李秀銳
（ 天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）
[摘要] 為了節(jié)約能源，降低企業(yè)煉鋼成本，依據(jù)石化企業(yè)的乙烯及煉油火炬的直燃式自動(dòng)點(diǎn)火伴燒系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，改造設(shè)計(jì)了可直接點(diǎn)燃放散的轉(zhuǎn)爐煤氣自動(dòng)點(diǎn)火器。該自動(dòng)點(diǎn)火裝置已成功投入運(yùn)行，取消了以天然氣作為長(zhǎng)明燈的伴燒氣源，取得了顯著的環(huán)境效益、安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。
[關(guān)鍵詞] 天然氣；轉(zhuǎn)爐煤氣；廢煤氣；自動(dòng)點(diǎn)火；放散點(diǎn)火；長(zhǎng)明燈
1 引言
天津鋼鐵集團(tuán)有限公司有3 座120 t 轉(zhuǎn)爐，在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生了大量煤氣，為了防止煤氣直接排入大氣造成環(huán)境污染及浪費(fèi)能源，天津鋼鐵集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的煤氣不連續(xù)，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(jìn)行空中放散。為防止這部分放散的轉(zhuǎn)爐煤氣對(duì)大氣產(chǎn)生污染，對(duì)人體產(chǎn)生有毒侵害， 公司轉(zhuǎn)爐建設(shè)了一座60 m 高的煤氣放散塔，采取了天然氣伴燒，即“ 長(zhǎng)明燈”去點(diǎn)燃放散的轉(zhuǎn)爐煤氣，消耗了大量的天然氣。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，放散煤氣用的“ 長(zhǎng)明燈”月均消耗天然氣費(fèi)用達(dá)100.75 萬(wàn)元，年費(fèi)用高達(dá)1 209 萬(wàn)元，造成很大的浪費(fèi)。若直接利用放散塔放散的轉(zhuǎn)爐煤氣作為燃料氣源的自動(dòng)點(diǎn)火氣源，取消“ 長(zhǎng)明燈”天然氣的使用，將大幅度地降低伴燒燃?xì)獾某杀?，達(dá)到節(jié)約能源的目的。
2 三管轉(zhuǎn)爐煤氣放散塔改造前現(xiàn)狀
天津鋼鐵集團(tuán)有限公司的3 管轉(zhuǎn)爐煤氣放散塔由3 個(gè)獨(dú)立的放散管（ 1#、2#、3#） 組成，每個(gè)放散管對(duì)應(yīng)1 臺(tái)轉(zhuǎn)爐的煤氣放散使用，負(fù)責(zé)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(diǎn)燃。為保證放散的廢煤氣可靠的被點(diǎn)燃，每個(gè)放散管安裝了3 個(gè)伴燒轉(zhuǎn)爐煤氣點(diǎn)火器，引火氣源天然氣設(shè)計(jì)為常燒伴火形式，即“ 長(zhǎng)明燈”。
2.1 轉(zhuǎn)爐煤氣放散點(diǎn)火工況
轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)計(jì)壓力： 0～10 kPa；
轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)計(jì)溫度： 60~80 ℃；
轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)計(jì)相對(duì)濕度：100%；
轉(zhuǎn)爐煤氣中一氧化碳體積含量：≤80%；
放散點(diǎn)火裝置安裝高度：60 m；
引火介質(zhì)：天然氣：5~10 kPa；
轉(zhuǎn)爐煤氣熱值：1 500 Cal/Nm3；
天然氣熱值9 000 Cal/Nm3
2.2 放散點(diǎn)火工藝原理
當(dāng)轉(zhuǎn)爐開(kāi)始冶煉，冶煉信號(hào)發(fā)送到煤氣點(diǎn)火裝置的自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)出點(diǎn)火指令，需要放散的點(diǎn)火煤氣管道的電動(dòng)球閥被打開(kāi)，點(diǎn)火裝置開(kāi)始點(diǎn)火，伴燒火源“ 長(zhǎng)明燈”天然氣開(kāi)始燃燒，由火焰檢測(cè)裝置檢測(cè)是否點(diǎn)著， 并將檢測(cè)信號(hào)反饋給PLC系統(tǒng)。放散的轉(zhuǎn)爐煤氣被“ 長(zhǎng)明燈”點(diǎn)燃。
煤氣分析儀進(jìn)行煤氣的質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)將反饋給PLC 系統(tǒng)。當(dāng)轉(zhuǎn)爐煤氣合格符合回收條件時(shí)，PLC 系統(tǒng)發(fā)出指令，水封逆止閥打開(kāi)，三通閥回收煤氣側(cè)打開(kāi)，并打開(kāi)蒸汽吹掃閥15 s 后，系統(tǒng)開(kāi)始回收煤氣。
3 無(wú)伴燒氣源自動(dòng)點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)研究
無(wú)伴燒氣源自動(dòng)點(diǎn)火器是借鑒了石化企業(yè)的乙烯及煉油火炬的直燃式自動(dòng)點(diǎn)火伴燒系統(tǒng)，將該系統(tǒng)進(jìn)行了燃燒轉(zhuǎn)爐煤氣的轉(zhuǎn)換使用和研究。根據(jù)1＃、2＃、3# 轉(zhuǎn)爐煤氣放散條件， 利用放散管對(duì)應(yīng)的三通閥控制， 三通閥的開(kāi)關(guān)由DCS 其自身控制系統(tǒng)控制?？刂频臈l件是：當(dāng)CO 含量≥10%且放散三通閥處于放散位置時(shí)， 放散的轉(zhuǎn)爐煤氣點(diǎn)火燃燒，改造前放散的轉(zhuǎn)爐煤氣由天然氣“ 長(zhǎng)明燈”伴燒點(diǎn)燃，改造后是取消天然氣伴燒直接點(diǎn)燃轉(zhuǎn)爐煤氣，而研究的重點(diǎn)是怎樣才能直接點(diǎn)燃熱值低的轉(zhuǎn)爐煤氣。由于沒(méi)燃燒的煤氣放散會(huì)對(duì)人身安全構(gòu)成威脅，所以要求點(diǎn)火器要保證可靠點(diǎn)燃轉(zhuǎn)爐煤氣，還要經(jīng)久耐用保證安全。
改造前的點(diǎn)火器是點(diǎn)燃熱值高的天然氣，且屬長(zhǎng)明燈，使用頻率低，它是利用火花塞式的尖端放電方式產(chǎn)生火源，容易產(chǎn)生電蝕和遭受污染，使用壽命短，火源能量小，點(diǎn)火成功率低，適合點(diǎn)燃熱值高的天然氣， 很難點(diǎn)燃低于天然氣9 000 Cal/Nm3熱值6 倍的轉(zhuǎn)爐煤氣， 且連續(xù)點(diǎn)燃點(diǎn)火器易損壞，無(wú)法保證安全。研究采用的直燃式自動(dòng)點(diǎn)器具有能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)火和壽命長(zhǎng)經(jīng)久耐用特點(diǎn)。
直燃式自動(dòng)點(diǎn)器原理是利用高壓發(fā)生器產(chǎn)生的電弧點(diǎn)燃轉(zhuǎn)爐煤氣， 技術(shù)特點(diǎn)是將雅格布電梯發(fā)弧原理應(yīng)用在了火炬點(diǎn)火系統(tǒng)的高空點(diǎn)火器中。另外，為解決高壓發(fā)生器產(chǎn)生反電勢(shì)損壞高壓發(fā)生器的問(wèn)題， 系統(tǒng)在高壓發(fā)生器后增加了高壓調(diào)理器， 有效地消除了反電勢(shì)對(duì)高壓發(fā)生器的破壞作用，保證高壓電系統(tǒng)使用壽命。由于電發(fā)弧裝置屬于不消耗型，不受電蝕影響，大大提高了點(diǎn)火成功率。這是一種能夠直接利用放散煤氣作燃料，同時(shí)具備點(diǎn)火和伴燒兩種功能的直燃式高空點(diǎn)火伴燒器。高壓發(fā)生器產(chǎn)生的電弧可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間提供點(diǎn)燃轉(zhuǎn)爐煤氣的火源， 為安全點(diǎn)燃低熱值的轉(zhuǎn)爐煤氣創(chuàng)造了條件。另外，為能夠可靠地點(diǎn)燃低熱值的轉(zhuǎn)爐煤氣， 設(shè)計(jì)使用了轉(zhuǎn)爐煤氣催化反應(yīng)裝置， 使放散的轉(zhuǎn)爐煤氣通過(guò)催化反應(yīng)裝置后很容易被點(diǎn)燃，催化反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)使用壽命3 年。催化反應(yīng)裝置的作用是轉(zhuǎn)爐煤氣經(jīng)過(guò)后在催化劑作用下發(fā)生連鎖反應(yīng)， 產(chǎn)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(dòng)點(diǎn)火器點(diǎn)燃放散轉(zhuǎn)爐煤氣的工作程序是：主控系統(tǒng)在收到廢煤氣的點(diǎn)火信號(hào)后，立即向自動(dòng)點(diǎn)火器輸送220 V 交流電，由自動(dòng)點(diǎn)火器產(chǎn)生的高壓電經(jīng)過(guò)高壓電纜被送到高空煤氣放散出口處，產(chǎn)生面狀電弧，高壓發(fā)生器發(fā)生的電弧點(diǎn)燃已通過(guò)了催化反應(yīng)裝置易燃燒的轉(zhuǎn)爐煤氣， 已燃燒的轉(zhuǎn)爐煤氣可視為伴燒氣源，點(diǎn)燃所有放散的轉(zhuǎn)爐煤氣。為節(jié)約電能，當(dāng)火焰探測(cè)到轉(zhuǎn)爐煤氣已點(diǎn)燃時(shí)，停止供電發(fā)弧，此時(shí)放散的轉(zhuǎn)爐煤氣依然進(jìn)行燃燒， 直到放散完轉(zhuǎn)爐煤氣，燃燒的煤氣自動(dòng)熄滅。自動(dòng)點(diǎn)火器系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。
主控制柜是煤氣放散系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)爐從開(kāi)始冶煉到放散煤氣、煤氣點(diǎn)火、回收煤氣、管道吹掃置換等煤氣放散全過(guò)程的信息數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行操作的智能化控制系統(tǒng)。主控制柜的面板上可以看到煤氣點(diǎn)火工作的全過(guò)程， 包括煤氣點(diǎn)火情況、點(diǎn)火事件記錄和點(diǎn)火溫度趨勢(shì)圖及各種參量的變化。操作方式設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)與半自動(dòng)點(diǎn)火3 種操作模式。
4 安裝無(wú)伴燒氣源自動(dòng)點(diǎn)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(dòng)點(diǎn)火器改造前，點(diǎn)火裝置的設(shè)備設(shè)施、自動(dòng)化控制系統(tǒng)完好，點(diǎn)火器使用靈敏，安全可靠。取消天然氣伴燒的改造主要內(nèi)容是對(duì)打火器進(jìn)行改造，安裝適合點(diǎn)燃低熱值轉(zhuǎn)爐煤氣的打火器。其他設(shè)備設(shè)施、自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以利舊。經(jīng)無(wú)伴燒氣源自動(dòng)點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)研究，無(wú)伴燒氣源自動(dòng)點(diǎn)火器是利用高壓電的發(fā)弧作為點(diǎn)火火源，能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)火和使用壽命長(zhǎng)，適合轉(zhuǎn)爐煤氣的點(diǎn)火火源使用。無(wú)伴燒氣源自動(dòng)點(diǎn)火器增加催化反應(yīng)裝置后，為點(diǎn)燃低熱值的轉(zhuǎn)爐煤氣創(chuàng)造了條件。經(jīng)對(duì)石化企業(yè)乙烯及煉油火炬的直燃式自動(dòng)點(diǎn)火伴燒器在石化企業(yè)使用的考查，將無(wú)伴燒氣源自動(dòng)點(diǎn)火器應(yīng)用在天鋼轉(zhuǎn)爐煤氣放散塔上可行。
5 改造實(shí)施情況
5.1 自動(dòng)高空點(diǎn)火器安裝
自動(dòng)高空點(diǎn)火器自身長(zhǎng)度約為1.3 m, 其上部約0.5 m 在放散管側(cè)上端, 用支腳焊接在放散管外側(cè)。高空點(diǎn)火器內(nèi)配有催化反應(yīng)桶，高壓電梯發(fā)弧裝置及石英絕緣子組件。
5.2 火焰探測(cè)裝置
每個(gè)放散管裝有3 套火焰探測(cè)裝置，熱端設(shè)計(jì)安裝在高空自動(dòng)點(diǎn)火伴燒器內(nèi),冷端接到放散塔頂層平臺(tái)以下。火焰探測(cè)裝置由溫度探頭、探頭的保護(hù)裝置、溫度補(bǔ)償導(dǎo)線構(gòu)成。要求火焰探測(cè)裝置能準(zhǔn)確及時(shí)地提供火焰溫度變化信號(hào)，應(yīng)具有很強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)功能和抗干擾功能。
5.3 高壓發(fā)生調(diào)理器安裝位置
每個(gè)高空點(diǎn)火伴燒器對(duì)應(yīng)1 臺(tái)高壓發(fā)生調(diào)理器，9 臺(tái)高壓發(fā)生調(diào)理器分3 組分別安裝在放散塔約20 m 高的二層平臺(tái)上。
5.4 放散管防回火裝置
煤氣由放散轉(zhuǎn)入回收時(shí)，放散煙囪中存有殘留煤氣，如處在燃燒情況下，將會(huì)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(jìn)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?zhèn)鞑ニ俣?。煤氣放散和回收用的三通閥和用于蒸汽吹掃的電動(dòng)球閥連鎖啟動(dòng)，防止回火發(fā)生。
6 無(wú)伴燒氣源自動(dòng)點(diǎn)火器安裝前后成本對(duì)比
無(wú)伴燒氣源自動(dòng)點(diǎn)火器安裝前放散的煤氣點(diǎn)火需要天然氣伴燒，據(jù)統(tǒng)計(jì)每小時(shí)需要消耗天然氣約700 m3，年消耗天然氣費(fèi)用700 m3×24 h×360 d×2 元=1 209 萬(wàn)元。無(wú)伴燒氣源自動(dòng)點(diǎn)火器安裝后減少了天然氣消耗費(fèi)用年節(jié)約資金1 209 萬(wàn)元，該項(xiàng)目改造費(fèi)用180 萬(wàn)元，2 個(gè)月收回投資。
7 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)上述分析，天鋼轉(zhuǎn)爐煤氣自動(dòng)點(diǎn)火放散裝置經(jīng)過(guò)改造，取消了使用天然氣作為長(zhǎng)明燈的伴燒氣源，每年可取得經(jīng)濟(jì)效益約為1 209 萬(wàn)元。環(huán)境效益、安全效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著。2013 年，天鋼又成功將此技術(shù)應(yīng)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(dòng)放散點(diǎn)火，去掉了高爐煤氣放散伴燒氣源焦?fàn)t煤氣，每年減少使用焦?fàn)t煤氣費(fèi)用約1 200 萬(wàn)元。