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(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，燒結(jié)礦粒徑、孔隙率和進口風溫也有一定的影響［10－12］；在燒結(jié)煙氣顯熱回收方面，通過燒結(jié)混合料干燥實驗，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，鮮有文獻從機理角度分析燒結(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（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(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風速的影響而飛濺。

1.2 干燥過程數(shù)學(xué)模型

熱風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，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：

對上式進行積分，求得干燥速率為：

干燥時間為：

根據(jù)基本假設(shè)，可認為燒結(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(jié)混合料的干燥過程解析結(jié)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(jié)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(jié)果與實驗結(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)果與實驗結(jié)果比較

2 結(jié)果與討論

2.1 熱風溫度的影響

熱風溫度對燒結(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(jié)生產(chǎn)實際過程中，載有燒結(jié)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(jié)混合料的干燥時間約為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(jié)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(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(jié)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(jié)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(jié)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(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(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—熱風的質(zhì)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(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)混合料的干燥時間，s；Ka—料層干燥阻力系數(shù)。

［1］ 蔡九菊，王建軍，陳春霞，等.鋼鐵工業(yè)余熱資源的回收與利用［J］.鋼鐵，2007，42（6）：1－4.

［2］ 蔡九菊，董輝，杜濤，等.燒結(jié)過程余熱資源分級回收與梯級利用研究［J］.鋼鐵，2011，46（4）：88－92.

［3］ 趙斌，張尉然，路曉雯，等.燒結(jié)余熱集成回收與梯級利用發(fā)電技術(shù)研究［J］.燒結(jié)球團，2009，34（4）：1－4.

［4］ 胡長慶，師學(xué)峰，張玉柱，等.燒結(jié)余熱回收發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)［J］.鋼鐵，2011，46（1）：86－91.

［5］ 董輝，林賀勇，張浩浩，等.燒結(jié)熱工測試與分析［J］.鋼鐵，2011，46（11）：93－98.

［6］ 趙斌，徐鴻，路曉雯，等.燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱力學(xué)分析和系統(tǒng)優(yōu)化［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，37（3）：43－48.

［7］ 趙斌，張玉柱，蒼大強，等.立式燒結(jié)冷卻機與余熱發(fā)電工藝研發(fā)［J］.燒結(jié)球團，2009，34（6）：5－10.

［8］ 王毅，何張陳，顏學(xué)宏.燒結(jié)冷卻余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱力學(xué)模型及主蒸汽參數(shù)的優(yōu)化選擇［J］.燒結(jié)球團，2011，36（3）：54－58.

［9］ 徐鴻，趙斌，付子文，等.雙熱源集成發(fā)電系統(tǒng)研究［J］.動力工程學(xué)報，2011，31（12）：933－937.

［10］ 張家元，張小輝，周孑民，等.燒結(jié)礦冷卻過程正交模擬優(yōu)化試驗研究［J］.鋼鐵，2011，46（7）：86－89.

［11］ 張小輝，張家元，戴傳德，等.燒結(jié)礦冷卻過程數(shù)值仿真與優(yōu)化［J］.化工學(xué)報，2011，62（11）：3081－3087.

［12］ 董輝，力杰，羅遠秋，等.燒結(jié)礦冷卻過程的實驗研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，31（5）：689－692.

［13］ 董輝，郭寧，楊柳青，等.燒結(jié)余熱利用中燒結(jié)混合料干燥過程實驗研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，31（4）：546－549.

［14］ Dong H，Jia F R，Zhao Y，et al.Experimental investigation on the drying process of the sinter mixture［J］.Powder technology，2012，218：1－4.

［15］ 龍紅明，范曉慧，毛曉明，等.基于傳熱的燒結(jié)料層溫度分布模型［J］.中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，39（3）：436－442.

［16］ 張惠寧.燒結(jié)設(shè)計手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［17］ 趙增華，趙杉林，張振華，等.相對濕度和溫度對鐵銹硫化物氧化傾向性影響［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2006，19（4）：8－10.

［18］ Maruoka N，Mizuochi T，Purwanto H，et al.Feasibility study for recovering waste heat in the steelmaking industry using a chemical recuperator［J］.ISIJ international，2004，44（2）：257－262.