烧结混合料干燥过程的解析研究

贾冯睿， 柳 璐， 王春华， 高 媛， 孙文卓， 董 辉

（1.辽宁石油化工大学，辽宁抚顺113001；2.航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃兰州730050；3.东北大学国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁沈阳110004）

在中国，钢铁行业是仅次于电力行业居第二位的高耗能行业，而烧结工序的能耗占钢铁企业总耗能的15%左右，且比国际先进水平高19%左右，其主要原因是该工序的余热资源回收率过低，因此，回收利用烧结工序的余热资源成为钢铁企业节能减排最有效的途径之一［1］。烧结工序的余热资源主要由烧结产品显热以及烧结烟气显热两部分组成，分别占该工序总热量输入的40%～45%和20%～25%，因此，在热力学第一、二定律的理论分析与现场测试的基础上，提出了烧结工序余热资源分级回收与梯级利用的具体方案和技术［2－6］。其中，在烧结产品显热回收方面，设计了烧结矿冷却装置用于提升热能品位［7］，分析了主蒸汽参数与余热发电系统最大发电能力的关系［8］，对比了中低品位余热资源高效回收装置系统［9］，指出了冷却空气流量与烧结矿料层厚度是影响冷却过程的主要因素，同时，烧结矿粒径、孔隙率和进口风温也有一定的影响［10－12］；在烧结烟气显热回收方面，通过烧结混合料干燥实验，研究了干燥介质流量和温度对干燥过程的影响［13－14］，分析了烧结料层的温度分布［15］，然而，鲜有文献从机理角度分析烧结混合料的干燥过程，基于此，本文拟通过建立烧结混合料的一维错流干燥解析模型，分析烧结混合料干燥过程的规律以及主要影响因素，从而为烧结工序中烧结混合料的干燥过程的控制提供一定的理论依据。

1 模型的建立与验证

1.1 基本假设

烧结混合料在干燥床上有序地依次缓慢移动（0.07～0.09m／s），与来自鼓风机的热风作“错流”接触流动，属物料移动型穿流式干燥。为简化计算，做如下假设：

（1）忽略设备的热损失，不考虑烧结混合料颗粒内的温度梯度，热空气与烧结混合料料之间传递的热量和水分不考虑相变的影响；

（2）沿料层厚度方向物料湿含量不发生变化；

（3）干燥床移动速度较慢，可将其视为固定床；

（4）烧结混合料粉末不受热风风速的影响而飞溅。

1.2 干燥过程数学模型

热风由上至下穿流通过烧结混合料层，并将热量传递给烧结混合料，同时烧结混合料又将其蒸发的水分添加给热空气。热空气的温、湿度受经过料层的深度影响，因此，烧结混合料的干燥速率也将随料层的增加而降低。当床层中的烧结混合料颗粒的湿含量均高于临界湿含量时，热空气的状态将沿着湿度图上的绝热冷却线变化，而烧结混合料层温度将维持进气状态下的湿球温度不变。烧结料床的截面示意图如图1所示。

Fig.1 Schematic cross section for sintering bed图1 烧结料床截面示意图

根据上述情况，在恒速干燥阶段则有［16－17］：

速度方程：

能量方程：

质量方程：

对上式进行积分，求得干燥速率为：

干燥时间为：

根据基本假设，可认为烧结混合料干燥的降速阶段呈线性变化，如图2所示。在降速干燥段则有［18］：

干燥速率为：

干燥时间为：

Fig.2 Drying curve characteristics with the linear falling－rate stage图2 线性降速段的干燥速率曲线

1.3 模型验证

烧结混合料的干燥过程解析结果通过洞道穿流实验进行验证，热风温度分别在70℃和90℃情况下，验证结果如图3所示。模拟值与实验测试值比较接近，相对误差不超过5%，模型结果与实验结果基本吻合，说明该模型能够用于分析烧结混合料的干燥规律及其主要影响因素。

Fig.3 Analytical and experimental results comparison图3 模拟结果与实验结果比较

2 结果与讨论

2.1 热风温度的影响

热风温度对烧结混合料的干燥过程具有比较显著的影响，如图4所示。热风温度从50℃提高到200℃的过程中，对烧结混合料的干燥过程表现出较大的影响，而当热风温度从200℃并继续提高至350℃的过程中，这种影响的幅度变小。因此在实际生产中，建议温度为200～300℃。

Fig.4 Drying curve and drying curve characteristics（hot air temperature）图4 干燥曲线和干燥特性曲线（热风温度）

2.2 热风风速的影响

在烧结生产实际过程中，载有烧结混合料的台车在进入到点火炉前的干燥段长度一般为5～6m，台车的移动速度约为0.058m／s，因此，实际的烧结混合料的干燥时间约为86～103s。鉴于烧结工序中的干燥温度是200～250℃，烧结混合料的适宜含水率在3%左右，因此，如图5所示，建议干燥风速在1.5m／s左右。

Fig.5 Drying curve and drying curve characteristics（hot air rate）图5 干燥曲线和干燥特性曲线（热风风速）

2.3 孔隙率的影响

烧结混合料的干燥时间随孔隙率的减小而增加，但干燥速率变化不大，说明孔隙率的减小阻碍了烧结混合料的干燥过程，但不是很明显，如图6所示。理论上讲，孔隙率是对热风流动有很大阻力的，但由于本研究中进行的是单一因素分析，因此，这一影响因素并不明显。

Fig.6 Drying curve and drying curve characteristics（porosity）图6 干燥曲线和干燥特性曲线（孔隙率）

4.4 颗粒平均直径的影响

烧结混合料颗粒的平均直径影响其总的干燥面积，同时也影响热风穿过烧结混合料层的速率，颗粒的平均直径越小对热风的阻力越大，在热风风速一定的情况下，这一影响因素并不明显。从图7可以看出，干燥时间随平均直径的减小而减少，恒速段变化较大，降速段越来越趋于相同，说明烧结混合料粒径对整个干燥过程影响不大，仅对恒速段有一定影响，因此考察恒速段时这一因素不可忽略。

3 结束语

（1）烧结料在干燥过程有较短的恒速干燥段和较长的降速干燥段，且降速干燥段干燥速率近似为直线。

（2）热风温度和流量、料层空隙率和粒径是干燥过程的主要影响因素，其中，热风温度和流量对干燥过程的影响远远大于料层空隙率和粒径的影响。

（3）热风温度在小于200℃时对干燥影响较大，温度大于250℃时，尤其是大于300℃时，几乎没有影响，建议热风温度在200～250℃。

（4）温度在200～300℃，为了获得适宜含水率，建议干燥风流量在1.5m／s以上。

Fig.7 Drying curve and drying curve characteristics（average diameter particles）图7 干燥曲线和干燥特性曲线（平均粒径）

符号说明

Tg，in，Tg，out，Tw—干燥床层中进、出气体的温度、湿球温度，K；H1，H2—进出气体的含湿量，kg／kg；L—干燥床层厚度，m；U，Uc—干燥速率、恒速段干燥速率，kg／（m2·s）；X1，X，Xc，¯Xc—烧结混合料的初始含水率、烧结混合料含水率、临界含水率、平均含水率，kg／kg；Gg—热风的质量流速，kg／（m2·h）；Cg—热风的比热，kJ／（kg·K）；h—对流换热系数，W／（m3·K）；A—接触面积，m2；ρs—烧结混合料密度，kg／m3；ΔH—水的汽化潜热，kJ／kg；Nг—传热单元数，无因次；t—烧结混合料的干燥时间，s；Ka—料层干燥阻力系数。

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