段成龍 吳彭森

(龍佰四川鈦業(yè)有限公司，四川綿竹，618209)

1 前言

二氧化鈦(別名：鈦白，鈦白粉)是一種重要的無(wú)機(jī)化工原料，無(wú)毒、對(duì)健康無(wú)害，是最重要的白色顏料，占全部白色顏料使用量的80%。廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。鈦白粉的工業(yè)生產(chǎn)方法有氯化法和硫酸法兩種，我公司所建的鈦白裝置屬于硫酸法。鈦精礦經(jīng)過硫酸酸解、沉降、結(jié)晶、濃縮、水解、水洗、漂白、鹽處理、煅燒、前后處理和汽流粉碎等十幾工段，最終獲得金紅石鈦白粉成品。回轉(zhuǎn)煅燒窯工段為鈦白粉生產(chǎn)過程中最重要工段，是決定水合二氧化鈦(TiO2·xH2O·ySO3)向金紅石型鈦白粉轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。

煅燒工段流程如下：(1)經(jīng)過鹽處理的漿料送到偏鈦酸貯槽后，用泵送到窯前壓濾機(jī)，在此脫水成餅。濾餅經(jīng)喂料螺旋送到回轉(zhuǎn)窯。(2)窯內(nèi)物料隨著回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)緩慢地移向窯頭，經(jīng)過脫水、脫硫、晶型轉(zhuǎn)變及粒子成長(zhǎng)四個(gè)階段成為二氧化鈦。二氧化鈦煅燒品經(jīng)轉(zhuǎn)窯進(jìn)入轉(zhuǎn)筒冷卻器冷卻至適當(dāng)溫度后，再進(jìn)入中間粉碎料倉(cāng)。(3)天然氣在燃燒室內(nèi)燃燒得到灼熱氣體，與二次空氣相混合從窯尾進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯。煅燒尾氣經(jīng)文丘里噴淋，并經(jīng)復(fù)噴洗滌器、復(fù)擋除沫器和靜電除塵器處理后，由引風(fēng)機(jī)送入煙囪而排入大氣。

圖1 鈦白粉煅燒工藝流程圖

2 天然氣燃燒器的設(shè)計(jì)方法

2.1 燃燒器的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)

(1)點(diǎn)火、烘爐、升溫、降溫以及各種生產(chǎn)負(fù)荷等對(duì)燃燒器有不同要求，尤其是長(zhǎng)時(shí)間在中低負(fù)荷下運(yùn)行。天然氣的用量在50—2000Nm3/h范圍內(nèi)變化，操作彈性很大。

(2)天然氣與空氣燃燒比例按1：10計(jì)算，約2萬(wàn)多方的空氣怎樣與天然氣混和均勻，并且保證燃燒連續(xù)穩(wěn)定。

(3)窯頭的操作溫度變化在±5℃，對(duì)燃燒器的穩(wěn)定性要求很高。

(4)從熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)和使用壽命等方面不宜設(shè)置防爆裝置。對(duì)燃燒器和熱風(fēng)爐提出了更高的要求。

為了滿足回轉(zhuǎn)煅燒窯各工況下的要求以及降低NOX的排放量，天然氣燃燒器采用分段燃燒技術(shù)。主要分為點(diǎn)火燃燒器、主燃燒器和加速燃燒器。

2.2 天然氣燃燒器的設(shè)計(jì)依據(jù)

天然氣燃燒器的設(shè)計(jì)依據(jù)包括：(1)工藝專業(yè)提供的《Φ3.2×55m轉(zhuǎn)窯燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件》；(2)轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)負(fù)荷：20—40kt/a鈦白粉；(3)熱風(fēng)爐出口煙氣溫度：950—1050℃；(4)天然氣用量：①點(diǎn)火及烘爐時(shí)：10—100Nm3/h；②生產(chǎn)過程中：600—1500Nm3/h；(5)天然氣參數(shù)(如表1)；(6)熱風(fēng)爐操作壓力：微負(fù)壓—20Pa。

表1 天然氣參數(shù)

2.3 天然氣燃燒器設(shè)計(jì)方案

2.3.1 天然氣用氣量的確定

根據(jù)工藝專業(yè)所提供的《Φ3.2×55m轉(zhuǎn)窯燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件》，確定燃燒器的設(shè)計(jì)天然氣用量為：

設(shè)計(jì)天然氣用量：1600 Nm3/h

2.3.2 燃燒方式的確定

為了滿足回轉(zhuǎn)窯點(diǎn)火、烘爐、升溫和降溫等要求，提出將點(diǎn)火燃燒器、主燃燒器和加速燃燒器三種不同的燃燒器有機(jī)組合成分段式燃燒方案：(1)點(diǎn)火燃燒器：天然氣50 Nm3/h；(2)主燃燒器：天然氣1200 Nm3/h；(3)加速燃燒器：天然氣350 Nm3/h。

2.4 點(diǎn)火燃燒器設(shè)計(jì)方案[1]

按天然氣50 Nm3/h進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)為孔罩式擴(kuò)散燃燒器，為了使空氣與天然氣混合均勻，采用天然氣與空氣呈90°垂直交叉射流混合。點(diǎn)火為電子自動(dòng)點(diǎn)火，備用人工點(diǎn)火。同時(shí)滿足烘窯襯以及生產(chǎn)預(yù)熱等工況下使用。

2.4.1 各部件流速按以下參數(shù)選取

(1)空氣管道：Va=8—10m/s；(2)燃?xì)夤艿溃篤g=10—15m/s；(3)內(nèi)部通道：Vh=20—25m/s；(4)燃燒器頭部火孔：V=25—30m/s。

2.4.2 點(diǎn)火燃燒器頭部的設(shè)計(jì)

點(diǎn)火燃燒器頭部采用元縫管加錐蓋的結(jié)構(gòu)。(1)頭部的外直徑的確定，考慮布置電子點(diǎn)火棒接管以及人工點(diǎn)火棒接管等因素，選擇Φ133×6的無(wú)縫管。(2)頭部火孔的確定，取頭部火孔的氣速為：30m/s。

火孔在圓管及錐蓋上多圈分布，靠近電子點(diǎn)火棒處的火孔直徑選Φ2mm,由近及遠(yuǎn)依次選擇：Φ3mm、Φ6mm、Φ8mm的火孔。

圖2 點(diǎn)火燃燒器結(jié)構(gòu)圖

2.5 主燃燒器設(shè)計(jì)方案[2]

按天然氣1200 Nm3/h進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了使空氣與天然氣混合均勻，采用天然氣與空氣呈90°垂直交叉強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流混合，強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流的內(nèi)部邊界存在一個(gè)回流區(qū)，在燃燒時(shí)回流的就是高溫燃燒產(chǎn)物，可作為穩(wěn)定火焰的連續(xù)點(diǎn)火源。火焰為短平火焰，近似無(wú)焰燃燒。

2.5.1 旋流器的選取方案

常用的旋流器有兩類，一類是蝸殼式，另一類是軸向?qū)Я魅~片式。蝸殼式旋流器結(jié)構(gòu)尺寸比較大，制造比較難。不便于與點(diǎn)火燃燒器和加速燃燒器進(jìn)行組合。螺旋狀長(zhǎng)葉片式旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于制造，空氣旋流強(qiáng)度強(qiáng)，同時(shí)便于與點(diǎn)火燃燒器和加速燃燒器進(jìn)行組合。因此綜合以上因素選擇螺旋狀長(zhǎng)葉片式旋流器。

圖3 旋轉(zhuǎn)射流流入爐膛時(shí)的流動(dòng)情況

螺旋狀長(zhǎng)葉片旋流器按以下各參數(shù)選?。?1)螺旋葉片升角一般按30°選取。(2)螺旋葉片的螺距一般按2—2.5個(gè)螺距選取。(3)空氣環(huán)形螺旋面通道流速：Va=25—30m/s。(4)燃燒器出口流速：V=25—30m/s。

2.5.2 中心天然氣管的選取

天然氣按中心管的方式供氣，天然氣以90°方向高速射入強(qiáng)旋轉(zhuǎn)的空氣流中，為防止天然氣射入旋轉(zhuǎn)的空氣流中相互疊加，影響天然氣與空氣的混合效果，天然氣射流小孔以不同的孔徑，分層次以不同的射流深度射入空氣流中，以達(dá)到最佳的混合效果。

2.5.2.1 中心天然氣管的結(jié)構(gòu)選取

中心天然氣管內(nèi)要安裝點(diǎn)火燃燒器，因此選為雙層夾套管，夾套層走天然氣。內(nèi)管直徑以能安裝點(diǎn)火燃燒器為準(zhǔn)。夾套層內(nèi)天然氣流速按Vg=15m/s選取。

2.5.2.2 天然氣出口小孔氣速及孔徑分布選取

(1)天然氣出口小孔氣速按Vg=130m/s選取。

(2)孔徑及分布：在軸線上按五圈分布，每圈孔徑依次為Φ18mm、Φ14mm、Φ12mm、Φ6mm、Φ3.8mm，大孔徑靠近螺旋葉片端。

圖4 主燃燒器結(jié)構(gòu)圖

2.6 加速燃燒器設(shè)計(jì)方案[3]

按天然氣350 Nm3/h進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了使空氣與天然氣混合均勻，采用天然氣與空氣呈90°垂直交叉射流混合，空氣與天然氣進(jìn)行預(yù)混合。加速燃燒器外套在主燃燒器外面，混合氣體切向進(jìn)入，噴口處設(shè)置軸向傾斜導(dǎo)葉片。

(1)空氣管道的流速按：Va=15m/s進(jìn)行計(jì)算。

(2)天然氣管道流速按Vg=25m/s選取，天然氣出口小孔氣速按Vg=60m/s選取，小孔在軸線上按四圈分布，每圈孔徑依次為Φ12mm、Φ10mm、Φ8mm、Φ6mm。

(3)燃燒器出口流速：V=20m/s。

圖5 加速燃燒器結(jié)構(gòu)圖

2.7 燃燒器的控制方式

2.7.1 點(diǎn)火前

進(jìn)行3—5分鐘100%的空氣吹掃。吹掃后，一次風(fēng)量自動(dòng)關(guān)閉到30%。

2.7.2 點(diǎn)火

點(diǎn)火燃燒器采用電子自動(dòng)點(diǎn)火和備用人工點(diǎn)火方式；點(diǎn)火時(shí)：主燃燒器、加速燃燒器的天然氣閥門關(guān)閉，空氣閥門關(guān)閉。點(diǎn)火燃燒器的天然氣閥門在電火花打火后延時(shí)8秒鐘自動(dòng)打開。

如果未點(diǎn)燃火天然氣的安全切斷閥門立即切斷天然氣，安全釋放閥立即排放管組內(nèi)的天然氣。即時(shí)進(jìn)入100%的空氣吹掃程序并運(yùn)行15分鐘。人工復(fù)位可進(jìn)入點(diǎn)火啟動(dòng)程序。

2.7.3 中等負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)

生產(chǎn)負(fù)荷在25 kt/a鈦白粉以下，以及烘爐、升溫、降溫等，點(diǎn)火燃燒器、主燃燒器投入使用。在點(diǎn)火燃燒器著火并穩(wěn)定運(yùn)行后，人工手動(dòng)開啟主燃燒器的空氣閥門、天然氣閥門，觀察燃燒情況，調(diào)節(jié)穩(wěn)定。①主燃燒器的空氣流量調(diào)節(jié)：人工進(jìn)行參數(shù)(風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)頻率，空氣電動(dòng)閥的開度等參數(shù))設(shè)定。②主燃燒器的天然氣流量調(diào)節(jié)：根據(jù)熱風(fēng)爐出口煙氣溫度的設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

主燃燒器穩(wěn)定燃燒后，人工手動(dòng)開啟加速燃燒器的空氣閥門3%的開度，避免將加速燃燒器的外套管燒壞，同時(shí)冷卻主燃燒器的火焰根部，降低煙氣中的NOX排放量。

2.7.4 滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)

生產(chǎn)負(fù)荷在25—40kt/a鈦白粉之間，點(diǎn)火燃燒器、主燃燒器和加速燃燒器同時(shí)投入使用。點(diǎn)火燃燒器、主燃燒器達(dá)到設(shè)計(jì)能力，并穩(wěn)定運(yùn)行后，可人工手動(dòng)開啟加速燃燒器的天然氣閥門。①加速燃燒器的空氣流量調(diào)節(jié)：人工進(jìn)行參數(shù)(風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)頻率，空氣電動(dòng)閥的開度等參數(shù))設(shè)定。②加速燃燒器的天然氣流量調(diào)節(jié)：根據(jù)熱風(fēng)爐出口煙氣溫度的設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.7.5 具體的控制程序

天然氣的各種閥門(調(diào)節(jié)閥、切斷閥、釋放閥、調(diào)壓閥等)調(diào)控，火焰監(jiān)測(cè)器、高能點(diǎn)火器和電子點(diǎn)火棒等的使用應(yīng)與工藝、儀表和生產(chǎn)等單位共同協(xié)商確定。

2.8 一次風(fēng)的風(fēng)量、風(fēng)壓

一次風(fēng)為風(fēng)機(jī)供給，二次風(fēng)靠負(fù)壓吸入。一次風(fēng)機(jī)的參數(shù)為風(fēng)量：22000Nm3/h，風(fēng)壓：6.5 kPa。

2.9 燃燒器的爐外試驗(yàn)

燃燒器使用前，應(yīng)在熱風(fēng)爐外建一個(gè)試驗(yàn)裝置，對(duì)燃燒器進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)、各工況下的燃燒穩(wěn)定試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)控制程序進(jìn)行聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再安裝到熱風(fēng)爐上。

2.10 天然氣燃燒器材料選擇

在燃燒器火孔處選擇耐熱不銹鋼：S31008(06Cr25Ni20)，爐外低溫部件選擇Q235B材料[4,5]。

3 熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)方法

3.1 熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)

依據(jù)《Φ3.2×55m回轉(zhuǎn)煅燒窯燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件》，熱風(fēng)爐選為臥式圓筒爐型，將燃燒室與混合室合二為一，二次混合空氣來(lái)自窯下物轉(zhuǎn)筒冷卻器的熱空氣(90—100℃)，沿?zé)犸L(fēng)爐前端錐段均勻進(jìn)入，降低燃燒器出口端周向火焰的溫度，保護(hù)爐襯材料并減少煙氣中NOX的排放量。

3.2 熱風(fēng)爐的容積

鈦白粉煅燒對(duì)熱風(fēng)爐的煙氣溫度變化很敏感，控制十分嚴(yán)格。熱風(fēng)爐要有蓄熱爐的作用，增大蓄熱量，便于煙氣溫度的調(diào)節(jié)與控制。

(1)根據(jù)燃燒器火焰的寬度以減少對(duì)耐火襯里材料的沖刷等因素，熱風(fēng)爐內(nèi)徑(襯里后)選為Φ2600mm。

(2)熱風(fēng)爐還要兼作蓄熱爐的作用，其容積熱負(fù)荷按無(wú)煙煤的容積熱強(qiáng)度qv=350×103kcal/(m3·h)選取，經(jīng)計(jì)算直筒長(zhǎng)度為6200mm。

(3)熱風(fēng)爐前端安裝燃燒器的接口尺寸為Φ840 mm(襯里后)。故前端錐段尺寸(襯里后)為錐角為：90°，Φ840/Φ2600mm。

(4)熱風(fēng)爐出口錐段尺寸(襯里后)：Φ2600/Φ1850mm與回轉(zhuǎn)煅燒窯的窯頭罩對(duì)接。

3.3 熱風(fēng)爐材料選擇

3.3.1 熱風(fēng)爐筒體材料

筒體選Q235B材料。

3.3.2 內(nèi)襯材料選擇

熱風(fēng)爐前端安裝燃燒器錐體部分及二次風(fēng)洞等部位現(xiàn)場(chǎng)澆注鋼纖維耐火混凝土。熱風(fēng)爐中部殼體以及尾部錐體部分：總厚度δ=460mm，二層隔熱耐火磚+一層高強(qiáng)度耐火磚。

3.4 熱風(fēng)爐的支承安裝

為了解決熱膨脹以及熱風(fēng)爐回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)襯材料施工及檢修，將熱風(fēng)爐及操作小平臺(tái)等整體支承在車輪支架上，車輪支架整體可在地面鋼軌上水平移動(dòng)。

圖6 天然氣燃燒器及熱風(fēng)爐裝配圖

4 結(jié)論

通過對(duì)回轉(zhuǎn)煅燒窯的天然氣燃燒器及熱風(fēng)爐的原創(chuàng)開發(fā)設(shè)計(jì)，為滿足回轉(zhuǎn)煅燒窯各工況的要求，采用天然氣分段燃燒技術(shù)，掌握了該類型天然氣燃燒器及熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)方法。積累了對(duì)天然氣燃燒器各部件結(jié)構(gòu)以及氣流速度的選取經(jīng)驗(yàn)，了解和掌握了如何對(duì)天然氣與空氣的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流混合，以及螺旋狀長(zhǎng)葉片旋流器各參數(shù)的合理使用。該天然氣燃燒器及熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精加工件少、制造安裝維修都方便，能滿足鈦白粉回轉(zhuǎn)煅燒窯生產(chǎn)的各種工況，是保證鈦白粉生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量的核心關(guān)鍵設(shè)備。