段成龍 吳彭森

(龍佰四川鈦業(yè)有限公司，四川綿竹，618209)

1 前言

二氧化鈦(別名：鈦白，鈦白粉)是一種重要的無機化工原料，無毒、對健康無害，是最重要的白色顏料，占全部白色顏料使用量的80%。廣泛應用于國民經濟的各個領域。鈦白粉的工業(yè)生產方法有氯化法和硫酸法兩種，我公司所建的鈦白裝置屬于硫酸法。鈦精礦經過硫酸酸解、沉降、結晶、濃縮、水解、水洗、漂白、鹽處理、煅燒、前后處理和汽流粉碎等十幾工段，最終獲得金紅石鈦白粉成品。回轉煅燒窯工段為鈦白粉生產過程中最重要工段，是決定水合二氧化鈦(TiO2·xH2O·ySO3)向金紅石型鈦白粉轉化的關鍵。

煅燒工段流程如下：(1)經過鹽處理的漿料送到偏鈦酸貯槽后，用泵送到窯前壓濾機，在此脫水成餅。濾餅經喂料螺旋送到回轉窯。(2)窯內物料隨著回轉窯的旋轉緩慢地移向窯頭，經過脫水、脫硫、晶型轉變及粒子成長四個階段成為二氧化鈦。二氧化鈦煅燒品經轉窯進入轉筒冷卻器冷卻至適當溫度后，再進入中間粉碎料倉。(3)天然氣在燃燒室內燃燒得到灼熱氣體，與二次空氣相混合從窯尾進入回轉窯。煅燒尾氣經文丘里噴淋，并經復噴洗滌器、復擋除沫器和靜電除塵器處理后，由引風機送入煙囪而排入大氣。

圖1 鈦白粉煅燒工藝流程圖

2 天然氣燃燒器的設計方法

2.1 燃燒器的關鍵點和難點

(1)點火、烘爐、升溫、降溫以及各種生產負荷等對燃燒器有不同要求，尤其是長時間在中低負荷下運行。天然氣的用量在50—2000Nm3/h范圍內變化，操作彈性很大。

(2)天然氣與空氣燃燒比例按1：10計算，約2萬多方的空氣怎樣與天然氣混和均勻，并且保證燃燒連續(xù)穩(wěn)定。

(3)窯頭的操作溫度變化在±5℃，對燃燒器的穩(wěn)定性要求很高。

(4)從熱風爐的結構和使用壽命等方面不宜設置防爆裝置。對燃燒器和熱風爐提出了更高的要求。

為了滿足回轉煅燒窯各工況下的要求以及降低NOX的排放量，天然氣燃燒器采用分段燃燒技術。主要分為點火燃燒器、主燃燒器和加速燃燒器。

2.2 天然氣燃燒器的設計依據(jù)

天然氣燃燒器的設計依據(jù)包括：(1)工藝專業(yè)提供的《Φ3.2×55m轉窯燃燒系統(tǒng)設計條件》；(2)轉窯生產負荷：20—40kt/a鈦白粉；(3)熱風爐出口煙氣溫度：950—1050℃；(4)天然氣用量：①點火及烘爐時：10—100Nm3/h；②生產過程中：600—1500Nm3/h；(5)天然氣參數(shù)(如表1)；(6)熱風爐操作壓力：微負壓—20Pa。

表1 天然氣參數(shù)

2.3 天然氣燃燒器設計方案

2.3.1 天然氣用氣量的確定

根據(jù)工藝專業(yè)所提供的《Φ3.2×55m轉窯燃燒系統(tǒng)設計條件》，確定燃燒器的設計天然氣用量為：

設計天然氣用量：1600 Nm3/h

2.3.2 燃燒方式的確定

為了滿足回轉窯點火、烘爐、升溫和降溫等要求，提出將點火燃燒器、主燃燒器和加速燃燒器三種不同的燃燒器有機組合成分段式燃燒方案：(1)點火燃燒器：天然氣50 Nm3/h；(2)主燃燒器：天然氣1200 Nm3/h；(3)加速燃燒器：天然氣350 Nm3/h。

2.4 點火燃燒器設計方案[1]

按天然氣50 Nm3/h進行設計，結構為孔罩式擴散燃燒器，為了使空氣與天然氣混合均勻，采用天然氣與空氣呈90°垂直交叉射流混合。點火為電子自動點火，備用人工點火。同時滿足烘窯襯以及生產預熱等工況下使用。

2.4.1 各部件流速按以下參數(shù)選取

(1)空氣管道：Va=8—10m/s；(2)燃氣管道：Vg=10—15m/s；(3)內部通道：Vh=20—25m/s；(4)燃燒器頭部火孔：V=25—30m/s。

2.4.2 點火燃燒器頭部的設計

點火燃燒器頭部采用元縫管加錐蓋的結構。(1)頭部的外直徑的確定，考慮布置電子點火棒接管以及人工點火棒接管等因素，選擇Φ133×6的無縫管。(2)頭部火孔的確定，取頭部火孔的氣速為：30m/s。

火孔在圓管及錐蓋上多圈分布，靠近電子點火棒處的火孔直徑選Φ2mm,由近及遠依次選擇：Φ3mm、Φ6mm、Φ8mm的火孔。

圖2 點火燃燒器結構圖

2.5 主燃燒器設計方案[2]

按天然氣1200 Nm3/h進行設計，為了使空氣與天然氣混合均勻，采用天然氣與空氣呈90°垂直交叉強旋轉射流混合，強旋轉射流的內部邊界存在一個回流區(qū)，在燃燒時回流的就是高溫燃燒產物，可作為穩(wěn)定火焰的連續(xù)點火源?；鹧鏋槎唐交鹧?，近似無焰燃燒。

2.5.1 旋流器的選取方案

常用的旋流器有兩類，一類是蝸殼式，另一類是軸向導流葉片式。蝸殼式旋流器結構尺寸比較大，制造比較難。不便于與點火燃燒器和加速燃燒器進行組合。螺旋狀長葉片式旋流器結構簡單便于制造，空氣旋流強度強，同時便于與點火燃燒器和加速燃燒器進行組合。因此綜合以上因素選擇螺旋狀長葉片式旋流器。

圖3 旋轉射流流入爐膛時的流動情況

螺旋狀長葉片旋流器按以下各參數(shù)選?。?1)螺旋葉片升角一般按30°選取。(2)螺旋葉片的螺距一般按2—2.5個螺距選取。(3)空氣環(huán)形螺旋面通道流速：Va=25—30m/s。(4)燃燒器出口流速：V=25—30m/s。

2.5.2 中心天然氣管的選取

天然氣按中心管的方式供氣，天然氣以90°方向高速射入強旋轉的空氣流中，為防止天然氣射入旋轉的空氣流中相互疊加，影響天然氣與空氣的混合效果，天然氣射流小孔以不同的孔徑，分層次以不同的射流深度射入空氣流中，以達到最佳的混合效果。

2.5.2.1 中心天然氣管的結構選取

中心天然氣管內要安裝點火燃燒器，因此選為雙層夾套管，夾套層走天然氣。內管直徑以能安裝點火燃燒器為準。夾套層內天然氣流速按Vg=15m/s選取。

2.5.2.2 天然氣出口小孔氣速及孔徑分布選取

(1)天然氣出口小孔氣速按Vg=130m/s選取。

(2)孔徑及分布：在軸線上按五圈分布，每圈孔徑依次為Φ18mm、Φ14mm、Φ12mm、Φ6mm、Φ3.8mm，大孔徑靠近螺旋葉片端。

圖4 主燃燒器結構圖

2.6 加速燃燒器設計方案[3]

按天然氣350 Nm3/h進行設計，為了使空氣與天然氣混合均勻，采用天然氣與空氣呈90°垂直交叉射流混合，空氣與天然氣進行預混合。加速燃燒器外套在主燃燒器外面，混合氣體切向進入，噴口處設置軸向傾斜導葉片。

(1)空氣管道的流速按：Va=15m/s進行計算。

(2)天然氣管道流速按Vg=25m/s選取，天然氣出口小孔氣速按Vg=60m/s選取，小孔在軸線上按四圈分布，每圈孔徑依次為Φ12mm、Φ10mm、Φ8mm、Φ6mm。

(3)燃燒器出口流速：V=20m/s。

圖5 加速燃燒器結構圖

2.7 燃燒器的控制方式

2.7.1 點火前

進行3—5分鐘100%的空氣吹掃。吹掃后，一次風量自動關閉到30%。

2.7.2 點火

點火燃燒器采用電子自動點火和備用人工點火方式；點火時：主燃燒器、加速燃燒器的天然氣閥門關閉，空氣閥門關閉。點火燃燒器的天然氣閥門在電火花打火后延時8秒鐘自動打開。

如果未點燃火天然氣的安全切斷閥門立即切斷天然氣，安全釋放閥立即排放管組內的天然氣。即時進入100%的空氣吹掃程序并運行15分鐘。人工復位可進入點火啟動程序。

2.7.3 中等負荷生產時

生產負荷在25 kt/a鈦白粉以下，以及烘爐、升溫、降溫等，點火燃燒器、主燃燒器投入使用。在點火燃燒器著火并穩(wěn)定運行后，人工手動開啟主燃燒器的空氣閥門、天然氣閥門，觀察燃燒情況，調節(jié)穩(wěn)定。①主燃燒器的空氣流量調節(jié)：人工進行參數(shù)(風機的電動機頻率，空氣電動閥的開度等參數(shù))設定。②主燃燒器的天然氣流量調節(jié)：根據(jù)熱風爐出口煙氣溫度的設定值進行自動調節(jié)。

主燃燒器穩(wěn)定燃燒后，人工手動開啟加速燃燒器的空氣閥門3%的開度，避免將加速燃燒器的外套管燒壞，同時冷卻主燃燒器的火焰根部，降低煙氣中的NOX排放量。

2.7.4 滿負荷生產時

生產負荷在25—40kt/a鈦白粉之間，點火燃燒器、主燃燒器和加速燃燒器同時投入使用。點火燃燒器、主燃燒器達到設計能力，并穩(wěn)定運行后，可人工手動開啟加速燃燒器的天然氣閥門。①加速燃燒器的空氣流量調節(jié)：人工進行參數(shù)(風機的電動機頻率，空氣電動閥的開度等參數(shù))設定。②加速燃燒器的天然氣流量調節(jié)：根據(jù)熱風爐出口煙氣溫度的設定值進行自動調節(jié)。

2.7.5 具體的控制程序

天然氣的各種閥門(調節(jié)閥、切斷閥、釋放閥、調壓閥等)調控，火焰監(jiān)測器、高能點火器和電子點火棒等的使用應與工藝、儀表和生產等單位共同協(xié)商確定。

2.8 一次風的風量、風壓

一次風為風機供給，二次風靠負壓吸入。一次風機的參數(shù)為風量：22000Nm3/h，風壓：6.5 kPa。

2.9 燃燒器的爐外試驗

燃燒器使用前，應在熱風爐外建一個試驗裝置，對燃燒器進行點火試驗、各工況下的燃燒穩(wěn)定試驗，同時對控制程序進行聯(lián)動試驗。試驗達到設計要求后，再安裝到熱風爐上。

2.10 天然氣燃燒器材料選擇

在燃燒器火孔處選擇耐熱不銹鋼：S31008(06Cr25Ni20)，爐外低溫部件選擇Q235B材料[4,5]。

3 熱風爐的設計方法

3.1 熱風爐結構

依據(jù)《Φ3.2×55m回轉煅燒窯燃燒系統(tǒng)設計條件》，熱風爐選為臥式圓筒爐型，將燃燒室與混合室合二為一，二次混合空氣來自窯下物轉筒冷卻器的熱空氣(90—100℃)，沿熱風爐前端錐段均勻進入，降低燃燒器出口端周向火焰的溫度，保護爐襯材料并減少煙氣中NOX的排放量。

3.2 熱風爐的容積

鈦白粉煅燒對熱風爐的煙氣溫度變化很敏感，控制十分嚴格。熱風爐要有蓄熱爐的作用，增大蓄熱量，便于煙氣溫度的調節(jié)與控制。

(1)根據(jù)燃燒器火焰的寬度以減少對耐火襯里材料的沖刷等因素，熱風爐內徑(襯里后)選為Φ2600mm。

(2)熱風爐還要兼作蓄熱爐的作用，其容積熱負荷按無煙煤的容積熱強度qv=350×103kcal/(m3·h)選取，經計算直筒長度為6200mm。

(3)熱風爐前端安裝燃燒器的接口尺寸為Φ840 mm(襯里后)。故前端錐段尺寸(襯里后)為錐角為：90°，Φ840/Φ2600mm。

(4)熱風爐出口錐段尺寸(襯里后)：Φ2600/Φ1850mm與回轉煅燒窯的窯頭罩對接。

3.3 熱風爐材料選擇

3.3.1 熱風爐筒體材料

筒體選Q235B材料。

3.3.2 內襯材料選擇

熱風爐前端安裝燃燒器錐體部分及二次風洞等部位現(xiàn)場澆注鋼纖維耐火混凝土。熱風爐中部殼體以及尾部錐體部分：總厚度δ=460mm，二層隔熱耐火磚+一層高強度耐火磚。

3.4 熱風爐的支承安裝

為了解決熱膨脹以及熱風爐回轉窯的內襯材料施工及檢修，將熱風爐及操作小平臺等整體支承在車輪支架上，車輪支架整體可在地面鋼軌上水平移動。

圖6 天然氣燃燒器及熱風爐裝配圖

4 結論

通過對回轉煅燒窯的天然氣燃燒器及熱風爐的原創(chuàng)開發(fā)設計，為滿足回轉煅燒窯各工況的要求，采用天然氣分段燃燒技術，掌握了該類型天然氣燃燒器及熱風爐的設計方法。積累了對天然氣燃燒器各部件結構以及氣流速度的選取經驗，了解和掌握了如何對天然氣與空氣的強旋轉射流混合，以及螺旋狀長葉片旋流器各參數(shù)的合理使用。該天然氣燃燒器及熱風爐結構簡單、精加工件少、制造安裝維修都方便，能滿足鈦白粉回轉煅燒窯生產的各種工況，是保證鈦白粉生產的產量和質量的核心關鍵設備。