全電熔窯爐課程設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書日產(chǎn)8噸硼硅玻璃全電熔窯爐的設(shè)計班級:無機(jī)1001 姓名：程小偉學(xué)號：3100703002 指導(dǎo)教師:陳彩鳳 時間：2013.7目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 前言3 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 電熔窯概述4 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 1.1玻璃電熔窯原理4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 12電熔窯的優(yōu)點(diǎn)5 HYPERLINK l

2、 bookmark32 o Current Document 設(shè)計任務(wù)與要求5電熔窯的設(shè)計631電熔窯的形狀與尺寸6 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 3.2電極的選擇與布置7 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3.3供電方式7電熔窯的計算74.1各原料用料的計算742電熔窯的熱電平衡 10 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 4.2.1生料熔化耗熱量的計算10 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document

3、4.2.2熟料加熱熔融耗熱量的計算12 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 4.2.3配合料水分蒸發(fā)耗熱量的計算13 HYPERLINK l bookmark113 o Current Document 窯體散熱計算13 HYPERLINK l bookmark120 o Current Document 5.1窯墻散熱計算14 HYPERLINK l bookmark127 o Current Document 5.2窯底散熱計算16 HYPERLINK l bookmark137 o Current Document 5.3窯爐上部結(jié)構(gòu)熱損

4、失 16 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 冷卻水帶走的熱量17 HYPERLINK l bookmark143 o Current Document 結(jié)語17參考文獻(xiàn)18前言自從1902年德國沃爾克(Voker)利用離子高溫導(dǎo)電取得玻璃電熔技術(shù) 專利后，世界上就揭開了玻璃電熔的一頁。在19201925年間，瑞典、挪 威先后將電熔窯投入生產(chǎn)后，玻璃電熔就正式進(jìn)入了工業(yè)領(lǐng)域。隨著全球能 源危機(jī)加劇，引起世界各國對能源有效開發(fā)利用的高度重視。玻璃制造業(yè)是 一個高耗能的行業(yè)，使用傳統(tǒng)的火焰爐生產(chǎn)高硼硅玻璃，一次性投入成本高， 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程中僅能源運(yùn)

5、行成本就占總成本的40%，且受熔爐結(jié)構(gòu)影響，產(chǎn) 品質(zhì)量的制約因素較多。由于電熔窯具有獨(dú)特明顯的優(yōu)越性，發(fā)展迅猛，遍及 世界各地,尤其是在電源豐富、電價低廉的地區(qū)和生產(chǎn)特種難熔的制品時。 進(jìn)入21世紀(jì)后，更成為玻璃熔窯改革的一個主要方向。各種計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，如AUTOCAD，提供了強(qiáng)有力的繪圖、設(shè)計、 圖像編輯和變換功能，能繪制各種二維和三維圖形，能有效的幫助設(shè)計人員 表達(dá)設(shè)計思路。計算機(jī)輔助設(shè)計在機(jī)械、化工、建筑、電氣、造船、輕工等 部門都得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。電熔窯概述玻璃在常溫下是很好的電介質(zhì)，它的電導(dǎo)率約為10-1310-15 (Qcm) -1隨著溫度的升高，電

6、阻逐漸降低，在200300C時，開始變得顯著起來， 溫度越高，電阻越低，電導(dǎo)率越高，在熔融狀態(tài)下可達(dá)0.11(Qcm) -1。 所謂全電熔窯是指配合料熔成導(dǎo)電介質(zhì)后，玻璃液本身成為電阻器件，實(shí)現(xiàn) 玻璃的連續(xù)熔化。電熔窯開始啟動時，是用氣體或液體燃料加熱，也有用輻 射元件加熱的。有時先向窯內(nèi)加入一層碎玻璃約500mm厚直到把最下層電極 淹沒，便向最下層電極通電，停止火焰加熱，并繼續(xù)加入配合料，使配合料 不斷熔化，玻璃液不斷上升，直至液面上升至規(guī)定高度。1.1玻璃電熔窯原理玻璃電熔技術(shù)是利用玻璃在高溫熔融狀態(tài)時的良好導(dǎo)電特性，在玻璃熔 體內(nèi)插入電極，通過電流的焦耳效應(yīng)，在玻璃熔體內(nèi)產(chǎn)生熱能，從而達(dá)

7、到熔 化玻璃和連續(xù)加熱的目的。玻璃液之所以具有導(dǎo)電性，主要是因?yàn)殡姾赏ㄟ^ 離子發(fā)生轉(zhuǎn)移。硅酸鹽玻璃具有一個遠(yuǎn)程無序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，除了共價鍵結(jié)合 的硅和氧原子外，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還包含玻璃改良劑離子，它們是相對自由的，特 別是堿金屬離子。在玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中結(jié)合能力最弱的也是堿金屬離子，它們 是電流載體。在石英玻璃和硼硅酸鹽玻璃種，只含有少量的堿金屬離子，因 此導(dǎo)電性差。在鈉鈣玻璃中除了離子數(shù)量外，離子的強(qiáng)度和離子的半徑也影 響玻璃液的導(dǎo)電性。與Na+相比，K+半徑較大，遷移受到的阻力也較大。相 反，Li+半徑比Na+半徑小，但由于Li+結(jié)合能力強(qiáng)，因此，Li+遷移Na+比困難。 所以，Na+最有利增加玻璃液

8、的導(dǎo)電性。1.2電熔窯的優(yōu)點(diǎn)（1）熱效率高：電能在玻璃液內(nèi)部變?yōu)闊崮埽Ａб罕慌浜狭细采w， 向周圍介質(zhì)散失的熱量可以降到最低限度，而且沒有煙氣帶出的熱損失。大 型窯爐的熱效率可達(dá)75%80%，小型電熔窯可達(dá)60%。（2）適合熔制高質(zhì)量玻璃：依靠窯的結(jié)構(gòu)，電極的位置，調(diào)節(jié)改變通 入的電流，熔制出的玻璃具有很高的均一性。（3）適合熔制含高揮發(fā)物組分的玻璃：由于在池深處加熱，玻璃液面 上有冷的配合料覆蓋層，在玻璃熔制和澄清過程中的揮發(fā)物，遇到冷的配合 料層即冷凝而被捕集。（4）電熔窯結(jié)構(gòu)簡單、管理方便：電熔窯不需要有關(guān)燃料的各項設(shè)備 以及蓄熱室換熱室等。而且電熔窯產(chǎn)房占地面積小，大修時間短。（5）避

9、免環(huán)境污染：電熔窯作業(yè)環(huán)境良好，沒有噴嘴和燃燒時的噪音， 沒有上部結(jié)構(gòu)的大量散熱，沒有煙氣帶出的SO2、NO2、CO、CO2等氣體和配 合料粉塵。設(shè)計任務(wù)與要求日產(chǎn)量8噸硼硅酸鹽玻璃，熔化工作溫度1650C。表1玻璃配方成分SiO2A12O3CaONa2OBO 2 3%80.52.10.34.512.6表2原料的化學(xué)成分（%）原料名稱SiO2A12O3CaONa2OBO 2 3砂巖98.400.760.21硼砂16.4536.21無水硼酸100化工 Al(OH) 365.38方解石56設(shè)配合料水分5%,配合料中熟料（碎玻璃）占20%；玻璃液電阻率11 Qcm； 電極材料為直徑50mm鉬棒，每支

10、電極水冷套吸收的熱損功率為2kw，窯型可取 雙室，供電方式可單相、兩相或三相，電極布置可水平、垂直。主要計算：各原料用量、電熱平衡、各層耐火材料選擇與厚度確定及界面溫 度檢驗(yàn)、電熔窯主要尺寸、電極數(shù)量及布置尺寸和電流密度檢驗(yàn)。電熔窯的設(shè)計3.1電熔窯的形狀與尺寸本次設(shè)計采用正方形的窯池。窯形取雙室。電熔窯的尺寸依據(jù)熔化面積 而定。窯池的熔化面積用下列公式計算：F = G 熔 K式中：G一熔窯的生產(chǎn)能力，t/dK一熔化率，kg/(m2.d)查閱相關(guān)手冊K取1.5則 F熔=K =8.0/1.5=5.33t.m2 / kg所以我們正方形的邊長為2.3m電熔窯熔化池最佳深度的確定。熔化池玻璃液的深度與

11、對角線比大致為1： 1,或玻璃液深度略大于對角線的長度。我們?nèi)‰娙鄹G的深度為3.3m。3.2電極的選擇與布置本設(shè)計選用的電極為直徑為50mm的鉬棒。電極采用垂直棒狀布置方式， 選用8根電極對稱分布于池底。3.3供電方式電熔窯所用的電源系統(tǒng)取決于電熔窯的形狀與尺寸。對于電熔窯的電源系統(tǒng)，只要系統(tǒng)設(shè)計得合理，單相，兩相，三相都可以。本設(shè)計采用三相供電系統(tǒng)。電熔窯的計算4.1各原料用料的計算設(shè)玻璃熔化溫度為1650C，配合料(不包含碎玻璃)水分5%。按玻璃的配方計算其配合料的組成，設(shè)原料均為干燥狀態(tài)，計算時不考慮水分問題。砂巖的用量:80.5 x100 = 81.809kg98.40同時由砂巖引入A

12、iq為：81.809x0.76% = 0.622kg同時由砂巖引入Na O為：81.809x0.21% = 0.172kg2硼砂的用量: 由于采用冷頂式的全電熔窯，揮發(fā)分可以通過冷凝回收不需要考慮原料的損失。由硼砂引入的Na O的量為：4.5-0.172=4.328kg2心28 x 100 = 26.310kg16.45同時由硼砂引入B2O3的量為：26.310 x36.21% = 9.527kg無水硼酸的用量: 同不考慮B2O3揮發(fā)。則無水硼酸的用量為:12.6-9.527 = 3.073kg化工氫氧化鋁的用量:由化工氫氧化鋁引入的Al2O3的量為：2.1-0.622 = 1.478kg所以

13、引入Al(OH)3量為:1.478 x 10065.38x 2 = 4.521kg方解石量的用量:0.3 x 10056= 0.536kg表3生產(chǎn)100kg玻璃時原料的用量原料名稱單位/kg砂巖81.809硼砂26.310表4熔制100kg玻璃實(shí)際原料用量百分比砂巖硼砂無水硼酸化工 Al(OH)3方解石合計70.37%22.63%2.64%3.89%0.46%99.99%氣體率：為了使玻璃液易于澄清和均化，配合料中必須含有一部分能受熱解 放出氣體的原料，如碳酸鹽、硼酸鹽和硫酸鹽、硼酸、氫氧化鋁等。玻璃瓶制品 配合料逸出的氣體量與配合料質(zhì)量之比，稱為氣體率。配合料的氣體率二116.249-100

14、116.249=13.98%玻璃產(chǎn)率為二 1-13.98% = 86.02%設(shè)玻璃每次配合料的量為500kg，碎玻璃的用量為20%，揮發(fā)損失的量 略去不計，則：碎玻璃用量：500 x 20% = 100kg粉料用量：500 x 80% = 400kg放大倍數(shù)：400 = 3.441116.249則500kg配合料中各原料的粉料用量二熔制100kg玻璃中各原料用量x放大倍數(shù)因原料中含有水分，則濕基用量二十基用量/ （1-水分）。配合粉料中含水量為5%，則加水量=粉料干基-濕基粉料1-含水量4.2電熔窯的電一熱平衡電熔窯是利用玻璃高溫導(dǎo)電，電流通過玻璃液自身加熱，在單位時間內(nèi)， 窯內(nèi)所產(chǎn)生的電熱效

15、應(yīng)，其熱量Q與通過玻璃液中的電流I平方成正比，與 電極間玻璃液電阻R成反比，根據(jù)焦耳一楞次定律可寫成：Q=Rt=U2t/R式中：U一電極間的電壓，V；t電流通過的時間，s；R一電極間玻璃液的電阻，Q。在全電熔窯內(nèi)配合料熔化所需的化學(xué)反應(yīng)熱Q窯體熱損失Q2 （包括 窯底，窯墻，上部結(jié)構(gòu)，孔洞等熱損失），電極和冷卻水所帶走的熱量q3, 以及其他熱損失Q4,均來自于電熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量Q,因此可建立電一一 熱平衡式如下：Q=Q1+Q2+Q3+Q4配合料中生料（即粉料）占80%,熟料（即碎玻璃）占20%，熟料/生料 =20/80=0.25，即1 kg生料中加熟料0.25 kg,可得到：1 13.98%

16、+0.25=1.110 kg 玻璃液因此熔化成1kg玻璃液需要生料量G生和熟料量G熟分別為：G =1：1.110=0.901kg生G =0.25：1.110=0.225kg熟熔化成1kg玻璃液需要配合料量：G + G 熟=0.901 + 0.225=1.126kg在熔化1 kg玻璃液中，由熟料熔化形成的玻璃液占0.225kg，由生料形 成的玻璃液占(1 0.225) =0.775kg。4.2.1生料熔化耗熱量的計算：玻璃液形成過程熱量的計算方法有多種，在物理熱的計算方面基本一 致，而在化學(xué)熱的計算方面提出了一種接近實(shí)際計算的方法。該法認(rèn)為，實(shí) 際生產(chǎn)時，配合料一入窯，立即被加熱到最高熔化溫度，

17、并在該溫度下進(jìn)行 反應(yīng)和熔融。馬特維耶夫從熱化學(xué)的觀點(diǎn)，按蓋斯定律，由反應(yīng)物和原始物 之間的熱焓差，制定了耗熱量與溫度的線性關(guān)系式：q = Ga H + Ga H式中：G-玻璃液成分中各氧化物的重量含量Gs-剩余的SiO2量斗一各氧化物熔融成硅酸鹽玻璃所消耗的熱量，千卡/千克氧化物Hs一加熱剩余氧化物所消耗的熱量，千卡/千克SiO2表5 100 kg濕粉料中形成氧化物的數(shù)量原料名稱形成玻璃的氧化物量的計算氧化物的數(shù)量(kg)SiO 2A12O3CaONaO2BO 2 3砂巖70.37X0.95X0.984=65.78265.78270.37X0.95X0.0076=0.5080.50870.3

18、7X0.95X0.0021=0.1400.140硼砂22.63X0.95X0.3621=7.7857.78523.51X0.95X0.1645=3.5373.537硼酸2.64X1.00=2.642.64Al(OH)33.89X0.95X0.6538=2.4162.416CaCO30.46X0.95X0.56=0.2450.245表6斗和Hs與溫度的關(guān)系式及1650 C下各物質(zhì)的耗熱量硅酸鹽類別單位耗熱量計算溫度為1650時的耗熱量CaO - SiO2554.7X 10-3t + 501.1kcal/kg CaO1416.335 HiNaO SiO221438.57X 10-3t + 245.

19、3kcal/kg Na2 O710.145Al23 * SiO2287.6X 10-3t 84.0kcal/kg Al2O32618.941 Hs加熱SiO2287.6X 10-3t 84.0kcal/kg Al2O3498.44以形成100 kg玻璃液計算熔化硼硅酸鹽玻璃耗熱SG.H ：CaO-CaO - SiO20.3X1416.335=424.907Al O -Al O SiO2.1X710.145=1491.3052 32 32Na2O-Na2OSiO24.5X2618.941=11785.235G H =424.907 + 1491.305 + 11785.235=13701.447

20、 kcal ii以形成100kg玻璃液計算加熱剩余SiO2耗熱G AH :引入 SiO 的數(shù)量：80.5/60=1.342 2引入 CaO 的數(shù)量：0.3/56 = 0.005357 引入阻0的數(shù)量：4.5/62X3=0.072582引入 A12O3 的數(shù)量：2.1/102 = 0.02059剩余 SiO 數(shù)為：1.342 0.005357 0.21774 0.02059=1.098 2G H =1.098X60X498.44=32837.23 kcalss生成1千克的玻璃液時生料熔化熱量q :1q = G(ZG aH + G aH)1 生iiss=0.775X (13701.447 + 32

21、837.23):100=360.67kca1/kg 玻璃液4.2.2熟料加熱熔融耗熱量的計算:c a t + 知真-0.00146t +1a = 0.01Z G ac 廣 0.01GC表7系數(shù)a與C的值ii氧化物aCSiO20.0004680.1657A12030.0004530.1765CaO0.0004100.1709BO 2 30.0005980.1935Na2O0.0008290.2229a =0.01(80.5X0.000468 + 2.1X0.000453 + 0.3X0.000410 +4.5X0.000829+12.6X0.000598)=0.0005001c =0.01(80

22、.5X0.1657 + 2.1X0.1765 + 0.3X0.1709+12.6X0.1935 平+ 4.5X0.2229) =0.1720C = 以七 十。平 =(0.0005001X1650+0.1720) / (0.00146X1650+1) 真 0.00146t +1=0.2925 kcal/kg C假設(shè)入窯時物料的溫度為25C，則q = G熟 C 真(t 熔-t)=0.225X0.2925X(1650-25) =106.95 kcal/kg4.2.3配合料水分蒸發(fā)耗熱量的計算：q= 595 G G水 =595 X 0.901 X 0.05=26.80 kcal/kg 玻璃液所以，形成

23、1kg玻璃液需耗熱量q計算考慮到結(jié)晶水排除，多晶轉(zhuǎn)變， 玻鹽類分解生成復(fù)鹽等耗熱量，將q加大3%。1q = 1.03 - q + q + q = 1.03X360.67 + 106.95 + 26.80= 505.24kcal/kg玻璃液Q = G - q = (8X1000kg) / (24X3600s)X505.24X4.186=195.83 kW 熔玻窯體散熱計算窯體散熱有兩種計算方法，當(dāng)已知窯體內(nèi)外表面溫度時，每小時通過多層屏蔽的熱量按下式計算:tw，1-12也+_!1氣以2式中：tw,1 窯墻內(nèi)墻表面溫度(C)；t2 周圍空氣的溫度(C)；8 .一各層轉(zhuǎn)的厚度(m),入一各層磚的導(dǎo)熱

24、系數(shù)(kcal/mhC);i。2一窯墻外表面對空氣的傳熱系數(shù)(kcal/m2h).當(dāng)用人工鼓風(fēng)時，窯強(qiáng)外壁周圍進(jìn)行自然對流時，傳熱系數(shù)可按下式計算：a = 2.244 rrr + 4-02* w，22t + 273 t + 273()4 一 ( )4t100100計算窯底時，系數(shù)改為1.4；計算窯頂時，系數(shù)改為2.8。5.1窯墻散熱計算電熔鋯英石磚；300 mm (1300X400X300)鋯英砂搗打料；50 mm硅磚；230 mm (230X114X65)輕質(zhì)粘土磚；113 mm最接近窯池的熔融溫度為1650 C，即t1 = 1650 C。為了確定合適的 導(dǎo)熱系數(shù)入，估計 t2 = 1400

25、 C，t3 = 1380 C，t4= 1150 C，t5 = 150 C。 (查硅酸鹽手冊根據(jù)溫度系數(shù)確定導(dǎo)熱系數(shù))(t1+t2)/2 = 1525 C(t2+t3)/2 = 1390C(t3+t4)/2 = 1265C(t4+t5)/2 = 650C入 1 = 2.276 w/ mC入 2 = 4.672w/m C入 3 = 1.806w/m C入 4= 0.196w/m C窯墻外表面對空氣的傳熱系數(shù)a2 (kcal/m2h )，參考公式o o/l T1-4.0 t + 273 t + 273a = 2.244 t - t + ( )4 一( )42V 可，2 2 tL 100 I 100a

26、 = 2.244/150-30+ 4.0150+273(30+273150-3010010015.144kcal/m2 h即a = 17.668w/m2。 2t -1S12 1乙無+az=1i 2通過窯墻散失的熱量，參考公式:1650 300.30.050.23+ 2.276 4.672 1.8060.1131+0.196 17.668= 1792.92w / m2通過4】檢驗(yàn)各層耐火材料界面溫度：T1 = 1650CT2 =t1 q161/入 1=1650 1793X0.3/2.276 =1414CT3 =t2 q162/入2=14141793X0.05/4.672= 1395CT4 =t3 q163/入 3=1395 1793X0.23/1.806=1167CT5 =t4 q164/入4=1167 1793X0.113/0.196= 133C界面溫度與假設(shè)的界面溫度基本符合