李寧,諶爭(zhēng)
鎳金屬具有良好的高溫穩(wěn)定性、耐腐蝕性、延展性和磁性,被廣泛應(yīng)用于不銹鋼、電鍍、合金和永磁材料等領(lǐng)域[1]。鎳鐵是不銹鋼企業(yè)的上游產(chǎn)品,有些大型不銹鋼企業(yè)擁有自己的鎳鐵冶煉廠,目前鎳鐵生產(chǎn)工藝主要采用回轉(zhuǎn)窯烘干—回轉(zhuǎn)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(chǎn)企業(yè)的常見(jiàn)燃料,然而三者的價(jià)格卻相差很大。煤粉一直是回轉(zhuǎn)窯焙燒的主燃料,但其成本相對(duì)較高。降低生產(chǎn)成本,尋求低價(jià)可替代燃料,成為了鎳鐵生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。
印尼青山不銹鋼有限公司是一家集鎳礦開(kāi)采、不銹鋼冶煉與銷售于一體的綜合性鋼鐵企業(yè)。該公司現(xiàn)有二十條鎳鐵生產(chǎn)線在生產(chǎn)運(yùn)行,全部采用RKEF冶煉工藝。每年煤粉消耗量達(dá)五十多萬(wàn)噸,煤粉價(jià)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(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為:?4.4m×100m,設(shè)計(jì)產(chǎn)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(diǎn)火,自動(dòng)化控制。
回轉(zhuǎn)窯在鎳礦RKEF生產(chǎn)工藝流程中的作用大致可劃分為干燥、預(yù)熱和焙燒三部分。物料從窯尾入窯,經(jīng)干燥帶將礦物表面水分蒸發(fā),然后在預(yù)熱帶脫除礦物中的結(jié)晶水,最后在焙燒帶(燒成帶)通過(guò)還原反應(yīng)還原礦石中的鎳和鐵等金屬,并以焙燒渣的形式從窯內(nèi)卸出,出窯焙燒料的溫度約800℃±50℃。其中干燥帶長(zhǎng)度約50m,加熱帶長(zhǎng)度約33m,焙燒帶的長(zhǎng)度約17m[4-5]。
為了確保焙燒料的質(zhì)量,必須對(duì)燒成帶溫度、窯尾溫度和窯尾氧氣含量進(jìn)行監(jiān)控[6]。物料在燒成帶完成燒結(jié)過(guò)程,因此燒成帶的溫度控制直接影響物料的焙燒質(zhì)量和生產(chǎn)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。工藝要求焙燒渣的溫度應(yīng)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(guò)多,一方面會(huì)與氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),污染環(huán)境,另一方面會(huì)使鎳鐵氧化,破壞焙燒質(zhì)量;尾氣氧含量太少,燃料燃燒不充分,浪費(fèi)燃料[7]。
紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯分為干燥、預(yù)熱、焙燒三段,屬于中空回轉(zhuǎn)窯操作,由于沒(méi)有窯尾預(yù)熱器和窯頭冷卻部分,干燥、焙燒和冷卻全部在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行[8],所以燃燒器的火焰長(zhǎng)度和溫度都需要有獨(dú)特的要求。燃燒火焰長(zhǎng)度應(yīng)在合理范圍內(nèi)。如果火焰過(guò)短,可能造成燒窯,威脅筒體安全,發(fā)生不必要的事故;也不能過(guò)長(zhǎng),以免煤粉燃燒不充分,造成窯尾溫度過(guò)高,使頭尾溫度倒掛,致使系統(tǒng)工藝紊亂,產(chǎn)量低,質(zhì)量差。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮燃燒器的獨(dú)特性。
燃燒器作為回轉(zhuǎn)窯的主要供熱源,其火焰溫度必須達(dá)到1 100~1 200℃,以保障出窯焙燒料質(zhì)量;火焰長(zhǎng)度控制在15~20m,以滿足煤粉的充分燃燒;同時(shí)燃燒器燃料的多少和一次風(fēng)大小的調(diào)節(jié)要方便、快捷,以適應(yīng)不同產(chǎn)量和工況的工藝需要[9]。
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(yīng)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(jié)合鎳鐵礦的煅燒工藝對(duì)火焰長(zhǎng)度的要求,為了達(dá)到一定的火焰長(zhǎng)度,燃燒器在使用時(shí)必須有一定量的煤粉參與燃燒,否則火焰長(zhǎng)度有限,影響正常生產(chǎn)。燃燒器頭部結(jié)構(gòu)如圖1所示,風(fēng)道順序由外到內(nèi)依次為:軸流風(fēng)道、煤氣通道、煤粉通道、旋流風(fēng)道和中心風(fēng)道,焦油油槍和電子點(diǎn)火器位于中間。其中點(diǎn)火器通過(guò)氣動(dòng)裝置可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)軸向前后移動(dòng),點(diǎn)火燃料使用煤焦油,一鍵式操作,方便快捷。
表1 煤粉工業(yè)分析
表2 煤焦油分析
圖1 燃燒器頭部結(jié)構(gòu)
鎳鐵礦回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的火焰屬于典型低溫長(zhǎng)帶煅燒工藝,燃燒器風(fēng)道風(fēng)速不宜過(guò)高,使用風(fēng)壓10kPa左右即可。因此,現(xiàn)場(chǎng)原有的一次風(fēng)機(jī)(風(fēng)量:95m3(標(biāo))/min,風(fēng)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(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程控制切換??刂葡到y(tǒng)流程圖見(jiàn)圖2。
自動(dòng)點(diǎn)火前準(zhǔn)備條件如下:
(1)燃燒器與窯口平齊且水平對(duì)中。
(2)清理干凈油泵及閥組上的過(guò)濾網(wǎng),且確保所有管路閥門可靈活調(diào)節(jié)。
(3)點(diǎn)火前要進(jìn)行油槍的試噴,以確保油槍霧化正常不堵塞。
(4)點(diǎn)火前關(guān)閉油管路上的閥門,打開(kāi)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥,對(duì)油槍進(jìn)行反吹清理。
(5)點(diǎn)火桿能夠正常進(jìn)出。
(6)油泵啟停正常,油壓最大≯3MPa。
(7)所有管道吹掃完畢,且燃?xì)夤艿乐脫Q完畢,
表3 煤氣分析
圖2 控制系統(tǒng)流程圖并經(jīng)過(guò)取樣檢驗(yàn)合格,煤氣壓力≮10kPa。
(8)一次風(fēng)機(jī)和送煤風(fēng)機(jī)啟停正常。
點(diǎn)火階段問(wèn)題處理:
(1)在點(diǎn)火時(shí),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(diǎn)不著火,此時(shí)可關(guān)閉油管上的氣動(dòng)快切閥,同時(shí)關(guān)閉霧化空氣管上的氣動(dòng)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(nèi),若在,則說(shuō)明油槍內(nèi)的油出口孔堵塞,可拆開(kāi)油槍槍頭清洗槍芯內(nèi)的機(jī)械雜質(zhì),再重新點(diǎn)火一次。
(2)點(diǎn)火過(guò)程中油霧能點(diǎn)著,但火焰特別藍(lán)且特別短,燃燒時(shí)的聲音特別大,說(shuō)明是油槍內(nèi)的油出口孔有雜物堵塞,油量太少所致,此時(shí)拆開(kāi)油槍清洗槍芯即可。
焦油霧化介質(zhì)采用水蒸氣,其壓力要求≮0.5MPa,溫度≮200℃。自動(dòng)點(diǎn)火時(shí)油壓設(shè)置0.8MPa,氣壓設(shè)置0.6MPa,正常煅燒時(shí)可根據(jù)溫度需要增大油量或壓力值。操作時(shí)氣壓要略低于油壓,且最大值≯0.4MPa。正常生產(chǎn)時(shí)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(jìn)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(shè)有放散出口和取樣點(diǎn)[10]?,F(xiàn)場(chǎng)采用氮?dú)獯祾吖艿溃祾呓Y(jié)束后再進(jìn)行煤氣置換,在取樣點(diǎn)對(duì)置換的煤氣進(jìn)行試燃燒,待火焰燃燒平穩(wěn)后方可將煤氣通入燃燒器燃燒。煤氣管道入口設(shè)置氣動(dòng)切斷閥,當(dāng)閥前壓力<3kPa時(shí)自動(dòng)切斷,以防止煤氣倒流。正常生產(chǎn)時(shí)煤氣壓力10~12kPa。
煤粉輸送及行走小車均利用原有系統(tǒng)。
改造后的燃燒器可實(shí)現(xiàn)煤粉和煤氣、煤粉和焦油或者三種燃料同時(shí)混燒,由于工藝的特殊性,在沒(méi)有煤粉參與的情況下,窯內(nèi)火焰長(zhǎng)度會(huì)明顯縮短,鎳鐵產(chǎn)量會(huì)受到一定的影響。煤氣和焦油無(wú)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(chǎn)量下,燃燒煤粉時(shí)煤粉用量5t/h,煤粉和煤氣混燒時(shí)煤粉用量1.5t/h,煤氣用量13 000m3/h?,F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)三種燃料的市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)情況合理選擇燃料,使用低價(jià)燃料可大幅降低燃料成本,為公司帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。