铁矿石烘干设备的热工分析

赵文鹏

中图分类号：G267文献标识码：A 文章编号：

2009年，我公司与中钢公司达成协议，向米塔尔集团哈萨克斯坦钢厂所属阿坦首尔矿区出口一套矿用转筒干燥设备。此种设备采用直接火焰加热的方式烘干铁矿石，并使用布袋除尘器对尾气中的矿粉进行回收。

本次分析通过对加热过程的热工分析计算来最终决定本套设备中最主要的设备燃烧器的确定。

基本设计要求和铁矿石的基本情况

哈萨克斯坦阿坦首尔矿区位于哈萨克斯坦中部，是典型的露天铁矿。所产铁矿石的粒度为0-60mm，密度为4000kg∕m3，堆密度为2700kg∕m3。湿度为8%，0－60mm的颗粒中0－6mm颗粒的含量为30%，粘土含量达到10%。

设计要求为： 产量达到250吨/小时，湿度从初始物料的8％降到2％，标准工况环境温度：20℃。

热工分析及计算

烘干矿料所消耗的总热量Q总计包括：Q1有效利用的热量, 即为对物料加热烘干所需的热量；Q2经烘干筒壁散失的热量；Q3经烟气散失的热量；Q4其他热损失。Q= Q1+ Q2+ Q3+ Q4

Q1有效利用的热量

对矿料烘干加热所需的热量包括两部分，一部分为物料中所含水分的预热和蒸发所需热量（Q水）；一部分为矿料本身的加热所需热量（Q矿）。

Q1=Q水 + Q矿

Q水=1000GCsW(T1-T0) + 1000G(W-W1)[R + C2(Ti-T1)]

G ---- 设计生产能力，T。取250

Cs --- 水的比热，kJ/kg·℃。取4.81

W --- 矿料烘干前含水量，%。取8

W1 --- 矿料烘干后含水量，%。取2

T1 --- 水分蒸发温度，℃。取100

T0 --- 矿料进入滚筒前的环境温度, ℃。取20

R ---- 水的汽化热，kJ/kg·℃。取2269

C2 --- 水蒸汽的比热，kJ/kg·℃。取1.93

Ti ---- 预热并蒸发完水分后的烟气温度，℃。取180

Q水=1000GCsW(T1-T0) + 1000G(W-W1) [R + C2(Ti-T1)]

=1000*250*4.81*8%*(100-20)+1000*250*6%*[2269+1.93(180-100)]

=7696000 + 36351000 = 44047000 kJ

Q矿=1000GCg(1-W)(T2-T0)

G ---- 设计生产能力，T。取250

Cg --- 矿料的比热，kJ/kg·℃。取0.75(假定)

W --- 含水量，%。取8

T2 --- 烘干结束后的矿料温度，℃。取130

T0 --- 矿料进入滚筒前的环境温度, ℃。取20

Q矿=1000GCg(1-W)(T2-T0)

=1000*250*0.75*(1-8%)*(130-20)

=18975000 kJ

则有Q1=Q水 + Q矿

=44047000 + 18975000 = 63022000 kJ

② Q2经筒壁保温层散失的热量

Q2=3600KS(Tδ-T0)

S ---- 烘干筒的表面积，m²。取82.54

Tδ --- 筒壁的平均温度，℃。取250

T0 --- 滚筒的环境温度, ℃。取20

K ---- 传热系数，kw/m²·℃,

K= 1/{L1/λ1 + L2/λ2 + L3/λ3 + 1/α}

L1 ---- 筒壁的平均厚度, m。取0.013

λ1 ---- 钢的导热系数, kw/m·℃。取0.05

L2 ---- 保温层的平均厚度, m。取0.05

λ2 ---- 保温层的导热系数, kw/m·℃。取0.000048

L3 ---- 保温外壁的平均厚度, m。取0.001

λ3 ---- 钢的导热系数, kw/m·℃。取0.05

α ----金属外壁到空气的放热系数，kw/m²·℃。取0.058

K= 1/{L1/λ1 + L2/λ2 + L3/λ3 + 1/α}

=1/{0.013/0.05 + 0.05/0.000048 + 0.001/0.05 + 1/0.058}

= 0.00094436 kw/m²·℃

Q2=3600KS(Tδ-T0)

=3600*0.00094436*82.54*(250-20)

=64541 kJ

③ Q3经烟气带走的热量

经烟气带走的热量包括空气带走的热量和燃烧产生的水分带走的热量。

Q3=M1Cp(Ti-T0) + M2(J1-J2)

M1 --- 保证充分燃烧和负压时的空气质量，kg。取63000

Cp --- 在温度Ti时空气的平均比热，kJ/kg·℃。取1.0835

T0 ---- 滚筒的环境温度, ℃。取20

Ti ---- 废气温度, ℃。取180

J1 ---- 在Ti温度时, 1kg水蒸汽的热能, kJ/kg。取2850

J2 ---- 在20℃时, 1kg水蒸汽的热能, kJ/kg。取84

M2 --- 最大燃油量燃烧产生的水分质量，kg。取1.12M

M ---- 每小时的最大燃油质量，kg。取1700

Q3=M1Cp(Ti-T0) + M2(J1-J2)

=63000*1.0835*(180-20) + 1.12*1700*(2850-84)

=16014784 kJ

④ Q4其他热损失

其他热损失主要包括在出料筒内的热损失和未被考虑的热损失，约取总消耗热量的1%，则有Q4=1%（Q1+ Q2+ Q3）

则有对矿料进行烘干每小时所需的最大热量为：

Q= Q1+ Q2+ Q3+ Q4

= Q1+ Q2+ Q3+1%（Q1+ Q2+ Q3）

=1.01*(63022000 +64541+16014784)

=79892338 kJ

燃烧器的确定

根据热式计算的结果， 我公司最终选择了美国豪克SJ360型燃烧器, 它所提供的最大热量值为82010000kJ/h, 略大于烘干所需的最大热量，能够满足在标准工况时对铁矿石进行加热烘干的需要。

该设备目前已经在工地正常运行了2年，产量达到了设计要求，最终验定了本次分析计算结果是基本准确的。用户对此套设备感到很满意并于次年再次定购了一套用于阿塔苏矿区。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。