李秀銳
（ 天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）
[摘要] 為了節約能源，降低企業煉鋼成本，依據石化企業的乙烯及煉油火炬的直燃式自動點火伴燒系統的原理結構，改造設計了可直接點燃放散的轉爐煤氣自動點火器。該自動點火裝置已成功投入運行，取消了以天然氣作為長明燈的伴燒氣源，取得了顯著的環境效益、安全效益和經濟效益。
[關鍵詞] 天然氣；轉爐煤氣；廢煤氣；自動點火；放散點火；長明燈
1 引言
天津鋼鐵集團有限公司有3 座120 t 轉爐，在冶煉過程中產生了大量煤氣，為了防止煤氣直接排入大氣造成環境污染及浪費能源，天津鋼鐵集團有限公司設計了轉爐煤氣回收系統。由于轉爐產生的煤氣不連續，還有一些不合格的煤氣及一些不符合回收要求和條件的煤氣要進行空中放散。為防止這部分放散的轉爐煤氣對大氣產生污染，對人體產生有毒侵害， 公司轉爐建設了一座60 m 高的煤氣放散塔，采取了天然氣伴燒，即“ 長明燈”去點燃放散的轉爐煤氣，消耗了大量的天然氣。經統計，放散煤氣用的“ 長明燈”月均消耗天然氣費用達100.75 萬元，年費用高達1 209 萬元，造成很大的浪費。若直接利用放散塔放散的轉爐煤氣作為燃料氣源的自動點火氣源，取消“ 長明燈”天然氣的使用，將大幅度地降低伴燒燃氣的成本，達到節約能源的目的。
2 三管轉爐煤氣放散塔改造前現狀
天津鋼鐵集團有限公司的3 管轉爐煤氣放散塔由3 個獨立的放散管（ 1#、2#、3#） 組成，每個放散管對應1 臺轉爐的煤氣放散使用，負責接受需要放散的煤氣并用天然氣作為引火氣源將這部分放散的煤氣點燃。為保證放散的廢煤氣可靠的被點燃，每個放散管安裝了3 個伴燒轉爐煤氣點火器，引火氣源天然氣設計為常燒伴火形式，即“ 長明燈”。
2.1 轉爐煤氣放散點火工況
轉爐煤氣設計壓力： 0～10 kPa；
轉爐煤氣設計溫度： 60~80 ℃；
轉爐煤氣設計相對濕度：100%；
轉爐煤氣中一氧化碳體積含量：≤80%；
放散點火裝置安裝高度：60 m；
引火介質：天然氣：5~10 kPa；
轉爐煤氣熱值：1 500 Cal/Nm3；
天然氣熱值9 000 Cal/Nm3
2.2 放散點火工藝原理
當轉爐開始冶煉，冶煉信號發送到煤氣點火裝置的自動化系統，系統發出點火指令，需要放散的點火煤氣管道的電動球閥被打開，點火裝置開始點火，伴燒火源“ 長明燈”天然氣開始燃燒，由火焰檢測裝置檢測是否點著， 并將檢測信號反饋給PLC系統。放散的轉爐煤氣被“ 長明燈”點燃。
煤氣分析儀進行煤氣的質量檢測，檢測信號將反饋給PLC 系統。當轉爐煤氣合格符合回收條件時，PLC 系統發出指令，水封逆止閥打開，三通閥回收煤氣側打開，并打開蒸汽吹掃閥15 s 后，系統開始回收煤氣。
3 無伴燒氣源自動點火器的設計研究
無伴燒氣源自動點火器是借鑒了石化企業的乙烯及煉油火炬的直燃式自動點火伴燒系統，將該系統進行了燃燒轉爐煤氣的轉換使用和研究。根據1＃、2＃、3# 轉爐煤氣放散條件， 利用放散管對應的三通閥控制， 三通閥的開關由DCS 其自身控制系統控制。控制的條件是：當CO 含量≥10%且放散三通閥處于放散位置時， 放散的轉爐煤氣點火燃燒，改造前放散的轉爐煤氣由天然氣“ 長明燈”伴燒點燃，改造后是取消天然氣伴燒直接點燃轉爐煤氣，而研究的重點是怎樣才能直接點燃熱值低的轉爐煤氣。由于沒燃燒的煤氣放散會對人身安全構成威脅，所以要求點火器要保證可靠點燃轉爐煤氣，還要經久耐用保證安全。
改造前的點火器是點燃熱值高的天然氣，且屬長明燈，使用頻率低，它是利用火花塞式的尖端放電方式產生火源，容易產生電蝕和遭受污染，使用壽命短，火源能量小，點火成功率低，適合點燃熱值高的天然氣， 很難點燃低于天然氣9 000 Cal/Nm3熱值6 倍的轉爐煤氣， 且連續點燃點火器易損壞，無法保證安全。研究采用的直燃式自動點器具有能長時間連續點火和壽命長經久耐用特點。
直燃式自動點器原理是利用高壓發生器產生的電弧點燃轉爐煤氣， 技術特點是將雅格布電梯發弧原理應用在了火炬點火系統的高空點火器中。另外，為解決高壓發生器產生反電勢損壞高壓發生器的問題， 系統在高壓發生器后增加了高壓調理器， 有效地消除了反電勢對高壓發生器的破壞作用，保證高壓電系統使用壽命。由于電發弧裝置屬于不消耗型，不受電蝕影響，大大提高了點火成功率。這是一種能夠直接利用放散煤氣作燃料，同時具備點火和伴燒兩種功能的直燃式高空點火伴燒器。高壓發生器產生的電弧可以連續長時間提供點燃轉爐煤氣的火源， 為安全點燃低熱值的轉爐煤氣創造了條件。另外，為能夠可靠地點燃低熱值的轉爐煤氣， 設計使用了轉爐煤氣催化反應裝置， 使放散的轉爐煤氣通過催化反應裝置后很容易被點燃，催化反應裝置設計使用壽命3 年。催化反應裝置的作用是轉爐煤氣經過后在催化劑作用下發生連鎖反應， 產生易燃燒的火種作為放散煤氣的伴燒火源。
綜上所述，采用直燃式高空自動點火器點燃放散轉爐煤氣的工作程序是：主控系統在收到廢煤氣的點火信號后，立即向自動點火器輸送220 V 交流電，由自動點火器產生的高壓電經過高壓電纜被送到高空煤氣放散出口處，產生面狀電弧，高壓發生器發生的電弧點燃已通過了催化反應裝置易燃燒的轉爐煤氣， 已燃燒的轉爐煤氣可視為伴燒氣源，點燃所有放散的轉爐煤氣。為節約電能，當火焰探測到轉爐煤氣已點燃時，停止供電發弧，此時放散的轉爐煤氣依然進行燃燒， 直到放散完轉爐煤氣，燃燒的煤氣自動熄滅。自動點火器系統圖見圖1。
主控制柜是煤氣放散系統的控制中心，負責轉爐從開始冶煉到放散煤氣、煤氣點火、回收煤氣、管道吹掃置換等煤氣放散全過程的信息數據采集和執行操作的智能化控制系統。主控制柜的面板上可以看到煤氣點火工作的全過程， 包括煤氣點火情況、點火事件記錄和點火溫度趨勢圖及各種參量的變化。操作方式設有自動、手動與半自動點火3 種操作模式。
4 安裝無伴燒氣源自動點火器的可行性研究
天鋼煤氣放散裝置取消天然氣伴燒氣源自動點火器改造前，點火裝置的設備設施、自動化控制系統完好，點火器使用靈敏，安全可靠。取消天然氣伴燒的改造主要內容是對打火器進行改造，安裝適合點燃低熱值轉爐煤氣的打火器。其他設備設施、自動化控制系統可以利舊。經無伴燒氣源自動點火器的設計研究，無伴燒氣源自動點火器是利用高壓電的發弧作為點火火源，能長時間連續點火和使用壽命長，適合轉爐煤氣的點火火源使用。無伴燒氣源自動點火器增加催化反應裝置后，為點燃低熱值的轉爐煤氣創造了條件。經對石化企業乙烯及煉油火炬的直燃式自動點火伴燒器在石化企業使用的考查，將無伴燒氣源自動點火器應用在天鋼轉爐煤氣放散塔上可行。
5 改造實施情況
5.1 自動高空點火器安裝
自動高空點火器自身長度約為1.3 m, 其上部約0.5 m 在放散管側上端, 用支腳焊接在放散管外側。高空點火器內配有催化反應桶，高壓電梯發弧裝置及石英絕緣子組件。
5.2 火焰探測裝置
每個放散管裝有3 套火焰探測裝置，熱端設計安裝在高空自動點火伴燒器內,冷端接到放散塔頂層平臺以下。火焰探測裝置由溫度探頭、探頭的保護裝置、溫度補償導線構成。要求火焰探測裝置能準確及時地提供火焰溫度變化信號，應具有很強環境適應功能和抗干擾功能。
5.3 高壓發生調理器安裝位置
每個高空點火伴燒器對應1 臺高壓發生調理器，9 臺高壓發生調理器分3 組分別安裝在放散塔約20 m 高的二層平臺上。
5.4 放散管防回火裝置
煤氣由放散轉入回收時，放散煙囪中存有殘留煤氣，如處在燃燒情況下，將會造成回火，為保證回收煤氣的安全，要將放散煤氣煙囪中的煤氣進行蒸汽吹掃置換，置換用的蒸汽稀釋后的混合氣體速度大于燃燒的廢煤氣的火焰傳播速度。煤氣放散和回收用的三通閥和用于蒸汽吹掃的電動球閥連鎖啟動，防止回火發生。
6 無伴燒氣源自動點火器安裝前后成本對比
無伴燒氣源自動點火器安裝前放散的煤氣點火需要天然氣伴燒，據統計每小時需要消耗天然氣約700 m3，年消耗天然氣費用700 m3×24 h×360 d×2 元=1 209 萬元。無伴燒氣源自動點火器安裝后減少了天然氣消耗費用年節約資金1 209 萬元，該項目改造費用180 萬元，2 個月收回投資。
7 結束語
通過上述分析，天鋼轉爐煤氣自動點火放散裝置經過改造，取消了使用天然氣作為長明燈的伴燒氣源，每年可取得經濟效益約為1 209 萬元。環境效益、安全效益、經濟效益顯著。2013 年，天鋼又成功將此技術應用在了天鋼2 座高爐三管和單管熱值更低的高爐煤氣自動放散點火，去掉了高爐煤氣放散伴燒氣源焦爐煤氣，每年減少使用焦爐煤氣費用約1 200 萬元。