SR系列多通道燃烧器在镍铁还原窑行业中的应用
陈开宏
襄阳中和机电技术有限公司
0 摘要
概述了目前镍铁还原回转窑主流生产工艺原理、特点及要求，主要介绍了根据这些原理要求如何采用“一燃料一设计，一窑型一修正”的精准设计理念针对性的设计燃烧器；结合目前镍铁生产企业智能化发展趋势，提出燃烧器智能化技术方案，充分发挥燃烧器的性能，实现系统节能环保、优质高效、智能化运行，为企业发展提供技术保障。
1 概况
目前国内红土镍矿的火法主流生产工艺主要有RKEF法（回转窑干燥预还原-矿热炉法)和RKDR法（回转窑直接还原法），而两者在煅烧温度和温度分布上有着较大的差别；同时近年来熔融还原铁工艺中，对回转窑预热预还原处理工艺也进行了不停地技术改进升级，对燃烧器均提出了新的技术要求。我公司致力于燃烧控制技术22年，根据多年的实践经验总结出根据不同工艺条件、不同燃料和不同燃烧方式等针对性进行差异化设计，并在燃烧器研发中持续研发高效节能减排的燃烧设备、实施智能化解决方案，在系统工艺中充分发挥燃烧器最大的技术效能，以实现系统节能环保、优质高效、智能化运行，为实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的目标而努力奋斗，做出微薄的贡献！
2 镍铁还原回转窑生产工艺原理、特点及要求
2.1 回转窑干燥预还原-矿热炉工艺（RKEF法）
RKEF法即回转窑-矿热电炉工艺，是处理红土镍矿生产中高品位镍铁的主要工艺。含水约30-40%的原矿经过干燥后（含水20-22%）入回转窑在800℃以上干燥、预热、焙烧预还原后，再送入矿热电炉，在约1550～1600℃的高温下还原熔炼产出含镍＞15%的镍铁，供生产不锈钢及其它合金材料。
回转窑的主要作用一是除去物料中的吸附水、结晶水、结构水，二是进行预还原。除采用系统操作参数调节外，燃烧器对火焰长度和窑内温度控制的调节也起着关键性的作用。根据不同的窑型规格、燃料种类及燃烧方式、矿种特性，优质的燃烧器可以调节不同的火焰形状以适应工艺所要求的温度区域。RKEF工艺中焙烧区合适的火焰温度约1050～1250℃，高温区长度约等于4～6倍窑内径，出料温度约在750～850℃。窑尾烟气成分主要控制O2和CO，一般O2含量控制在0.6%以下和微量CO。
2.2回转窑直接还原工艺（RKDR法）
使用回转窑直接还原氧化镍，首先经过物料的预处理、磨矿、混合、制团后，进入回转窑，随着窑体的转动向前行进，与窑头的高温烟气形成逆流，发生热交换、焙烧进行氧化物的还原和金属聚集，物料依次经过干燥、预热、分解过渡、高温还原，回转窑的还原、煅烧带温度约1250～1450℃；回转窑产生出的熟料经过水淬、磨碎、磁选后，筛选得到相应成分镍铁合金，供下游企业使用。
实践证明通常煅烧区的温度范围约1250～1450℃，高温区长度约等于4～6倍窑内径，该温度区间内物料呈半熔融、熔融状态，为减少物料氧化及高温物料冷却后结厚圈堵塞窑口，要求控制较高的窑头温度和合理的二次风入窑方式；窑尾温度一般控制在300～500℃。
2.3熔融还原炼铁（HIsmelt法）
HIsmelt熔融还原炼铁工艺是一种以非焦煤作为主要能源，直接使用含铁原料，在高温熔融状态下用碳把铁氧化物还原成金属铁的冶炼方法。该方法不用焦炭、烧结矿和球团矿，大大的减少了CO2、NOx和二恶因的排放，具有工艺简单、资源和能源利用效率高、对环境污染小等优点。
燃烧器主要在预热预还原处理中发挥重要作用。回转窑温度控制范围为700～1200℃；使用燃料主要以煤粉、天然气及SRV低热值煤气。高温回转窑内为还原性氛围，燃烧器设计时需要注意保持燃料稳定燃烧的同时，避免温度集中及减少结圈，入窑风量可略低于理论完全风量，并有较宽的调节范围，以控制和保持窑内具有一定的还原性气氛。
2.4 镍铁还原窑使用的燃料特点
目前随着镍铁还原窑工艺的不断升级优化和各地区环保的要求，可利用燃料的种类也越来越多，不仅单烧煤粉、煤气，也有煤粉和煤气混烧、以及高热值的天然气与低热值煤气混烧组合的方式，使低热值煤气利用效率越来越高。不同的燃料有着不同的特性，针对不同的回转窑规格和工艺特点，有着不同的设计要求，在设计或选用燃料时应特别引起重视。不同燃料的热值、燃烧速度及燃烧特性等相关参数如下表如示：
表1 不同形态，不同热值燃料的燃烧特性
燃料种类 | 低位热值 MJ·m-3 | 挥发分% | 着火/闪点温度℃ | 火焰传播 速度m·s-1 | 理论燃烧 温度℃ | 燃烧特性 |
烟煤 | 23～29 | 15～35% | 400～550 | 火焰传播速度影响因素较多 | ～2000 | 挥发分高、细度小、水分低，混合速度 快、环境温度高，火焰传播速度快 |
褐煤 | 23～27 | ≥37% | 270～310 | 火焰传播速度影响因素较多 | ～1800 | 含水量15～60% |
柴油（0#） | ～42.6 | - | ～257 闪点80 | 0.16-0.30 | ～1800 | 雾化方式、微粒大小，雾化剂和助燃风配比对燃烧速度影响较大 |
重油（20#） | 42～46 | - | 530-580 闪点80-130 | 0.15-0.28 (80-120℃) | ～2100 | 雾化方式、微粒大小，预热温度（或粘度）雾化剂和助燃风配比对燃烧速度影响较大 |
天然气 | ～36.5 | - | 540～650 | 0.38 CH4：0.69（9.8%）* | ～2050 | 喷出速度、混合速率、环境温度，等对火焰传播速度影响较大 |
矿热炉气 | 5.8～7.5 | - | ≥600 | H2:4.83(33.5%)* CO：1.25（45%）* | ～1706 | 煤气温度、含尘量、喷出速度、混合速率、环境温度，等对火焰传播速度影响较大 |
SRV炉气 | ～2.6 | - | ≥700 | H2:4.83(33.5%)* CO：1.25（45%）* | ～1119 | 水分含量、煤气温度、含尘量、混合速率、环境温度等对火焰燃烧的传播速度影响较大 |
说明：1、*为相应浓度范围时在空气中的传播速度；2、着火温度、火焰传播速度并不是一个固定值，它和空气与燃料的混合浓度、混合气体的压力及环境温度、混合速率均有一定关系。3、理论燃烧温度与实际温度之间的差异与系统效率有关。4、混合气体火焰传播速度需要综合试验获得，仅列举了单质气体在一定浓度下的传播速度，各成分浓度与实际气体浓度含量不同的，传播速度不同。 |
3 镍铁回转窑多通道燃烧器特点及选型
3.1 镍铁回转窑多通道燃烧器的非标性和科学性
决定回转窑燃烧器使用效果的三大关键因素主要包括：回转窑工艺参数和条件、燃料特性与燃烧方式、燃烧器结构与参数设计。除燃烧器结构参数外，其它各种参数都是动态中不断变化，且各种工艺参数对应关系的不确定性，注定了燃烧器产品设计的非标准化，必须采用科学的手段精准设计。根据相应回转窑的工艺特点和参数要求，结合燃料的特性及不同的组合燃烧方式，选择合适的燃烧器结构排布及参数等针对性的设计燃烧器，并通过精准科学的计算及CFD仿真技术就显得尤为重要，我公司对比多年的燃烧器大数据库参数和现场工艺调试经验的积累，结合仿真的结果分析判断，提高动态仿真各设计参数的精准度，可最大程度地符合窑工艺的要求。
（a）燃烧器头部网格化分 (b) 回转窑三维模型 (c) 燃烧器及回转窑网格化分
图1 窑头燃烧器头部及回转窑网格化分
(a)温度分布 图(b) CO浓度分布图
图2 设计工况的三维计算结果图
(a) 温度分布图 (b) CO分布图
图3 设计工况的二维计算结果图
3.2 “一燃料一设计，一窑型一修正”针对性设计
上述表格中所述，不同的燃料有着不同的燃烧特性，在不同的回转窑工艺中就会形成不同的燃烧效果。低热值的燃料燃烧温低，形成稳定循环燃烧的喷出流速就需要相应缓慢一些，喷出后与助燃空气及热烟气混合的速率就需要增强，以形成稳定连续的火焰和高温区域；高挥发分的煤粉着火点低，燃烧速度更快，在同等窑型规格中，喷出流速需要设计更快一些，相应的轴流风和旋流风流速与挥发分燃烧相匹配设计，以延长充分燃烧形成火焰适应工艺要求的高温区域。气体燃料相比固体燃烧（如煤粉）燃烧速度要快，那么在燃烧器设计时，必须考虑到气流速度过低时火焰过短烧坏头部，流速过快时熄火导致不安全。不同类型的燃料在混烧时，与单烧有着完全不同的效果，需要综合各燃料的特性参数、体积占比、热值占比、混烧单烧使用概率占比及窑规格大小、工艺要求等等因素，综合考虑各燃料通道的布置位置、结构形式和喷出流速、角度，以最大限度地适应工艺要求。
我公司研发设计的回转窑燃烧器涉及的燃料种类多（有煤粉、石油焦、电炉气、天然气、焦炉煤气、发生炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、电石煤气，柴油、重油、渣油、废油等等几乎涵盖所有气体、液体和固体燃料），行业多（有镍铁RKEF工艺、镍铁直接还原工艺、钒钛矿还原工艺、冶金球团、石灰、水泥、化工等十几个行业），结构形式多（有双通道、三通道、四通道、五通道、六通道等），积累的窑工艺和调试经验丰富(有数千条回转窑燃烧器的调试服务经验)。根据我公司积累的丰富经验，科学采用CFD仿真技术，在高动能与高冲量型燃烧器各自优点的基础上，经过长期的数据对比和实例应证，结合镍铁还原回转窑生产工艺的特点采用高冲量型、中大推力、涡流型燃烧器，同时随燃烧器配套合适的二次风结构设计、参数设计及入窑方式设计，避免火焰温度局部过度集中烧损耐材和更能适应镍铁回转窑煅烧时高温区域长、火焰温度均匀、无高温峰值、减少窑头结冷圈和窑中后部结热圈的工艺要求；通过高冲量型燃烧器特有的火焰刚度和穿透力，增加火焰高温区长度，使物料均匀受热及增加受热时间，提高煤粉燃尽率、降低热耗及减少煤粉不完全燃烧形成结圈因素，为稳定生产，提高产质量提供保障。本公司根据各不同燃料及燃气特性，设计应用于各种工艺条件下的燃烧器图片如下：
(a) 温度分布图 (b) CO分布图
图4 不同形态、不同燃料组合单烧或混烧型的多通道燃烧器
3.3 调节性好、适应性强
(1) 风量及分配比例调节
“工欲善其事，必先利其器”，要想烧好窑，减少工艺事故的发生，首先要选择好的燃烧器，其次要能熟练调整和操作使用，才会发挥出事半功倍的效果。选择好的燃烧器具有优良的工艺适应性是本身固有的特点，使其充分完整的发挥更会如虎添翼。火焰长度在线调节装置，不但可调节各风道的风量大小，也可以调节分配各风道的匹配比例；还可改变轴流风、旋流风出口面积，在技术上完全优于国内的同类产品。通过调节波纹补偿器可以改变头部出口面积，得到不同风速、风量及动量的组合，得到不同的气流旋流强度，充分发挥现代新型燃烧控制技术：速度差、方向差及压力差，大涡流及钝体回流控制技术等方面功能优势，以及采用多种调节手段，通过简单便捷的调节装置，以适应煤质成分和工艺状况的变化带来的调节弊端，极大的适应工艺变化，使火焰调节效果更加明显，以满足窑内物料煅烧的需要。
(a) 向下调节出口面积加大 (b)向上调节出口面积缩小
图5 燃烧器的调节装置
(a) 增加旋流风出口速度及减小轴流风量后火焰长度缩短
(b) 扩大轴流风出口面积及增加轴流风量后火焰长度延长
图 6 燃烧器调节装置及火焰长度变化情况
(2) 恒速及恒压调节
根据工艺条件的变化，在保持风量不变的情况下，提高风速，即可以用有限的风量通过提高风速来提升动量，增加火焰的延伸和控制能力；或风速不变的情况下，通过调节出口面积来提升用风量来提升火焰的延伸和控制能力，如前者更适应挥发分低，热值低的燃料；后者更适应热煤气、挥发分高、热值高的燃料。此种调节方法，可以适应工况多变，燃料多变及有效利用风机效能的好处；在系统设备低负荷点火运行初期、燃料用量低的情况下，可以得到较宽的调节比，以适应不同负荷条件下的正常运行。
(a) 面积同时增大状态 (b)零位状态 (c)面积同时缩小状态
图7 轴流风、旋流风出口面积调节状态示意图
(3) 位置调节
燃烧器位置调节是指燃烧器中心线及燃烧器端面中心相对窑口和窑中心线的位置调节，包括上下、左右、前后及整体位置调节。燃烧器在窑内的位置直接影响着火焰逼近物料或影响窑衬的使用寿命。离物料太近，没有燃尽的煤粉落入物料会形成低熔点物质形成粘结和结圈，同时影响窑内的气氛；离物料太远，燃烧空间足够，但会影响窑衬的使用寿命，同时对物料的辐射能力降低，不利于物料受热及物料对燃料的辐射，并增加能耗。伸进窑口内太多，窑口的冷却带太长，易于结窑口圈或出料再氧化；退出窑口外太多，缩短了高温还原区的长度，缩短了物料的还原时间，不利于金属回收率的提高。燃烧器的位置调节在生产中应能在线调节，不影响正常生产，相关调节的示意图如下所示：
图8 燃烧器调节示意图（前后、上下左右及整体调节）
3.4 燃烧器智能化
(1) 自动点火与火焰监测
在采用天然气或柴油点火的燃烧器设备中，可采用一键式启动高能点火器自动点火，同时配套火焰监测器和火焰控制器，实时对火焰进行监测，提高点火作业安全和降低人员作业强度，探测器在规定的时间内未检测到火焰，传送信号给控制器，立刻关闭点火气源或柴油控制阀，同时报警。在清除故障、安全检查，具备点火条件后方可进行再次点火操作。
图9 燃烧器采用自动点火、火焰监测
(2) 智能调节与监控。燃烧器调节阀门采用电动调节，带反馈，可在远程和在地调节。远端调节与监控可接入中控DCS，也可以独立在手机APP或网页上调节与查看。提高了作业效率，减少了人员劳力，提高了安全性。
(3) 账号登录，增加数据安全性。为了保证数据的安全性，进入远程系统必须使用账号密码登录。每个新增加的账号，都需要经过主账号授权才可进入相应的项目。在设置变量时，对于每个变量都可以设置安全等级，在账号授权时，可以给账号授权相应的角色，根据需求可自定义新的角色以及权限。
(4) 报警推送历史数据查询功能。支持报警分组推送，可设置各类报警信息在触发的时候，通过微信或短信的方式发送到不同用户手机中，提示现场操作人员及管理者及时了解现场故障。历史数据查询功能可用来分析故障发生的原因、时间及变化趋势，为更快解决问题提供支撑。
(5) 补偿器位移记录功能。由于补偿器的调整对火焰影响非常大，此系统可远程查看补偿器的实时位置，并且对补偿器的调整距离、调整时间均可记录，方便日后追溯查询。
(6) 远程手机端APP操作界面示意如下：
图9 手机APP远程监控画面
3.5 回转窑多通道燃烧器选型
燃烧器选型在考虑上述科学性、针对性、调节适应性及智能型外，还应考虑以下相关方面：
(1) 满足工艺要求的条件下，尽可能充分利用低热值煤气及直接热煤气，降低热耗；
(2) 选择确定合适的二次风入窑方式；
(3) 燃烧器设计能力应满足最大供热能力；
(4) 燃烧器设计用一次风和二次风量应满足燃烧火焰形状可控和充分燃烧的需求；
(5) 燃烧器配套设备应匹配性好、经济合理；避免富余量过大，造成设备成本高，利用率低；
(6) 燃气配套阀组安全性应符合相应规范和标准，操作、检修方便；
(7) 燃烧器头部的关键材质使用寿命能满足至少一个年度周期的生产运行，气体燃料的燃烧器头部应能满足至少两年的生产周期运行。
(8) 燃烧器设备非标性的特点，需要更专业的团队进行前期沟通并确定合理方案；后期需要专业技术服务人员在设备安装及运行初期进行全方位的指导安装、培训讲解及售后跟踪服务。
4 SR多通道燃烧器的应用
4.1 案例1 直接利用热煤气,减少热损失，节能效果好。
国内某有限公司印尼一期8条RKEF工艺镍铁生产线，单烧热煤气，目前拟准备点火投产，燃烧器主要技术参数如下：
(1) 回转窑规格：Φ5.5×110m，顺时针和逆时针各4条
(2) 矿热炉功率：48000KVA
(3) 燃料种类：热煤气，煤气温度600-650℃，热值≥1200kcal/Nm3；
(4) 回转窑燃烧器燃烧能力：～41000Nm3/h；
(5) 回转窑燃烧器配套风机参数：
① 一次风机：风量207m3/min，风压19.6kpa（变频）
② 二次风机：风量～46000m3/h，升压6.9kpa（变频）
4.2 案例2 助燃二次风加热，提高燃料燃尽率，节能效果明显。
国内某金属有限公司18条RKEF工艺镍铁生产线，单烧煤粉，目前已点火投产2条，燃烧器主要技术参数如下：
(1) 回转窑规格：Φ4.85×100m，顺时针和逆时针各9条
(2) 矿热炉功率：33000KVA
(3) 燃料种类：
烟煤 ：固定碳52%，灰分10.3%，挥发分 30%，硫 <0.53%，磷 0.032%，全水16.8%（入窑水分～3.0%），细度（-200目） 过筛85%mm，热值5600kcal/kg；
(4) 回转窑燃烧器燃烧能力：煤粉：0.5～7.0t/h；
(5) 回转窑燃烧器配套风机参数：
① 送煤风机：风量30m3/min，风压58.8kpa
② 一次风机：风量88.5m3/min，风压29.4kpa（变频）
③二次风机参数：风量～35000m3/h，升压6.5kpa，风温～300℃
4.3 案例3 充分利用低热值矿热炉煤气，替代部分煤粉燃料，节能效果显著。
国内某科技新材料有限公司8条RKEF镍铁生产线，煤粉+矿热炉煤气混烧，煤粉与煤气分开采用主辅两种烧嘴，并带阀组，采用柴油或天然气点火，主要技术参数如下：
(1) 回转窑规格：Φ5.5×115m，顺时针旋转；焙砂产量：70-95t/h矿热炉功率：48000KVA
(2) 燃料种类：
原煤工业分析：烟煤 ：固定碳56.46%，灰分9.37%，挥发分32.06，硫 <0.41%，磷0.005%，水分11%（入窑水分3%以下），粒度≤50mm，热值 5796-6645kcal/kg，细度（200目）5%以下；
(3) 辅烧燃料：矿热电炉煤气，热值1400～1800kcal/Nm3，温度≤200℃，压力3-8kpa，温度≤200℃，正常40-180℃；
(4) 回转窑燃烧器燃烧能力：
主烧燃烧能力：煤粉：1.0～14.0t/h；辅烧：4000-7500Nm3/h，
(5) 回转窑燃烧器配套风机参数：
(6) 主烧配套风机参数：
① 送煤风机：风量62m3/min，风压78.4kpa，功率132kw（变频）
② 一次风机：风量180m3/min，风压39.2kpa，功率185kw（变频）
③ 助燃二次风机参数：风量60000m3/h，风压6kpa，功率160kw （变频）
(7) 辅烧助燃风机参数：风量：8500～9500m3/h，风压：10000～12000pa
4.4案例4 充分利用低热值煤粉和煤气，精准设计，对煤质适应性强，系统稳定。
国内某公司在印尼镍铁项目
(1) 回转窑规格：Φ4.85×100m，逆时针旋转；焙砂产量：50-59t/h；
(2) 矿热炉功率：33000KVA
(3) 主烧燃料种类：煤粉：收到基低位热值大于4200kcal/kg，挥发份≥25%，细度（200目）过筛率≥85%～95%，水份≤2%（能适应褐煤、烟煤等多种粉煤燃烧）；
(4) 辅烧燃料：矿热电炉煤气，压力5-10kpa，热值约1400kcal/Nm3,温度≤200℃；
(5) 主烧燃烧能力：煤粉：1.0～10.0t/h
(6) 辅烧燃烧能力：～6000Nm3/h，温度≤200℃；
(7) 主烧配套风机参数：
① 送煤风机：风量45.1m3/min，风压58.8KPa，功率75kw (变频)；
② 一次风机：风量124.8m3/min，风压29.4KPa，功率90kw(变频)；
③ 助燃风机参数：风量40000m3/h，风压5000pa(变频)；
(8) 辅烧助燃风机参数：风量8000-8500m3/h，风压6000-7000pa(变频)
4.5 案例5 高速喷煤，多点定点喷射，有效控制还原气氛和温度。
国内某新材料有限公司钛铁矿（煤粒喷枪）
(1) 回转窑规格：Ф5.0m×90m，斜度：2度
(2) 回转窑产品：钛铁矿
(3) 回转窑产量：实际产量：21t/h
(4) 窑头煤粒喷煤量：9t/h
(5) 单根煤粒喷枪能力：正常3000～4500kg/h，最大：5000kg/h
(6) 燃料种类：神木无烟煤
(7) 煤粒：20～30mm 占比30%，10～20mm占比40%，0～10 mm占比30%
(8) 输送风机：50.4m3/min，风压：78.4Kpa，变频
5 结论
通过阐述不同镍铁还原窑工艺的原理、特点和温度要求，结合不同的窑型规格、工艺参数及燃料特性，运用科学的CFD仿真技术精准设计燃烧器结构和技术参数，加强燃烧器适应性和调节性设计；为适应企业智能化建设，实施燃烧器智能化操作与控制的解决方案，结合优质专业系统的匹配调试、培训，让SR系列多通道燃烧器在镍铁及类似还原工艺回转窑中发挥出最大的功效。
参考资料
[1] 刘晓民《RKEF生产线工艺设计总结》 煤基直接还原工艺技术交流会会刊--2017
[2] 潘料庭 张秋艳 李海波 《影响红土镍矿回转窑直还金属回收率因素分析》 煤基直接还原工艺技术交流会会刊--2017
[3] 贾利军 于国华 张向国 王冰《我国熔融还原炼铁技术发展现状及生产实践》2019年第四届全国炼铁设备-2019
[5]徐旭常 周力行 《燃烧技术手册》 化学工业出版社-2008
