塊礦模擬帶式機(jī)干燥動(dòng)力學(xué)研究

趙 強(qiáng) 田 浩 張鵬羽 春鐵軍

(1.中冶長天國際工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410205；

0 引言

燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和塊礦是高爐主要的含鐵原料。作為調(diào)節(jié)堿度的酸性爐料，塊礦價(jià)格比球團(tuán)礦價(jià)格低200元/t左右，因此，適當(dāng)提高塊礦比例可有效降低鐵水成本[1-3]。由于塊礦水分含量高，篩分效果不佳，塊礦表面粘附著大量的粉料無法有效篩除，直接進(jìn)入高爐后會(huì)導(dǎo)致高爐上部透氣性惡化，堵塞高爐煤氣上升通道，增加煤氣上升的阻力，導(dǎo)致爐內(nèi)壓差升高，進(jìn)而影響高爐順行[4-6]，因此，國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)進(jìn)行了塊礦干燥的工業(yè)實(shí)踐。

目前，開展塊礦干燥技術(shù)主要有儲(chǔ)料倉干燥、豎爐干燥、回轉(zhuǎn)窯干燥和帶式機(jī)干燥。儲(chǔ)料倉干燥主要是將150～200 ℃的熱廢氣通入塊礦料倉中進(jìn)行干燥，豎爐干燥是通過燃料室將烘床的溫度加熱到150～200 ℃，對塊礦進(jìn)行干燥[7-8]。儲(chǔ)料倉/豎爐干燥有投資和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在干燥時(shí)間長、熱交換效率較低、蒸汽易在上部物料冷凝等不足?；剞D(zhuǎn)窯干燥主要是在500～800 ℃的高溫下進(jìn)行，具有干燥速度快、干燥效率高等優(yōu)點(diǎn)[9]，但存在投資和運(yùn)行成本高等不足，此外，由于干燥溫度高，部分塊礦在干燥過程出現(xiàn)熱爆，產(chǎn)生更多的粉末，降低了塊礦的回收率[10-12]。帶式機(jī)干燥雖然投資成本相對較高，但其干燥溫度區(qū)間在250～450 ℃，低于塊礦熱爆溫度，塊礦回收率高，同時(shí)具有處理量大、干燥效率高等優(yōu)點(diǎn)。但隨著塊礦干燥被越來越多鋼鐵企業(yè)提上日程，未來帶式機(jī)干燥塊礦將具有廣闊的應(yīng)用前景。為了深入研究帶式機(jī)干燥過程相關(guān)機(jī)理，本文對塊礦模擬帶式機(jī)干燥動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的原料為國外某塊礦，塊礦初始水分為7.0%，其粒度組成如表1所示。結(jié)果表明，塊礦小于8 mm占比為4.79%，8～16 mm比例為29.99%，16～25 mm比例為25.44%，25～40 mm比例為39.79%。

表1 塊礦的粒度組成

1.2 研究方法

實(shí)驗(yàn)所用干燥溫度分別為250、300、350和400 ℃，干燥介質(zhì)流速分別為1.08、1.43、1.79 m/s。干燥試驗(yàn)干燥介質(zhì)為空氣，加熱爐的爐底下部用剛玉球蓄熱，并利用鼓風(fēng)裝置形成穩(wěn)定的熱風(fēng)。待溫度升高至設(shè)定溫度后，根據(jù)混合塊礦的粒度組成，每次按比例稱取500 g左右的塊礦，放到直徑45 mm，高度200 mm的裝置中(如圖1所示)，在塊礦干燥過程中，通過天平時(shí)刻稱取塊礦質(zhì)量的變化，可計(jì)算出塊礦的干燥水分比MR(moisture ratio)，并繪制出MR與時(shí)間的曲線。

圖1 塊礦干燥實(shí)驗(yàn)示意圖

根據(jù)通常使用的干基含水率的定義，塊礦的干基含水率為單位質(zhì)量干礦所含水分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，即：

(1)

式中：M—塊礦干基含水率(%)；ω—塊礦中水分質(zhì)量(g)；w∞—塊礦完全干燥時(shí)的干礦質(zhì)量(g)。

任意時(shí)刻t的塊礦干基含水率為：

(2)

式中：Mt—任意干燥t時(shí)刻的干基含水率(%)；Wt—任意時(shí)刻t的塊礦質(zhì)量(g)；t—干燥時(shí)間。

則干燥時(shí)間t時(shí)刻的干燥水分比MR為：

(3)

式中：MR—t時(shí)刻干燥水分比，g/g；Wt—任意時(shí)刻t的塊礦質(zhì)量，g；W0—塊礦干燥前質(zhì)量，g；W∞—塊礦完全干燥時(shí)的干礦質(zhì)量，g。

目前，對各種物料的干燥動(dòng)力學(xué)研究較多，表2中的5種模型應(yīng)用較為廣泛，因此，本文采用以下5種模型研究塊礦干燥過程動(dòng)力學(xué)，并建立適用于塊礦干燥的動(dòng)力學(xué)方程。

表2 實(shí)驗(yàn)所用的5種干燥模型

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥試驗(yàn)

分別進(jìn)行在250、300、350和400 ℃的干燥溫度條件下，模擬不同干燥介質(zhì)流速1.08、1.43和1.79 m/s的塊礦干燥試驗(yàn)，干燥水分比MR與干燥時(shí)間關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同介質(zhì)溫度和干燥介質(zhì)流速對塊礦干燥水分比MR的影響

隨著干燥介質(zhì)流速提高，或者干燥溫度升高，塊礦干燥時(shí)間縮短。當(dāng)干燥溫度250 ℃時(shí)，干燥介質(zhì)流速1.43 m/s，塊礦完全干燥則需要29 min，在相同溫度下將干燥介質(zhì)流速提高至1.79 m/s，則干燥時(shí)間降低至19 min，或者在相同介質(zhì)流速下將干燥溫度提高至350 ℃時(shí)，則干燥時(shí)間降低16.5 min。

2.2 干燥動(dòng)力學(xué)研究

在干燥溫度300 ℃，干燥介質(zhì)流速1.43 m/s條件下，根據(jù)表2中的5種不同干燥模型，對塊礦干燥試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如下圖3所示。

圖3 不同模型擬合與實(shí)際干燥曲線對比圖

圖3中黑色曲線為塊礦干燥過程MR與時(shí)間的關(guān)系曲線，紅色的為不同模型擬合的曲線，由圖可知，Henderson and Pabis模型、Lewis模型、兩相擴(kuò)散模型和Wang and Singh模型的擬合曲線與實(shí)際干燥曲線存在一定的差異，Page模型擬合曲線與實(shí)際干燥曲線擬合最好。在干燥溫度300 ℃，干燥介質(zhì)流速1.43 m/s條件下，各模型擬合的方程式如表3所示。

表3 不同模型擬合方程

因此，采用Page模型分別在干燥溫度250、300、350和400 ℃條件下，對塊礦干燥試驗(yàn)進(jìn)行擬合，其結(jié)果如圖4所示，不同干燥溫度下擬合方程如表4所示。

表4 不同溫度下Page模型擬合方程

圖4 不同溫度下Page模型擬合塊礦干燥曲線

擬合結(jié)果表明塊礦干燥適用于Page干燥模型，即：MR=exp(-k×tn)；分別對干燥風(fēng)速1.08、1.43和1.79 m/s的試驗(yàn)進(jìn)行處理，并采用Page模型進(jìn)行擬合，具體結(jié)果見下表5所示。

表5 Page模型擬合的參數(shù)k和n的值

干燥溫度T和干燥介質(zhì)流速V對參數(shù)k和n有交互作用，采用Origin對表5中參數(shù)k和n進(jìn)行擬合，如圖5所示，其擬合結(jié)果如下：

圖5 介質(zhì)溫度和介質(zhì)流速對參數(shù)k和n的影響

k=0.50-1.16V-5.49×10-6T2+0.26V2；n=-0.26+0.01T+1.07V-3.29×10-6T2-0.27V2

(4)

由此可知塊礦干燥的動(dòng)力學(xué)方程為：

MR=exp(-(0.50-1.16V-5.49×10-6T2+0.269V2)×t-0.26+0.01T+1.07V-3.29×10-6T2-0.27V2

(5)

式中：MR—水分比，g/g；T—介質(zhì)溫度，℃；V—介質(zhì)流速，m/s；t—時(shí)間，min。

2.3 干燥過程的討論

以250 ℃、介質(zhì)流速1.43 m/s的塊礦干燥試驗(yàn)為例，研究干燥過程中的臨界值。根據(jù)上述力學(xué)方程可知，該條件下的干燥動(dòng)力學(xué)方程為：

MR=exp(-0.073×t1.406)

(6)

對此方程的時(shí)間t求一階導(dǎo)，得干燥速率方程：

(7)

由圖6可知，塊礦干燥分為3個(gè)階段，分別是升速干燥階段(AB)、恒速干燥階段(BC)和降速干燥階段(CE)。其中降速干燥階段又分為第一降速干燥階段(CD)和第二降速干燥階段(DE)。

圖6 250 ℃下Page模型擬合的塊礦干燥試驗(yàn)

升速干燥階段(AB)：此過程發(fā)生在塊礦干燥初期，大約持續(xù)了兩分鐘，干燥速率由0.076 g/g·min升至0.114 g/g·min。這個(gè)階段，塊礦表面與干燥介質(zhì)接觸，塊礦表面的水分快速蒸發(fā)，干燥速度快速升高。恒速干燥階段(BC)：此過程發(fā)生在升速干燥階段之后，持續(xù)了3 min，期間干燥速率維持在0.114 g/g·min左右。在這個(gè)階段，塊礦所含水分是在整個(gè)表面上均勻蒸發(fā)，塊礦內(nèi)部的水分在毛細(xì)力作用下向塊礦表面擴(kuò)散，在這一階段繼續(xù)進(jìn)行的過程中，干燥速率保持不變。

隨著塊礦表面的脫水速度大于塊礦內(nèi)部水分向表面的遷移速率時(shí)，干燥前鋒便向塊礦內(nèi)部轉(zhuǎn)移，這時(shí)干燥進(jìn)入第一降速干燥階段(CD)。此過程持續(xù)了7 min，塊礦干燥速率持續(xù)下降，由0.114 g/g·min降至0.041 g/g·min。隨后進(jìn)入第二降速干燥階段(DE)，水蒸氣便要流經(jīng)一個(gè)越來越大的距離，穿過已被干燥的各個(gè)毛細(xì)孔，一直達(dá)到塊礦表面，干燥速率逐漸降低至干燥結(jié)束，此階段持續(xù)了13 min。

3 結(jié)語

1)隨著干燥溫度升高，或者干燥介質(zhì)流速提高，塊礦干燥時(shí)間縮短。當(dāng)干燥溫度250 ℃時(shí)，干燥介質(zhì)流速1.43 m/s，塊礦完全干燥則需要29 min，在相同溫度下將干燥介質(zhì)流速提高至1.79 m/s，則干燥時(shí)間降低至19 min，或者在相同介質(zhì)流速下將干燥溫度提高至350 ℃時(shí)，則干燥時(shí)間降低至16.5 min。

2)論文采用5種常用的干燥模型對塊礦模擬帶式機(jī)干燥進(jìn)行研究，其中Page干燥模型適用于塊礦模擬帶式機(jī)干燥過程，其干燥動(dòng)力學(xué)方程為：MR=exp(-(0.50-1.16V-5.49×10-6T2+0.269V2)×t-0.26+0.01T+1.07V-3.29×10-6T2-0.27V2) 。

3)在干燥溫度，干燥過程可分為3個(gè)階段，升速干燥、恒速干燥和降速干燥。升速干燥階段塊礦表面的水分快速蒸發(fā)，干燥速度快速升高；恒速干燥階段，塊礦所含水分是在整個(gè)表面上均勻蒸發(fā)，干燥速率保持不變；降速干燥階段，塊礦表面的脫水速度大于塊礦內(nèi)部水分向表面的遷移速率，干燥速率降低。