金川回转窑低温焙烧煤粉燃烧技术的研究与应用.pdf

2 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 『／j ．i s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 2 ．0 0 6 金川回转窑低温焙烧煤粉燃烧技术的研究与应用 冯卫斌，方清天，张正位 金川集团公司冶炼厂，甘肃金昌7 3 7 1 0 0 摘要介绍了金川回转窑低温半氧化焙烧工艺采用油煤伴烧的技术实践，总结了低温燃烧的技术特点及 对燃烧器结构的创新和生产操作优化方面取得的经验。 关键词回转窑；焙烧；煤粉；燃烧 中图分类号i T F 8 1 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 1 2 0 1 1 0 2 一0 0 2 0 一0 5 R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fP u l v e r i z e dC o a lC o m b u s t i o nT e c h n o l o g y f o rL o wT e m p e r a t u r eC a l c i n i n gi nJ i n c h u a nR o t a r yK i l n F E N GW e i b i n ，F A N GQ i n g t i a n ，Z H A N GZ h e n g w e i T h eS m e l t e ro fJ i n c h u a nG r o u pL t d ．J i n e h a n gG a n s u7 3 7 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h et e c h n i c a lp r a c t i c eo ff u e lo i la n dp u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o ni np a r a l l e la d o p t e db yl o wt e l T l p e r a t u r e ＆s e m i o x i d i n gc a l c i n i n gp r o c e s sf o rt h eJ i n c h u a nr o t a r yk i l nw a sp r e s e n t e d 。a n dt h e t e c h n i c a l f e a t u r e so fl o wt e m p e r a t u r ec o m b u s t i o na n de x p e r i e n c e sa c q u i r e df r o mt h eb u r n e rs t r u c t u r ei n n o v a t i o na n d o p e r a t i o no p t i m i z a t i o nares u m m a r i z e d ． K e y w o r d s R o t a r yk i l n ；R o a s t i n g ；P u l v e r i z e dc o a l ；C o m b u s t i o n 金川回转窑半氧化焙烧硫化铜精矿工艺自投产 以来一直使用重油作燃料，吨焙砂重油单耗平均控 制在8 ～1 0k g ，为了降低加工成本，改善能源结构， 金川立项对回转窑半氧化焙烧系统进行以煤代油技 术研发。针对半氧化焙烧低温燃烧的特点，通过与 项目设计单位、煤粉燃烧器供货商技术交流，确定了 改造方案并于2 0 0 9 年6 月1 日完成改造开始运行 调试，取得了较好的效果和经济效益，目前吨焙砂重 油单耗控制在2 ．2 ～2 ．6k g ，吨焙砂煤粉单耗控制 在1 0 ～1 2k g 。 该项目的技术难点是低温燃烧，核心技术是煤 粉燃烧器的设计，针对半氧化焙烧低温燃烧的特点， 最终选择了油煤伴烧的方案，针对无独立燃烧室的 特点，对煤粉燃烧器进行了结构优化设计。 1项目背景 金川冶炼厂2 台e p 3 ．6m 5 2m 回转窑是与电 作者简介冯卫斌 1 9 6 8 一 ，男，甘肃永昌人，工程师 炉熔炼系统配套的火法生产工序，为3 台矿热电炉 提供铜焙砂，采用重油作燃料进行半氧化低温焙烧 铜精矿。随着企业管理水平的不断提升，要求企业 向高效、低耗、低碳、环保的方向发展，而该系统存在 燃料结构不合理、加工成本高、环保压力大等特点， 需要立项进行改造。 1 ．1 成本压力 炼油技术的发展和国际油价的飙升，导致采购 重油质劣价高的问题愈发突出，加之矿铜加工费的 缩水，电炉炼铜已无利润空间，尽力缩减加丁成本已 是中国炼铜企业的生存和发展之本。目前金川回转 窑铜焙砂加工费达到4 0 元／t ，随着铜原料结构的变 化，低硫精矿采购量逐年增加，系统反应热减少，铜 熔炼能耗还会进一步升高，成本压力将是制约企业 发展的重要因素。 1 ．2 燃料结构要求 金川地处戈壁，附近煤矿资源较为丰富，能够实 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 2 1 现以煤代油，不仅符合国家能源政策，降低了企业对 生产原料的依存度，降低了原料采购的运输成本。 1 3 重油的燃烧问题 由于回转窑半氧化焙烧属于低温燃烧，劣质重 油在生产过程控制中会出现以下问题 1 重油的品 质波动，经常出现焙砂温度控制不稳定，焙砂S ／C u 比波动导致熔炼过程难以有效控制； 2 重油燃烧不 完全，生产烟气中的残炭导致电收尘器绝缘子爬电 频繁，排烟收尘系统故障率高，生产作业率低、环保 压力大，收尘设施检修费用高； 3 烟气中的残炭导 致酸厂生产的硫酸发黑，影响硫酸品质； 4 重油含 水过多，需要澄清排放，造成重油浪费，同时燃烧过 程不稳定，频繁的点火和清理油枪影响作业率和产 品质量。 2煤粉低温燃烧技术可行性论证 煤粉作为低价燃料，在工业生产中得到了广泛 的应用。经过研磨的煤粉粒度可达到0 ．0 7 6 ～ 0 ．0 5 3m m ，由于燃烧反应表面积很大，在空间温度 较高的情况下极易被点燃并稳定燃烧。 2 ．1 目前相近工艺的应用情况 2 ．1 ．1 有独立燃烧室的煤粉燃烧 作为提供热烟气的煤粉燃烧，在很多地方都得 到了很好的使用，如回转窑气流干燥工艺等。该工 艺的最显著特点是设立了独立的燃烧室，在燃烧室 顶部或侧部设置一个或多个煤粉烧嘴，通过调整风 煤比和煤粉量来达到控制燃烧热烟气温度的目的。 该工艺的燃烧特点是通过其他燃料将燃烧室空 间温度提升到8 0 0 ℃以上后，一定量的煤粉经煤粉 烧嘴喷入后引发燃烧。由于煤粉烧嘴的特殊结构设 计，将燃烧空间的高温烟气卷吸到煤粉喷嘴根部，粒 度很细的煤粉经加热后达到着火点，完成燃烧过程。 2 ．1 ．2 无独立燃烧室的煅烧 部分生产工艺不设置独立的煤粉燃烧室，利用 生产设备 设施 的空间作为燃烧空间，通过其他燃 料的预热，使燃烧空间热负荷达到煤粉燃烧的热容 积强度，一定量的煤粉经煤粉烧嘴喷入后引发燃烧。 该煤粉烧嘴的设计更加强调高温烟气的根部卷 吸，同时对燃烧空间的温度要求更高，煤粉燃烧后， 燃烧空间温度一般要达到13 0 0 14 0 0 ℃，火焰直 射物料，产出物料温度一般为6 0 0 ～8 0 0 ℃，主要是 烧结块，随烧结块带出的热烟气又通过排烟装置返 回，为系统提供热量，从而实现能源的合理利用，目 前氧化铝焙烧就多采用此工艺。 2 ．2 金川回转窑低温半氧化焙烧的技术难点和对 策 金川回转窑焙烧铜精矿属于半氧化低温焙烧， 其焙烧机理是物料通过加料装置从窑尾加入回转窑 内，燃料通过喷枪装置燃烧后提供的热量在回转窑 运转过程中完成铜精矿的干燥脱水和焙烧脱硫过 程，鼓入的空气一部分为燃料燃烧提供氧气，另一部 分则与铜精矿中的硫进行脱硫反应。正常情况下， 硫化铜镍精矿的焙烧脱硫率控制在2 0 ％左右，硫化 铜精矿的焙烧脱硫率控制在2 5 ％～3 0 ％左右。 回转窑半氧化低温焙烧过程既不同于有独立燃 烧室的脱水干燥过程，也不同于煅烧过程，其技术难 点在于 1 该系统无独立燃烧室，空间温度正常控制在 6 0 0 7 0 0 ℃，此温度还不能保证煤粉能够完全燃 烧； 2 为避免火焰中心高温区直射物料，要求燃烧 火焰相对集中不发散； 3 该系统对回转窑内脱水区、焙烧区和烧成区 各段的温度梯度分布要求较高，需要燃烧火焰有一 定的长度。 4 为保证电收尘器安全运行，要求燃烧尾气 C 0 浓度可控并远低于爆炸值； 5 该系统使用的是劣质烟煤，燃料燃烧性能不 佳。 针对金川回转窑半氧化低温焙烧工艺的技术难 点，在无行业应用范例可借鉴的情况下，金川技术工 作者与专业院所合作，通过技术创新，完成了煤粉燃 烧器的结构设计。其特点有 1 考虑到金川回转窑半氧化低温焙烧过程空 间温度较低，很难实现脱油燃烧，在燃烧器设计时考 虑增加了小流量重油烧嘴，以实现油煤伴烧的目的； 2 针对金川回转窑半氧化低温焙烧的特点，为 了提高回流区烟气温度，在燃烧器头部增设了预燃 室，重油燃烧时可以使预燃室相对保持较高温度，以 热壁辐射热提高煤粉温度，改善煤粉燃烧条件； 3 对燃烧器钝体的设计进行了优化，选取合适 的钝体角度，以改善着火条件，而且实现了钝体的轴 向调整，可以在调试过程中实现初态混合物 风粉混 合物 雾化效果的调整； 4 对燃烧风风速、叶片角度进行了精心选取， 即可保证煤粉气流的停留时间，也保证了一次风气 流旋转引起的回流烟气量，保证燃烧效果； 5 在预燃室外部增加了三次风，不仅可冷却保 万方数据 2 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 护预燃室，延长其使用寿命，还可使火焰中心高温区 相对集中，避免直射物料，补充了工艺用风； 6 在电收尘器进口烟道上增设了C 0 浓度分 析仪，连锁控制高压整流车，避免了C O 浓度超限引 起的电场爆炸。 3 煤粉燃烧器创新设计 3 ．1 设置小流量重油烧嘴 金川回转窑半氧化低温焙烧空间温度只有6 0 0 - - - 7 0 0 ℃，该温度还不能保证粉煤能够稳定地燃烧， 为了提高火焰中心区温度、保证煤粉燃烧，在燃烧器 设计时，增设了小流量重油烧嘴，该烧嘴布置在一次 风管内，穿透前部钝体，可实现推进拉出。 该设计的目的是，通过其他引燃物点燃重油烧 嘴，用其加热预燃室的筒壁，受高温筒壁的辐射传 热，使煤粉气流着火燃烧。 3 ．2 增设预燃室 预燃室是由耐火材料或耐热钢制成的筒型前置 燃烧室。预燃室中的点火过程是先点燃引火燃料 油或天然气 ，用其加热预燃室内壁的耐火材料或 筒壁，由于筒内空间较小，壁温很快升高，然后投入 煤粉气流，在室内形成适当的受限射流，这股气流与 已燃烧的油 气 火炬相互扰动混合，又在高温筒壁 辐射传热的作用下，使煤粉着火燃烧。燃烧的高温 火焰反向回流到一次风射流出口附近，被卷吸到一 次风内，从而增加了火焰的稳定性和燃烧强度，这样 就可以保证煤粉气流在室内稳定地着火和燃烧，并 使室内燃烧过程持续进行。 由于能在预燃室中保持高温，这个温度高于煤 粉气流的着火温度，因而能使煤粉迅速地被加热升 温而着火燃烧，但煤粉完全燃烧需要一定的时间，而 预燃室的长度又有限 一般为8 0 0 ～12 0 0r a m ，因 而以一定速度喷出的火焰，使大部分煤粉在预燃室 外的炉膛空间里完成燃烧过程，进一步释放热量，形 成一个稳定的高温燃烧火炬。 喷入预燃室的初态混合物被油火焰点燃后，由 于射流旋转作用，在预燃室内形成一个回流区，卷吸 高温烟气回流到一次风出口，源源不断地加热初态 混合物。燃烧器的结构简图见图1 。 三次风进U 图1 燃烧器结构示意图 F i g ．1 T h es k e t c hm a po fb u r n e rs t r u c t u r e 3 ．3 钝体的设计优化 初态混合物流过钝体后，在钝体尾迹区可形成 回流涡流。回流区内湍流混合非常强烈，可使回流 区烟气温度高达9 0 0 ℃以上，给煤粉着火及火焰稳 定创造了有利条件。 钝体锥角变化对回流区尺寸和回流量影响很 大。随着钝体锥角的增加，回流区的长度、宽度和烟 气回流量都增加，煤粉着火的稳定性增强。但钝体 锥角过大，不仅增加流体阻力，气流扩张角也相应增 大，易引起结渣等问题。一般钝体锥角的取值在5 0 ～6 5 。 ，考虑到金川回转窑半氧化低温焙烧空间温 度较低的实际，为了增加回流量，本项目选用的钝体 锥角为6 0 。 。 在煤粉燃烧器设计增加了钝体的轴向调整措 施，可以在调试过程中实现初态混合物 风粉混合 物 雾化效果的调整，便于改变回流量。煤枪的安装 示意图见图2 。 3 ．4 风路设计 在预燃室根部加装了一次风旋流片，叶片倾角 选择为4 5 。 。一次风旋流叶片的倾角是决定旋流 强度的主要因素，一次风旋流片倾角越大，一次风气 流旋转越强烈、回流烟气量越多，但易发生煤粉离 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 2 3 析；反之，一次风旋流片倾角过小，对煤粉着火不利，正常推荐选用角度为2 5 ～4 5 。 。 图2 煤枪安装示意图 F i g ．2 T h ei n s t a l l a t i o ns k e t c hm a po fc o a lg u n 一次风出口速度的大小对煤粉气流着火有一定 的影响。一次风风速过高，煤粉颗粒在预燃室内停 留时间过短，煤粉颗粒加热程度不足，不利于着火； 而一次风风速过低，则易在筒内积粉。对于烟煤，一 次风风速选用2 5 ～3 5m ／s 为宜。本方案中一次风 风速选择为3 5m ／s 。 原设计一、二次风在预燃室根部混合。为了减 少二次风对回流区的扰动，在调试阶段，通过增加导 流筒，将二次风和一次风风路在预燃室内进行了分 隔，改善了高温烟气卷吸效果。 在预燃室外部增加了三次风风道，通过增加三 次风，不仅可起到冷却保护预燃室、延长其使用寿命 的作用，还可通过三次风动能的作用，使火焰中心高 温区相对集中，避免直射物料，解决了精矿烧结的问 题。煤粉燃烧需要的氧气通过一二次风提供，三次 风作为工艺用风，补充了S 氧化用风。 3 ．5C O 浓度检测与联锁 在电收尘器进口烟道上增设了C O 浓度在线分 析仪，适时检测并传输检测数据，使操作过程能够清 晰判断煤粉燃烧的完全程度。通过P L C 控制系统， 设定C O 浓度报警值和跳车值，联锁控制高压整流 车，避免了C 0 浓度超限引起的电场爆炸。 采用非分光红外分析模块进行C 0 气体浓度检 测，其结构简单，灵敏度高，响应快，线性范围宽，稳 定性好。 煤枪性能及技术参数额定耗煤量～2t ／h 、一 次风流量18 0 0r r l 3 ／h 、一次风压力3k P a 、二次风流 量80 0 0m 3 ／h 、二次风压力2 ．5k P a 、三次风流量 80 0 0r n 3 ／h 、三次风压力2 ．5k P a 。 4 使用效果 金川回转窑半氧化低温焙烧工艺实现油煤伴烧 后，较好地解决了回转窑半氧化低温焙烧铜精矿用 煤粉作燃料的技术难题。系统产能、技术经济指标 保持了用重油作燃料时的水平，解决了焙砂S ／C u 比波动、环保设施运行故障频繁和硫酸发黑问题，在 煤粉低温燃烧方面做出了有益的探索。改造前后主 要技术经济指标对比见表1 ，改造前后烟气测试结 果见表2 。 表1改造前后主要技术经济指标 T a b l e1T e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d e xb e f o r e a n da f t e l “ m o d i f i c a t i o n 序号指标改造前改造后 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 此外在生产中，重油的消耗受混合铜精矿中硫 含量的影响较大，一般人窑混合铜精矿中含S 为 2 4 ％～3 0 ％，另外同时受环境温度的影响，经过一年 的运行，目前每吨焙砂重油单耗能稳定控制在2 ．2 “ - - 2 ．6k g 。图3 是“以煤代油”改造前后的重油单耗 基本曲线图。 表2 改造前后烟气测试结果 T a b l e2 O f f - g a st e s tr e s u l t sb e f o r ea n da f t e rm o d i f i c a t i o n 铀 芒 犍 潘 煮 栅 念 蝰 营 坩 I23456 月份 图3 改造前后的重油单耗曲线 F i g ．3 C u r v eo fh e a v yf u e lo i lc o n s u m p t i o nb e f o r ea n da f t e rm o d i f i c a t i o n 5结论 金川回转窑半氧化低温焙烧工艺中采用煤粉作 燃料，虽然未能实现全以煤代油，但取得了取代 8 0 ％重油的阶段性目标，有较高的经济和社会价值。 下一步将通过采用混氧燃烧、预燃室结构改进和砌 筑内衬等方式进行进一步完善。 参考文献 D - i 曹克宁．重有色金属冶金手册冶炼烟气收尘通用 工程[ M ] ．北京冶金‘T 业出版社，1 9 9 5 ． E 2 ] 张殿印，王纯．除尘工程设计手册[ M ] ．北京化学工业 出版社，2 0 0 3 ． [ 3 - 1 韩才元，徐明厚．煤粉燃烧[ M ] ．北京科学出版社， 2 0 0 】． 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l 万方数据