CN114480767B - 一种铁矿石还原回转窑防结圈方法 - Google Patents

Abstract

本发明为解决传统铁矿石回转窑还原工艺存在的窑体结圈、焙烧温度低、单窑产能低问题，提供了一种铁矿石还原回转窑防结圈方法，通过在回转窑入料端设置煤气喷入口和空气喷入口，并设置窑背风机，将加热煤气和助燃空气分别以射流的方式，从窑头及窑身不同部位鼓入到窑内，空煤气在窑内流动过程中进行混合、预热和燃烧，实现了煤气在回转窑高温段的弥散燃烧，降低了窑内高温区温度，防止了回转窑的结圈。本发明回转窑加热煤气是在一个较大空间、较长时间内进行弥散燃烧，煤气整个过程不产生火焰，降低了回转窑中后段的温度；相对于常规燃烧，弥散燃烧火焰布满高温段炉膛空间，解决了传统回转窑的结圈问题，并提高回转窑磁化焙烧的产能、降低能耗。

Description

一种铁矿石还原回转窑防结圈方法

技术领域

本发明属于冶金和矿物工程技术领域，涉及一种铁矿石还原回转窑防结圈方法。

背景技术

目前，回转窑是用来处理粒度为0～25mm粒级铁矿石的一种热工设备，其焙烧矿的磁化焙烧质量和分选指标比竖炉好。图1为传统铁矿石磁化焙烧回转窑结构图，粉状铁矿石从铁矿石给料斗加入到回转窑内，铁矿石在回转窑内旋转过程中不断从入料端往出料端方向流动，铁矿石流动过程中与逆流而来的高温烟气进行热交换而使其温度升高，铁矿石加热的主要热源是从窑头烧嘴供入的煤气经与空气充分混合后进行预混燃烧，煤气在燃烧放出热量的同时会产生一个温度较高的高温火焰区。铁矿石在加热升温过程中首先进行干燥、脱除结晶水、菱铁矿分解，然后温度达到650℃以上的铁矿石进入到回转窑的高温焙烧区，与从出料端粒煤喷枪喷入的粒状还原煤进行接触，还原煤对铁矿石进行低温氢冶金，可使铁矿石得到较好的焙烧。由于铁矿石的全粒级入窑，铁矿石在回转窑内随窑体旋转过程中，细粒级物料容易扬起并产生粉尘，当含尘窑气接触到高温火焰时，窑气中的细粒矿石就会因温度迅速升高而产生液化现象，液化后的矿粒与窑壁接触后就会粘附在窑壁上，最终使回转窑产生结圈。因此，回转窑的结圈主要是由于窑内高温火焰存在而产生的。

目前，影响粉状难选铁矿石回转窑磁化焙烧技术产业化实施的技术难点是窑体结圈，由于窑体结圈阻挡了窑内原料和热气流的流动，使回转窑不能正常生产；受回转窑结圈的制约，一般回转窑焙烧温度控制在650～750℃之间，致使回转窑产能低、吨矿能耗高，从而导致磁化焙烧成本较高。

回转窑内传统常规燃烧反应中温度分布范围较广，温度在从低温到高温的变化过程中，化学反应变化使得诸多物理参数发生变化，如表面张力、扩散率等，这也导致了常规燃烧反应复杂且难以控制。传统常规燃烧反应中最高温度较高，一般会高于1800K，燃烧中容易生成大量的NO_X。

在回转窑内，由燃烧前沿面和正在燃烧的质点所包围的区域称为火焰，按燃料和空气的混合程度可分为预混燃烧火焰和扩散燃烧火焰。预混燃烧火焰是煤气和空气在进入燃烧室之前已均匀混合的可燃混合物燃烧的火焰，扩散燃烧火焰是煤气和空气边混合边燃烧的火焰。

1、预混燃烧火焰

（1）层流火焰

目前，铁矿石直接还原回转窑烧嘴产生的火焰为预混燃烧火焰，是空气和煤气预先混合后，将可燃混合物通过一个普通的管口流入自由空间，形成一个射流，在射流断面中心线上流速最大，这时点火后便形成一个锥形火焰。如果可燃混合物的空气消耗系数大于1，只形成一个锥形燃烧前沿面。在该前沿的上游区域中为新鲜的可燃混合物，下游区域为燃烧产物；在燃烧前沿面上，大部分燃料被烧掉，燃烧前沿之后还有一个燃烬段，燃料逐渐完全燃烧。如果可燃混合物空气消耗系数小于1，则会产生一个内锥（它是一个稳定的燃烧前沿），同时还产生一个外锥。在内锥前沿面未燃烬的燃料，靠射流从周围空间吸入空气与之混合，继续燃烧，形成明显的外锥火焰。图2为层流预混火焰的形状。

层流预混火焰长度随气流速度的增加而增加，随传播速度的增加而减小。在烧嘴尺寸和可燃混合物成份一定时，增加混合气体流量，将使火焰长度增加，若烧嘴流量相同，传播速度较大的可燃混合物燃烧的火焰将比传播速度较小的要短。实质上，层流预混火焰的长短代表着锥体燃烧前沿面的大小，流量增加时，需要更大的前沿面才能使之燃烧，故长度自然会延长。燃烧传播速度较大的气体燃烧时需要较小的燃烧前沿面，所以火焰长度较短。

（2）紊流火焰

当可燃混合物以紊流流动由喷口喷出时，点火后形成的火焰轮廓不象层流那样分明，但也是一个近似锥形的有一定外形的火焰。由于紊流气体质点脉动的结果，紊流燃烧前沿不会象层流那样是一个很薄的平面，而是一个较厚的，其中各质点（新鲜的可燃混合物、正在燃烧的气体和燃烧产物）相互交错存在的气体。因此，紊流火焰可以粗略地划分为三个区域，中心部位是未燃烧的可燃混合物，燃烧带是可见紊流燃烧前沿，大部分可燃气体在这一区域中燃烧，燃烬带是达到完全燃烧的区域。图3为紊流预混火焰结构。

紊流预混火焰的长度与气流速度、燃烧传播速度以及喷嘴尺寸有关，随着气流速度的提高，火焰长度增加，随着燃烧传播速度的增加，火焰长度将变小。当烧嘴尺寸变大时，如果气流速度不变，则流量必然增加，因而火焰长度也将增加。紊流火焰的稳定性主要是脱火问题，这是因为气流速度已增大到回火临界速度之上，回火问题不再发生。紊流燃烧不象层流燃烧主要依靠点火圈提供的热源实现点火，但为了燃料稳定燃烧，必须连续点火。当空煤气混合物紊流燃烧时，由于质点可有不同方向的脉动，正在燃烧的质团或高温燃烧产物，都可能返回到新鲜的可燃混合物之中，这些高温质点便起到了连续点火的热源作用。

2、扩散燃烧火焰

（1）层流火焰燃烧

当煤气和空气分别以层流流动通入燃烧室时，可得到层流弥散燃烧。在同心射流形成的层流火焰结构中，空煤气混合是以分子扩散的形式进行的，在两个射流相接触的界面上，空气分子向煤气射流扩散，煤气分子也向空气射流扩散。在某一界面上，煤气与空气相混合时浓度达到化学当量比（即空气消耗系数为1），这时可燃混合物点火后，在该界面上将形成燃烧前沿。燃烧前沿面上生成的燃烧产物同时向两个相反方向—中央的煤气射流和周围的空气射流进行扩散。因此，层流火焰中便明显地分为四个区域：纯煤气区、煤气加燃烧产物区、空气加燃烧产物区、纯空气区。这种层流火焰的燃烧强度是很小的，层流火焰中的浓度分布为：燃料的浓度在中心处最大，然后沿径向逐渐减小，至火焰前沿面时减为零；氧的浓度在前沿面处也为零，而向外逐渐扩散增加至周围介质中氧的浓度。这就是说，在火焰前沿面上，煤气与空气比值为化学当量比，而且化学反应是瞬时完成的，整个火焰结构取决于气体的扩散。

层流扩散火焰结构由纯空气射流、纯煤气射流、煤气与燃烧产物混合物、空气与燃烧产物混合物、射流边界、空气组成，图4为层流扩散火焰结构。层流扩散火焰长度的影响因素有：当燃料成份一定时，主要取决于气体的体积流量。若体积流量一定时，则火焰长度与喷口直径无关；若气体流速一定时，则火焰长度长度随直径的增加而增加；若直径一定时，则火焰长度随流速的增加而增加，这是因为扩散火焰的长度主要取决于完成混合过程所需的时间；煤气的流量越大，该流量与空气混合（达到化学当量比）所需的时间就越长，在该时间内煤气分子将流经较长的路程，即火焰长度越长；反之，煤气流量越小，则可在较短距离内与空气混合燃烧，即火焰较短。

（2）紊流火焰燃烧

增加煤气和空气的流速，可以使层流火焰过渡到紊流火焰，当空煤气层流流动时，火焰的外形轮廓是规整的，当气流速度增加时，起初只是火焰顶部发生颤动，随着气流速度的不断增加，火焰上部变为紊流火焰，这样在火焰长度方向存在一个“转化点”，在某一速度之下，在该点之上火焰由层流转化为紊流。在层流燃烧情况下，火焰长度随气流速度对火焰长度便不再有明显的影响，这是因为在紊流情况下，气流的混合速度是随气流速度增加而增加的，当气流速度增加时（在烧嘴直径不变的情况下），一方面气体流量的增加使火焰变长，另一方面气体的混合速度增加可使火焰缩短，这正负两方面作用的结果，便使紊流火焰长度随气流速度的变化不明显。

3、弥散燃烧

弥散燃烧是扩散燃烧的一种，是一种低氧氛围下的低释热强度柔和燃烧，能较好的实现低污染和高效燃烧双重要求。“弥散”体现了“氧气分子与可燃物分子混合并发生反应的点或位置的分散”，即“火焰或反应点在炉膛里分散”、“这是一种氧气分子和可燃物分子均匀分散在炉膛内各个位置的燃烧”。弥散燃烧的燃烧特征是火焰亮度减弱，且火焰边缘无明显锋面，化学反应速率低，反应区体积大，反应物浓度梯度小，不存在局部高温区，燃烧最高温度低，热流密度均匀，污染物NO_X及CO排放量明显降低，燃烧过程噪音极低。铁矿石在回转窑内氢冶金过程中，采用弥散燃烧技术具备显著的节能和环保特性，对加强能源的高效利用、改善空气质量、降低企业生产资金、提高企业竞争力具有十分重要的意义。

对于当今企业来说，环境、资源及能源是限制其迅速发展的最大障碍。弥散燃烧技术作为一项节能环保新型技术，备受世界各国高度关注，得到了大力推广应用。弥散燃烧技术在欧美、日本等发达国家获得快速发展，已经成功在熔炼炉、锻造炉、保护气氛热处理炉、陶瓷加热炉、裂解炉、直接还原转底炉等应用推广。弥散燃烧技术尽管在国内起步较晚，但发展很快。已经成功应用到冶金、钢铁、陶瓷、纺织、建材、机械等行业的工业炉中，并在节能减排方面获得了较好的效果。

发明内容

本发明为解决传统铁矿石回转窑还原工艺存在的窑体结圈问题，并将铁矿石焙烧温度提升至750～850℃，从而提高回转窑磁化焙烧的产能、降低能耗，根据煤气弥散燃烧的机理，提供了一种铁矿石还原回转窑防结圈方法。

本发明一种铁矿石还原回转窑防结圈方法，由以下设备和方法完成：

防结圈设备：包括设于回转窑出料端的空气喷入口、煤气喷入口和粒煤喷管，所述煤气喷入口与空气喷入口之间的间距控制为300-800mm，所述粒煤喷管连接粒煤流化室，所述粒煤流化室连接有粒煤给料斗和压缩空气管，所述压缩空气管上设有空气调节阀，所述回转窑窑体上设有窑背风机。

所述回转窑入料端的铁矿石给料斗，出料端设有焙烧物料排出口。

所述空气喷入口设置于煤气喷入口的上部，所述粒煤喷管设置于煤气喷入口的上部。

所述窑背风机设置2-5台窑背风机，第1台窑背风机设置在距离出料端8-10m位置，第2台窑背风机设置在距离出料端11-13m位置，第3台窑背风机设置在距离出料端14-16m位置；当回转窑的窑体较长时，距离出料端18-20m、22-25m的位置设置第4台、第5台窑背风机；窑背风机供风量设置为由第1台窑背风机到最后一台依次减小。

防结圈方法：

（1）将回转窑燃料从煤气喷入口喷入到窑内，将助燃空气通过空气喷入口和压缩空气管吹入；

（3）煤气进入窑内后在射流流动过程中，与空气喷入口和压缩空气管吹入吹入的空气在一边流动、一边混合、一边预热的基础上，通过控制喷入空气量，实现部分煤气的弥散燃烧；

（4）剩余煤气随燃烧产物在窑内流动到第1台窑背风机位置时，通过第1台窑背风机往回转窑内供入助燃空气，助燃空气与剩余煤气在一边流动、一边混合、一边预热的基础上，通过控制鼓入空气量，实现部分煤气的弥散燃烧；

（5）随后窑气中未燃烧的可燃气体随窑气流动到第2台窑背风机位置时，通过第2台窑背风机往回转窑内供入助燃空气，助燃空气继续与未燃烧的可燃气体进行弥散燃烧，依次重复上述过程，直至将可燃成份完全燃烧。

本发明在现有回转窑还原结构的基础上，为解决铁矿石在氢冶金过程中产生的结圈问题，采取了煤气在回转窑内燃烧过程中不产生火焰的低温弥散燃烧方法。这种方法将回转窑原有的窑头烧嘴（煤气和助燃空气在烧嘴内混合并燃烧的一种装置）改造成单一煤气喷入口，增加空气喷入口，切断烧嘴配入的空气，同时在回转窑的窑背增设2-5台窑背风机，通过窑背风机将常温空气鼓入到回转窑的中后段，通过空气喷入口和压缩空气管从回转窑出料端喷入部分空气。回转窑物料焙烧所需的燃料从煤气喷入***入到回转窑内，煤气从窑头进入窑内后在射流流动过程中，与从窑头空气喷入口和喷料***吹入的空气在一边流动、一边混合、一边预热的基础上，通过控制吹入空气量，实现部分煤气的弥散燃烧；当剩余煤气随燃烧产物流动到窑内第1台窑背风机位置时，从第1台窑背风机往回转窑内供入部分助燃空气，这部分助燃空气与从前段流入本段窑气中所含可燃气体在一边流动、一边混合、一边预热的基础上，通过控制鼓入空气量，实现部分煤气的弥散燃烧；随后窑气中未燃烧的可燃气体随窑气流动到第2台窑背风机位置时，从第2台窑背风机再往回转窑内供入部分助燃空气，空气继续与未燃烧的可燃气体进行弥散燃烧；当回转窑设置有多台窑背风机时，可重复上述过程，直至将烟气中的可燃成份完全燃烧，实现回转窑产出的烟气达标排放。这样，从回转窑出料端喷入到窑内的煤气可在回转窑中后段较长区域内进行弥散燃烧。由于回转窑内煤气燃烧的区域扩大、燃烧速度降低，整个窑膛空间内没有明火存在，从而降低了回转窑中后区的温度。

在回转窑内形成弥散燃烧与煤气喷入口和空气喷入口的相对位置有关，本发明将窑头设备布置为上部空气喷入口、下部煤气喷入口时，随着煤气喷入口与空气喷入口的间距增大，炉膛空间的温度梯度减小，温度分布更加均匀，符合弥散燃烧基本特征，但过大的增加间距可能会造成空气射流贴近壁面，影响燃烧稳定性。因此，本发明将回转窑的窑头煤气喷入口与空气喷入口之间间距控制为300-800mm。

本发明为在回转窑中后段形成一个稳定的弥散燃烧区域，将第1台窑背风机设备在距离出料端8-10m位置，将第2台窑背风机设备在距离出料端11-13m位置，将第3台窑背风机设备在距离出料端14-16m位置；当回转窑的窑体较长时，也可在距离出料端18-20m、22-25m的位置设置第4台、第5台窑背风机，从而将回转窑的弥散燃烧区域扩展到一个较大范围内。

本发明根据铁矿石在回转窑内还原过程中，还原前期还原速度快、从料层中放出的可燃气体量大、料温较低，而还原后期还原速度慢、从料层中放出的可燃气体量小、料温较高的情况，为强化铁矿石还原前期的供热量、提高料温水平，同时适当控制铁矿石还原后期的料温，窑背风机供风量设置为由第1台窑背风机到最后一台依次减小，将第1台窑背风机供风量设置最大，第2台窑背风机供风量次之，后续窑背风机供风量依次减小。

本发明在回转窑启窑和烘窑过程采用原有的窑头烧嘴，将煤气与助燃空气在烧嘴内均匀混合后进行预混火焰燃烧，当窑温升高到600-650℃以上时，为降低高温区热负荷实现弥散燃烧，在提高空气喷入口供入空气量和窑背风机供入空气量使煤气完全燃烧的同时，缓慢减小窑头烧嘴的空气供入量，直至窑头烧嘴的空气供入量全部关闭，这样就可实现回转窑内煤气从预混火焰燃烧到弥散燃烧的转变。

本发明回转窑内采用弥散燃烧主要技术特征在于“柔和”的演变，弥散燃烧在一个较大空间、较长时间内完成反应，有效地防止了反应速率突然增加，确保了燃烧反应的低强度。尽管弥散燃烧中峰值温度降低，但是炉膛的温度、热流分布均匀，温度波动很小，炉膛平均温度反而有所增加，炉膛的辐射换热加强。此外，相对于常规燃烧，弥散燃烧火焰强度低、不存在局部高温区、燃烧最高温度低、热流密度均匀且布满高温段炉膛空间，解决了由于窑内高温火焰存在而产生的回转窑的结圈问题，并将铁矿石焙烧温度提升至750～850℃，从而提高回转窑磁化焙烧的产能、降低能耗，拓展了低热值燃料应用范畴，有利于提高产品的质量和产量，延长相关设备的使用寿命。

本发明铁矿石在回转窑内还原过程中配入过量的还原煤，在还原结束时物料内部还残留一部分残炭，当还原物料在窑内高温熔化并粘附在回转窑内表面并形成挂料时，所挂物料中含有一定量的残炭；当所挂物料随回转窑旋转到物料上方的窑膛空间时，在窑内高温烟气的作用下其含有的残炭会发生燃烧，残炭燃烧产生的热量可使残炭周围的所挂物料温度升高，在所挂物料中就会出现因局部膨胀量的不同在物料内部产生热应力现象，当热应力积累到一定程度时就会出现所挂物料的掉落。

本发明的有益效果：

（1）在铁矿石还原回转窑内，通过在回转窑入料端设置煤气喷入口和空气喷入口，并在窑身设置2-5台窑背风机，将加热煤气和助燃空气分别以射流的方式，从回转窑出料端和窑身不同部位鼓入到窑内，空煤气在窑***流流动过程中进行混合、预热和燃烧，实现了煤气在回转窑弥散燃烧；

（2）煤气在回转窑内弥散燃烧是在一个较大空间、较长时间内完成反应，有效地防止了反应速率突然增加，确保了燃烧反应的低强度，燃烧反应过程不产生火焰，降低了回转窑中后段的温度，防止了回转窑结圈；

（3）煤气弥散燃烧炉膛的温度、热流分布均匀，温度波动很小，炉膛平均温度有所增加，炉膛的辐射换热加强，相对于常规燃烧，弥散燃烧火焰强度低、不存在局部高温区、燃烧最高温度低、热流密度均匀且布满高温段炉膛空间，解决了回转窑的结圈问题，拓展了低热值燃料应用范畴，有利于提高产品的质量和产量，延长相关设备的使用寿命。

附图说明

图1为传统铁矿石磁化焙烧回转窑结构图；

图2为层流预混火焰的形状；

图3为紊流预混火焰结构；

图4为层流扩散火焰结构；

图5为本发明装置的结构示意图；

图中：1-回转窑，2-入料端窑头罩，3-给料斗，4-出料端窑头罩，5-窑头烧嘴，6-粒煤喷枪，7-焙烧物料出口，8-烟气排出口，9-耐火材料，10-焙烧物料，11-空气喷入口，12-煤气喷入口，13-粒煤喷管，14-粒煤流化室，15-粒煤给料斗，16-压缩空气管，17-空气调节阀，18-窑背风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明铁矿石还原回转窑防结圈方法作进一步说明。

本发明一种铁矿石还原回转窑防结圈方法，由以下设备和方法完成：

防结圈设备：如图5所示，包括设于回转窑1出料端的空气喷入口11、煤气喷入口12和粒煤喷管13，煤气喷入口12与空气喷入口11之间的间距控制为300-800mm，粒煤喷管13连接粒煤流化室14，粒煤流化室14连接有粒煤给料斗15和压缩空气管16，压缩空气管16上设有空气调节阀17，回转窑1窑体上设有窑背风机18。空气喷入口11设置于煤气喷入口12的上部，粒煤喷管13设置于煤气喷入口12的上部。

窑背风机18设置2-5台窑背风机，第1台窑背风机设置在距离出料端8-10m位置，第2台窑背风机设置在距离出料端11-13m位置，第3台窑背风机设置在距离出料端14-16m位置；当回转窑1的窑体较长时，距离出料端18-20m、22-25m的位置设置第4台、第5台窑背风机；窑背风机18供风量设置为由第1台窑背风机到最后一台依次减小。回转窑1入料端的铁矿石给料斗3，出料端设有焙烧物料排出口7。

防结圈方法：

（1）将回转窑燃料从煤气喷入口12喷入到窑内，将助燃空气通过空气喷入口11和压缩空气管16吹入；

（3）煤气进入窑内后在射流流动过程中，与空气喷入口11和压缩空气管16吹入吹入的空气在一边流动、一边混合、一边预热的基础上，通过控制喷入空气量，实现部分煤气的弥散燃烧；

（4）剩余煤气随燃烧产物在窑内流动到第1台窑背风机位置时，通过第1台窑背风机往回转窑内供入助燃空气，助燃空气与剩余煤气在一边流动、一边混合、一边预热的基础上，通过控制鼓入空气量，实现部分煤气的弥散燃烧；

（5）随后窑气中未燃烧的可燃气体随窑气流动到第2台窑背风机位置时，通过第2台窑背风机往回转窑内供入助燃空气，助燃空气继续与未燃烧的可燃气体进行弥散燃烧，依次重复上述过程，直至将可燃成份完全燃烧。在回转窑内形成的空气射流区、煤气射流区、燃烧区、回流区和燃烬带如图5所示。

Claims (3)

1.一种铁矿石还原回转窑防结圈方法，由以下设备和方法完成：

防结圈设备：包括设于回转窑出料端的空气喷入口、煤气喷入口和粒煤喷管，所述煤气喷入口与空气喷入口之间的间距控制为300-800mm，所述粒煤喷管连接粒煤流化室，所述粒煤流化室连接有粒煤给料斗和压缩空气管，所述压缩空气管上设有空气调节阀，所述回转窑窑体上设有窑背风机；所述空气喷入口设置于煤气喷入口的上部；

设置2-5台窑背风机，第1台窑背风机设置在距离出料端8-10m位置，第2台窑背风机设置在距离出料端11-13m位置，第3台窑背风机设置在距离出料端14-16m位置；当回转窑的窑体较长时，距离出料端18-20m、22-25m的位置设置第4台、第5台窑背风机；窑背风机供风量设置为由第1台窑背风机到最后一台依次减小；

防结圈方法：

（1）将回转窑燃料从煤气喷入口喷入到窑内，将助燃空气通过空气喷入口和压缩空气管吹入；

（3）煤气进入窑内后在射流流动过程中，与空气喷入口和压缩空气管吹入吹入的空气在一边流动、一边混合、一边预热的基础上，通过控制喷入空气量，实现部分煤气的弥散燃烧；

（4）剩余煤气随燃烧产物在窑内流动到第1台窑背风机位置时，通过第1台窑背风机往回转窑内供入助燃空气，助燃空气与剩余煤气在一边流动、一边混合、一边预热的基础上，通过控制鼓入空气量，实现部分煤气的弥散燃烧；

（5）随后窑气中未燃烧的可燃气体随窑气流动到第2台窑背风机位置时，通过第2台窑背风机往回转窑内供入助燃空气，助燃空气继续与未燃烧的可燃气体进行弥散燃烧，依次重复上述过程，直至将可燃成份完全燃烧。

2.根据权利要求1所述的一种铁矿石还原回转窑防结圈方法，其特征在于：所述粒煤喷管设置于煤气喷入口的上部。

3.根据权利要求1所述的一种铁矿石还原回转窑防结圈方法，其特征在于：所述回转窑入料端的铁矿石给料斗，出料端设有焙烧物料排出口。