1 概況

目前國(guó)內(nèi)紅土鎳礦的火法主流生產(chǎn)工藝主要有RKEF法（回轉(zhuǎn)窯干燥預(yù)還原-礦熱爐法)和RKDR法（回轉(zhuǎn)窯直接還原法），而兩者在煅燒溫度和溫度分布上有著較大的差別；同時(shí)近年來(lái)熔融還原鐵工藝中，對(duì)回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱預(yù)還原處理工藝也進(jìn)行了不停地技術(shù)改進(jìn)升級(jí)，對(duì)燃燒器均提出了新的技術(shù)要求。我公司致力于燃燒控制技術(shù)22年，根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出根據(jù)不同工藝條件、不同燃料和不同燃燒方式等針對(duì)性進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，并在燃燒器研發(fā)中持續(xù)研發(fā)高效節(jié)能減排的燃燒設(shè)備、實(shí)施智能化解決方案，在系統(tǒng)工藝中充分發(fā)揮燃燒器最大的技術(shù)效能，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、優(yōu)質(zhì)高效、智能化運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”的目標(biāo)而努力奮斗，做出微薄的貢獻(xiàn)！

2    鎳鐵還原回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝原理、特點(diǎn)及要求

2.1 回轉(zhuǎn)窯干燥預(yù)還原-礦熱爐工藝（RKEF法）

RKEF法即回轉(zhuǎn)窯-礦熱電爐工藝，是處理紅土鎳礦生產(chǎn)中高品位鎳鐵的主要工藝。含水約30-40%的原礦經(jīng)過(guò)干燥后（含水20-22%）入回轉(zhuǎn)窯在800℃以上干燥、預(yù)熱、焙燒預(yù)還原后，再送入礦熱電爐，在約1550～1600℃的高溫下還原熔煉產(chǎn)出含鎳＞15%的鎳鐵，供生產(chǎn)不銹鋼及其它合金材料。

回轉(zhuǎn)窯的主要作用一是除去物料中的吸附水、結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水，二是進(jìn)行預(yù)還原。除采用系統(tǒng)操作參數(shù)調(diào)節(jié)外，燃燒器對(duì)火焰長(zhǎng)度和窯內(nèi)溫度控制的調(diào)節(jié)也起著關(guān)鍵性的作用。根據(jù)不同的窯型規(guī)格、燃料種類及燃燒方式、礦種特性，優(yōu)質(zhì)的燃燒器可以調(diào)節(jié)不同的火焰形狀以適應(yīng)工藝所要求的溫度區(qū)域。RKEF工藝中焙燒區(qū)合適的火焰溫度約1050～1250℃，高溫區(qū)長(zhǎng)度約等于4～6倍窯內(nèi)徑，出料溫度約在750～850℃。窯尾煙氣成分主要控制O2和CO，一般O2含量控制在0.6%以下和微量CO。

2.2 回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝（RKDR法）

使用回轉(zhuǎn)窯直接還原氧化鎳，首先經(jīng)過(guò)物料的預(yù)處理、磨礦、混合、制團(tuán)后，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，隨著窯體的轉(zhuǎn)動(dòng)向前行進(jìn)，與窯頭的高溫?zé)煔庑纬赡媪?，發(fā)生熱交換、焙燒進(jìn)行氧化物的還原和金屬聚集，物料依次經(jīng)過(guò)干燥、預(yù)熱、分解過(guò)渡、高溫還原，回轉(zhuǎn)窯的還原、煅燒帶溫度約1250～1450℃；回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生出的熟料經(jīng)過(guò)水淬、磨碎、磁選后，篩選得到相應(yīng)成分鎳鐵合金，供下游企業(yè)使用。

實(shí)踐證明通常煅燒區(qū)的溫度范圍約1250～1450℃，高溫區(qū)長(zhǎng)度約等于4～6倍窯內(nèi)徑，該溫度區(qū)間內(nèi)物料呈半熔融、熔融狀態(tài)，為減少物料氧化及高溫物料冷卻后結(jié)厚圈堵塞窯口，要求控制較高的窯頭溫度和合理的二次風(fēng)入窯方式；窯尾溫度一般控制在300～500℃。

2.3 熔融還原煉鐵（HIsmelt法）

HIsmelt熔融還原煉鐵工藝是一種以非焦煤作為主要能源，直接使用含鐵原料，在高溫熔融狀態(tài)下用碳把鐵氧化物還原成金屬鐵的冶煉方法。該方法不用焦炭、燒結(jié)礦和球團(tuán)礦，大大的減少了CO2、NOx和二惡因的排放，具有工藝簡(jiǎn)單、資源和能源利用效率高、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

燃燒器主要在預(yù)熱預(yù)還原處理中發(fā)揮重要作用?；剞D(zhuǎn)窯溫度控制范圍為700～1200℃；使用燃料主要以煤粉、天然氣及SRV低熱值煤氣。高溫回轉(zhuǎn)窯內(nèi)為還原性氛圍，燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)需要注意保持燃料穩(wěn)定燃燒的同時(shí)，避免溫度集中及減少結(jié)圈，入窯風(fēng)量可略低于理論完全風(fēng)量，并有較寬的調(diào)節(jié)范圍，以控制和保持窯內(nèi)具有一定的還原性氣氛。

2.4 鎳鐵還原窯使用的燃料特點(diǎn)

目前隨著鎳鐵還原窯工藝的不斷升級(jí)優(yōu)化和各地區(qū)環(huán)保的要求，可利用燃料的種類也越來(lái)越多，不僅單燒煤粉、煤氣，也有煤粉和煤氣混燒、以及高熱值的天然氣與低熱值煤氣混燒組合的方式，使低熱值煤氣利用效率越來(lái)越高。不同的燃料有著不同的特性，針對(duì)不同的回轉(zhuǎn)窯規(guī)格和工藝特點(diǎn)，有著不同的設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)或選用燃料時(shí)應(yīng)特別引起重視。不同燃料的熱值、燃燒速度及燃燒特性等相關(guān)參數(shù)如下表如示：

 

2   鎳鐵回轉(zhuǎn)窯多通道燃燒器特點(diǎn)及選型

3.1 鎳鐵回轉(zhuǎn)窯多通道燃燒器的非標(biāo)性和科學(xué)性

決定回轉(zhuǎn)窯燃燒器使用效果的三大關(guān)鍵因素主要包括：回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)和條件、燃料特性與燃燒方式、燃燒器結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)。除燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)外，其它各種參數(shù)都是動(dòng)態(tài)中不斷變化，且各種工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的不確定性，注定了燃燒器產(chǎn)品設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)化，必須采用科學(xué)的手段精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)相應(yīng)回轉(zhuǎn)窯的工藝特點(diǎn)和參數(shù)要求，結(jié)合燃料的特性及不同的組合燃燒方式，選擇合適的燃燒器結(jié)構(gòu)排布及參數(shù)等針對(duì)性的設(shè)計(jì)燃燒器，并通過(guò)精準(zhǔn)科學(xué)的計(jì)算及CFD仿真技術(shù)就顯得尤為重要，我公司對(duì)比多年的燃燒器大數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)工藝調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的積累，結(jié)合仿真的結(jié)果分析判斷，提高動(dòng)態(tài)仿真各設(shè)計(jì)參數(shù)的精準(zhǔn)度，可最大程度地符合窯工藝的要求。

 

 

3.2 “一燃料一設(shè)計(jì)，一窯型一修正”針對(duì)性設(shè)計(jì)

上述表格中所述，不同的燃料有著不同的燃燒特性，在不同的回轉(zhuǎn)窯工藝中就會(huì)形成不同的燃燒效果。低熱值的燃料燃燒溫低，形成穩(wěn)定循環(huán)燃燒的噴出流速就需要相應(yīng)緩慢一些，噴出后與助燃空氣及熱煙氣混合的速率就需要增強(qiáng)，以形成穩(wěn)定連續(xù)的火焰和高溫區(qū)域；高揮發(fā)分的煤粉著火點(diǎn)低，燃燒速度更快，在同等窯型規(guī)格中，噴出流速需要設(shè)計(jì)更快一些，相應(yīng)的軸流風(fēng)和旋流風(fēng)流速與揮發(fā)分燃燒相匹配設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)充分燃燒形成火焰適應(yīng)工藝要求的高溫區(qū)域。氣體燃料相比固體燃燒（如煤粉）燃燒速度要快，那么在燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到氣流速度過(guò)低時(shí)火焰過(guò)短燒壞頭部，流速過(guò)快時(shí)熄火導(dǎo)致不安全。不同類型的燃料在混燒時(shí)，與單燒有著完全不同的效果，需要綜合各燃料的特性參數(shù)、體積占比、熱值占比、混燒單燒使用概率占比及窯規(guī)格大小、工藝要求等等因素，綜合考慮各燃料通道的布置位置、結(jié)構(gòu)形式和噴出流速、角度，以最大限度地適應(yīng)工藝要求。

我公司研發(fā)設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)窯燃燒器涉及的燃料種類多（有煤粉、石油焦、電爐氣、天然氣、焦?fàn)t煤氣、發(fā)生爐煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、電石煤氣，柴油、重油、渣油、廢油等等幾乎涵蓋所有氣體、液體和固體燃料），行業(yè)多（有鎳鐵RKEF工藝、鎳鐵直接還原工藝、釩鈦礦還原工藝、冶金球團(tuán)、石灰、水泥、化工等十幾個(gè)行業(yè)），結(jié)構(gòu)形式多（有雙通道、三通道、四通道、五通道、六通道等），積累的窯工藝和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)豐富(有數(shù)千條回轉(zhuǎn)窯燃燒器的調(diào)試服務(wù)經(jīng)驗(yàn))。根據(jù)我公司積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)采用CFD仿真技術(shù)，在高動(dòng)能與高沖量型燃燒器各自優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)對(duì)比和實(shí)例應(yīng)證，結(jié)合鎳鐵還原回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)采用高沖量型、中大推力、渦流型燃燒器，同時(shí)隨燃燒器配套合適的二次風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)及入窯方式設(shè)計(jì)，避免火焰溫度局部過(guò)度集中燒損耐材和更能適應(yīng)鎳鐵回轉(zhuǎn)窯煅燒時(shí)高溫區(qū)域長(zhǎng)、火焰溫度均勻、無(wú)高溫峰值、減少窯頭結(jié)冷圈和窯中后部結(jié)熱圈的工藝要求；通過(guò)高沖量型燃燒器特有的火焰剛度和穿透力，增加火焰高溫區(qū)長(zhǎng)度，使物料均勻受熱及增加受熱時(shí)間，提高煤粉燃盡率、降低熱耗及減少煤粉不完全燃燒形成結(jié)圈因素，為穩(wěn)定生產(chǎn)，提高產(chǎn)質(zhì)量提供保障。本公司根據(jù)各不同燃料及燃?xì)馓匦?，設(shè)計(jì)應(yīng)用于各種工藝條件下的燃燒器圖片如下：

 

3.3 調(diào)節(jié)性好、適應(yīng)性強(qiáng)

風(fēng)量及分配比例調(diào)節(jié)

“工欲善其事，必先利其器”，要想燒好窯，減少工藝事故的發(fā)生，首先要選擇好的燃燒器，其次要能熟練調(diào)整和操作使用，才會(huì)發(fā)揮出事半功倍的效果。選擇好的燃燒器具有優(yōu)良的工藝適應(yīng)性是本身固有的特點(diǎn)，使其充分完整的發(fā)揮更會(huì)如虎添翼。火焰長(zhǎng)度在線調(diào)節(jié)裝置，不但可調(diào)節(jié)各風(fēng)道的風(fēng)量大小，也可以調(diào)節(jié)分配各風(fēng)道的匹配比例；還可改變軸流風(fēng)、旋流風(fēng)出口面積，在技術(shù)上完全優(yōu)于國(guó)內(nèi)的同類產(chǎn)品。通過(guò)調(diào)節(jié)波紋補(bǔ)償器可以改變頭部出口面積，得到不同風(fēng)速、風(fēng)量及動(dòng)量的組合，得到不同的氣流旋流強(qiáng)度，充分發(fā)揮現(xiàn)代新型燃燒控制技術(shù)：速度差、方向差及壓力差，大渦流及鈍體回流控制技術(shù)等方面功能優(yōu)勢(shì)，以及采用多種調(diào)節(jié)手段，通過(guò)簡(jiǎn)單便捷的調(diào)節(jié)裝置，以適應(yīng)煤質(zhì)成分和工藝狀況的變化帶來(lái)的調(diào)節(jié)弊端，極大的適應(yīng)工藝變化，使火焰調(diào)節(jié)效果更加明顯，以滿足窯內(nèi)物料煅燒的需要。

 

(a) 向下調(diào)節(jié)出口面積加大                  (b)向上調(diào)節(jié)出口面積縮小?

圖5 燃燒器的調(diào)節(jié)裝置

 

（1）恒速及恒壓調(diào)節(jié)

根據(jù)工藝條件的變化，在保持風(fēng)量不變的情況下，提高風(fēng)速，即可以用有限的風(fēng)量通過(guò)提高風(fēng)速來(lái)提升動(dòng)量，增加火焰的延伸和控制能力；或風(fēng)速不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)出口面積來(lái)提升用風(fēng)量來(lái)提升火焰的延伸和控制能力，如前者更適應(yīng)揮發(fā)分低，熱值低的燃料；后者更適應(yīng)熱煤氣、揮發(fā)分高、熱值高的燃料。此種調(diào)節(jié)方法，可以適應(yīng)工況多變，燃料多變及有效利用風(fēng)機(jī)效能的好處；在系統(tǒng)設(shè)備低負(fù)荷點(diǎn)火運(yùn)行初期、燃料用量低的情況下，可以得到較寬的調(diào)節(jié)比，以適應(yīng)不同負(fù)荷條件下的正常運(yùn)行。
 
 

 

 

（2）位置調(diào)節(jié)
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