新型天然气燃烧系统应用于回转窑的研究.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶 工 程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G Ⅱ幔E R 心G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 新型天然气燃烧系统应用于回转窑的研究① 王东，张茂，薛生晖，毛拥军，黎红兵，张胜广 长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要介绍了新型天然气燃烧系统在中低温还原焙烧回转窑工业生产上的实际应用、燃烧系统的组成、操作控制、安全性等。新 型B F G 系列天然气燃烧系统具有操作简便、燃烧稳定、安全性高等特点，是针对中低温还原焙烧回转窑设计，并在菱褐铁矿工业生 产应用中取得成功。 关键词燃烧系统；天然气；中低温焙烧；回转窑；菱褐铁矿 中图分类号T F 0 4 6文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 9 1 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 - 0 3 3 4 - 0 3 目前，全世界已探明天然气储量已超过4 0 0 万亿 立方米，世界各国都对这种天然矿物燃料中最优质的 燃料天然气非常重视。在世界能源结构中天然气 的比重高达2 0 ％以上，美国达2 5 ％以上，独联体国家 高达5 0 ％。我国天然气总储量达3 8 万亿立方米，其中 已探明可开采储量1 2 万亿立方米。现阶段我国天然 气在能源构成中比重只有2 ％左右，还不足世界平均 比重的1 ／1 0 ⋯。我国是一个潜在的天然气消费大 国旧1 ，因此，研究、开发利用天然气成为我国中长期能 源发展战略的核心问题之一。另外，在环境保护和节 能减排的要求下，各国都越来越提倡煤炭的清洁利用 和减量消耗，中国也在积极寻找替代能源，减少煤炭的 使用，煤炭在未来能源消费中所占比例将会越来越低。 现在，我国民用天然气应用技术已趋成熟，未来重点是 研究开发如何应用于工业生产中新型天然气燃烧系 统。为适应我国能源结构政策变化趋势，以天然气代 替工业中油品燃料和原料，提高窑炉燃料利用率、改善 和减轻燃烧产物对环境的污染，研究开发了B F G 系列 新型天然气烧嘴。 在低品位菱褐铁矿、红土镍矿、低品位氧化铅锌 矿、低品位软锰矿等矿物的还原焙烧均采用中低温还 原焙烧技术，为了使B F G 烧嘴在工艺运行上适用于中 低温还原焙烧回转窑这一特点，B F G 系列新型天然气 烧嘴在设计上充分考虑到分段燃烧技术。B F G 系列 新型天然气烧嘴在设计和实际应用中严格控制好回转 窑体内温度场分布，使物料在一定温度区间内保证停 留时间和弱还原性气氛等工艺参数，现已在新疆某地 建设5 条新型天然气燃烧中低温还原焙烧回转窑处理 低品位菱褐铁矿。 1 天然气燃烧系统特点 烧嘴设计针对焙烧采用中低温焙烧用回转窑工艺 特点，中低温焙烧用回转窑特点是高温带的温度在 7 0 0 ～8 5 0o C 。所以设计要考虑避免天然气局部燃烧 剧烈而造成产品质量出现问题。在天然气燃烧器选用 上，既要求燃烧器除具有普通燃烧器的优点外，还要具 有可以消除剧烈燃烧的特点。对天然气燃烧器改进的 目的是使回转窑内温度场分布更为合理，既要适合于 中低温回转窑工艺特点，又有利于回转窑的连续运行。 B F G 系列天然气燃烧器符合中低温焙烧用回转 窑的要求，B F G 系列烧嘴属于预混合有焰式烧嘴。主 烧嘴采用多流股结构形式，将大量空气、天然气分成若 干小流股混合喷出，使烧嘴在燃烧空气系数较低的情 况下不冒黑烟，大流量燃烧时不出现脱火现象，烧嘴运 行稳定可靠。 B F G 天然气燃烧器设有电离电极火焰监控器，火 焰熄灭，天然气管道上快速截止阀自动切断，安全可 靠；根据窑内温度情况可以随时调节天然气气量，调控 便捷。该天然气燃烧系统安全可靠、调控简单便捷、精 确。新疆某公司采用B F G 型天然气燃烧器，在生产过 程中操作简便且安全可靠。 2 烧嘴系统组成和相关介绍 天然气烧嘴系统由天燃气燃烧器、天然气点火系 统、火焰监测系统、风壳、过渡管、喷头、烧嘴耐火材料、 氮气吹扫／放散装置、固定架、助燃风机和其它零部件 等组成。烧嘴示意如图1 。 ①收稿日期2 0 1 4 - 0 6 0 9 作者简介王东 1 9 7 7 一 ，男，辽宁营口人，高级工程师，主要研究方向为有色金属及黑色金属资源综合利用。 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 王东等新型天然气燃烧系统应用于回转窑的研究 图l 烧嘴示意图 1 壳体；2 火焰监测器；3 点火棒；4 主烧嘴； 5 点火烧嘴角；6 氮气吹扫；7 高压离心风机 2 ．1 点火调试 新安装好的天然气管道，首先要进行压缩空气吹 扫，以清除管道内的焊渣、杂物等细小颗粒，防止阀门 关闭时卡住而导致天然气泄漏。在压缩空气吹扫完成 后，要对天然气管道进行氮气吹扫，置换天然气管道内 空气，防止天然气和空气混合，发生爆炸。具体操作步 骤打开手动放散阀、电磁阀，将氮气从氮气瓶中经吹 扫管道输送到天然气主管道，把天然气管道内的空气 置换出去，管道内保持氮气氛围。实际中要根据管径 大小、容积确定所需要的氮气量，充入氮气最好取上限 值。然后再打开天然气调压箱阀门，将天然气送入管 道置换管道中氮气。天然气进入烧嘴前在主管道上设 有一过滤器，确认天然气已到烧嘴前阀门处，关闭手动 放散阀和电磁阀。注意观察天然气压力仪表指示压力 调在1 0 1 1k P a 范围内。 先开启点火烧嘴空气阀门 1 ／4 1 ／5 给少量的空 气，打开天然气手动阀门，此时点火自动截止阀处于关 闭状态，打开高能点火开关即点火。点火自动截止阀 和点火开关是信号联锁控制的，按下“点火”按钮，点 火自动截止阀打开，天然气从烧嘴喷出，接触到高能点 火棒即可开始燃烧。在点火过程中，中控人员根据中 控压力显示、燃料流量、窑内温度进行调节，与现场人 员相互协调使烧嘴正常燃烧。点火时切勿站在窑门口 或观察口看火，以免喷出火焰烧伤。当第一次点火失 败，应立即关闭天然气阀门，打开空气阀门重新吹扫 清除窑内未燃烧的可燃气体 ，待检查原因后，并在 第二次点火之间有一定间隔时间，方可再次点火。 应当注意，严禁只开天然气，不开空气的违章操 作。当停止回转窑工作时，因窑内温度较高，绝不允许 把助燃空气蝶阀关死，应该往窑内通少量助燃空气，防 止烤坏烧嘴。 2 ．2 主烧嘴点火过程分析和解决方案 由于天然气燃烧发热量值高，为保证其燃烧完全， 需要大量空气助燃，在烧嘴结构上采用多通道喷出，天 然气与空气混合燃烧。另外还采用了分段燃烧技术保 证天然气利用完全，符合菱、褐铁矿磁化焙烧的工艺制 度要求。 生产中使用的天然气量大，主烧嘴不能直接点火 燃烧，要采用间接点火方式。点火烧嘴安装在主烧嘴 轴心位置，使点火烧嘴气流和主烧嘴气流的相互干扰 降至最小，点火更加稳定。点火采用中控直接控制点 火，采用电极点火，直接点燃天然气，用电离电极监测 火焰。待点火烧嘴燃烧稳定后再将天然气主火点燃。 主烧嘴上安装两个角度不同的紫外线火焰检测器，保 证大流量调节时自动控制系统不会误操作。 在试验中发现天然气点火并不像想象中的那么容 易。甲烷最低自燃温度为5 3 7 ℃，试验中发现温度达 7 0 0 ℃以上点火也经常失败。即使点火烧嘴点火成 功，有时燃烧5 ～1 0m i n 火焰会出现熄灭情况。在天然 气、空气配比系数较低时虽然可以着火，但火焰处于不 稳定状态，如需可靠稳定燃烧，点火后必须尽快调整各 参数使之脱离燃烧不稳定区域。 在生产调试中通过多次试验测试，对天然气烧嘴 进行了多次改进，考虑到点火中存在点火失败、压缩空 气偏低导致快速截止阀自动关闭、气体泄漏等方面，以 及在生产中操作控制、P L C 控制、联动控制等方面进行 了分析改进。 在点火操作上熟练程度对点火成败也起到至关重 要的影响。单纯天然气是点火不燃的，要与空气混成 一定比例才能引燃，所以在点火过程中，要掌握点火空 气管道阀门的开度、天然气压力、助燃空气压力、压缩 空气等具体参数，这些都是影响点火成功与否的重要 因素。 为保证生产操作中的安全，在天然气管道和助燃 空气管道分别装有压力监控装置与自控联锁，当天然 气和助燃空气低报时，自动截止阀立即切断天然气；当 主烧嘴火焰自动熄灭时，火焰监测器检测不到火焰时， 自动截止阀立即切断天然气，避免发生天然气泄漏事 故；当助燃风机没有启动或因故障停止时自控系统将 切断火焰而停止烧嘴工作。为防止天然气发生安全操 作，在泄漏保护上，采用甲烷泄漏自动保护装置和人工 手持式可燃气体探测器定期巡检。 3 天然气分段燃烧技术 在中低温还原焙烧矿石过程中，焙烧过程合适的 温度场分布及中低温、弱还原气氛的控制至关重要。 必须严格控制好窑体内温度场分布，使物料在一定温 度区间内保证停留时间和弱还原性气氛等工艺参数， 万方数据 矿冶工程第3 4 卷 如果温度、停留时间、气氛不匹配，将导致物料还原度 不够或者产生过还原，其结果都不能得到理想的焙烧 指标。天然气与一次空气从回转窑窑头同时送人回转 窑内燃烧，天然气一次空气配比为1 6 1 8 ，此配比 情况下天然气处于不完全燃烧状态。由于回转窑内从 窑头至窑尾为负压，未完全燃烧的天然气向窑尾流动， 通过设在回转窑窑身上多个二次风嘴鼓入二次空气， 将没有完全燃烧的天然气在回转窑内实现多点燃烧、 供热，这样不仅可以提高回转窑中后部的窑温，还可以 拉长高温带，使得回转窑内的还原温度带分布平缓。 通过调整回转窑窑身各点二次风风量，让天然气逐步 燃烧，来达到窑内合理的温度场分布，同时也避免了天 然气剧烈燃烧时因局部温度过高，将物料烧成熔融状 态而产生结圈。通过设在回转窑窑尾的实时烟气分析 仪监测窑尾烟气C O 、C O 和0 含量，可以判断天然气 最终在窑内还是燃烧完全。天然气分段逐步燃烧技术 首次应用在回转窑磁化焙烧菱／褐铁矿生产当中。在 生产实践中得到充分的验证，不仅可以使矿石磁化还 原效率大大提高，而且大大提高了磁化焙烧好的矿石 选矿精矿的回收率；同时延长回转窑高温带耐火砖的 使用寿命；在生产实践中，有效地延缓了回转窑结圈周 期；有效延长了生产周期，有效地拉长了窑内还原带， 提高了回转窑的处理量。天然气分段燃烧技术既适合 于中低温回转窑工艺特点，又有利于回转窑的连续 运行。 4 防止回火 对于大气式燃烧器，燃气与空气的混合物从火嘴 喷出并被点燃后，不一定形成稳定的火焰，当混合气体 流速小于火焰传播速度时，火焰可能逆流传播进火孔， 使燃烧在喷嘴内进行，这种火焰在火孔内部燃烧的现 象称为回火。回火是不允许的，回火不仅影响燃烧器 的稳定工作，同时还引起爆鸣声和噪音。假若在燃烧 器混合室内燃烧，有可能把烧嘴混合室混合装置烧得 变形。当几个燃烧器共用一个混合器，而且燃气一空气 混合物的输送管道容积又很大时，若回火就有可能发 生爆炸事故。 造成回火主要有以下几种原因①一次空气与天 然气配比系数影响，因为火焰传播速度与可燃混合气 体中的可燃气体含量有关，而火焰传播速度是影响回 火的一个主要因素。燃烧系统压力下降，或燃烧器火 孔堵塞等原因使可燃混合气体出火孑L 速度小于火焰传 播速度，产生回火。②燃烧器结构设计不合理或混合 管内结垢、局部堵塞等原因，而使混合气体流速不均匀 或各火孔流速差别很大，这时，即使预混可燃气体出火 孔的平均流速比火焰传播速度大很多，但在局部地方 或一部分火孔处流速仍可能低于火焰传播速度而引起 回火。 防止回火的方法降低火焰传播速度，提高天燃气 与空气混合物的出火孔流速，保证速度场均匀。从燃 烧系统的设计上就要考虑，工艺上根据燃气性质和燃 烧器形式规定最低压力值，当天燃气压力下降至低限 时，应停止运行，以保证天燃气一空气混合气体出烧嘴 速度不小于火焰传播速度。点火烧嘴和主烧嘴工作时 同时燃烧，两烧嘴分别装有火焰监测器，燃烧系统在助 燃空气低报时，烧嘴前自动截止阀会立即切断天然气， 避免出现回火发生安全事故。 5 生产应用实例 新疆某地现已建成5 条利用B F G 系列新型天然 气烧嘴焙烧贫菱褐铁矿的回转窑系统，年处理贫菱褐 铁矿2 0 0 万吨。B F G 系列新型天然气烧嘴应用于 中4 ．0m 6 0m 大型回转窑成套装置处理新疆某矿 山贫菱褐铁矿石工业生产取得了成功，每小时处理量 可达到5 5t ，中低温还原焙烧效果良好，各项技术指标 经考核达到或超过设计要求，B F G 系列新型天然气烧 嘴成功应用于回转窑上，为有效开发利用中低品位菱 褐铁矿资源开辟了一条新的途径，对合理利用我国储 量巨大的菱铁矿资源具有重要的现实意义。 6 结语 1 B F G 系列烧嘴可以实现天然气分段燃烧技术， 提高回转窑中后部的窑温，拉长高温带，使得回转窑内 的还原温度带分布平缓。 2 在实际操作中如果第一次点火失败，待检查原 因后，用空气进行吹扫，并在第二次点火之间有一定间 隔时间，方可再次点火。 3 B F G 系列新型天然气烧嘴系统适合中低温回 转窑焙烧，燃烧稳定，能防止天然气回火发生，在生产 过程中操作简便且安全可靠。 参考文献 [ 1 ] 杨占玄，许力飞．我国天然气勘探开发现状与前景分析[ J ] ．企业 改革与发展理论月刊，2 0 1 0 9 1 6 0 - 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