与外界分隔，在隧道内燃烧产物与坯体进行热交换。 2) 窑墙要支撑窑顶，要承受一定的重量。 3) 窑墙内壁温度约等于制品的温度，而外壁接触大气，其温度较比内壁低。b.窑墙应具备条件： a. 能耐高温 b. 具有一定的强度 c. 能保温，使向外界散失的热量小。 c.窑墙砌筑时注意事项： a. 为了砌筑的方便和外形的整齐，窑墙厚度变化不要太多。 b. 各层材科的厚度应为砖长或砖宽的整倍数，而窑墙的高度应为砖厚的整倍数，使砌筑时尽量不砍砖。 c. 各种砖的规格一般是：耐火砖及轻质砖：长230毫米，宽113毫米，高65

11、毫米，红砖：长240毫米，宽120毫米，高53毫米。砌筑时还要考虑砖缝厚度。 d. 灰缝(砖缝)越小，窑墙使用寿命越长。（2）窑顶 窑顶的作用与窑墙相似，但窑顶支撑在窑墙上，且在较为恶劣的条件下操作，因此，除了必须耐高温，积散热小及具有一定的机械强度外，还必须具备： 1) 结构好，不漏气，坚固耐用， 2) 重量小，减轻窑墙负荷， 3) 横推力小，少用钢材， 4) 尽量减少窑内气体分层。 一般窑炉采用拱形顶，拱顶严密，砖型简单，坚固耐用，节约钢材。拱顶是用楔形砖夹直形砖砌成。常用拱高f与跨度B窑内宽的关系来说明拱的情况： 拱越平，横推力越大，加固窑所需的钢材越多，且拱顶不稳固，容易下落。所以从节

12、约钢材和拱顶稳固的角度，拱越高越好，但容易造成上下温度不均。 当要选用拱顶楔形砖来砌窑，或计算窑顶散热面积，或计算拱顶横推力以便设计钢架结构时，都必须先知道拱半径R和拱心角。 R和的计算可根据拱高f及跨度B计算。（3）检查坑道 为了便于清扫落下的碎屑和砂粒，冷却窑车，检查窑车、维修等，常设置人可行走的通道，即检查通道。 宽度根据窑内宽来决定一般1m左右，深度一般18米左右。检查坑道优点： 1) 烧固体燃料的隧道窑对于清扫灰渣有利。 2) 烧液体燃料和气休燃料的隧道窑，对于检查窑车，处理事故比较方便。 3) 检查坑道可封闭，在坑道内抽风和鼓风，维持坑道内与窑内同样的压力制度。检查坑道缺点：必需大

13、大加深地基的深度，既受地下水位的限制，又增加基建费用。（4）窑门 预热带窑门：保证窑内操作稳定，防止冷空气漏入以减少气体分层，减少上下温差。 冷却带窑门：防止从冷却带出口端漏出大量空气，使产品能得到合理的冷却。 为了避免在进车时窑内和外界相通，应在进车端设置内外两道窑门，进车时开启外窑门，关闭内窑门，当窑车进入后，关闭外窑门，开启内窑门。2. 窑车、砂封及推车机 窑车应具有足够的机械强度，耐热性好，反复加热和冷却而不变形。 砂封槽多用钢板或角钢作成，但都必须留有膨胀余地，以免高温变形，影响窑车行进。 推车机应使窑车推动平稳均匀，以免料垛倒塌。窑车运动可以是间歇的或连续的： 间歇推车：每车温度急

14、剧改变，产品温度不是均匀上升，影响质量，而且推车快，不平稳，容易造成倒塌事故。 连续推车：产品温度均匀上升，推车慢，平稳不易出事故。3. 燃烧设备 燃烧设备主要有燃烧室和烧嘴两部分，还有其他附属设备。 (1) 燃烧室的布置 燃烧室的布置和窑内的温度均匀性有关，隧道窑燃烧室的分布有集中或分散，相对或相错，一排或二排等不同类型。 a. 集中或分散 分布有燃烧室的一带叫烧成带。可以用12对燃烧室，这就叫集中布置燃烧室。也可以用近10对或更多的燃烧室，这就叫分散布置燃烧室。集中布置易于操作和自动调节，但燃烧室的大小或烧嘴能力都有一定限制，过大的燃烧室不易操作。 b. 相对或相错 燃烧室一般两侧相对布置

15、，这样砌筑简单，易于安置钢架结构。两侧燃烧室不全相对而略有错开，这样窑内气体产生循环，可使温度进一步均匀。 c. 一排或两排 一般燃烧室都是一排布置在近车台面处。 烧煤气的隧道窑，为了避免下部温度高于上部，往往分上下两层布置烧嘴。(2) 烧煤的燃烧室 烧煤的燃烧室有人工烧煤和机械烧煤两种人工烧煤不稳定，劳动强度大，且燃烧不完全，热耗大。但由于设备简单，投资少， 目前陶瓷工业隧道窑采用的还不少。 (3) 烧重油的燃烧室 重油燃烧室的温度比烧煤和煤气的高，容易烧坏燃烧室的内衬，因面要将燃烧室建得大些，适当降低空间热强度，并采用较好的耐火材料来砌。 (4) 烧煤气的燃烧室 烧煤气的燃烧室砌在两侧窑墙

16、上，但比烧煤或烧油的小，因为只有一部分煤气在燃烧室内燃烧，而大部分煤气直楼喷入窑内燃烧。4排烟系统 排烟系统包括烟气由窑内向窑外排出所经过的排烟口，支烟道，主烟道，排烟机及烟囱等范围。 分布排烟口的地段约占预热带全长的70，往往自进窑第二车位起，每车布置一对排烟口。 排烟口之下为支烟道和主烟道，支烟道起联接排烟口和主烟道的作用，主烟道是汇集各支烟道来的烟气送进烟囱。 排烟口，支烟道和主烟道的设计应尽量减少阻力损失，烟气进入烟道即能顺利地排走，所以烟道应避免急剧弯曲。 排烟系统的最后设置为排烟机和烟囱，或没有排烟机而只用烟囱。 烟囱至少要高于周围100米范围内的最高屋顶3米。 5气幕、搅动循环装

17、置 气幕是指在隧道窑横截面上，自窑顶及两侧窑墙上喷射多股气流进入窑内，形成一片气体帘幕。 在窑头有封闭气幕，预热带有循环搅动气幕。在烧成带有氧化气氛幕，在冷却带有急冷阻挡气幕。 (1) 封闭气幕 封闭气幕位于预热带窑头，气幕一般是抽车下热风，或冷却带抽来的热空气。 (2) 搅动气幕 为减少预热带气体分层，将一定量热气体以较大流速和角度自窑顶一排小孔喷出，迫使气体向下运动，产生搅动，使温度均匀。 (3) 循环气幕 利用轴流风机或喷射泵使窑内烟气循环流动，以达到均匀窑温的目的 (4) 气氛幕 在烧还原气氛时，为使坯体在900前不被氧化，因此在 9501050处设气氛还原气幕。 (5) 急冷阻挡气幕

18、 为了缩短烧成时间，提高制品质量，坯体在冷却带600以前应缓冷。设于冷却带始端的急冷气幕是急冷的最好方法。 急冷气幕不但起急冷作用，同时亦为阻挡气幕，防止烧成带烟气倒流至冷却带，避免产品熏烟。 6冷却系统 最简单的冷却方法是自然冷却，但效果不好。 强制冷却：直接法和间接法。 7钢架结构 隧道窑用钢架结构是为了克服拱顶的横推力。因此钢架结构的计算与横推力有关。 8窑炉基础 窑炉基础是指用三合土、毛石、砖块或混凝土和钢筋混凝土等做成的用于支持窑体重量的基础，简称窑基。 隧道窑的工作原理包括三个部分：燃料燃烧、气体力学和传热。一、隧道窑内气体流动7.3 工作原理1、各种压头对气体流动影响 影响因素：

19、几何压头，静压头，动压头和阻力损失压头。 意义：是窑内1m3热气体比窑外1m3空气多具有的能量，是相对能量。（1）几何压头 几何压头使窑内热气体由下向上流动，气体温度愈高，几何压头愈大，向上流动的趋势也愈大。隧道窑内气体主要的流向是由冷却带到烧成带，再到预热带。在预热带上部，主流和循环气流方向相同，而下部相反，所以从预热带垂直断面看，总的流速是上部大而下部小。冷却带则相反，总的流速是上部小而下部大。 预热带气体分层现象是目前最主要的问题，解决办法： 从窑的结构上 a. 预热带采用平顶或降低窑顶。 b. 预热带两侧窑墙上部向内倾斜。 c. 适当缩短窑长，减少窑的阻力，减少漏风量。 d. 适当降低

20、窑高，减小几何压头影响。 e. 排烟口开在下部近车台面处。 f. 设立封闭气幕，减少窑漏入冷风 g. 设立搅动气幕，使上部热气向下流动。 h. 设立循环气流装置，使上下温度均匀。 i. 采取措施，增加动压，削弱几何压头。 从窑车结构上 a. 减轻窑车重量，减少窑车吸热。 b. 车上砌有气体通道，提高隧道下部温度。 c. 严密窑车接头、砂封板和窑墙曲折封闭，减少漏风量。 从码垛方法上 a. 料垛码得上秘下稀，增加上部阻力，使气体多向下流。 b. 适当稀码料垛，减少窑内阻力，减少冷风漏入量。 （2）静压头 引起原因：由于排烟、鼓风、抽风等使窑内外压强不等。结果：气流方向有高压向低压流动。零压位：窑

21、内绝对压强等于窑外绝对压强，仍有气体流动。 零压位重要性： a. 控制在预热带和烧成带交界面附近。 b. 零压位移向预热带，烧成带正压过大，气体逸出，损失热量。 c. 零压位移向烧成带，预热带负压过大，漏入冷风，气体分层，上下温差大。 （3）动压头 动压头给予气体流动的方向，就是气体喷出的方向，是流速的方向。隧道窑的各种气幕和循环装置就是利用动压头喷出的不同方向和强大的功能来削弱几间压头的作用。 （4）阻力损失压头 阻力损失指窑外管道系统的阻力损失和窑内的阻力损失。阻力损失压头包括摩擦阻力和局部阻力，以及料垛阻力。 设计和操作隧道窑总希望降低窑内阻力损失： a. 适当缩短窑长 b. 合理稀码料

22、垛 c. 严密窑车接头和砂封，减少冷风漏入。 d. 可以采用高速烧嘴，加速气体循环，使上下温度均匀。2、料垛码法对流速和流量的影响 a. 码垛必须上秘下稀，增加阻力，削弱几何压头影响。 b. 料垛中要有一条平行于窑长方向的通道。 c. 需要留一条垂直于窑长方向的水平通道。 传热的方式：传导传热，对流传热和辐射传热。 传导：稳定导热和不稳定导热 对流：又分湍流对流传热和层流对流传热 辐射：又分固体辐射传热和气体辐射传热。 在某一地带，某一范围，某一条件下，总有一种传热起主要作用。 1. 隧道窑内的气体对流传热 对流传热是隧道窑预热带和冷却带的主要传热方式。要快速烧窑，提高对流传热是一个有效的途径

23、。二、隧道窑内传热 增大对流传热途径： （1） 扩大传热面积 （2） 提高气体温度 （3） 提高对流传热系数 2. 料垛空隙尺寸与对流传热关系 料垛空隙尺寸越大，对流传热系数也越大。3. 明焰隧道窑内的气体辐射传热 烧成带和预热带高温段主要靠燃烧产物辐射传热给制品。 固体辐射只限于表面很薄的一层，和体积厚度无关。 气体辐射是分子辐射，在整个体积内进行，和体积厚度有关。 固体辐射和材料成分关系小，气体辐射和可燃成分关系大。 稀码可以提高辐射能力，加速烧成。4. 取消料箱对传热的影响 装料箱的优点：是防止火焰直接冲刷制品， 又可以减少制品变形。 缺点：但装料箱后大大减低了气流给制品的对流传热和辐射

24、传热速度。5. 明焰隧道窑的综合传热 预热带和烧成带内气体传给制品的热量为： a. 气体以对流和辐射方式将热传给料箱外表面。 b. 料箱外表面以导热方式将热传给内表面。 c. 料箱内表面以辐射方式及箱内气流以对流方式将热传给制品。1. 预热带的温度控制 是保证制品自入窑起到第一对燃烧室止，能按升温曲线均匀地加热。 减少预热带上下温差的方法： 采用封闭气幕和扰动气幕。 窑车接头出要严密不漏气，砂封板接头要靠紧。 合理的码垛。7.4 操作控制 隧道窑的操作控制包括：温度、压力和气氛。 压力制度是温度制度和气氛制度的保证。一、各带温度的控制2. 烧成带的温度控制 是控制实际燃烧温度和最高温度点。 实

25、际火焰温度应高于制品烧成温度50100度。 最高温度点一般控制在最末一二对烧嘴之间。 前移：导致保温时间过长，易使制品过烧变形； 后移：保温不足，形成欠烧。3. 冷却带的温度控制 大于1000700度时可缓冷，需要阻挡入冷空气进入。 700400度慢冷，靠热风口排出热风。 40080度可急冷，直接鼓入冷风。 要求防止药内物料氧化，应该造成一定的还原气氛。 烧还原气氛的窑，在烧成带前一小段要控制氧化气氛，后一大段控制还原气氛，用氧化气氛幕来分隔这二段。 二、烧成带的气氛控制三、各带的压力控制 窑内最紧要的是控制烧成带两端的压力稳定。 如果窑内负压大，漏入的冷空气必多，一方面温度低，气体分层严重，

26、上下温差大，另一方面烧成带难以维持还原气氛。 如果窑内正压过大，则大量热气体向外界冒出，损失热量，恶化劳动条件。最理想的操作是维持零压。 控制烧成带零压面的位置十分重要，烧煤气，烧油或炉栅下鼓风烧煤的窑，零压面一般控制在烧成带和预热带的交界面附近，使烧成带全带处于微正压，容易烧还原气氛。 冷却带急冷和直接风冷鼓入的风必须和抽出的热风相平衡，也就是说鼓入之冷风应等于抽出之热风，才不致有冷风流入烧成带，使烧成带能控制最高烧成温度和还原气氛。1. 窑体主要尺寸及结构的计算燃料燃烧及燃烧设备的计算 通风设备及附属设施计算。7.5 隧道窑设计 隧道窑的设计计算包括三个部分： 一、原始资料收集1. 生产任务 年产量给定，设计时可考虑未来扩张。2. 产品的种类和规格 由设计任务给定3. 工作日 按窑的结构、设备性能、维修能力，确定连续工作时间。4. 成品率 根据窑结构，操作情况，产品类型决定。5. 燃料种类及组