邯钢球团生产线回转窑煤气燃烧器系统的改造

关键词 燃烧器 回转窑结圈 火焰形状 轴流风 旋流风

1 前 言

邯钢200万t／a链箅机．回转窑球团生产线自2005年10月1日建成投产以来，达产速度较快，产质量稳步提高。2006年5月以前，由于高炉自产球团矿配比较低，一直处于限产状态，日产水平维持在5 500 t以下，生产状况较好。从2006年5月份开始，受烧结矿碱度提高及高炉炉料结构调整的影响，高炉炉料中自产球团矿配比迅速升高，球团日产水平也随之上升到6 300 t以上。随着球团矿产量的不断增长，回转窑结圈周期迅速缩短，基本上每30天左右就需停窑处理结圈物；同时，在维持原有热工制度不变的情况下成品球团转鼓和抗压强度明显下降；吨球热耗在国内同行业中也处于较高水平。

为了完成生产任务，同时保证球团矿质量满足高炉需求，实际生产中采取了提高链箅机预热温度和回转窑焙烧温度的措施来强化预热焙烧。但这样一来，不仅链箅机箅板等耐热件使用寿命受到影响，而且窑中高温区的温度迅速攀升，据手持式高温测温仪实测表明，最高点温度达1380℃，导致窑中结圈速度明显加快，尤其是离窑口8～10 m范围内，结圈物厚度达500 m m以上。

为了解决回转窑结圈给生产带来的困扰，我厂技术人员进行了多方探索，发现引起上述问题的原因除精粉粒度粗、生球强度差水分大、热工操作制度不尽合理等诸多因素外，窑头煤气燃烧器系统不适合当前的生产状况也是一个非常重要的原因。为此，我厂技术人员与相关设备制造公司的技术人员共同努力，对窑头煤气燃烧器及其配套系统进行了一系列改进，取得了良好效果。

2原窑头煤气燃烧器的不足

原窑头煤气燃烧器的布置如图1所示。生产过程中发现，该燃烧器存在以下问题：

(1)火焰偏短、偏粗，在回转窑中轴向不能形成足够长的高温焙烧区；

(2)火焰分散不集中，火焰末端直接喷射到窑内衬上，导致窑中形成局部高温；

(3)一次风用量大、二次风利用率低，煤气燃烧不充分，吨矿煤气消耗高。

经分析，造成上述问题的主要原因如下：

(1)燃烧器的煤气及助燃风出口截面积过大，煤气及助燃风出口流速过低

由于煤气出口流速为出口流量与出口截面积的比值，因此，截面积越小，出口流量越大，其出口流速就越高。如果各介质出口截面积过大，在总流量一定的情况下必然会引起其出口流速下降。

由于该生产线最初设计时考虑要大量配加赤铁矿，用焦炉煤气：高炉煤气＝8：2的混合煤气焙烧，所需煤气量最大为26 000 m³／h，接口压力7～8 kPa(目前实际为4～5 kPa)，助燃风量最大为20 000 m³／h，全压7 kPa(实际工作压力仅4 kPa)，因此燃烧器出口直径设计较大，轴流风通道内径为600 m m(见图2)。但日常生产中一般只焙烧磁铁矿，实际混合煤气用量通常不超过13000 m³／h，助燃风量也只有15000～18000 m³／h，煤气、空气用量远低于设计值。经测算，轴流风和轴流煤气出口最大流速约为1 5～20 m／s。如此低的风速直接导致燃烧器出口煤气及助燃风动量小，克服窑内气体介质阻力的能力小，气体喷射距离受限，火焰严重偏短，因此窑中高温焙烧区间短，实际约在2 m左右。实测表明，高温区集中在离窑口8～10 m的区域，不能到达窑中15～20 m的范围。

(2)燃烧器各通道内表面加工精度差、通道过多，导致介质出口方向性差

由于助燃风中的轴流风位于各通道的最外侧，其出口压力大小及方向性好坏直接决定了燃烧器火焰能否被限制在一定范围内。原燃烧器各通道内表面的加工精度较差，各通道的同轴度也不好，加上通道设计过多，各通道气体喷射出燃烧器后难以形成稳定的同心射流。特别是轴流风和旋流风之间的风压差别很小，有时旋流风的压力甚至比轴流风压还高，过强的旋流往往突破轴流风的限制范围向外扩散，形成如图1所示的发散形火焰。

(3)轴流风对来自环冷机的热风的引射能力差，系统热利用率低

当高速气体从燃烧器射人回转窑时，由于气体质点的慢动扩散和分子的粘性作用，气体质点通过碰撞将动量传给回转窑内相对静止的空气，带动空气一起运动。随着燃烧器附近的空气向窑内高速运动，燃烧器周围形成很强的负压，使得环冷机内的热风向窑内高速运动，因此高速人窑的气体对环冷机热风具有强引射作用。风射人的流速越大，其动量越大，对环冷机热风的引射作用也越强。由于轴流风呈与回转窑同轴的直线运动，因此，其出口流速决定了对环冷机热风引射作用的强弱。原有的燃烧器由于轴流风出口流速很低，因此引射作用非常有限。

(4)助燃风与煤气出口速差小、旋流通道叶片角度设计不合理，使助燃风与煤气的混合效率低

同心射流的混合过程主要有分子扩散、脉动扩散、机械涡动三个过程，尤其是后两个过程的快慢决定了同心射流的混合速度。当外层气流与中心气流之间的速度比增加时，脉动扩散过程迅速加快，混合速度也会加快，但与二者的绝对速度无关。原有燃烧器煤气通道和助燃风通道截面积相差无几，且煤气和助燃风出口压力、流量也相当，因此内外层气流的速差很小，空煤气流速比一般在1～1．3之间，直接影响了其脉动扩散的速度。

其次，减小中心射流的喷口直径也可以加快混合速度。这样直接缩短了外层质点到达射流轴线所要穿过的路程。原有燃烧器喷口直径较粗，气流径向混合路程较长，不利于煤气与助燃风快速均匀地混合。

另外，合理配置旋流煤气和旋流风通道出口的导向叶片，使内外层气流产生适当的旋转也可增加混合强度。原有燃烧器旋流通道导向叶片角度设计不合理，不仅影响混合效果，还干扰了气流的整体运动方向。

3 改进措施

为了改善燃烧状况，使之适应球团生产的需要，邯钢球团厂和设备制造厂的有关技术人

员针对燃烧器及其配套系统的诸多不足制定了详细的改进方案，并在2006年10月底球团生产线年修期间对其进行了彻底改造，具体措施如下：

(1)重新设计燃烧器

首先，整体缩小燃烧器截面尺寸。经过计算，将截面尺寸定为轴流风通道内径545 mm，并调整轴流与旋流风通道截面比例，进一步缩小轴流风通道出口截面积(见图3)。为了适应煤气热值及球团产量波动带来的煤气总用量波动，设计燃烧器时考虑了调整助燃风出口截面积的可能性。同时，考虑到煤气压力较低、通道多，对空煤气混合过程有直接影响，因此取消了轴流煤气通道，仅保留旋流煤气和点火煤气通满。

其次，是提高各气流通道表面的加工精度，最大限度地减小气流通过的阻力。对各通道的同轴度也提出了严格要求，保证气流喷出后具有良好的方向性。并对旋流煤气和空气出口导向叶片角度进行了适当调整，保证内层气流合理旋转，从而保证了空、煤气混合效率。为了进一步确保轴流风有良好的方向性，还在燃烧器出口处外侧加设了拢焰罩，强化对轴流风的方向控制

(2)更换助燃风机

将原有的两台离心风机更换为罗茨风机，风压提高到l 9．6 kPa，最大风量减少至9960m³／h，将助燃风出口流速提高到1 50 m／s以上，大大加强了对环冷机热风的引射，减少冷风人窑，提高热利用效率。

(3)改进助燃风管路系统

原助燃风管路上有流量计、手动蝶阀和电动调节阀各一个，经测算，这些装置所产生的阻力损失至少在2 kPa以上。为了最大限度地减小气流通过时的阻力，改造时将其全部取消，只留下原有Ø500管路。为了便于罗茨风机启动时和气量有富余时放散，又在管路上设计安装了Ø100放散阀。

4改造效果及分析

4．1 改造后火焰控制更加自如，窑中高温区均匀且大大延长

由于助燃风通道出口的截面积减小，使得助燃风风速大大增加，而且燃烧器的加工精度提高，保证了助燃风有良好的方向性，使得火焰长度和方向性大大改善，火焰调整控制更加自如。实际操作中，将两个通道的助燃风比例预先设置好以后，只需调整空气管路上的放散阀开度，即可使火焰长度在8～20 m范围内自由调整。根据改造前后检测窑皮温度和停机时观察窑中结圈情况表明，改造后窑中高温区由原来的2 m左右延长到6 m以上，效果非常明显。

4．2煤气燃烧充分，一次风用量大大减少，降低了吨矿热耗

采取减少煤气通道、提高助燃风压力及出口风速等措施后，有效增大了空气与煤气出口时的速差，改造后，空煤速比增加到15～25，大大强化了空煤气混合效果。从空气动力学角度来看，当煤气喷出时，与外风管及内风管喷出的外风、内风相遇后，发生强烈的质量交换和动量交换，在出口不远处迅速混合成一次射流流股。在一定范围内，空气与煤气的速差越大，二者混合就越充分，这将有助于煤气的充分燃烧。同时，环冷机工冷段中热风作为二次风被引射流卷入一次射流中，组成助燃空气混合体。轴流风的出口动量(出口流速)和方向性好坏决定了引射作用的强弱及引射后的混合效果。适当调节内、外风比例和风量，可使二次风在助燃风总量中的比例大大提高，同时可以控制火焰形状，以提高煤气燃烧效率，保证窑深处的火焰尾部燃烧烟气有微弱回流，火焰集中而不分散。这样，使得窑内的高温区分布更加合理、稳定。

此外，因轴流风的高速引射作用，改造后的燃烧器助燃空气主要来自环冷工段的炽热二次风(温度高达1000℃)。随着引射进来的二次风(热风)风量增加，助燃空气温度也越高，与原有燃烧器相比，一次风(冷风)风量大大降低，由原有的14000 m³／h下降到目前的8000 m³／h以下。助燃风温度和燃烧效率的提高使得吨球热耗降低，据2005年10月至2007年10月份的统计数据，改造前焦炉煤气耗量为37。40 m³／t左右，改造后下降到34 m³／t以下，实际下降了3 m³／t以上，大大降低了球团生产成本。

4．3提高球团矿产、质量

燃烧器改进后，火焰温度比较稳定，烧成系统温度合理。由于火焰形状可调，煤气燃烧较完全，延长了高温区的长度，提高了窑的焙烧能力，使人窑物料能得到较长的高温保持时间和较均匀的焙烧温度，从而提高了窑的热利用率。因此，在境烧温度不变的情况下可以提高窑速，而球团的结晶过程几乎不受影响。这样一来，不仅缩短了物料在窑内的停留时间，提高了窑的焙烧能力(即单位时间内的产量)，同时也使球团矿质量更加稳定。改造后的生产实践表明，在不改变原有操作制度的情况下，球团产量可长期维持在日产6600 t左右的水平，成品球团矿抗压强度可达到2300 N／个，转鼓指数达95％以上。

经过一段时间的摸索后，为了保护设备，降低设备的工况温度，又将链算机预热Ⅱ段温度和窑中温度整体下调了20℃左右(即链箅机预热温度由1 050℃下调到1 030℃，窑中温度由1350℃下调到1250℃)，而球团矿产质量未受到明显影响。

4．4避免恶性结圈，延长窑衬使用寿命

结圈是链箅机．回转窑球团生产中面临的一大难题。从我厂的情况来看，除了人窑粉料多、SiO₂含量高等原因外，窑内存在局部高温也是产生结圈的一个重要原因。燃烧器改进前，由于火焰分散、形状难以调整，常出现不规则的火焰冲刷窑皮现象，造成窑皮局部高温(超过1300℃)，在此区域稍有粉末即产生结圈，并迅速出现局部恶性增厚突起，对窑的安全平稳运行与窑内耐火材料的使用安全构成严重威胁。

改造后的燃烧器系统通过调整轴流风和旋流风比例，可有效控制火焰形状。高速且方向性好的轴流风可有效控制火焰方向，避免了火焰扫窑皮导致窑内形成局部高温，使得窑内结圈物增厚的速度变得均匀而缓慢，有效地避免了结圈物局部迅速增厚并脱落造成对窑衬的恶性损坏。

4．5 尚待改进之处

改进后的燃烧器虽然使用效果很好，但美中不足的是：

(1)燃烧器上的所有调节阀均为手动调节，在燃烧器点火和熄火操作中需要人工调节，不仅效率低，而且很不方便，可以考虑设计电动调节。

(2)空气管路上设计的放散阀虽然较实用，但放散产生的噪音较大，不仅影响现场环境，还浪费了一部分能源。此外，人工调节效率很低，可以考虑改用变频电机来带动风机，以克服上述缺点。

5 结 论

综上所述，邯钢球团通过对回转窑头煤气燃烧器系统进行有针对性的改造，不仅克服了火焰偏短、偏粗、分散不集中的问题，避免了在窑中形成局部高温而产生恶性结圈，而且在不影响成品球团矿质量的情况下，大大提高了煤气燃烧效率，降低了吨矿煤气消耗，降低了吨球成本。由此可见，回转窑煤气燃烧器系统的设计直接关系到链箅机．回转窑球团生产线的运行效率和产品质量，应当引起广大链箅机。回转窑球团生产线设计者和生产者的足够重视。