黃 河 耿慶斌

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司軋鋼工程技術(shù)所 北京100176)

帶鋼熱風(fēng)烘干裝置設(shè)計

黃 河①耿慶斌

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司軋鋼工程技術(shù)所 北京100176)

總結(jié)了帶鋼開式烘干裝置和閉式烘干裝置計算模型，闡述了閉式烘干裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。分析加熱溫度、循環(huán)比、廢氣溫度等參數(shù)對閉式烘干裝置效率的影響，總結(jié)出合理的設(shè)計參數(shù)。結(jié)論表明采用閉式烘干裝置可以提高烘干效率至60%以上。

烘干裝置 帶鋼 烘干效率

1 前言

烘干裝置在帶鋼酸洗、脫脂、彩涂等后處理工藝生產(chǎn)線中應(yīng)用廣泛。目前工藝中采用的帶鋼烘干裝置多采用熱風(fēng)作為干燥介質(zhì)，主要有兩種結(jié)構(gòu)型式。

1)開式烘干裝置：熱風(fēng)噴吹到帶鋼表面之后放散到空氣中；

2)閉式烘干裝置：熱風(fēng)噴吹到帶鋼表面之后，部分回到換熱器再加熱循環(huán)使用。工程實踐中，帶鋼烘干裝置的設(shè)計以類比法為主，文獻[1]也沒有給出烘干裝置各設(shè)計參數(shù)的計算方法。干燥過程能耗較高，因此設(shè)計合理的帶鋼烘干裝置才能滿足高效、節(jié)能的生產(chǎn)要求。本文以某酸洗線帶鋼烘干裝置設(shè)計為例，闡述了干式烘干裝置和閉式烘干裝置設(shè)計參數(shù)的選擇依據(jù)及計算方法。

2 開式烘干裝置

2.1 開式烘干原理

干燥過程是傳熱傳質(zhì)同時伴隨發(fā)生的除濕過程。預(yù)熱后的空氣含少量水蒸氣，噴吹在帶鋼表面時熱量傳遞給帶鋼，同時帶走帶鋼表面水分，使帶鋼表面干燥，空氣濕度增大。

熱風(fēng)干燥過程計算主要包括水分蒸發(fā)量、空氣用量以及加熱功率。圖1所示為開式帶鋼烘干裝置流程圖。新鮮空氣(狀態(tài)為環(huán)境溫度t0、濕度H0、熱焓I0、干空氣量L)加熱后(狀態(tài)為t1、H1、I1、L) 進入烘干箱，帶鋼含水量從W1降低為W2，帶鋼溫度從tm1升高到tm2；空氣溫度下降，濕度增加后排出烘干箱(狀態(tài)為t2、H2、I2、L)。

2.2 開式烘干計算

為簡化計算，假設(shè)：①烘干箱的熱損失可忽略不計；②帶鋼在烘干箱中溫升忽略不計。因此可將帶鋼烘干過程近似為等焓干燥過程。如圖2，開式烘干過程在濕度圖上可表述為：新鮮空氣從A點加熱到B點，熱焓增加，絕對濕度不變，相對濕度減?。贿M入烘干箱等焓干燥至C點，熱焓不變，絕對濕度增加，達(dá)到吸收帶鋼表面水分目的。

圖1 開式帶鋼烘干裝置流程圖

圖2 開式烘干過程濕度圖

1)水分蒸發(fā)量計算

W=W1-W2

式中W—水分蒸發(fā)量，kg/h；W1—帶鋼入口含水量，kg/h；W2—帶鋼出口含水量，kg/h。

令帶鋼寬度1.25m，速度180m/min，并考慮較為惡劣工況，取入口帶鋼水膜厚度0.03mm。

W1=0.03×1.25×180×60=405kg/h

取出口帶鋼含水量W2=0，則W=405kg/h

2)空氣用量計算

L=W/(H2-H1)

式中L—絕干空氣用量，kg/h；H1—加熱后空氣濕度，kg水/kg干空氣；H2—廢氣濕度，kg水/kg干空氣。

取空氣入口溫度為15℃，相對濕度100%，空氣加熱后溫度120℃，廢氣溫度為90℃。查濕度圖得H1=H0=0.011，I0=42.8kJ/kg。根據(jù)濕空氣熱焓公式，計算加熱后空氣熱焓：

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

式中I0—新鮮空氣焓，kJ/kg；I1—加熱后空氣焓，kJ/kg；I2—廢氣焓，kJ/kg。

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

3)加熱功率計算

q=L′(I1-I0)/3600=1060kW

式中q—加熱器功率，kW。

3 閉式烘干裝置

3.1 閉式烘干原理

圖3所示為閉式烘干裝置流程圖。與開式干燥裝置不同的是，廢氣一部分排到大氣，一部分進入烘干箱循環(huán)使用。根據(jù)文獻[2]，廢氣循環(huán)使用可以提高烘干效率、節(jié)約能源。定義循環(huán)廢氣中干空氣量與進入烘干箱內(nèi)干空氣量的比值為循環(huán)比。

圖3 閉式帶鋼烘干裝置流程圖

圖4 閉式烘干過程濕度圖

3.2 閉式烘干計算

與開式烘干裝置條件相同，取空氣入口溫度為15℃，相對濕度100%，空氣加熱后溫度120℃，排出烘干箱溫度為90℃。如圖4，閉式烘干過程在濕度圖上可表述為：新鮮空氣從A0點加熱到B0點，熱焓增加，絕對濕度不變；進入烘干箱等焓干燥至C0點，熱焓不變，絕對濕度增加；然后部分廢氣與新鮮空氣混合，狀態(tài)變?yōu)锳1，再加熱至B1，等焓干燥至C1；經(jīng)過n次循環(huán)后，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)An，Bn，Cn。因此閉式烘干過程需要進行迭代計算。

1)空氣狀態(tài)參數(shù)計算

混合氣溫度

tm=ktn+(1-k)t0

式中tm—混合氣溫度，℃；t0—新鮮空氣溫度，15℃；tn—廢氣溫度，90℃；k—循環(huán)比，取0.5。

計算可得tm=52.5。

混合氣濕度

Hm=kHn+(1-k)H0

混合氣焓

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

混合氣加熱后焓

Im′=1.005×120+(2491+1.926×120)Hm

廢氣濕度

Hn=(Im′-1.005×tn)/(2491+1.926×tn)

取收斂精度10-4迭代計算，可得廢氣濕度Hn=0.0346，混合氣Hm=0.0228，Im′=182.7，Im=111.9。

2)空氣用量計算

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

Vm=Lm(1+Hm)/ρm=39057m3/h

式中Lm—混合氣中絕干空氣量，kg/h;Vm—加熱后混合氣體積流量，m3/h；ρm—加熱后空氣密度，kg/m3，120℃時取值0.898。

3)加熱功率計算

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

3.3 閉式烘干裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述計算，相同條件下，循環(huán)比為0.5時，采用閉式烘干裝置可節(jié)能35%。因此下面主要介紹閉式烘干裝置結(jié)構(gòu)，如圖5所示。烘干裝置由烘干箱、風(fēng)機、 換熱器、 噴管、噴嘴、新風(fēng)口和排風(fēng)口組成。循環(huán)風(fēng)從經(jīng)換熱器加熱，經(jīng)風(fēng)機加壓后從嘴管高速噴射到帶鋼表面，完成干燥過程。調(diào)節(jié)新風(fēng)口和排風(fēng)口可以控制循環(huán)比，從而控制烘干箱內(nèi)濕度，滿足生產(chǎn)需求。烘干箱體外表面采用隔熱材料覆蓋，減小熱損失。

圖5 閉式烘干裝置結(jié)構(gòu)簡圖

1)噴嘴參數(shù)

熱風(fēng)從噴嘴高速噴射到帶鋼表面完成傳熱傳質(zhì)過程。根據(jù)射流換熱理論，當(dāng)噴嘴與帶鋼距離Z與噴嘴縫隙d之比即Z/d=6～10時，可取得較高的換熱效率。為保證良好通板性能，取Z=50mm，則噴嘴縫隙約為5mm～8mm。

2)風(fēng)機參數(shù)

風(fēng)機參數(shù)包含流量和壓力。風(fēng)機風(fēng)量即混合氣體積流量，可由前節(jié)公式計算。風(fēng)機壓力與噴嘴出口處氣體流速密切相關(guān)。

式中V—噴嘴出口氣體流速，m/s；κ—氣體常數(shù)，取1.4；Rg—氣體絕對常數(shù)，取289.2；T1—氣體絕對溫度，K，取393；P2—噴嘴出口氣體絕對壓力，Pa，取101325；

P1—噴嘴入口氣體絕對壓力，Pa。

已知入口壓力即可由上式計算出噴嘴出口氣體流速。根據(jù)經(jīng)驗，取噴嘴出口氣體流速80m/s～100m/s，反推噴嘴入口相對壓力約為3600Pa～5500Pa。設(shè)計中考慮適量壓損，即可確定風(fēng)機壓力。另外，風(fēng)機風(fēng)量與單個噴嘴流量之比即為噴嘴數(shù)量。

4 烘干裝置效率分析

4.1 烘干裝置效率

定義烘干裝置效率為裝置去除水分所需要的能量與供給總能量之比，即

η=E1/E2E1=r×W

式中η—烘干裝置效率；E1—脫水所需能量，kJ；r—水蒸汽潛熱，kJ/kg；W—水分蒸發(fā)量，kg；E2—消耗總能量，包含加熱器和風(fēng)機兩部分，kJ。

4.2 優(yōu)化設(shè)計

為設(shè)計出高效、節(jié)能的烘干裝置，比較分析溫度、循環(huán)比等參數(shù)對閉式烘干效率的影響。廢氣溫度對干燥速率影響顯著，廢氣溫度越高，烘干速率越快，耗能越高。通常選擇廢氣溫度高于其絕熱飽和溫度30℃～50℃，以避免返潮現(xiàn)象，因此本文取廢氣溫度大于80℃。圖6所示為不同廢氣溫度下，循環(huán)比與烘干裝置效率的關(guān)系。可以看出，廢氣溫度越低，效率越高；循環(huán)比為0.85～0.95時，效率最高，可達(dá)到60%以上。

圖7 空氣加熱溫度對烘干裝置效率影響

圖7所示為空氣加熱溫度對烘干裝置效率的影響?？梢钥闯?，隨著加熱溫度增大，效率提高；但當(dāng)加熱溫度超過130℃后，效率反而略微減小。因此選擇空氣加熱溫度120℃～130℃時，可取得較好節(jié)能效果。

經(jīng)過合理設(shè)計的閉式烘干裝置，效率可達(dá)60%以上，是同條件下開式烘干裝置效率的2.4倍。以前節(jié)405kg/h水分蒸發(fā)量為例，采用閉式烘干裝置，可節(jié)約能源5.7×106kWh/年，折合約66萬m3天然氣，減少CO2排放3700t/年。通常設(shè)計時，風(fēng)機及加熱器選型考慮了較為惡劣的工況，烘干能力偏大。因此選用變頻風(fēng)機、設(shè)置蒸汽流量空氣閥，根據(jù)帶鋼烘干情況調(diào)整風(fēng)量及加熱功率，可取得較好的節(jié)能效果。

5 結(jié)論

1)降低廢氣溫度，可以提高烘干效率，烘干速率也隨之降低；

2)閉式烘干裝置比開式烘干裝置效率提高2.4倍，達(dá)到60%以上；

3)取加熱溫度120℃～130℃、循環(huán)比0.85～0.95，廢氣溫度90℃～100℃，閉式烘干裝置可同時獲得較高的烘干效率和烘干速率。

[1]屈群,陳德勇.一體式帶鋼干燥器的設(shè)計及應(yīng)用．中國重型裝備，2010(9)：20-23．

[2]于才源．干燥裝置設(shè)計手冊．北京：化學(xué)工業(yè)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

黃河，男，1984年出生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，碩士研究生，工程師，研究方向：軋鋼機械

TG162.86

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.002

2014-07-05)