多燃料燃烧器在镍铁矿回转窑上的应用

李宁，谌争

镍金属具有良好的高温稳定性、耐腐蚀性、延展性和磁性，被广泛应用于不锈钢、电镀、合金和永磁材料等领域[1]。镍铁是不锈钢企业的上游产品，有些大型不锈钢企业拥有自己的镍铁冶炼厂，目前镍铁生产工艺主要采用回转窑烘干—回转窑还原焙烧—电炉还原冶炼，即RKEF冶炼工艺[2-3]。焦油、兰炭煤气和煤粉是不锈钢生产企业的常见燃料，然而三者的价格却相差很大。煤粉一直是回转窑焙烧的主燃料，但其成本相对较高。降低生产成本，寻求低价可替代燃料，成为了镍铁生产企业关注的重点。

1 项目背景

印尼青山不锈钢有限公司是一家集镍矿开采、不锈钢冶炼与销售于一体的综合性钢铁企业。该公司现有二十条镍铁生产线在生产运行，全部采用RKEF冶炼工艺。每年煤粉消耗量达五十多万吨，煤粉价格成为影响成本的主要因素之一。为降低成本，公司有意使用现有焦油和煤气作为替代燃料，以降低煤粉的使用量。

本次改造现场回转窑规格为：ϕ4.4m×100m，设计产能为40～50t/h，焙烧窑燃烧器需做到煤粉、焦油和兰炭煤气三种燃料可按任意比例混烧，采用电子点火，自动化控制。

2 镍铁回转窑工艺

回转窑在镍矿RKEF生产工艺流程中的作用大致可划分为干燥、预热和焙烧三部分。物料从窑尾入窑，经干燥带将矿物表面水分蒸发，然后在预热带脱除矿物中的结晶水，最后在焙烧带（烧成带）通过还原反应还原矿石中的镍和铁等金属，并以焙烧渣的形式从窑内卸出，出窑焙烧料的温度约800℃±50℃。其中干燥带长度约50m，加热带长度约33m，焙烧带的长度约17m[4-5]。

为了确保焙烧料的质量，必须对烧成带温度、窑尾温度和窑尾氧气含量进行监控[6]。物料在烧成带完成烧结过程，因此烧成带的温度控制直接影响物料的焙烧质量和生产的安全运转。工艺要求焙烧渣的温度应控制在800℃～900℃，窑尾温度控制在500℃，窑尾氧气含量在0～0.5%。尾气中的氧含量过多，一方面会与氮氧化物发生化学反应，污染环境，另一方面会使镍铁氧化，破坏焙烧质量；尾气氧含量太少，燃料燃烧不充分，浪费燃料[7]。

3 燃烧器工艺要求

红土镍矿回转窑分为干燥、预热、焙烧三段，属于中空回转窑操作，由于没有窑尾预热器和窑头冷却部分，干燥、焙烧和冷却全部在回转窑内进行[8]，所以燃烧器的火焰长度和温度都需要有独特的要求。燃烧火焰长度应在合理范围内。如果火焰过短，可能造成烧窑，威胁筒体安全，发生不必要的事故；也不能过长，以免煤粉燃烧不充分，造成窑尾温度过高，使头尾温度倒挂，致使系统工艺紊乱，产量低，质量差。因此，在设计时必须考虑燃烧器的独特性。

燃烧器作为回转窑的主要供热源，其火焰温度必须达到1 100～1 200℃，以保障出窑焙烧料质量；火焰长度控制在15～20m，以满足煤粉的充分燃烧；同时燃烧器燃料的多少和一次风大小的调节要方便、快捷，以适应不同产量和工况的工艺需要[9]。

4 现场燃料情况（表1、表2、表3）

5 多燃料燃烧器

镍铁矿煅烧的合理温度范围在800～900℃之间，即火焰温度宜在1 100～1 200℃左右，在常温助燃空气条件下，燃烧器应做到以上三种燃料任意比例混烧且满足煅烧工艺要求。

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

考虑到三种燃料的燃烧特性，结合镍铁矿的煅烧工艺对火焰长度的要求，为了达到一定的火焰长度，燃烧器在使用时必须有一定量的煤粉参与燃烧，否则火焰长度有限，影响正常生产。燃烧器头部结构如图1所示，风道顺序由外到内依次为：轴流风道、煤气通道、煤粉通道、旋流风道和中心风道，焦油油枪和电子点火器位于中间。其中点火器通过气动装置可自动实现轴向前后移动，点火燃料使用煤焦油，一键式操作，方便快捷。

表1 煤粉工业分析

表2 煤焦油分析

图1 燃烧器头部结构

镍铁矿回转窑内的火焰属于典型低温长带煅烧工艺，燃烧器风道风速不宜过高，使用风压10kPa左右即可。因此，现场原有的一次风机（风量：95m3（标）/min，风压：39.2kPa）就能满足使用要求。

燃烧器三种燃料的操控采用可视化触摸屏操作，可实现本地和远程控制切换。控制系统流程图见图2。

自动点火前准备条件如下：

（1）燃烧器与窑口平齐且水平对中。

（2）清理干净油泵及阀组上的过滤网，且确保所有管路阀门可灵活调节。

（3）点火前要进行油枪的试喷，以确保油枪雾化正常不堵塞。

（4）点火前关闭油管路上的阀门，打开手动调节阀，对油枪进行反吹清理。

（5）点火杆能够正常进出。

（6）油泵启停正常，油压最大≯3MPa。

（7）所有管道吹扫完毕，且燃气管道置换完毕，

表3 煤气分析

图2 控制系统流程图并经过取样检验合格，煤气压力≮10kPa。

（8）一次风机和送煤风机启停正常。

点火阶段问题处理：

（1）在点火时，若油枪有油压和气压显示，且油压和气压值均在0.5MPa左右，但始终点不着火，此时可关闭油管上的气动快切阀，同时关闭雾化空气管上的气动快切阀，查看燃油支管上的压力表的压力值是否还在原压力值范围内，若在，则说明油枪内的油出口孔堵塞，可拆开油枪枪头清洗枪芯内的机械杂质，再重新点火一次。

（2）点火过程中油雾能点着，但火焰特别蓝且特别短，燃烧时的声音特别大，说明是油枪内的油出口孔有杂物堵塞，油量太少所致，此时拆开油枪清洗枪芯即可。

焦油雾化介质采用水蒸气，其压力要求≮0.5MPa，温度≮200℃。自动点火时油压设置0.8MPa，气压设置0.6MPa，正常煅烧时可根据温度需要增大油量或压力值。操作时气压要略低于油压，且最大值≯0.4MPa。正常生产时油压1～1.5MPa。

兰炭煤气具有高腐蚀性，煤气管道所有控制阀板均需进行特殊处理，从而避免因煤气泄漏而引起的安全事故。另外，出于安全考虑燃烧器煤气入口处设有放散出口和取样点[10]。现场采用氮气吹扫管道，吹扫结束后再进行煤气置换，在取样点对置换的煤气进行试燃烧，待火焰燃烧平稳后方可将煤气通入燃烧器燃烧。煤气管道入口设置气动切断阀，当阀前压力＜3kPa时自动切断，以防止煤气倒流。正常生产时煤气压力10～12kPa。

煤粉输送及行走小车均利用原有系统。

6 结语

改造后的燃烧器可实现煤粉和煤气、煤粉和焦油或者三种燃料同时混烧，由于工艺的特殊性，在没有煤粉参与的情况下，窑内火焰长度会明显缩短，镍铁产量会受到一定的影响。煤气和焦油无法完全替代煤粉，但可以大幅减少煤粉的使用量。如在同一产量下，燃烧煤粉时煤粉用量5t/h，煤粉和煤气混烧时煤粉用量1.5t/h，煤气用量13 000m3/h。现场可根据三种燃料的市场价格波动情况合理选择燃料，使用低价燃料可大幅降低燃料成本，为公司带来可观的经济效益。