鎳鐵冶煉回轉窯燃燒系統(tǒng)及窯內(nèi)結圈的控制

王瑞卿

（光陽工程技術有限公司，山東 濟南 271100）

1 前 言

當前RKEF 工藝用于鎳鐵合金的冶煉及冰鎳冶煉，已成為一種主要的火法冶煉工藝，其產(chǎn)能占比超過全球鎳鐵總產(chǎn)能的2/3。該工藝有工藝流程短、熱效率高、鎳鐵產(chǎn)品成分穩(wěn)定、噸鐵電耗低等優(yōu)點。但正因為該工藝連續(xù)性強，維持回轉窯高效連續(xù)運轉、穩(wěn)定控制窯內(nèi)結圈尤為重要。本研究以回轉窯結圈機理、結圈產(chǎn)生的影響、燃燒器的類別及粉煤燃燒器的工藝控制等方面進行研究，既要實現(xiàn)高效節(jié)能地生產(chǎn)合格焙砂，又要控制窯內(nèi)微結窯皮狀態(tài)，以達到窯襯耐材長壽化的目的。

2 鎳鐵冶煉用回轉窯結圈的形成

2.1 RKEF冶煉工藝現(xiàn)狀

印尼某公司RKEF項目。

（1）干燥設備。一般RKEF 鎳鐵冶煉工藝在回轉窯前段工序都會采用干燥機對濕紅土鎳礦進行干燥，干礦含水量控制在22%～25%，其目的是在盡可能降低生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境中的揚塵的同時，為回轉窯脫除礦中自由水和結晶水減輕負擔。

（2）回轉窯?；剞D窯主要任務是完全脫出紅土鎳礦中的自由水和結晶水，并盡可能高的控制出窯焙砂溫度，期望在回轉窯中氧化鎳70%～80%還原為單質鎳，F(xiàn)e2O3還原成金屬鐵為2%～4%，大部分還原為Fe3O4和FeO。這是降低電爐電耗的關鍵因素，也是電爐穩(wěn)定生產(chǎn)的關鍵。但往往因為紅土鎳干礦粉塵含量高、窯內(nèi)氣氛控制波動大、配風控制不當?shù)纫蛩兀^高地控制焙砂溫度會帶來窯內(nèi)結圈嚴重的現(xiàn)象，大塊窯皮脫落，制約生產(chǎn)。同時也會影響焙砂的產(chǎn)質量、縮短窯襯壽命。

（3）礦熱爐。鎳鐵冶煉用礦熱爐主要任務是把回轉窯排出的已經(jīng)充分預還原的鎳焙砂，經(jīng)三相電極輸入大量電能，配以適量的碳質還原劑，充分還原焙砂中的氧化鎳和部分氧化鐵，紅土鎳礦中除了有價元素鎳、鐵的氧化物之外，MgO、SiO2占比較大，并少量含有Al2O3、Cr2O3等氧化物，各種氧化物在電爐中的還原順序及還原量可通過操作予以控制。在1 300～1 400 ℃的熔煉溫度條件下，根據(jù)幾種主要氧化物與氧結合能力的大小，通過選擇性還原可使紅土鎳礦中的鎳氧化物優(yōu)先還原。通過控制爐內(nèi)還原劑焦粉的加入量，可使鐵的氧化物部分還原為金屬，未完全還原的FeO 與脈石進入爐渣，以調整爐渣的流動性。

以往研究表明，當加料不變時，回轉窯焙砂溫度每升高10 ℃，冶煉電耗降低約3 kW·h/t焙砂[1-2］。因此對于礦熱爐來說，除需要控制入爐焙砂中的配碳量和焙砂粒度外，入爐焙砂溫度應控制較高，期往能夠達到1 000 ℃左右的溫度，既能確保礦熱爐安全穩(wěn)定操作，又能有效降低冶煉電耗。

2.2 RKEF冶煉鎳鐵合金基本工藝流程

首先印尼碼頭卸下的濕礦經(jīng)汽車運至露天堆場堆存，然后礦石經(jīng)振動篩處理后，大顆粒礦石經(jīng)齒輥破碎機破碎后與顆粒小礦石一起采用膠帶運輸機將礦石運至室內(nèi)堆場。經(jīng)堆料機堆料，紅土鎳礦從堆料場通過膠帶運輸機運到干燥廠房，經(jīng)皮帶秤計量后，加入干燥窯內(nèi)干燥。干燥主廠房設煤粉倉，無煙煤通過立式磨煤機磨出合格粒度的煤粉，通過噴吹罐進入熱風爐內(nèi)，熱風爐內(nèi)產(chǎn)生的熱煙氣連同礦熱爐經(jīng)旋風收塵后的熱煙氣在混風室一起進入干燥窯內(nèi)。干燥后礦石通過干燥窯尾部的圓筒篩篩分后，由膠帶運輸機運到干礦貯存的配料站，在配料站內(nèi)由膠帶運輸機把干礦、還原劑一起運到回轉窯廠房，通過溜槽加到回轉窯內(nèi)。

回轉窯采用煤粉做燃料，煤粉通過立式磨煤機磨出合格粒度的煤粉，通過粉煤燃燒器混同熱煙氣一起進入回轉窯燃燒。回轉窯煙氣直接進入旋風收塵器收塵，收塵后的煙氣由風機送干燥窯，作為干燥窯熱風。

高溫焙砂從回轉窯排放出來，溫度為800～850 ℃，經(jīng)熱料輸送系統(tǒng)將熱的焙砂輸送到礦熱爐加料倉內(nèi)，經(jīng)過礦熱爐的電解熔煉產(chǎn)出鎳鐵水，然后通過鑄鐵機產(chǎn)生鎳鐵制品?；玖鞒桃妶D1。

圖1 RKEF冶煉鎳鐵合金基本工藝流程

2.3 回轉窯一般工藝控制原則

印尼某公司回轉窯為Φ4.8 m×100 m，出料端變徑Φ3.8 m，4 擋支撐，雙傳動、單液壓擋輪，斜度3.5%。借助窯的轉動來促進料在回轉窯（旋窯）內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進行反應，窯頭噴煤燃燒產(chǎn)生大量的熱，熱量以火焰的輻射、熱氣的對流、窯磚（窯皮）傳導等方式傳給物料，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉動在窯內(nèi)向前運動?？s頸窯（見圖2）的窯頭縮頸段是不被磨損的擋料壩。高溫的料在這里繼續(xù)完成吸熱的預還原反應，金屬氧化物繼續(xù)還原的同時，料溫有所下降。所以，相同出料溫度下，縮頸窯的還原性理論上優(yōu)于直筒窯（見圖3）。同時，由于縮頸段的擋料作用，一般窯內(nèi)脫落大塊窯皮時，操作人員可及時觀察并有充分的作業(yè)準備時間處理。

圖2 縮頸窯的示意圖

圖3 直筒窯的示意圖

按照礦熱爐的實際需要，結合回轉窯自身特點，一般回轉窯工藝控制原則包括以下幾點。

（1）盡可能高的控制出窯焙砂溫度，理想情況下焙砂溫度需控制在850 ℃甚至1 000 ℃以上，但往往溫度過高會導致窯內(nèi)結圈嚴重，大塊窯皮脫落，降低焙砂供應的及時性和連續(xù)性，因此實際生產(chǎn)中，出窯焙砂溫度應控制在720～780 ℃。保證礦中自由水和結晶水充分脫除的同時，穩(wěn)定控制微結窯皮。

（2）配加一定量的碳質還原劑，保持窯內(nèi)良好的還原性氣氛，提高氧化鎳和氧化鐵的還原度。這也是降低礦熱爐冶煉電耗、改善爐渣流動性的關鍵點。窯內(nèi)主要反應包括：

（3）理想情況下，應控制回轉窯內(nèi)襯表面微結窯皮，既能穩(wěn)定控制各段溫度、創(chuàng)造良好的還原性氣氛，又能充分保護窯襯，實現(xiàn)回轉窯窯襯的長壽化。

（4）粉煤燃燒器焙燒鎳礦時，應合理利用一二次風配合合適的粉煤量，并保持窯的整體密封性，避免出窯焙砂有明顯的溫降，對風煤量控制造成誤導。同時減少隨著料帶入的冷風、可有效杜絕沒有焙燒充分的、結晶水含量在3%以上的焙砂入爐，防止爐壓波動甚至大翻渣事故的發(fā)生。

（5）時刻觀察燃燒器火焰，粉煤燃燒器端部黑頭小、火焰較細且長直，窯膛清亮。

2.4 回轉窯結圈的機理

鎳鐵冶煉用回轉窯結圈是被廣泛關注的一個話題，干礦和還原劑按比例配料后加入回轉窯，必須在高溫和還原氣氛中才能完成干燥、脫除結晶水、焙燒和預還原等物理化學反應，要完成各類反應，需要將窯內(nèi)高溫區(qū)的溫度控制到1 100 ℃左右，即粉煤燃燒產(chǎn)出的煙氣溫度高于被加熱物料200～300 ℃，才能夠產(chǎn)出溫度為750～800 ℃的焙砂。而焙砂溫度高于800 ℃，物料中的部分低熔點組分會開始熔化，熔融態(tài)物質會黏結在窯內(nèi)耐火材料上導致窯內(nèi)結圈。生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)焙砂溫度保持在700～750 ℃已能保證電爐的安全生產(chǎn)。而低熔點物質的熔化主要因素包括以下幾項。

（1）煤質的影響。若采用的原煤灰分高，部分灰分在粉煤燃燒后即為熔融狀態(tài)導致窯內(nèi)結圈。

（2）窯內(nèi)溫度控制過高。將回轉窯內(nèi)溫度控制過高，達到或者超過了物料熔點，熔融物料將會黏結形成結圈。

（3）燃燒器火焰控制不當。一二次風配合不合理，導致火焰距離窯內(nèi)的物料太近或直接與物料接觸，低熔點物質就會開始熔化；同樣的，火焰離窯內(nèi)耐火材料太近則會將耐火材料的溫度加熱到物料的熔點以上，當物料與耐火材料接觸后被過熱的耐火材料加熱熔化黏結。

（4）原料的影響。紅土鎳干礦作為回轉窯生產(chǎn)的主要原料，若其含粉塵量過大，造成窯內(nèi)氣氛混濁，粉塵或細小顆粒經(jīng)過高溫帶時形成部分液相粘到窯壁上，進而形成結圈[3-4］。

（5）操作穩(wěn)定性的影響。回轉窯是作業(yè)連續(xù)性強的一種生產(chǎn)工藝，上述各種因素導致大塊窯皮產(chǎn)生并脫落時，需要人工清理，這就需要打開窯頭操作門、適當降低窯內(nèi)給料量、降低噴煤量及一二次風配量、降低窯速等操作，種種因素導致回轉窯熱工穩(wěn)定性被破壞，窯內(nèi)局部時冷時熱，結圈情況得到進一步的惡化。

2.5 回轉窯嚴重結圈的影響

回轉窯結圈影響巨大，結圈較大時會影響窯內(nèi)煙氣、物料流動，影響窯內(nèi)溫度分布，導致窯頭溫度過高，而窯尾溫度過低，窯尾負壓上升而窯頭抽力不足，窯內(nèi)整體熱工穩(wěn)定性遭到破壞。如果結圈得不到有效的控制，將嚴重影響焙砂產(chǎn)量和質量，窯襯結構也會遭到嚴重破壞，增加勞動力的同時嚴重制約生產(chǎn)。

3 燃燒器的類別與選擇

3.1 用于焙燒紅土鎳礦回轉窯燃燒器的類別

常用回轉窯燃燒器常用的大體可分為兩種，一種是粉煤燃燒器另一種為氣體燃燒器。氣體燃燒器又分為煤氣燃燒器和天然氣兩種不同的氣體。

（1）粉煤燃燒器。對煤質的需求要求低，經(jīng)濟適用性較強，能夠適應劣質煤（例如煤粉中的硫化鐵含量高、燃值低、揮發(fā)分較高的煤），但對燃燒器的工藝要求比較高，也易對燃燒的煤粉通道造成沖刷，造成對燃燒器不必要的損耗。使用劣質煤還存在著火困難、燃燒不穩(wěn)定，火焰不易成型、燃盡率低，回轉窯內(nèi)極易結圈、甚至會出現(xiàn)燃燒器頭部結焦現(xiàn)象的發(fā)生，使用優(yōu)質煤時，也存在對風量的要求比較高，需要配備大量風機形成一次風、二次風對火焰的控制，即使使用優(yōu)質煤粉也存在因制煤系統(tǒng)的不穩(wěn)定造成火焰成型的波動。且粉煤燃燒器對燃燒氛圍的要求較高，在燃燒的同時產(chǎn)生大量的廢氣，煤粉燃燒不完全時，對除塵系統(tǒng)的要求較高，否則控制不當?shù)臅r候易發(fā)生煤粉爆燃，廢氣、殘留煤粉對大氣污染治理造成嚴重負擔。粉煤燃燒器對人為控制的熟練程度也要求比較高。

（2）煤氣燃燒器。一般用高爐煤氣的多，也可以用煤氣發(fā)生爐來用焦炭產(chǎn)生的煤氣進行回收而用來滿足回轉窯的工況需求。煤氣燃燒器對在線調節(jié)靈活方便，可以根據(jù)不同要求，對火焰長短、粗細、強弱隨時調整，火焰形狀更為規(guī)則完整、穩(wěn)定，有利于窯襯的長期安全使用。但根據(jù)我司現(xiàn)場情況，后期使用煤氣發(fā)生爐時，同樣存在煤氣壓力不穩(wěn)的情況，煤氣的燃值情況都是影響回轉窯工況的制約條件。煤氣燃燒器還存在升溫快，易回火，在使用時對煤氣用量和風量的嚴格把控是控制關鍵。

（3）天然氣燃燒器。天然氣燃燒器是3種燃燒器工藝使用要求最高的，是一種特殊的燃燒器，但天然氣燃燒器燃燒效率高，在風量較低的情況下，也達到完全燃燒。天然氣燃燒器燃燒穩(wěn)定，可適應較大的負荷變化，調節(jié)比率大，燃燒溫度能滿足工藝要求。燃氣燃燒器火焰性能好，具有較高的速度和較大的剛性，輻射能力強。天然氣燃燒器有較高的熱回收能力，表現(xiàn)在可使用預熱空氣或預熱煤氣的能力，以降低能耗。燃氣燃燒器還具有噪聲小、有害氣體少、煙塵少等。天然氣燃燒器成本高，在設計、安裝和調試方面有一定的技術含量。回轉窯的用燃燒器管長度較長，具體技術參數(shù)取決于回轉窯設備的應用行業(yè)和燃燒產(chǎn)品的特性。

3.2 粉煤燃燒器的應用

印尼某公司RKEF 項目回轉窯采用五通道粉煤燃燒器焙燒紅土鎳干礦，干礦一般成分見表1。

表1 干礦的一般成分（質量分數(shù)） %

采用粉煤燃燒器，試運行階段因上料量小未投用二次風，隨著上料量增加，按照上述粉煤燃燒器易造成結圈的問題，逐步投用二次風，嚴格控制風煤比和一二次風配比，產(chǎn)出焙砂穩(wěn)定控制在720～770 ℃，實際操作方向包括：（1）時刻觀察燃燒器火焰與窯內(nèi)氣氛，燃燒器端部黑頭小、火焰較細且長直，窯膛清亮。（2）窯頭尾負壓監(jiān)控到位，壓差大及時做好清理準備。（3）嚴格控制焙砂溫度，確保窯體密封性。（4）控制煤制灰分及干礦粉塵含量，從根源控制結窯皮現(xiàn)象。

焙砂基本成分如表2所示。

表2 焙砂的一般成分（質量分數(shù)） %

粉煤燃燒器燒嘴。粉煤燃燒器燒嘴內(nèi)的管路由外到內(nèi)由軸向風通道、煤粉通道、旋流風通道、中心風通道、點火油槍通道等五通道組成。燒嘴的材質由特殊材料加工，其中可調式旋流器有助于助燃劑和煤粉充分混合，使其達到預期的燃燒值。低阻力噴射螺母中間與軸向風通道相通，具有固定作用。基本結構見圖4。

圖4 粉煤燃燒器燒嘴示意圖

4 結 論

4.1 回轉窯用粉煤燃燒器實際運用易造成嚴重結圈的現(xiàn)象發(fā)生，但通過嚴格控制焙燒溫度、窯頭尾負壓、火焰形狀等窯速，穩(wěn)定控制窯內(nèi)結圈情況。

4.2 理想狀態(tài)下應控制窯內(nèi)微結窯皮狀態(tài)，既能穩(wěn)定焙砂質量和溫度，也可有效提高窯襯壽命。