镍铁冶炼回转窑燃烧系统及窑内结圈的控制

2024-03-20王瑞卿

山东冶金 2024年1期

王瑞卿

（光阳工程技术有限公司，山东济南 271100）

1 前言

当前RKEF 工艺用于镍铁合金的冶炼及冰镍冶炼，已成为一种主要的火法冶炼工艺，其产能占比超过全球镍铁总产能的2/3。该工艺有工艺流程短、热效率高、镍铁产品成分稳定、吨铁电耗低等优点。但正因为该工艺连续性强，维持回转窑高效连续运转、稳定控制窑内结圈尤为重要。本研究以回转窑结圈机理、结圈产生的影响、燃烧器的类别及粉煤燃烧器的工艺控制等方面进行研究，既要实现高效节能地生产合格焙砂，又要控制窑内微结窑皮状态，以达到窑衬耐材长寿化的目的。

2 镍铁冶炼用回转窑结圈的形成

2.1 RKEF冶炼工艺现状

印尼某公司RKEF项目。

（1）干燥设备。一般RKEF 镍铁冶炼工艺在回转窑前段工序都会采用干燥机对湿红土镍矿进行干燥，干矿含水量控制在22%～25%，其目的是在尽可能降低生产作业环境中的扬尘的同时，为回转窑脱除矿中自由水和结晶水减轻负担。

（2）回转窑。回转窑主要任务是完全脱出红土镍矿中的自由水和结晶水，并尽可能高的控制出窑焙砂温度，期望在回转窑中氧化镍70%～80%还原为单质镍，Fe2O3还原成金属铁为2%～4%，大部分还原为Fe3O4和FeO。这是降低电炉电耗的关键因素，也是电炉稳定生产的关键。但往往因为红土镍干矿粉尘含量高、窑内气氛控制波动大、配风控制不当等因素，较高地控制焙砂温度会带来窑内结圈严重的现象，大块窑皮脱落，制约生产。同时也会影响焙砂的产质量、缩短窑衬寿命。

（3）矿热炉。镍铁冶炼用矿热炉主要任务是把回转窑排出的已经充分预还原的镍焙砂，经三相电极输入大量电能，配以适量的碳质还原剂，充分还原焙砂中的氧化镍和部分氧化铁，红土镍矿中除了有价元素镍、铁的氧化物之外，MgO、SiO2占比较大，并少量含有Al2O3、Cr2O3等氧化物，各种氧化物在电炉中的还原顺序及还原量可通过操作予以控制。在1 300～1 400 ℃的熔炼温度条件下，根据几种主要氧化物与氧结合能力的大小，通过选择性还原可使红土镍矿中的镍氧化物优先还原。通过控制炉内还原剂焦粉的加入量，可使铁的氧化物部分还原为金属，未完全还原的FeO 与脉石进入炉渣，以调整炉渣的流动性。

以往研究表明，当加料不变时，回转窑焙砂温度每升高10 ℃，冶炼电耗降低约3 kW·h/t焙砂[1-2］。因此对于矿热炉来说，除需要控制入炉焙砂中的配碳量和焙砂粒度外，入炉焙砂温度应控制较高，期往能够达到1 000 ℃左右的温度，既能确保矿热炉安全稳定操作，又能有效降低冶炼电耗。

2.2 RKEF冶炼镍铁合金基本工艺流程

首先印尼码头卸下的湿矿经汽车运至露天堆场堆存，然后矿石经振动筛处理后，大颗粒矿石经齿辊破碎机破碎后与颗粒小矿石一起采用胶带运输机将矿石运至室内堆场。经堆料机堆料，红土镍矿从堆料场通过胶带运输机运到干燥厂房，经皮带秤计量后，加入干燥窑内干燥。干燥主厂房设煤粉仓，无烟煤通过立式磨煤机磨出合格粒度的煤粉，通过喷吹罐进入热风炉内，热风炉内产生的热烟气连同矿热炉经旋风收尘后的热烟气在混风室一起进入干燥窑内。干燥后矿石通过干燥窑尾部的圆筒筛筛分后，由胶带运输机运到干矿贮存的配料站，在配料站内由胶带运输机把干矿、还原剂一起运到回转窑厂房，通过溜槽加到回转窑内。

回转窑采用煤粉做燃料，煤粉通过立式磨煤机磨出合格粒度的煤粉，通过粉煤燃烧器混同热烟气一起进入回转窑燃烧。回转窑烟气直接进入旋风收尘器收尘，收尘后的烟气由风机送干燥窑，作为干燥窑热风。

高温焙砂从回转窑排放出来，温度为800～850 ℃，经热料输送系统将热的焙砂输送到矿热炉加料仓内，经过矿热炉的电解熔炼产出镍铁水，然后通过铸铁机产生镍铁制品。基本流程见图1。

图1 RKEF冶炼镍铁合金基本工艺流程

2.3 回转窑一般工艺控制原则

印尼某公司回转窑为Φ4.8 m×100 m，出料端变径Φ3.8 m，4 挡支撑，双传动、单液压挡轮，斜度3.5%。借助窑的转动来促进料在回转窑（旋窑）内搅拌，使料互相混合、接触进行反应，窑头喷煤燃烧产生大量的热，热量以火焰的辐射、热气的对流、窑砖（窑皮）传导等方式传给物料，物料依靠窑筒体的斜度及窑的转动在窑内向前运动。缩颈窑（见图2）的窑头缩颈段是不被磨损的挡料坝。高温的料在这里继续完成吸热的预还原反应，金属氧化物继续还原的同时，料温有所下降。所以，相同出料温度下，缩颈窑的还原性理论上优于直筒窑（见图3）。同时，由于缩颈段的挡料作用，一般窑内脱落大块窑皮时，操作人员可及时观察并有充分的作业准备时间处理。

图2 缩颈窑的示意图

图3 直筒窑的示意图

按照矿热炉的实际需要，结合回转窑自身特点，一般回转窑工艺控制原则包括以下几点。

（1）尽可能高的控制出窑焙砂温度，理想情况下焙砂温度需控制在850 ℃甚至1 000 ℃以上，但往往温度过高会导致窑内结圈严重，大块窑皮脱落，降低焙砂供应的及时性和连续性，因此实际生产中，出窑焙砂温度应控制在720～780 ℃。保证矿中自由水和结晶水充分脱除的同时，稳定控制微结窑皮。

（2）配加一定量的碳质还原剂，保持窑内良好的还原性气氛，提高氧化镍和氧化铁的还原度。这也是降低矿热炉冶炼电耗、改善炉渣流动性的关键点。窑内主要反应包括：

（3）理想情况下，应控制回转窑内衬表面微结窑皮，既能稳定控制各段温度、创造良好的还原性气氛，又能充分保护窑衬，实现回转窑窑衬的长寿化。

（4）粉煤燃烧器焙烧镍矿时，应合理利用一二次风配合合适的粉煤量，并保持窑的整体密封性，避免出窑焙砂有明显的温降，对风煤量控制造成误导。同时减少随着料带入的冷风、可有效杜绝没有焙烧充分的、结晶水含量在3%以上的焙砂入炉，防止炉压波动甚至大翻渣事故的发生。

（5）时刻观察燃烧器火焰，粉煤燃烧器端部黑头小、火焰较细且长直，窑膛清亮。

2.4 回转窑结圈的机理

镍铁冶炼用回转窑结圈是被广泛关注的一个话题，干矿和还原剂按比例配料后加入回转窑，必须在高温和还原气氛中才能完成干燥、脱除结晶水、焙烧和预还原等物理化学反应，要完成各类反应，需要将窑内高温区的温度控制到1 100 ℃左右，即粉煤燃烧产出的烟气温度高于被加热物料200～300 ℃，才能够产出温度为750～800 ℃的焙砂。而焙砂温度高于800 ℃，物料中的部分低熔点组分会开始熔化，熔融态物质会黏结在窑内耐火材料上导致窑内结圈。生产实践中发现焙砂温度保持在700～750 ℃已能保证电炉的安全生产。而低熔点物质的熔化主要因素包括以下几项。

（1）煤质的影响。若采用的原煤灰分高，部分灰分在粉煤燃烧后即为熔融状态导致窑内结圈。

（2）窑内温度控制过高。将回转窑内温度控制过高，达到或者超过了物料熔点，熔融物料将会黏结形成结圈。

（3）燃烧器火焰控制不当。一二次风配合不合理，导致火焰距离窑内的物料太近或直接与物料接触，低熔点物质就会开始熔化；同样的，火焰离窑内耐火材料太近则会将耐火材料的温度加热到物料的熔点以上，当物料与耐火材料接触后被过热的耐火材料加热熔化黏结。

（4）原料的影响。红土镍干矿作为回转窑生产的主要原料，若其含粉尘量过大，造成窑内气氛混浊，粉尘或细小颗粒经过高温带时形成部分液相粘到窑壁上，进而形成结圈[3-4］。

（5）操作稳定性的影响。回转窑是作业连续性强的一种生产工艺，上述各种因素导致大块窑皮产生并脱落时，需要人工清理，这就需要打开窑头操作门、适当降低窑内给料量、降低喷煤量及一二次风配量、降低窑速等操作，种种因素导致回转窑热工稳定性被破坏，窑内局部时冷时热，结圈情况得到进一步的恶化。

2.5 回转窑严重结圈的影响

回转窑结圈影响巨大，结圈较大时会影响窑内烟气、物料流动，影响窑内温度分布，导致窑头温度过高，而窑尾温度过低，窑尾负压上升而窑头抽力不足，窑内整体热工稳定性遭到破坏。如果结圈得不到有效的控制，将严重影响焙砂产量和质量，窑衬结构也会遭到严重破坏，增加劳动力的同时严重制约生产。

3 燃烧器的类别与选择

3.1 用于焙烧红土镍矿回转窑燃烧器的类别

常用回转窑燃烧器常用的大体可分为两种，一种是粉煤燃烧器另一种为气体燃烧器。气体燃烧器又分为煤气燃烧器和天然气两种不同的气体。

（1）粉煤燃烧器。对煤质的需求要求低，经济适用性较强，能够适应劣质煤（例如煤粉中的硫化铁含量高、燃值低、挥发分较高的煤），但对燃烧器的工艺要求比较高，也易对燃烧的煤粉通道造成冲刷，造成对燃烧器不必要的损耗。使用劣质煤还存在着火困难、燃烧不稳定，火焰不易成型、燃尽率低，回转窑内极易结圈、甚至会出现燃烧器头部结焦现象的发生，使用优质煤时，也存在对风量的要求比较高，需要配备大量风机形成一次风、二次风对火焰的控制，即使使用优质煤粉也存在因制煤系统的不稳定造成火焰成型的波动。且粉煤燃烧器对燃烧氛围的要求较高，在燃烧的同时产生大量的废气，煤粉燃烧不完全时，对除尘系统的要求较高，否则控制不当的时候易发生煤粉爆燃，废气、残留煤粉对大气污染治理造成严重负担。粉煤燃烧器对人为控制的熟练程度也要求比较高。

（2）煤气燃烧器。一般用高炉煤气的多，也可以用煤气发生炉来用焦炭产生的煤气进行回收而用来满足回转窑的工况需求。煤气燃烧器对在线调节灵活方便，可以根据不同要求，对火焰长短、粗细、强弱随时调整，火焰形状更为规则完整、稳定，有利于窑衬的长期安全使用。但根据我司现场情况，后期使用煤气发生炉时，同样存在煤气压力不稳的情况，煤气的燃值情况都是影响回转窑工况的制约条件。煤气燃烧器还存在升温快，易回火，在使用时对煤气用量和风量的严格把控是控制关键。

（3）天然气燃烧器。天然气燃烧器是3种燃烧器工艺使用要求最高的，是一种特殊的燃烧器，但天然气燃烧器燃烧效率高，在风量较低的情况下，也达到完全燃烧。天然气燃烧器燃烧稳定，可适应较大的负荷变化，调节比率大，燃烧温度能满足工艺要求。燃气燃烧器火焰性能好，具有较高的速度和较大的刚性，辐射能力强。天然气燃烧器有较高的热回收能力，表现在可使用预热空气或预热煤气的能力，以降低能耗。燃气燃烧器还具有噪声小、有害气体少、烟尘少等。天然气燃烧器成本高，在设计、安装和调试方面有一定的技术含量。回转窑的用燃烧器管长度较长，具体技术参数取决于回转窑设备的应用行业和燃烧产品的特性。

3.2 粉煤燃烧器的应用

印尼某公司RKEF 项目回转窑采用五通道粉煤燃烧器焙烧红土镍干矿，干矿一般成分见表1。

表1 干矿的一般成分（质量分数） %

采用粉煤燃烧器，试运行阶段因上料量小未投用二次风，随着上料量增加，按照上述粉煤燃烧器易造成结圈的问题，逐步投用二次风，严格控制风煤比和一二次风配比，产出焙砂稳定控制在720～770 ℃，实际操作方向包括：（1）时刻观察燃烧器火焰与窑内气氛，燃烧器端部黑头小、火焰较细且长直，窑膛清亮。（2）窑头尾负压监控到位，压差大及时做好清理准备。（3）严格控制焙砂温度，确保窑体密封性。（4）控制煤制灰分及干矿粉尘含量，从根源控制结窑皮现象。

焙砂基本成分如表2所示。