球團礦鏈機干燥過程的熱傳遞現象研究

球團礦鏈機干燥過程的熱傳遞現象研究

作為球團礦沉淀系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，鏈機系統(tǒng)的主要工作原理是使用環(huán)冷系統(tǒng)和回轉爐系統(tǒng)的回收熱對多余的水球團進行干燥和加熱。生球由布料機被布到移動箅板上依次經過鼓風干燥段、抽風干燥段和預熱氧化段,在高溫氣流作用下,脫除生球中的游離水和結晶水,磁鐵礦被氧化為赤鐵礦,球團具有一定的強度后進入回轉窯中進行焙燒固結。干燥過程中要避免溫度較大的變化以免生球在高溫作用下體積發(fā)生劇烈收縮而產生開裂,強度下降乃至產生殘次品,因而生球的含水量在經過干燥過程后必須達到工藝要求。由于冷凝作用會導致下上層生球由于含水量的增加而使其強度降低,為了避免這一現象,干燥階段一般都采用向上鼓風和向下抽風相結合的干燥方式。在以往的文獻中,Voskamp和Brasz首次提出球團礦燒結過程模型;隨后,Yong和Cross構建了完整的鏈篦機回轉窯環(huán)冷機過程模型,各工藝段以氣體流和球團流為對象串接起來;Thurlby首次提出了燒結過程子模型的概念,將研究重點集中于工藝過程間的聯系以及氣流流量的計算上;Davis提出的燒結過程模型,將蓖板的熱輻射現象考慮進模型中,并研究了氣體對流交換熱現象;Sadrnezhaad等人則提出了工業(yè)過程級的模型,并對各個階段的氣體成分進行分析,用于燒結過程的完成程度分析。以上的研究成果為球團礦生球干燥模型的研究和改進打下了較好的基礎,但上述模型還是存在一定的局限性,即將生球干燥視為連續(xù)穩(wěn)定過程,沒有考慮由鼓風干燥到抽風干燥的過渡過程中,干燥風向的變化對球床各層溫度分布的影響。本文提出的生球干燥模型沿用Meyer的階段模型思想,采用兩段式干燥模型:當生球含水量在關鍵值以上時,生球的游離水在表面蒸發(fā)干燥;而當含水量降低到關鍵值以下后,內部的水分通過毛細作用進行蒸發(fā),形成的干燥球殼向球心方向推進。動力學模型考慮了球床的多孔介質參數以及其他動力學參數與含水量之間的關系,以及蒸發(fā)作用下,生球與干燥空氣間的吸放熱現象。考慮干燥風向的變化,得出過渡點的球床各層溫度和含水量分布,將其作為風向變化后的抽風干燥模型的初始值,用于下階段的計算。對生球干燥過程,本文做如下假設:1)整個燒結過程為穩(wěn)定生產過程;2)縱向的氣流速度要遠高于鏈箅機的機速;3)球床在整個燒結過程中高度不改變。1干燥氣體的溫度和時間生球通過布料機布到鏈箅機的蓖板上,在傳動裝置作用下依次經過鼓風干燥段(updraftdry)、抽風干燥段(downdraftdry)、預熱1段(firstpreheat)和預熱2段(secondpreheat)。如圖1所示,本文研究背景中鏈箅機的鼓風干燥段的低溫氣體來自于環(huán)冷機的三冷段,風箱溫度控制在190~220℃,爐罩溫度控制在65~80℃;抽風干燥段的干燥氣體來自預熱2段的二次風,爐罩溫度控制在340~370℃,干燥尾氣由風箱抽出,溫度控制在130~140℃。生球的干燥主要在鼓風干燥段和抽風干燥段完成,溫度、風量、壓力和運行時間的設定和控制是鏈箅機過程的關鍵,要實現的目標為:經過鼓風和抽風干燥段后,生球的含水量要降到工藝設定值以下,使得干燥生球進入預熱段,高溫預熱時不至于爆裂。在Mayer兩段式干燥模型中,將生球的干燥過程分為兩個連續(xù)的過程:1)當含水量在關鍵值以上時為表面干燥,生球的游離水蒸發(fā);2)當含水量降低到關鍵值以下后,內部的水分通過球體的毛細孔蒸發(fā)出球體外,形成干燥殼并向球心方向推進。如圖2所示,球床在蓖板上,從左到右運行。箭頭代表干燥氣體的方向,球體的顏色深淺代表含水量的多少,外層的虛線代表水蒸氣膜,內層小圓圈代表潮濕內核。其中:F為干燥氣體流量,Wp為生球含水量,Wp0為生球原始含水量。本文沿用Mayer兩段式思想,將生球干燥過程分為游離水蒸發(fā)階段和毛細作用蒸發(fā)階段,并對這兩階段干燥過程中發(fā)生的質量和熱量變化進行模型描述。2干燥和蒸發(fā)的分離層2.1之間的交換速率當生球的含水量大于臨界含水量時,游離水的蒸發(fā)發(fā)生在生球的表面,蒸發(fā)的水蒸氣在靠近生球表面的地方形成一層水膜,此時,生球的干燥主要是由于游離水在高溫作用下的蒸發(fā),水蒸氣在對流作用下,在生球表面與干燥氣體發(fā)生交換作用,即生球的干燥速率等于游離水蒸汽與干燥氣體間的水分交換速率,表示為式中:Wp為生球含水量(kg/m3),km為生球表面水分對流傳質系數(m/s),a為單位體積球床的比表面積(m2/m3),Wge為空氣飽和濕度(kgvapour/m3gas),Wg為空氣濕度(kgvapour/m3gas)。Geankoplis等人提出對流傳質率的經驗計算公式為式中:DH2O為空氣中水蒸氣的擴散系數(m2/s),dp為生球粒度(m),Re:Reynold常數,Pr:Prandtl常數。而空氣中水蒸氣擴散系數經驗計算公式為式中:Tg為氣體溫度(K)。2.2對流熱量交換系數在游離水蒸發(fā)階段,生球與高溫氣體間的溫差促使熱量從溫度高的氣體轉向低溫的生球,生球吸收熱量用于蒸發(fā)作用,這種在對流作用下,生球表面和加熱氣體之間熱量交換效率可以用對流熱量交換系數來表示。因而,熱量交換與對流熱量交換系數、溫度差和交換媒介的接觸面積有關,可以表示為式中:h為生球表面對流熱量交換系數(J/m2sK),A為生球表面積(m2),Ts為生球溫度(K)。對流熱量交換系數本文采用RanzMarshallue10bs關系式式中:kg為氣體熱導率(J/msK),ε為球床空隙率。氣體的熱導率與其溫度狀態(tài)強烈相關,采用經驗公式計算,表示為3蒸發(fā)二次干燥模型3.1u3000酸、堿和空氣中的地震反應當生球的含水量降低到關鍵值以下后,生球的干燥主要依靠毛細作用,將球體內的水分輸送到交界面完成蒸發(fā),水蒸氣穿過干燥外殼,在球體表面與干燥氣體完成水分交換。隨著蒸發(fā)作用的進行,干燥外殼不斷增加,交界面逐漸向球心推進,如圖3所示。當r=rc,即未干燥球核時,此時氣體含水量Wg表示為,則可得式中:rc為未干燥球核的半徑(m),Wpc為生球含水量關鍵值(kg/m3)。將式(7)代入式(8),整理得當生球在抽風干燥段時,外部干燥氣體高于100℃,在傳熱作用下,生球未干燥球核的溫度也會高于或等于100℃。此時,水蒸氣不再主要依靠擴散作用轉移到空氣中,其轉移動力主要依靠高溫下飽和氣壓和大氣壓之間的壓差。本文采用Darcy定理描述這一現象,描述為式中:fwv為水蒸氣流量(kg/sm2),kpe為干燥外殼的相對滲透性(s),Pd為干燥外殼的靜氣壓(atm)。同樣,在壓差驅動下,干燥外殼里聚集的水蒸氣同樣可以忽略不計,如圖4所示。當取微量Δr時,可以得出等式將式(11)轉換為對應的微分形式,可解得對于式(12)的兩個未知常數,通過生球表面和交界面處兩個邊界條件:可以解得未知常數,并將其回代到式(12),整理得出最終可以得出,用Darcy定理描述,在壓差作用下的干燥率式(9)和式(15)分別描述了毛細作用干燥階段,未干燥球核的溫度低于和大于等于100℃情況下,生球內的水蒸氣在擴散和壓差作用下的移動對應的干燥率。3.2蒸汽聚集熱量k在生球含水量降到關鍵值以下后,生球內部分為兩種傳熱介質:干燥的外殼和未干燥濕潤的內核。在干燥外殼進行的熱量交換主要是徑向的熱傳導和蒸汽在穿過干燥外殼的熱熵,兩者可以表現為外殼的聚集熱量,表示為式中:kd為干燥球團的有效熱導(J/msK),VP為球團體積(m3),Ar為徑向r處的球面面積(m2),Cwv為水蒸汽的熱容(J/kg·K),ρds為干燥球團的密度(kg/m3),Cds為干燥球團的比熱(J/kg·K)。Caron等人對干燥球團的比熱計算提出如下公式對于未干燥的球核,熱平衡方程為4球團干燥及溫度分布通過前兩節(jié)生球干燥過程的模型建立,確定模型的參數后,得出:1)球團的含水量曲線;2)球團的溫度曲線;3)干燥氣體的溫度曲線。將現場參數(見表1)以及其他的文獻參數代入后續(xù)模型中,得出生球含水量、溫度和加熱氣體的時間曲線,與測量的爐罩溫度數據進行對比,結果顯示模型較好地反映了實際過程的變化趨勢。圖5~圖7為生球含水量、溫度和加熱氣體的時間曲線。實線表示球床中間層球團,虛線為球床頂層的球團,點劃線為球床底層的球團,方框為實驗測量數據。如圖5所示,鼓風干燥段的干燥熱風來自環(huán)冷3段,風向為從下往上,因而球床底層的球團在蒸發(fā)作用下含水量迅速下降,濕潤的高溫氣體向上流動,中間層和頂層的球團溫度與干燥氣體溫度相比較相對較低,因而高溫的濕潤氣體遇上低溫球團,發(fā)生冷凝現象,中間層特別是頂層球團的含水量反而會暫時升高。隨后進入抽風干燥段后,隨著風向的改變,頂層球團先接觸干燥氣體,含水量迅速降低,使得中層球團的含水量要高于底層和頂層,各層在抽風干燥段的后期完成干燥過程。如圖6所示,鼓風干燥段,底層球團最早直接接觸干燥氣體,隨著蒸發(fā)的熱量交換,到達中層和頂層的氣體溫度要低一些,因而相應的與之接觸的球團的溫度也相應低于底層球團的溫度。在抽風干燥段,風向發(fā)生改變,高溫氣體首先與頂層的球團發(fā)生接觸,因而溫度升高較快幅度也較大,中層次之,底層最小。圖7為不同球層間高溫氣體溫度與爐罩處氣體溫度的對比。圖示各處的氣體溫度與爐罩處氣體溫度的變化趨勢一致,爐罩位于鏈箅機上方,因而頂層球團處的氣體溫度和其他層的氣體溫度相比與爐罩處的氣體溫度較為接近。偏差主要是由于爐罩處的測溫點與頂層球團處有一定的距離,其間還是存在溫度變化。5水分蒸發(fā)過程的機理模型本文在介紹球團礦的鏈箅機干燥過程的基礎上,研究了相關過程的建模問題。1)模型充分考慮了由鼓風干燥到抽風干燥的過渡過程中,干燥風向的變化對球床各層溫度分布的影響。并通過研