带钢热风烘干装置设计

黄 河 耿庆斌

(中冶京诚工程技术有限公司轧钢工程技术所 北京100176)

带钢热风烘干装置设计

黄 河①耿庆斌

(中冶京诚工程技术有限公司轧钢工程技术所 北京100176)

总结了带钢开式烘干装置和闭式烘干装置计算模型，阐述了闭式烘干装置结构设计要点。分析加热温度、循环比、废气温度等参数对闭式烘干装置效率的影响，总结出合理的设计参数。结论表明采用闭式烘干装置可以提高烘干效率至60%以上。

烘干装置 带钢 烘干效率

1 前言

烘干装置在带钢酸洗、脱脂、彩涂等后处理工艺生产线中应用广泛。目前工艺中采用的带钢烘干装置多采用热风作为干燥介质，主要有两种结构型式。

1)开式烘干装置：热风喷吹到带钢表面之后放散到空气中；

2)闭式烘干装置：热风喷吹到带钢表面之后，部分回到换热器再加热循环使用。工程实践中，带钢烘干装置的设计以类比法为主，文献[1]也没有给出烘干装置各设计参数的计算方法。干燥过程能耗较高，因此设计合理的带钢烘干装置才能满足高效、节能的生产要求。本文以某酸洗线带钢烘干装置设计为例，阐述了干式烘干装置和闭式烘干装置设计参数的选择依据及计算方法。

2 开式烘干装置

2.1 开式烘干原理

干燥过程是传热传质同时伴随发生的除湿过程。预热后的空气含少量水蒸气，喷吹在带钢表面时热量传递给带钢，同时带走带钢表面水分，使带钢表面干燥，空气湿度增大。

热风干燥过程计算主要包括水分蒸发量、空气用量以及加热功率。图1所示为开式带钢烘干装置流程图。新鲜空气(状态为环境温度t0、湿度H0、热焓I0、干空气量L)加热后(状态为t1、H1、I1、L) 进入烘干箱，带钢含水量从W1降低为W2，带钢温度从tm1升高到tm2；空气温度下降，湿度增加后排出烘干箱(状态为t2、H2、I2、L)。

2.2 开式烘干计算

为简化计算，假设：①烘干箱的热损失可忽略不计；②带钢在烘干箱中温升忽略不计。因此可将带钢烘干过程近似为等焓干燥过程。如图2，开式烘干过程在湿度图上可表述为：新鲜空气从A点加热到B点，热焓增加，绝对湿度不变，相对湿度减小；进入烘干箱等焓干燥至C点，热焓不变，绝对湿度增加，达到吸收带钢表面水分目的。

图1 开式带钢烘干装置流程图

图2 开式烘干过程湿度图

1)水分蒸发量计算

W=W1-W2

式中W—水分蒸发量，kg/h；W1—带钢入口含水量，kg/h；W2—带钢出口含水量，kg/h。

令带钢宽度1.25m，速度180m/min，并考虑较为恶劣工况，取入口带钢水膜厚度0.03mm。

W1=0.03×1.25×180×60=405kg/h

取出口带钢含水量W2=0，则W=405kg/h

2)空气用量计算

L=W/(H2-H1)

式中L—绝干空气用量，kg/h；H1—加热后空气湿度，kg水/kg干空气；H2—废气湿度，kg水/kg干空气。

取空气入口温度为15℃，相对湿度100%，空气加热后温度120℃，废气温度为90℃。查湿度图得H1=H0=0.011，I0=42.8kJ/kg。根据湿空气热焓公式，计算加热后空气热焓：

I2=I1=1.005t1+(2491+1.926t1)H1

式中I0—新鲜空气焓，kJ/kg；I1—加热后空气焓，kJ/kg；I2—废气焓，kJ/kg。

带入上述公式，可得I2=150.5，H2=0.023，L=35050kg/h，折合成空气用量L′=L(1+H0)=35436kg/h

3)加热功率计算

q=L′(I1-I0)/3600=1060kW

式中q—加热器功率，kW。

3 闭式烘干装置

3.1 闭式烘干原理

图3所示为闭式烘干装置流程图。与开式干燥装置不同的是，废气一部分排到大气，一部分进入烘干箱循环使用。根据文献[2]，废气循环使用可以提高烘干效率、节约能源。定义循环废气中干空气量与进入烘干箱内干空气量的比值为循环比。

图3 闭式带钢烘干装置流程图

图4 闭式烘干过程湿度图

3.2 闭式烘干计算

与开式烘干装置条件相同，取空气入口温度为15℃，相对湿度100%，空气加热后温度120℃，排出烘干箱温度为90℃。如图4，闭式烘干过程在湿度图上可表述为：新鲜空气从A0点加热到B0点，热焓增加，绝对湿度不变；进入烘干箱等焓干燥至C0点，热焓不变，绝对湿度增加；然后部分废气与新鲜空气混合，状态变为A1，再加热至B1，等焓干燥至C1；经过n次循环后，达到稳定状态An，Bn，Cn。因此闭式烘干过程需要进行迭代计算。

1)空气状态参数计算

混合气温度

tm=ktn+(1-k)t0

式中tm—混合气温度，℃；t0—新鲜空气温度，15℃；tn—废气温度，90℃；k—循环比，取0.5。

计算可得tm=52.5。

混合气湿度

Hm=kHn+(1-k)H0

混合气焓

Im=1.005tm+(2491+1.926tm)Hm

混合气加热后焓

Im′=1.005×120+(2491+1.926×120)Hm

废气湿度

Hn=(Im′-1.005×tn)/(2491+1.926×tn)

取收敛精度10-4迭代计算，可得废气湿度Hn=0.0346，混合气Hm=0.0228，Im′=182.7，Im=111.9。

2)空气用量计算

Lm=W/(Hn-Hm)=34290kg/h

Vm=Lm(1+Hm)/ρm=39057m3/h

式中Lm—混合气中绝干空气量，kg/h;Vm—加热后混合气体积流量，m3/h；ρm—加热后空气密度，kg/m3，120℃时取值0.898。

3)加热功率计算

q=Lm(1+Hm)(I1-I0)/3600=690kW

3.3 闭式烘干装置结构

根据上述计算，相同条件下，循环比为0.5时，采用闭式烘干装置可节能35%。因此下面主要介绍闭式烘干装置结构，如图5所示。烘干装置由烘干箱、风机、 换热器、 喷管、喷嘴、新风口和排风口组成。循环风从经换热器加热，经风机加压后从嘴管高速喷射到带钢表面，完成干燥过程。调节新风口和排风口可以控制循环比，从而控制烘干箱内湿度，满足生产需求。烘干箱体外表面采用隔热材料覆盖，减小热损失。

图5 闭式烘干装置结构简图

1)喷嘴参数

热风从喷嘴高速喷射到带钢表面完成传热传质过程。根据射流换热理论，当喷嘴与带钢距离Z与喷嘴缝隙d之比即Z/d=6～10时，可取得较高的换热效率。为保证良好通板性能，取Z=50mm，则喷嘴缝隙约为5mm～8mm。

2)风机参数

风机参数包含流量和压力。风机风量即混合气体积流量，可由前节公式计算。风机压力与喷嘴出口处气体流速密切相关。

式中V—喷嘴出口气体流速，m/s；κ—气体常数，取1.4；Rg—气体绝对常数，取289.2；T1—气体绝对温度，K，取393；P2—喷嘴出口气体绝对压力，Pa，取101325；

P1—喷嘴入口气体绝对压力，Pa。

已知入口压力即可由上式计算出喷嘴出口气体流速。根据经验，取喷嘴出口气体流速80m/s～100m/s，反推喷嘴入口相对压力约为3600Pa～5500Pa。设计中考虑适量压损，即可确定风机压力。另外，风机风量与单个喷嘴流量之比即为喷嘴数量。

4 烘干装置效率分析

4.1 烘干装置效率

定义烘干装置效率为装置去除水分所需要的能量与供给总能量之比，即

η=E1/E2E1=r×W

式中η—烘干装置效率；E1—脱水所需能量，kJ；r—水蒸汽潜热，kJ/kg；W—水分蒸发量，kg；E2—消耗总能量，包含加热器和风机两部分，kJ。

4.2 优化设计

为设计出高效、节能的烘干装置，比较分析温度、循环比等参数对闭式烘干效率的影响。废气温度对干燥速率影响显著，废气温度越高，烘干速率越快，耗能越高。通常选择废气温度高于其绝热饱和温度30℃～50℃，以避免返潮现象，因此本文取废气温度大于80℃。图6所示为不同废气温度下，循环比与烘干装置效率的关系。可以看出，废气温度越低，效率越高；循环比为0.85～0.95时，效率最高，可达到60%以上。

图7 空气加热温度对烘干装置效率影响

图7所示为空气加热温度对烘干装置效率的影响。可以看出，随着加热温度增大，效率提高；但当加热温度超过130℃后，效率反而略微减小。因此选择空气加热温度120℃～130℃时，可取得较好节能效果。

经过合理设计的闭式烘干装置，效率可达60%以上，是同条件下开式烘干装置效率的2.4倍。以前节405kg/h水分蒸发量为例，采用闭式烘干装置，可节约能源5.7×106kWh/年，折合约66万m3天然气，减少CO2排放3700t/年。通常设计时，风机及加热器选型考虑了较为恶劣的工况，烘干能力偏大。因此选用变频风机、设置蒸汽流量空气阀，根据带钢烘干情况调整风量及加热功率，可取得较好的节能效果。

5 结论

1)降低废气温度，可以提高烘干效率，烘干速率也随之降低；

2)闭式烘干装置比开式烘干装置效率提高2.4倍，达到60%以上；

3)取加热温度120℃～130℃、循环比0.85～0.95，废气温度90℃～100℃，闭式烘干装置可同时获得较高的烘干效率和烘干速率。

[1]屈群,陈德勇.一体式带钢干燥器的设计及应用．中国重型装备，2010(9)：20-23．

[2]于才源．干燥装置设计手册．北京：化学工业出版社，2005．

Design of Strip Hot Air Dryer

Huang He Geng Qingbin

(Steel Rolling Division, Capital Engineering & Research Incorporation Limited, Beijing 100176)

The model of open strip hot air dryer and circular hot air dryer have been established. The influence of input air temperature, circular rate and exhaust gas temperature on dry efficiency of the dryer have been analyzed. Reasonable design parameters and structure of dryer have been summarized. The result shows that circular hot air dryer can improve the dry efficiency remarkably to the over 60%.

Dryer Strip Dry efficiency

黄河，男，1984年出生，毕业于北京科技大学，硕士研究生，工程师，研究方向：轧钢机械

TG162.86

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.002

2014-07-05)