多燃料燃燒器在鎳鐵礦回轉窯上的應用

李寧，諶爭

鎳金屬具有良好的高溫穩定性、耐腐蝕性、延展性和磁性，被廣泛應用于不銹鋼、電鍍、合金和永磁材料等領域[1]。鎳鐵是不銹鋼企業的上游產品，有些大型不銹鋼企業擁有自己的鎳鐵冶煉廠，目前鎳鐵生產工藝主要采用回轉窯烘干—回轉窯還原焙燒—電爐還原冶煉，即RKEF冶煉工藝[2-3]。焦油、蘭炭煤氣和煤粉是不銹鋼生產企業的常見燃料，然而三者的價格卻相差很大。煤粉一直是回轉窯焙燒的主燃料，但其成本相對較高。降低生產成本，尋求低價可替代燃料，成為了鎳鐵生產企業關注的重點。

1 項目背景

印尼青山不銹鋼有限公司是一家集鎳礦開采、不銹鋼冶煉與銷售于一體的綜合性鋼鐵企業。該公司現有二十條鎳鐵生產線在生產運行，全部采用RKEF冶煉工藝。每年煤粉消耗量達五十多萬噸，煤粉價格成為影響成本的主要因素之一。為降低成本，公司有意使用現有焦油和煤氣作為替代燃料，以降低煤粉的使用量。

本次改造現場回轉窯規格為：?4.4m×100m，設計產能為40～50t/h，焙燒窯燃燒器需做到煤粉、焦油和蘭炭煤氣三種燃料可按任意比例混燒，采用電子點火，自動化控制。

2 鎳鐵回轉窯工藝

回轉窯在鎳礦RKEF生產工藝流程中的作用大致可劃分為干燥、預熱和焙燒三部分。物料從窯尾入窯，經干燥帶將礦物表面水分蒸發，然后在預熱帶脫除礦物中的結晶水，最后在焙燒帶（燒成帶）通過還原反應還原礦石中的鎳和鐵等金屬，并以焙燒渣的形式從窯內卸出，出窯焙燒料的溫度約800℃±50℃。其中干燥帶長度約50m，加熱帶長度約33m，焙燒帶的長度約17m[4-5]。

為了確保焙燒料的質量，必須對燒成帶溫度、窯尾溫度和窯尾氧氣含量進行監控[6]。物料在燒成帶完成燒結過程，因此燒成帶的溫度控制直接影響物料的焙燒質量和生產的安全運轉。工藝要求焙燒渣的溫度應控制在800℃～900℃，窯尾溫度控制在500℃，窯尾氧氣含量在0～0.5%。尾氣中的氧含量過多，一方面會與氮氧化物發生化學反應，污染環境，另一方面會使鎳鐵氧化，破壞焙燒質量；尾氣氧含量太少，燃料燃燒不充分，浪費燃料[7]。

3 燃燒器工藝要求

紅土鎳礦回轉窯分為干燥、預熱、焙燒三段，屬于中空回轉窯操作，由于沒有窯尾預熱器和窯頭冷卻部分，干燥、焙燒和冷卻全部在回轉窯內進行[8]，所以燃燒器的火焰長度和溫度都需要有獨特的要求。燃燒火焰長度應在合理范圍內。如果火焰過短，可能造成燒窯，威脅筒體安全，發生不必要的事故；也不能過長，以免煤粉燃燒不充分，造成窯尾溫度過高，使頭尾溫度倒掛，致使系統工藝紊亂，產量低，質量差。因此，在設計時必須考慮燃燒器的獨特性。

燃燒器作為回轉窯的主要供熱源，其火焰溫度必須達到1 100～1 200℃，以保障出窯焙燒料質量；火焰長度控制在15～20m，以滿足煤粉的充分燃燒；同時燃燒器燃料的多少和一次風大小的調節要方便、快捷，以適應不同產量和工況的工藝需要[9]。

4 現場燃料情況（表1、表2、表3）

5 多燃料燃燒器

鎳鐵礦煅燒的合理溫度范圍在800～900℃之間，即火焰溫度宜在1 100～1 200℃左右，在常溫助燃空氣條件下，燃燒器應做到以上三種燃料任意比例混燒且滿足煅燒工藝要求。

燃料最大用量要求：煤粉6t/h、焦油2.5t/h、煤氣15 000m3/h。

考慮到三種燃料的燃燒特性，結合鎳鐵礦的煅燒工藝對火焰長度的要求，為了達到一定的火焰長度，燃燒器在使用時必須有一定量的煤粉參與燃燒，否則火焰長度有限，影響正常生產。燃燒器頭部結構如圖1所示，風道順序由外到內依次為：軸流風道、煤氣通道、煤粉通道、旋流風道和中心風道，焦油油槍和電子點火器位于中間。其中點火器通過氣動裝置可自動實現軸向前后移動，點火燃料使用煤焦油，一鍵式操作，方便快捷。

表1 煤粉工業分析

表2 煤焦油分析

圖1 燃燒器頭部結構

鎳鐵礦回轉窯內的火焰屬于典型低溫長帶煅燒工藝，燃燒器風道風速不宜過高，使用風壓10kPa左右即可。因此，現場原有的一次風機（風量：95m3（標）/min，風壓：39.2kPa）就能滿足使用要求。

燃燒器三種燃料的操控采用可視化觸摸屏操作，可實現本地和遠程控制切換。控制系統流程圖見圖2。

自動點火前準備條件如下：

（1）燃燒器與窯口平齊且水平對中。

（2）清理干凈油泵及閥組上的過濾網，且確保所有管路閥門可靈活調節。

（3）點火前要進行油槍的試噴，以確保油槍霧化正常不堵塞。

（4）點火前關閉油管路上的閥門，打開手動調節閥，對油槍進行反吹清理。

（5）點火桿能夠正常進出。

（6）油泵啟停正常，油壓最大≯3MPa。

（7）所有管道吹掃完畢，且燃氣管道置換完畢，

表3 煤氣分析

圖2 控制系統流程圖并經過取樣檢驗合格，煤氣壓力≮10kPa。

（8）一次風機和送煤風機啟停正常。

點火階段問題處理：

（1）在點火時，若油槍有油壓和氣壓顯示，且油壓和氣壓值均在0.5MPa左右，但始終點不著火，此時可關閉油管上的氣動快切閥，同時關閉霧化空氣管上的氣動快切閥，查看燃油支管上的壓力表的壓力值是否還在原壓力值范圍內，若在，則說明油槍內的油出口孔堵塞，可拆開油槍槍頭清洗槍芯內的機械雜質，再重新點火一次。

（2）點火過程中油霧能點著，但火焰特別藍且特別短，燃燒時的聲音特別大，說明是油槍內的油出口孔有雜物堵塞，油量太少所致，此時拆開油槍清洗槍芯即可。

焦油霧化介質采用水蒸氣，其壓力要求≮0.5MPa，溫度≮200℃。自動點火時油壓設置0.8MPa，氣壓設置0.6MPa，正常煅燒時可根據溫度需要增大油量或壓力值。操作時氣壓要略低于油壓，且最大值≯0.4MPa。正常生產時油壓1～1.5MPa。

蘭炭煤氣具有高腐蝕性，煤氣管道所有控制閥板均需進行特殊處理，從而避免因煤氣泄漏而引起的安全事故。另外，出于安全考慮燃燒器煤氣入口處設有放散出口和取樣點[10]。現場采用氮氣吹掃管道，吹掃結束后再進行煤氣置換，在取樣點對置換的煤氣進行試燃燒，待火焰燃燒平穩后方可將煤氣通入燃燒器燃燒。煤氣管道入口設置氣動切斷閥，當閥前壓力＜3kPa時自動切斷，以防止煤氣倒流。正常生產時煤氣壓力10～12kPa。

煤粉輸送及行走小車均利用原有系統。

6 結語

改造后的燃燒器可實現煤粉和煤氣、煤粉和焦油或者三種燃料同時混燒，由于工藝的特殊性，在沒有煤粉參與的情況下，窯內火焰長度會明顯縮短，鎳鐵產量會受到一定的影響。煤氣和焦油無法完全替代煤粉，但可以大幅減少煤粉的使用量。如在同一產量下，燃燒煤粉時煤粉用量5t/h，煤粉和煤氣混燒時煤粉用量1.5t/h，煤氣用量13 000m3/h。現場可根據三種燃料的市場價格波動情況合理選擇燃料，使用低價燃料可大幅降低燃料成本，為公司帶來可觀的經濟效益。