賈馮睿， 柳 璐， 王春華， 高 媛， 孫文卓， 董 輝

（1.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113001；2.航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州730050；3.東北大學(xué)國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jié)工序的能耗占鋼鐵企業(yè)總耗能的15%左右，且比國際先進(jìn)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(jié)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(jié)工序的余熱資源主要由燒結(jié)產(chǎn)品顯熱以及燒結(jié)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(xué)第一、二定律的理論分析與現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，提出了燒結(jié)工序余熱資源分級回收與梯級利用的具體方案和技術(shù)［2－6］。其中，在燒結(jié)產(chǎn)品顯熱回收方面，設(shè)計(jì)了燒結(jié)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(guān)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(jié)礦料層厚度是影響冷卻過程的主要因素，同時(shí)，燒結(jié)礦粒徑、孔隙率和進(jìn)口風(fēng)溫也有一定的影響［10－12］；在燒結(jié)煙氣顯熱回收方面，通過燒結(jié)混合料干燥實(shí)驗(yàn)，研究了干燥介質(zhì)流量和溫度對干燥過程的影響［13－14］，分析了燒結(jié)料層的溫度分布［15］，然而，鮮有文獻(xiàn)從機(jī)理角度分析燒結(jié)混合料的干燥過程，基于此，本文擬通過建立燒結(jié)混合料的一維錯(cuò)流干燥解析模型，分析燒結(jié)混合料干燥過程的規(guī)律以及主要影響因素，從而為燒結(jié)工序中燒結(jié)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(yàn)證

1.1 基本假設(shè)

燒結(jié)混合料在干燥床上有序地依次緩慢移動(dòng)（0.07～0.09m／s），與來自鼓風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)作“錯(cuò)流”接觸流動(dòng)，屬物料移動(dòng)型穿流式干燥。為簡化計(jì)算，做如下假設(shè)：

（1）忽略設(shè)備的熱損失，不考慮燒結(jié)混合料顆粒內(nèi)的溫度梯度，熱空氣與燒結(jié)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(dòng)速度較慢，可將其視為固定床；

（4）燒結(jié)混合料粉末不受熱風(fēng)風(fēng)速的影響而飛濺。

1.2 干燥過程數(shù)學(xué)模型

熱風(fēng)由上至下穿流通過燒結(jié)混合料層，并將熱量傳遞給燒結(jié)混合料，同時(shí)燒結(jié)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(jié)混合料的干燥速率也將隨料層的增加而降低。當(dāng)床層中的燒結(jié)混合料顆粒的濕含量均高于臨界濕含量時(shí)，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(jié)混合料層溫度將維持進(jìn)氣狀態(tài)下的濕球溫度不變。燒結(jié)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(jié)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(zhì)量方程：

對上式進(jìn)行積分，求得干燥速率為：

干燥時(shí)間為：

根據(jù)基本假設(shè)，可認(rèn)為燒結(jié)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(shí)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(yàn)證

燒結(jié)混合料的干燥過程解析結(jié)果通過洞道穿流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，熱風(fēng)溫度分別在70℃和90℃情況下，驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。模擬值與實(shí)驗(yàn)測試值比較接近，相對誤差不超過5%，模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明該模型能夠用于分析燒結(jié)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(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

2 結(jié)果與討論

2.1 熱風(fēng)溫度的影響

熱風(fēng)溫度對燒結(jié)混合料的干燥過程具有比較顯著的影響，如圖4所示。熱風(fēng)溫度從50℃提高到200℃的過程中，對燒結(jié)混合料的干燥過程表現(xiàn)出較大的影響，而當(dāng)熱風(fēng)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(shí)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(fēng)溫度）

2.2 熱風(fēng)風(fēng)速的影響

在燒結(jié)生產(chǎn)實(shí)際過程中，載有燒結(jié)混合料的臺車在進(jìn)入到點(diǎn)火爐前的干燥段長度一般為5～6m，臺車的移動(dòng)速度約為0.058m／s，因此，實(shí)際的燒結(jié)混合料的干燥時(shí)間約為86～103s。鑒于燒結(jié)工序中的干燥溫度是200～250℃，燒結(jié)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(fēng)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(fēng)風(fēng)速）

2.3 孔隙率的影響

燒結(jié)混合料的干燥時(shí)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(jié)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(fēng)流動(dòng)有很大阻力的，但由于本研究中進(jìn)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(jié)混合料顆粒的平均直徑影響其總的干燥面積，同時(shí)也影響熱風(fēng)穿過燒結(jié)混合料層的速率，顆粒的平均直徑越小對熱風(fēng)的阻力越大，在熱風(fēng)風(fēng)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(shí)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(jié)混合料粒徑對整個(gè)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(shí)這一因素不可忽略。

3 結(jié)束語

（1）燒結(jié)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(fēng)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(fēng)溫度和流量對干燥過程的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于料層空隙率和粒徑的影響。

（3）熱風(fēng)溫度在小于200℃時(shí)對干燥影響較大，溫度大于250℃時(shí)，尤其是大于300℃時(shí)，幾乎沒有影響，建議熱風(fēng)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(fēng)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(jìn)、出氣體的溫度、濕球溫度，K；H1，H2—進(jìn)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(jié)混合料的初始含水率、燒結(jié)混合料含水率、臨界含水率、平均含水率，kg／kg；Gg—熱風(fēng)的質(zhì)量流速，kg／（m2·h）；Cg—熱風(fēng)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(jié)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(jié)混合料的干燥時(shí)間，s；Ka—料層干燥阻力系數(shù)。

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