球团矿链机干燥过程的热传递现象研究

球团矿链机干燥过程的热传递现象研究

作为球团矿沉淀系统中最重要的环节，链机系统的主要工作原理是使用环冷系统和回转炉系统的回收热对多余的水球团进行干燥和加热。生球由布料机被布到移动箅板上依次经过鼓风干燥段、抽风干燥段和预热氧化段,在高温气流作用下,脱除生球中的游离水和结晶水,磁铁矿被氧化为赤铁矿,球团具有一定的强度后进入回转窑中进行焙烧固结。干燥过程中要避免温度较大的变化以免生球在高温作用下体积发生剧烈收缩而产生开裂,强度下降乃至产生残次品,因而生球的含水量在经过干燥过程后必须达到工艺要求。由于冷凝作用会导致下上层生球由于含水量的增加而使其强度降低,为了避免这一现象,干燥阶段一般都采用向上鼓风和向下抽风相结合的干燥方式。在以往的文献中,Voskamp和Brasz首次提出球团矿烧结过程模型;随后,Yong和Cross构建了完整的链篦机回转窑环冷机过程模型,各工艺段以气体流和球团流为对象串接起来;Thurlby首次提出了烧结过程子模型的概念,将研究重点集中于工艺过程间的联系以及气流流量的计算上;Davis提出的烧结过程模型,将蓖板的热辐射现象考虑进模型中,并研究了气体对流交换热现象;Sadrnezhaad等人则提出了工业过程级的模型,并对各个阶段的气体成分进行分析,用于烧结过程的完成程度分析。以上的研究成果为球团矿生球干燥模型的研究和改进打下了较好的基础,但上述模型还是存在一定的局限性,即将生球干燥视为连续稳定过程,没有考虑由鼓风干燥到抽风干燥的过渡过程中,干燥风向的变化对球床各层温度分布的影响。本文提出的生球干燥模型沿用Meyer的阶段模型思想,采用两段式干燥模型:当生球含水量在关键值以上时,生球的游离水在表面蒸发干燥;而当含水量降低到关键值以下后,内部的水分通过毛细作用进行蒸发,形成的干燥球壳向球心方向推进。动力学模型考虑了球床的多孔介质参数以及其他动力学参数与含水量之间的关系,以及蒸发作用下,生球与干燥空气间的吸放热现象。考虑干燥风向的变化,得出过渡点的球床各层温度和含水量分布,将其作为风向变化后的抽风干燥模型的初始值,用于下阶段的计算。对生球干燥过程,本文做如下假设:1)整个烧结过程为稳定生产过程;2)纵向的气流速度要远高于链箅机的机速;3)球床在整个烧结过程中高度不改变。1干燥气体的温度和时间生球通过布料机布到链箅机的蓖板上,在传动装置作用下依次经过鼓风干燥段(updraftdry)、抽风干燥段(downdraftdry)、预热1段(firstpreheat)和预热2段(secondpreheat)。如图1所示,本文研究背景中链箅机的鼓风干燥段的低温气体来自于环冷机的三冷段,风箱温度控制在190~220℃,炉罩温度控制在65~80℃;抽风干燥段的干燥气体来自预热2段的二次风,炉罩温度控制在340~370℃,干燥尾气由风箱抽出,温度控制在130~140℃。生球的干燥主要在鼓风干燥段和抽风干燥段完成,温度、风量、压力和运行时间的设定和控制是链箅机过程的关键,要实现的目标为:经过鼓风和抽风干燥段后,生球的含水量要降到工艺设定值以下,使得干燥生球进入预热段,高温预热时不至于爆裂。在Mayer两段式干燥模型中,将生球的干燥过程分为两个连续的过程:1)当含水量在关键值以上时为表面干燥,生球的游离水蒸发;2)当含水量降低到关键值以下后,内部的水分通过球体的毛细孔蒸发出球体外,形成干燥壳并向球心方向推进。如图2所示,球床在蓖板上,从左到右运行。箭头代表干燥气体的方向,球体的颜色深浅代表含水量的多少,外层的虚线代表水蒸气膜,内层小圆圈代表潮湿内核。其中:F为干燥气体流量,Wp为生球含水量,Wp0为生球原始含水量。本文沿用Mayer两段式思想,将生球干燥过程分为游离水蒸发阶段和毛细作用蒸发阶段,并对这两阶段干燥过程中发生的质量和热量变化进行模型描述。2干燥和蒸发的分离层2.1之间的交换速率当生球的含水量大于临界含水量时,游离水的蒸发发生在生球的表面,蒸发的水蒸气在靠近生球表面的地方形成一层水膜,此时,生球的干燥主要是由于游离水在高温作用下的蒸发,水蒸气在对流作用下,在生球表面与干燥气体发生交换作用,即生球的干燥速率等于游离水蒸汽与干燥气体间的水分交换速率,表示为式中:Wp为生球含水量(kg/m3),km为生球表面水分对流传质系数(m/s),a为单位体积球床的比表面积(m2/m3),Wge为空气饱和湿度(kgvapour/m3gas),Wg为空气湿度(kgvapour/m3gas)。Geankoplis等人提出对流传质率的经验计算公式为式中:DH2O为空气中水蒸气的扩散系数(m2/s),dp为生球粒度(m),Re:Reynold常数,Pr:Prandtl常数。而空气中水蒸气扩散系数经验计算公式为式中:Tg为气体温度(K)。2.2对流热量交换系数在游离水蒸发阶段,生球与高温气体间的温差促使热量从温度高的气体转向低温的生球,生球吸收热量用于蒸发作用,这种在对流作用下,生球表面和加热气体之间热量交换效率可以用对流热量交换系数来表示。因而,热量交换与对流热量交换系数、温度差和交换媒介的接触面积有关,可以表示为式中:h为生球表面对流热量交换系数(J/m2sK),A为生球表面积(m2),Ts为生球温度(K)。对流热量交换系数本文采用RanzMarshallue10bs关系式式中:kg为气体热导率(J/msK),ε为球床空隙率。气体的热导率与其温度状态强烈相关,采用经验公式计算,表示为3蒸发二次干燥模型3.1u3000酸、碱和空气中的地震反应当生球的含水量降低到关键值以下后,生球的干燥主要依靠毛细作用,将球体内的水分输送到交界面完成蒸发,水蒸气穿过干燥外壳,在球体表面与干燥气体完成水分交换。随着蒸发作用的进行,干燥外壳不断增加,交界面逐渐向球心推进,如图3所示。当r=rc,即未干燥球核时,此时气体含水量Wg表示为,则可得式中:rc为未干燥球核的半径(m),Wpc为生球含水量关键值(kg/m3)。将式(7)代入式(8),整理得当生球在抽风干燥段时,外部干燥气体高于100℃,在传热作用下,生球未干燥球核的温度也会高于或等于100℃。此时,水蒸气不再主要依靠扩散作用转移到空气中,其转移动力主要依靠高温下饱和气压和大气压之间的压差。本文采用Darcy定理描述这一现象,描述为式中:fwv为水蒸气流量(kg/sm2),kpe为干燥外壳的相对渗透性(s),Pd为干燥外壳的静气压(atm)。同样,在压差驱动下,干燥外壳里聚集的水蒸气同样可以忽略不计,如图4所示。当取微量Δr时,可以得出等式将式(11)转换为对应的微分形式,可解得对于式(12)的两个未知常数,通过生球表面和交界面处两个边界条件:可以解得未知常数,并将其回代到式(12),整理得出最终可以得出,用Darcy定理描述,在压差作用下的干燥率式(9)和式(15)分别描述了毛细作用干燥阶段,未干燥球核的温度低于和大于等于100℃情况下,生球内的水蒸气在扩散和压差作用下的移动对应的干燥率。3.2蒸汽聚集热量k在生球含水量降到关键值以下后,生球内部分为两种传热介质:干燥的外壳和未干燥湿润的内核。在干燥外壳进行的热量交换主要是径向的热传导和蒸汽在穿过干燥外壳的热熵,两者可以表现为外壳的聚集热量,表示为式中:kd为干燥球团的有效热导(J/msK),VP为球团体积(m3),Ar为径向r处的球面面积(m2),Cwv为水蒸汽的热容(J/kg·K),ρds为干燥球团的密度(kg/m3),Cds为干燥球团的比热(J/kg·K)。Caron等人对干燥球团的比热计算提出如下公式对于未干燥的球核,热平衡方程为4球团干燥及温度分布通过前两节生球干燥过程的模型建立,确定模型的参数后,得出:1)球团的含水量曲线;2)球团的温度曲线;3)干燥气体的温度曲线。将现场参数(见表1)以及其他的文献参数代入后续模型中,得出生球含水量、温度和加热气体的时间曲线,与测量的炉罩温度数据进行对比,结果显示模型较好地反映了实际过程的变化趋势。图5~图7为生球含水量、温度和加热气体的时间曲线。实线表示球床中间层球团,虚线为球床顶层的球团,点划线为球床底层的球团,方框为实验测量数据。如图5所示,鼓风干燥段的干燥热风来自环冷3段,风向为从下往上,因而球床底层的球团在蒸发作用下含水量迅速下降,湿润的高温气体向上流动,中间层和顶层的球团温度与干燥气体温度相比较相对较低,因而高温的湿润气体遇上低温球团,发生冷凝现象,中间层特别是顶层球团的含水量反而会暂时升高。随后进入抽风干燥段后,随着风向的改变,顶层球团先接触干燥气体,含水量迅速降低,使得中层球团的含水量要高于底层和顶层,各层在抽风干燥段的后期完成干燥过程。如图6所示,鼓风干燥段,底层球团最早直接接触干燥气体,随着蒸发的热量交换,到达中层和顶层的气体温度要低一些,因而相应的与之接触的球团的温度也相应低于底层球团的温度。在抽风干燥段,风向发生改变,高温气体首先与顶层的球团发生接触,因而温度升高较快幅度也较大,中层次之,底层最小。图7为不同球层间高温气体温度与炉罩处气体温度的对比。图示各处的气体温度与炉罩处气体温度的变化趋势一致,炉罩位于链箅机上方,因而顶层球团处的气体温度和其他层的气体温度相比与炉罩处的气体温度较为接近。偏差主要是由于炉罩处的测温点与顶层球团处有一定的距离,其间还是存在温度变化。5水分蒸发过程的机理模型本文在介绍球团矿的链箅机干燥过程的基础上,研究了相关过程的建模问题。1)模型充分考虑了由鼓风干燥到抽风干燥的过渡过程中,干燥风向的变化对球床各层温度分布的影响。并通过研