浅谈还原铁隧道窑相关技术及其应用

 陈正东,陈泽林
黄冈市中基窑炉有限公司

1 还原铁隧道窑独特的热工过程

        还原铁隧道窑独特的热工过程，其独特性在于还原铁隧道窑的生产是加热冷却过程和还原反应过程的高度统一。
陶瓷、砖瓦、耐火材料隧道窑只有单一的供热源，而还原铁隧道窑的供热源除了燃料燃烧供热外，还有还原剂氧化燃烧产生的热量。窑车上碳化硅罐内装有矿粉原料和固体碳还原剂，还原剂一般为煤粉或焦末，固体碳实际装入量要高于还原理论需要量。在高温时罐外O2或者CO2渗入还原剂层，将碳气化为CO，同时向矿粉原料层及罐外扩散。扩散到矿粉原料层的CO进行还原反应，扩散到罐外的CO立即被燃烧掉。理论计算表明，还原100㎏品位为72%的矿粉原料需要10.5㎏纯碳。但是，为了产生足够的CO和保护还原后的铁，还原剂实际装入量是还原理论需要量的2~5倍。还原完成后，还原剂大概消耗了装入量的40~50%，大部分的还原剂还是被燃烧掉了。

        还原铁的反应是一个吸热过程，参与反应的C释放出的能量外加吸收的热量，全部转化为Fe的化学能，在进行还原铁隧道窑热工分析时，必须考虑这些能量的转化。

2 还原铁隧道窑的物料平衡和热平衡的计算

        还原铁隧道窑的技术参数确立，是建立在熟知物料的生产工艺基础之上。如铁磷/矿粉原料的品位、还原剂的各项指标以及原料的试验结果等，生产工艺对隧道窑窑炉工艺起着决定性的作用，对隧道窑的功能划分也有很大的借鉴作用。

        还原铁隧道窑的物料平衡是对氧化铁还原前后的理性分析。还原前的矿粉原料含量、杂质含量，还原后精矿失重，海绵铁的总铁、杂质、氧含量等要素必须作出准确的分析判断。

 

        还原铁隧道窑的热平衡计算包括热供给和热支出。热供给有燃料燃烧热和还原剂燃烧热；热支出有烟气余热、物料蓄热、炉墙散热、还原铁化学能、漏损热。其方程式是：燃料燃烧热+还原剂燃烧热=烟气余热+物料蓄热+炉墙散热+还原铁化学能+漏损热。通过计算可找出各项热量所占比例，从而找到节能的关键所在。

3 还原铁隧道窑的功能区划分

        还原铁隧道窑遵循先有物料平衡、热平衡，后有隧道窑功能区划分的原则，对隧道窑的布局作了统一规划。还原铁隧道窑按功能区划分共设三大段，即预热段、还原段、冷却段。物料平衡和热平衡与还原铁隧道窑的各段分布都有着千丝万缕的联系。

        预热段设有排烟孔及气幕。在预热段设置气幕，降低窑头温度保护窑门，防止窑内烟气从窑头溢出。焙烧还原段主要设置有烧嘴，小流量，多点布置，这样火焰产生的气流在窑内形成上下对流，使得窑内上下温度趋于一致。由于窑内烧嘴设置较多且靠窑头较近，使得预热带上下温度趋于一致，为缩短还原周期快速还原提供了有力保证。

        ——预热段的主要作用是：利用保温还原段的热烟气对炉料进行加热，使其完成炉料中水分的蒸发和水化物的分解，促使还原剂中挥发份的逸出和脱硫剂碳酸钙（即石灰石）的分解，同时产生的废烟气由若干对支烟道汇总后经排烟风机排出厂房外进行物料干燥等。

        ——保温还原段的主要作用是：随着炉料被逐步加热到高温，铁的氧化物被CO逐步置换，直至金属铁全部被还原，需要较稳定的温度曲线和还原时间。该段设计若干对烧嘴布置在窑的两侧，通过调节燃气和空气的比例达到最佳燃烧状态和较理想的温度曲线，使产品在较长的高火保温区得到充分的还原效果。

        ——冷却段充分利用空气换热器、水箱和冷却风机对产品进行间接和直接冷却，换热器抽出的热空气用于助燃，减少燃料的消耗，降低生产成本。

 

 

4 还原铁隧道窑的窑型选择

        根据原料的性能及投资规模大小，选择合适的隧道窑。如果投资额较低，则可选择顶部为拱顶、侧墙为砖混结构的隧道窑。如果投资不是很低，则选择平吊顶结构、侧墙为框架结构的隧道窑。总之，对隧道窑的窑型选择，应着重考虑原料产量大小、投资总额、产品结构、市场销售、综合管理水平、技术发展等要素进行判断。

       还原铁隧道窑一般分重质窑和轻体窑。重质窑以砖混结构为主，从里至外分四层结构，分别是重质耐火砖、轻质保温砖、耐火纤维棉和红砖。墙体较宽，一般有0.8米厚左右，使用寿命较长。轻体窑分全棉结构和莫来石结构两种，全棉结构的隧道窑以复合棉块作内墙，墙体较薄，厚度400mm左右，外表用3mmA3钢板作内衬，复合棉块用锚固件固定在钢板上。全窑外框为方管钢结构，分成若干个单元，用彩钢板作为装饰，镶嵌在钢结构之上，外观新颖漂亮。优点是升降温快捷，省去了烘窑等环节。莫来石轻体结构的隧道窑以莫来石作内墙，由于莫来石保温效果好，墙体也很薄、厚度500mm左右，外结构与棉体隧道窑相同。

        重质窑的窑顶一般为拱顶结构，60℃标准中心角，结构稳定。而轻体窑一般采用平吊顶结构，用耐热不锈钢（或堇青石）吊钩将顶砖吊起，悬挂在窑顶钢结构之上。无论是拱顶结构还是平吊顶结构，都能保证还原铁隧道窑制品的安全运行，对隧道窑窑内温度、压力、气氛制度的控制有利，能够满足还原工艺要求。

5 还原铁隧道窑的热源选择

 

        由于煤烧还原铁隧道窑对环境的污染很大，国家已经明令禁止。还原铁隧道窑一般采用比较纯净的气体作为燃烧热源，如天然气、煤层气、焦炉煤气、高炉煤气、混合煤气、冷热发生炉煤气等，由于热值不同，隧道窑耗气量也不一样，燃烧系统的配置也不尽相同。

        常用的天然气属高压燃气，安全性必须放在首位。天然气管道必须经三倍以上的压力试验，确保无泄漏。在天然气管道末端，还设置有放散装置和防爆装置，确保用气安全。天然气还应设置旁路系统，高压天然气经减压稳压后才能满足还原铁隧道窑的使用要求。

6 还原铁隧道窑的专有技术与创新

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