張四宗,溫治,劉訓(xùn)良,張輝,王帥,劉曉宏
(北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,北京,100083)
能耗高是鋼鐵行業(yè)的一個(gè)重要特征[1?3]。在整個(gè)鋼鐵工業(yè)中,燒結(jié)工序的能耗約占總能耗的10%~15%[4]。然而,燒結(jié)礦余熱約占整個(gè)燒結(jié)工序余熱資源的70%[5]。因此,燒結(jié)礦余熱的高效回收是降低燒結(jié)工序能耗最有效的途徑[6?7]。目前,主要利用環(huán)冷工藝回收燒結(jié)礦余熱。然而,環(huán)冷機(jī)的漏風(fēng)率高達(dá)35%~50%[6],且冷卻空氣只能被加熱到150~380 ℃,導(dǎo)致余熱回收率不足30%[7]。
針對(duì)現(xiàn)有冷卻工藝的不足,基于干熄焦工藝[8?10]提出了燒結(jié)礦豎罐式冷卻工藝(簡(jiǎn)稱豎冷工藝)[7]。首先,豎冷工藝的漏風(fēng)率接近于零,大幅降低了顆粒污染物的排放;其次,豎冷工藝可將冷卻空氣加熱到500~550 ℃,將余熱回收率提高到80%左右[7]。豎冷工藝的可行性主要取決于氣體阻力和氣固傳熱特性2個(gè)方面[11]。氣體阻力特性不僅影響著氣固傳熱效率,還直接決定著風(fēng)機(jī)的功率和能耗。因此,研究氣體阻力特性對(duì)于評(píng)價(jià)豎冷工藝的經(jīng)濟(jì)性和可行性十分重要。在實(shí)際生產(chǎn)中燒結(jié)礦的形狀極不規(guī)則,粒度分布廣,具有多粒級(jí)混合的特點(diǎn)[12]。本質(zhì)上,燒結(jié)礦余熱回收罐是一種不規(guī)則大顆粒的非均質(zhì)填充床[13]。
目前,國(guó)內(nèi)外大量研究了顆粒填充床內(nèi)氣體阻力特性。其中,ERGUN的研究最具代表性,并提出了著名的ERGUN 方程[14]。為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同顆粒填充床內(nèi)氣體阻力,學(xué)者們從壁面效應(yīng)[15?17]、顆粒形狀[18?22]和粒徑分布[21?25]等角度修正ERGUN 方程。當(dāng)床層直徑D與顆粒直徑dp之比(D/dp)大于10 時(shí),可以忽略壁面對(duì)氣體阻力的影響[15]。原始的ERGUN 方程可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)球形顆粒填充床內(nèi)氣體阻力,但在預(yù)測(cè)不規(guī)則顆粒時(shí)存在較大偏差[18,20?21]。粒度的多分散性增強(qiáng)了局部結(jié)構(gòu)和氣體流動(dòng)的不均勻性,導(dǎo)致氣體的阻力和湍流程度增加[25]。以往研究大多集中于規(guī)則的小顆粒(粒徑為0.5~22.0 mm),而對(duì)于不規(guī)則大顆粒的研究較少。
因此,一些學(xué)者對(duì)燒結(jié)礦填充床氣體阻力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[11?13,26?33],發(fā)現(xiàn)用ERGUN方程得到的氣體阻力預(yù)測(cè)值比單粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體阻力的實(shí)測(cè)值低40%左右[12]。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)單粒級(jí)燒結(jié)礦床層內(nèi)氣體阻力,將阻力系數(shù)分別修正為床層直徑與粒徑之比D/dp[11,26]和空隙率ε[13]的函數(shù)。此外,TIAN 等[28?29]還考慮了壁面效應(yīng)來(lái)修正阻力系數(shù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)D/dp≥19時(shí),壁效應(yīng)可以被忽略,而當(dāng)D/dp<19 時(shí),壁面限制引起的空隙率效應(yīng)大于壁面摩擦效應(yīng),導(dǎo)致氣體阻力降低。此外,田付有等[31]發(fā)現(xiàn)雙粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體流動(dòng)比單粒級(jí)燒結(jié)礦更紊亂,將粒徑小于10 mm 的燒結(jié)礦碎料摻混到多粒級(jí)燒結(jié)礦混料中會(huì)導(dǎo)致填充床內(nèi)氣體阻力增加2~3倍[32]。但當(dāng)摻混比例大于15%時(shí),摻混比增加對(duì)氣體阻力的影響不再顯著[33]。然而,以往研究大多針對(duì)單粒級(jí)燒結(jié)礦組成的均質(zhì)填充床,與燒結(jié)礦豎罐式冷卻工藝中多粒級(jí)燒結(jié)礦混合的工業(yè)實(shí)際不相符。為此,本文采用實(shí)驗(yàn)方法研究了單粒級(jí)和多粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體阻力特性,并獲得了氣體阻力預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式,從而為準(zhǔn)確地評(píng)估燒結(jié)礦豎罐式冷卻工藝提供依據(jù)。單粒級(jí)燒結(jié)礦,如圖2所示。
圖2 燒結(jié)礦的實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photographs of sinter
利用自制的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體阻力,實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示[34]。填充床的高度和直徑分別為1 000 mm和400 mm。實(shí)驗(yàn)中選用變頻風(fēng)機(jī)精確地控制鼓入床層的氣體流量,采用渦街流量計(jì)測(cè)量氣體的流量,并利用壓力變送器測(cè)量不同位置處的氣體壓力?;诠I(yè)實(shí)際,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中氣體的運(yùn)行狀態(tài),詳見(jiàn)文獻(xiàn)[34]。儀器的基本參數(shù)如表1所示。
圖1 燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體阻力實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of experimental apparatus for measuring gas resistance in sinter packed bed
表1 實(shí)驗(yàn)儀器的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of experimental instruments
研究所用的燒結(jié)礦顆粒取自邯鄲鋼鐵有限公司的2 號(hào)燒結(jié)機(jī)。測(cè)試中燒結(jié)礦粒度范圍為5~60 mm[12,34],包括未篩分的多粒級(jí)燒結(jié)礦和篩分的
為了更好地表征燒結(jié)礦,利用實(shí)驗(yàn)手段獲得了燒結(jié)礦的顆粒特性參數(shù)。對(duì)于每種單粒級(jí)燒結(jié)礦,顆粒的表觀密度ρa(bǔ),s和當(dāng)量粒徑dp,s可分別利用靜力學(xué)天平根據(jù)排水法[12,31]和等效球體積法[12,28,30]測(cè)定,如式(1)和式(2)所示:
式中:ρa(bǔ),s為單粒級(jí)燒結(jié)礦的表觀密度,kg/m3;m1為干燒結(jié)礦質(zhì)量,kg;m2為燒結(jié)礦+試驗(yàn)籃在水中質(zhì)量,kg;m3為濕燒結(jié)礦的質(zhì)量,kg;m4為試驗(yàn)籃在水中的質(zhì)量,kg;ρw為試驗(yàn)溫度下蒸餾水密度,kg/m3;dp,s為單粒級(jí)燒結(jié)礦的當(dāng)量粒徑,m;ms為單顆單粒級(jí)燒結(jié)礦的質(zhì)量,kg。
對(duì)于由多種單粒級(jí)燒結(jié)礦組成的多粒級(jí)燒結(jié)礦,其表觀密度ρa(bǔ),m和當(dāng)量粒徑dp,m可分別通過(guò)式(3)[31]和式(4)[22]計(jì)算:
式中:ρa(bǔ),m為多粒級(jí)燒結(jié)礦的表觀密度,kg/m3;dp,m為多粒級(jí)燒結(jié)礦的當(dāng)量粒徑,m;wi,ρa(bǔ),si和dp,si分別為多粒級(jí)燒結(jié)礦中某單粒級(jí)燒結(jié)礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、表觀密度和當(dāng)量粒徑,單位分別為%,kg/m3和m。
燒結(jié)礦的堆積密度ρb利用直徑為400 mm的有機(jī)玻璃容器通過(guò)直接稱重法[12,31]測(cè)得,計(jì)算如下:
式中:ρb為燒結(jié)礦的堆積密度,kg/m3;M1為某一批燒結(jié)礦和容器質(zhì)量,kg;M2為空試驗(yàn)容器的質(zhì)量,kg;R和L分別為試驗(yàn)容器的半徑和燒結(jié)礦料層的填充高度,m。
床層的空隙率ε和顆粒的形狀因子φ可分別通過(guò)式(6)[12,28,31]和式(7)[22]計(jì)算:
在測(cè)試中,基于當(dāng)量粒徑設(shè)計(jì)了6 種由11 種單粒級(jí)燒結(jié)礦組成的多粒級(jí)燒結(jié)礦,如表2所示。圖3所示為6種多粒級(jí)燒結(jié)礦的粒度組成。本研究還測(cè)量了11 種單粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體阻力作為對(duì)照,如表3所示。利用上述方法測(cè)定的11 種單粒級(jí)燒結(jié)礦和6種多粒級(jí)燒結(jié)礦的顆粒特性參數(shù)如圖4所示。
圖4 燒結(jié)礦的顆粒特性參數(shù)Fig.4 Particle characteristic parameters of sinter
表2 6種多粒級(jí)燒結(jié)礦的試驗(yàn)工況參數(shù)Table 2 Experimental condition parameters of six kinds of multi-size sinter
表3 11種單粒級(jí)燒結(jié)礦的試驗(yàn)工況參數(shù)Table 3 Experimental condition parameters of 11 kinds of mono-size sinter
圖3 6種多粒級(jí)燒結(jié)礦的粒度組成Fig.3 Particle size composition of six kinds of multi-size sinter
表4所示為根據(jù)誤差傳遞理論[30]計(jì)算的本研究中主要參數(shù)的相對(duì)不確定度,具體介紹詳見(jiàn)文獻(xiàn)[34]。例如雷諾數(shù)Rep的相對(duì)不確定可通過(guò)下式獲得:
表4 主要參數(shù)的相對(duì)不確定度Table 4 Relative uncertainty of main parameters
圖5所示為不同單粒級(jí)和多粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)單位高度氣體阻力(ΔP/L)隨著氣體速度(ug)的變化。由圖5(a)可見(jiàn):隨著ug增加,ΔP/L逐漸增大且與二次函數(shù)擬合良好。所有曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.992。這與文獻(xiàn)[11,13,26 和27]的結(jié)論一致。隨著ug增加,氣體與顆粒之間的碰撞加劇,造成氣體流動(dòng)的紊亂程度增加。因此,氣體流動(dòng)的阻力急劇增加。此外,擬合函數(shù)的系數(shù)a和b隨著粒度增大而減小,歸因于床層空隙率隨著粒度增大而增大。
由圖5(b)可見(jiàn):多粒級(jí)燒結(jié)礦的ΔP/L也隨著ug增大呈二次關(guān)系增加。擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.994。這表明氣體速度對(duì)多粒級(jí)燒結(jié)礦和單粒級(jí)燒結(jié)礦ΔP/L的影響相同,但不同當(dāng)量粒徑擬合函數(shù)的系數(shù)a和b并不一致。6 種多粒級(jí)燒結(jié)礦的粒度組成不同,導(dǎo)致填充床內(nèi)顆粒的堆積結(jié)構(gòu)不同。因此,多粒級(jí)燒結(jié)礦的粒度分布會(huì)直接影響著填充床內(nèi)氣體阻力。
圖5 不同單粒級(jí)和多粒級(jí)燒結(jié)礦的單位高度氣體阻力(ΔP/L)隨著氣體速度(ug)的變化Fig.5 Change of gas resistance per unit height(ΔP/L)for different mono-size and multi-size sinters with gas velocity(ug)
2.2.1 當(dāng)量粒徑對(duì)單粒級(jí)燒結(jié)礦氣體阻力的影響
圖6所示為當(dāng)量粒徑(dp,s)對(duì)單粒級(jí)燒結(jié)填充床內(nèi)單位高度氣體阻力(ΔP/L)的影響。由圖6可知:
圖6 當(dāng)量粒徑(dp,s)對(duì)單粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)單位高度氣體阻力(ΔP/L)的影響Fig.6 Influence of equivalent particle size(dp,s)on gas resistance per unit height(ΔP/L)in packed bed with mono-size sinter
1)不同氣體速度下,ΔP/L隨著dp,s增加而降低,且與指數(shù)函數(shù)擬合良好。所有曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.993。這與文獻(xiàn)[11,13,27]的結(jié)果一致。由于床層空隙率隨著dp,s增大而增加,且較大空隙率床層內(nèi)氣體流動(dòng)的紊亂程度和比表面積較低,從而導(dǎo)致慣性阻力和黏性阻力降低。
2)ΔP/L的衰減幅度為氣體阻力ΔP/L對(duì)當(dāng)量粒徑dp,s的導(dǎo)數(shù),也隨著dp,s增加而下降。這歸因于床層空隙率增加幅度也隨著dp,s增加而減小。
2.2.2 當(dāng)量粒徑對(duì)多粒級(jí)燒結(jié)礦氣體阻力的影響
圖7所示為當(dāng)量粒徑(dp,m)對(duì)多粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)單位高度氣體阻力(ΔP/L)的影響。由圖7(a)可見(jiàn):不同氣體速度下,ΔP/L也隨著dp,m增加而降低。但圖7(b)表明ΔP/L衰減幅度隨著dp,m增大先上升后下降,這不同于當(dāng)量粒徑對(duì)單粒級(jí)燒結(jié)礦ΔP/L的影響。如在氣體速度為1.6 m/s 的工況下,當(dāng)dp為11.20,19.20 和31.20 mm 時(shí),ΔP/L的衰減幅度分別為123.29,238.91和18.92 Pa·m?1·mm?1。
圖7 當(dāng)量粒徑(dp,m)對(duì)多粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)單位高度氣體阻力(ΔP/L)的影響Fig.7 Influence of equivalent particle size(dp,m)on gas resistance per unit height(ΔP/L)in packed bed with multi-size sinter
對(duì)于多粒級(jí)燒結(jié)礦而言,小粒度燒結(jié)礦會(huì)填充在大粒度燒結(jié)礦顆粒的間隙中[22],導(dǎo)致床層內(nèi)空隙分布不均勻[25]。因此,多粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體阻力不僅取決于床層空隙率,還受粒度組成的影響。由于小粒度燒結(jié)礦(5~10 mm)的摻混會(huì)導(dǎo)致多粒級(jí)燒結(jié)礦的氣體阻力急劇上升[32?33],因此,對(duì)于dp,m較小的多粒級(jí)燒結(jié)礦而言,小粒度燒結(jié)礦的比例是ΔP/L變化的主導(dǎo)因素。在dp,m為11.20 mm的多粒級(jí)燒結(jié)礦中,(5,10]mm 的單粒級(jí)燒結(jié)礦比例高達(dá)24.57%。隨著dp,m從11.20 mm 增至19.20 mm,小粒度燒結(jié)礦的比例逐漸下降,導(dǎo)致ΔP/L的降低幅度隨著dp,m增加而增大,這與彭巖等[33]的研究結(jié)果類似。而當(dāng)多粒級(jí)燒結(jié)礦的dp,m增大到23.20 mm 時(shí),(5,10]mm 的小粒度燒結(jié)礦比例只有5.31%。因此,對(duì)于dp,m較大的多粒級(jí)燒結(jié)礦而言,ΔP/L變化的主導(dǎo)因素不再是小粒度燒結(jié)礦,而是床層空隙率。從圖4(b)可知,隨著dp,m從19.20 mm 增至31.20 mm,多粒級(jí)燒結(jié)礦床層空隙率的增加幅度逐漸減小,這導(dǎo)致ΔP/L的衰減幅度隨著dp,m繼續(xù)增大而降低。
為了便于研究結(jié)果的應(yīng)用,將床層內(nèi)單位高度氣體阻力ΔP/L與各參數(shù)之間的關(guān)系擬合成類似于ERGUN方程的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式:
由于燒結(jié)礦的形狀非常不規(guī)則,因此,將形狀因子φ考慮到修正的關(guān)聯(lián)式中,如下式所示[11,28]:
根據(jù)文獻(xiàn)[11?13,26?30]可知,主要是通過(guò)修正黏性阻力系數(shù)k1和慣性阻力系數(shù)k2來(lái)改進(jìn)阻力經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。因此,將式(10)除以黏性阻力項(xiàng)得到:
為了簡(jiǎn)化上式,引入2個(gè)量綱一參數(shù)即阻力因子fp和顆粒雷諾數(shù)Rep:
則式(11)可簡(jiǎn)化為量綱一公式:
根據(jù)式(14)可知,fp和Rep呈線性關(guān)系。
首先,將圖5(a)中單位高度氣體阻力ΔP/L數(shù)據(jù)和圖4(a)中顆粒特性參數(shù)代入式(12)和(13)中,即可獲得不同單粒級(jí)燒結(jié)礦的阻力因子fp和顆粒雷諾數(shù)Rep。其次,利用最小二乘法對(duì)fp和Rep進(jìn)行線性擬合,得出不同粒度燒結(jié)礦的黏性阻力系數(shù)k1和慣性阻力系數(shù)k2,如表5所示。所有的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.994 2,表明每個(gè)粒度燒結(jié)礦的fp均與Rep呈良好的線性關(guān)系。由于空隙率ε是與顆粒特性相關(guān)的量綱一參數(shù),因此將其引入到k1和k2的擬合函數(shù)中,如圖8(a)所示。因此,單粒級(jí)燒結(jié)礦阻力因子fp的表達(dá)式如下:
表5 不同單粒級(jí)和多粒級(jí)燒結(jié)礦的黏性阻力系數(shù)k1和慣性阻力系數(shù)k2Table 5 Viscous resistance coefficient k1 and inertial resistance coefficient k2 of different mono-size and multi-size sinters
圖8(b)所示為式(15)獲得的單粒級(jí)燒結(jié)礦單位高度氣體阻力的預(yù)測(cè)值ΔP/Lcal和實(shí)測(cè)值ΔP/Lexp的對(duì)比。由圖8(b)可見(jiàn):?jiǎn)挝桓叨葰怏w阻力ΔP/L的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合良好,平均和最大不確定度分別為3.59%和12.07%。因此,式(15)可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)單粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體阻力。
圖8 單粒級(jí)燒結(jié)礦氣體阻力關(guān)聯(lián)式的分析Fig.8 Analysis of gas resistance correlation of mono-size sinter
利用單粒級(jí)燒結(jié)礦的阻力關(guān)聯(lián)式即式(15)預(yù)測(cè)6 種多粒級(jí)燒結(jié)礦的氣體阻力,如圖9所示。由圖9可見(jiàn):?jiǎn)挝桓叨葰怏w阻力預(yù)測(cè)值ΔP/Lcal和實(shí)測(cè)值ΔP/Lexp的平均不確定度和最大不確定度分別高達(dá)24.58%和67.4%,且實(shí)測(cè)值大多高于預(yù)測(cè)值。因此,單粒級(jí)燒結(jié)礦的阻力關(guān)聯(lián)式不適用于多粒級(jí)燒結(jié)礦氣體阻力的預(yù)測(cè)。多粒級(jí)燒結(jié)礦的粒度分布比單粒級(jí)燒結(jié)礦的更寬,造成多粒級(jí)燒結(jié)礦床層的空隙分布更不均勻[25]。這導(dǎo)致多粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體流動(dòng)更加紊亂[35?36]。因此,利用單粒級(jí)燒結(jié)礦阻力關(guān)聯(lián)式計(jì)算的預(yù)測(cè)值比多粒級(jí)燒結(jié)礦的實(shí)測(cè)值平均低25%左右。
圖9 式(15)獲得的多粒級(jí)燒結(jié)礦的氣體阻力預(yù)測(cè)值ΔP/Lcal與實(shí)測(cè)值ΔP/Lexp的對(duì)比Fig.9 Comparison between predicted value ΔP/Lcal obtained by Eq.(15)and experimental value ΔP/Lexp of gas resistance for multi-size sinter
基于此,利用最小二乘法對(duì)多粒級(jí)燒結(jié)礦的阻力因子fp和顆粒雷諾數(shù)Rep進(jìn)行了線性擬合,如表5所示。所有的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.982 9,表明每種多粒級(jí)燒結(jié)礦的fp與Rep都具有良好的線性關(guān)系。同樣地,將黏性阻力系數(shù)k1和慣性阻力系數(shù)k2擬合為空隙率ε的函數(shù),如圖10(a)所示。根據(jù)2.2.2 節(jié)的分析可知,當(dāng)量粒徑dp大于和小于19.20 mm時(shí),多粒級(jí)燒結(jié)礦氣體阻力的主要影響因素不同。
圖10 多粒級(jí)燒結(jié)礦氣體阻力關(guān)聯(lián)式的分析Fig.10 Analysis of gas resistance correlation of multi-size sinter
因此,將多粒級(jí)燒結(jié)礦的fp分段表示:
圖10(b)所示為式(16)獲得的多粒級(jí)燒結(jié)礦床層內(nèi)氣體阻力預(yù)測(cè)值ΔP/Lcal和實(shí)測(cè)值ΔP/Lexp之間的比較。由圖10(b)可見(jiàn):氣體阻力的預(yù)測(cè)值均勻地分布在實(shí)測(cè)值兩側(cè),且平均不確定度為3.39%。這表明式(16)可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)多粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體阻力。
1)氣體速度對(duì)單粒級(jí)和多粒級(jí)燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體阻力的影響相同,即單位高度氣體阻力(ΔP/L)均隨著氣體速度增加呈二次關(guān)系增加。
2)單粒級(jí)燒結(jié)礦的ΔP/L隨當(dāng)量粒徑(dp)增大呈指數(shù)降低,ΔP/L衰減幅度逐漸減小。雖然多粒級(jí)燒結(jié)礦的ΔP/L也隨著dp增加而降低,但由于粒度組成和床層空隙率的綜合作用,導(dǎo)致ΔP/L的衰減幅度呈先上升后下降趨勢(shì)。
3)單粒級(jí)燒結(jié)礦和多粒級(jí)燒結(jié)礦阻力關(guān)聯(lián)式可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體阻力,平均不確定度分別為3.59%和3.39%。多粒級(jí)燒結(jié)礦的粒度分布比單粒級(jí)燒結(jié)礦的更寬,導(dǎo)致單粒級(jí)燒結(jié)礦關(guān)聯(lián)式獲得的氣體阻力預(yù)測(cè)值比多粒級(jí)燒結(jié)礦氣體阻力的實(shí)測(cè)值平均低25%左右。