燒結混合料干燥過程的解析研究

賈馮睿， 柳 璐， 王春華， 高 媛， 孫文卓， 董 輝

（1.遼寧石油化工大學，遼寧撫順113001；2.航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州730050；3.東北大學國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，遼寧沈陽110004）

在中國，鋼鐵行業(yè)是僅次于電力行業(yè)居第二位的高耗能行業(yè)，而燒結工序的能耗占鋼鐵企業(yè)總耗能的15%左右，且比國際先進水平高19%左右，其主要原因是該工序的余熱資源回收率過低，因此，回收利用燒結工序的余熱資源成為鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排最有效的途徑之一［1］。燒結工序的余熱資源主要由燒結產(chǎn)品顯熱以及燒結煙氣顯熱兩部分組成，分別占該工序總熱量輸入的40%～45%和20%～25%，因此，在熱力學第一、二定律的理論分析與現(xiàn)場測試的基礎上，提出了燒結工序余熱資源分級回收與梯級利用的具體方案和技術［2－6］。其中，在燒結產(chǎn)品顯熱回收方面，設計了燒結礦冷卻裝置用于提升熱能品位［7］，分析了主蒸汽參數(shù)與余熱發(fā)電系統(tǒng)最大發(fā)電能力的關系［8］，對比了中低品位余熱資源高效回收裝置系統(tǒng)［9］，指出了冷卻空氣流量與燒結礦料層厚度是影響冷卻過程的主要因素，同時，燒結礦粒徑、孔隙率和進口風溫也有一定的影響［10－12］；在燒結煙氣顯熱回收方面，通過燒結混合料干燥實驗，研究了干燥介質流量和溫度對干燥過程的影響［13－14］，分析了燒結料層的溫度分布［15］，然而，鮮有文獻從機理角度分析燒結混合料的干燥過程，基于此，本文擬通過建立燒結混合料的一維錯流干燥解析模型，分析燒結混合料干燥過程的規(guī)律以及主要影響因素，從而為燒結工序中燒結混合料的干燥過程的控制提供一定的理論依據(jù)。

1 模型的建立與驗證

1.1 基本假設

燒結混合料在干燥床上有序地依次緩慢移動（0.07～0.09m／s），與來自鼓風機的熱風作“錯流”接觸流動，屬物料移動型穿流式干燥。為簡化計算，做如下假設：

（1）忽略設備的熱損失，不考慮燒結混合料顆粒內的溫度梯度，熱空氣與燒結混合料料之間傳遞的熱量和水分不考慮相變的影響；

（2）沿料層厚度方向物料濕含量不發(fā)生變化；

（3）干燥床移動速度較慢，可將其視為固定床；

（4）燒結混合料粉末不受熱風風速的影響而飛濺。

1.2 干燥過程數(shù)學模型

熱風由上至下穿流通過燒結混合料層，并將熱量傳遞給燒結混合料，同時燒結混合料又將其蒸發(fā)的水分添加給熱空氣。熱空氣的溫、濕度受經(jīng)過料層的深度影響，因此，燒結混合料的干燥速率也將隨料層的增加而降低。當床層中的燒結混合料顆粒的濕含量均高于臨界濕含量時，熱空氣的狀態(tài)將沿著濕度圖上的絕熱冷卻線變化，而燒結混合料層溫度將維持進氣狀態(tài)下的濕球溫度不變。燒結料床的截面示意圖如圖1所示。

Fig.1 Schematic cross section for sintering bed圖1 燒結料床截面示意圖

根據(jù)上述情況，在恒速干燥階段則有［16－17］：

速度方程：

能量方程：

質量方程：

對上式進行積分，求得干燥速率為：

干燥時間為：

根據(jù)基本假設，可認為燒結混合料干燥的降速階段呈線性變化，如圖2所示。在降速干燥段則有［18］：

干燥速率為：

干燥時間為：

Fig.2 Drying curve characteristics with the linear falling－rate stage圖2 線性降速段的干燥速率曲線

1.3 模型驗證

燒結混合料的干燥過程解析結果通過洞道穿流實驗進行驗證，熱風溫度分別在70℃和90℃情況下，驗證結果如圖3所示。模擬值與實驗測試值比較接近，相對誤差不超過5%，模型結果與實驗結果基本吻合，說明該模型能夠用于分析燒結混合料的干燥規(guī)律及其主要影響因素。

Fig.3 Analytical and experimental results comparison圖3 模擬結果與實驗結果比較

2 結果與討論

2.1 熱風溫度的影響

熱風溫度對燒結混合料的干燥過程具有比較顯著的影響，如圖4所示。熱風溫度從50℃提高到200℃的過程中，對燒結混合料的干燥過程表現(xiàn)出較大的影響，而當熱風溫度從200℃并繼續(xù)提高至350℃的過程中，這種影響的幅度變小。因此在實際生產(chǎn)中，建議溫度為200～300℃。

Fig.4 Drying curve and drying curve characteristics（hot air temperature）圖4 干燥曲線和干燥特性曲線（熱風溫度）

2.2 熱風風速的影響

在燒結生產(chǎn)實際過程中，載有燒結混合料的臺車在進入到點火爐前的干燥段長度一般為5～6m，臺車的移動速度約為0.058m／s，因此，實際的燒結混合料的干燥時間約為86～103s。鑒于燒結工序中的干燥溫度是200～250℃，燒結混合料的適宜含水率在3%左右，因此，如圖5所示，建議干燥風速在1.5m／s左右。

Fig.5 Drying curve and drying curve characteristics（hot air rate）圖5 干燥曲線和干燥特性曲線（熱風風速）

2.3 孔隙率的影響

燒結混合料的干燥時間隨孔隙率的減小而增加，但干燥速率變化不大，說明孔隙率的減小阻礙了燒結混合料的干燥過程，但不是很明顯，如圖6所示。理論上講，孔隙率是對熱風流動有很大阻力的，但由于本研究中進行的是單一因素分析，因此，這一影響因素并不明顯。

Fig.6 Drying curve and drying curve characteristics（porosity）圖6 干燥曲線和干燥特性曲線（孔隙率）

4.4 顆粒平均直徑的影響

燒結混合料顆粒的平均直徑影響其總的干燥面積，同時也影響熱風穿過燒結混合料層的速率，顆粒的平均直徑越小對熱風的阻力越大，在熱風風速一定的情況下，這一影響因素并不明顯。從圖7可以看出，干燥時間隨平均直徑的減小而減少，恒速段變化較大，降速段越來越趨于相同，說明燒結混合料粒徑對整個干燥過程影響不大，僅對恒速段有一定影響，因此考察恒速段時這一因素不可忽略。

3 結束語

（1）燒結料在干燥過程有較短的恒速干燥段和較長的降速干燥段，且降速干燥段干燥速率近似為直線。

（2）熱風溫度和流量、料層空隙率和粒徑是干燥過程的主要影響因素，其中，熱風溫度和流量對干燥過程的影響遠遠大于料層空隙率和粒徑的影響。

（3）熱風溫度在小于200℃時對干燥影響較大，溫度大于250℃時，尤其是大于300℃時，幾乎沒有影響，建議熱風溫度在200～250℃。

（4）溫度在200～300℃，為了獲得適宜含水率，建議干燥風流量在1.5m／s以上。

Fig.7 Drying curve and drying curve characteristics（average diameter particles）圖7 干燥曲線和干燥特性曲線（平均粒徑）

符號說明

Tg，in，Tg，out，Tw—干燥床層中進、出氣體的溫度、濕球溫度，K；H1，H2—進出氣體的含濕量，kg／kg；L—干燥床層厚度，m；U，Uc—干燥速率、恒速段干燥速率，kg／（m2·s）；X1，X，Xc，ˉXc—燒結混合料的初始含水率、燒結混合料含水率、臨界含水率、平均含水率，kg／kg；Gg—熱風的質量流速，kg／（m2·h）；Cg—熱風的比熱，kJ／（kg·K）；h—對流換熱系數(shù)，W／（m3·K）；A—接觸面積，m2；ρs—燒結混合料密度，kg／m3；ΔH—水的汽化潛熱，kJ／kg；Nг—傳熱單元數(shù)，無因次；t—燒結混合料的干燥時間，s；Ka—料層干燥阻力系數(shù)。

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