二氧化碳减排与纯氧天然气回转炉

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二氧化碳减排与纯氧天然气回转炉

山东铁戈炉业有限公司  吕荣伏


  【摘要】首先讨论了铸铁熔化的二氧化碳减排问题,分析对比了天然气回转炉、天然气冲天炉在二氧化碳减排方面的优越性,提出了天然气化铁炉关系我国铸铁业可持续发展战略的观点,扼要介绍了山东铁戈炉业有限公司研制天然气回转炉的过程,并介绍了研制的首台3吨回转炉的熔化试验成果,对我国中小铸铁厂的熔化炉升级改造有参考价值。
  【关键词】二氧化碳减排  天然气回转炉  天然气冲天炉  可持续发展  铸铁熔化
  温室气体指大气中能吸收地面反射的太阳辐射、导致地球表面变暖的气体。“京都议定书”中规定控制的温室气体包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化合物(HFCs) 、全氟碳化合物(PFCs)、六氟化硫(SF6)等六种。在温室气体的总效应中,二氧化碳的作用约占一半,二氧化碳因此成了温室气体的代名词。温室气体减排,我国政府在行动。
  我国铸铁熔化炉在“十三五”期间,如何实现以二氧化碳为代表的温室气体减排?本文拟以此为话题展开讨论并向大家汇报我们在此方面所做的一些努力。
  1.二氧化碳减排与天然气化铁
  2015年全世界二氧化碳的排放总量为321亿吨[1]。按《BP世界能源统计年鉴2016》公布的2015年中国煤炭、石油、天然气的消费量[2]推算,我国2015年二氧化碳的排放量不低于100亿吨,达到甚至超过了全世界二氧化碳排放总量的30%、高居世界第一。中国政府高度重视包括二氧化碳在内的温室气体排放问题,2016年10月27日国务院发布了“‘十三五’控制温室气体排放工作方案”,规划了我国“十三五”期间低碳引领能源革命、打造低碳产业体系、推动城镇化低碳发展、加快区域低碳发展、建设和运行全国碳排放权交易市场,等十项低碳发展战略[3]
  目前不少人盲目地将温室气体减排的希望寄托于削减冲天炉、推广感应电炉。感应电炉真的能够减少铸铁熔化的二氧化碳排放吗?答案是否定的。国家发改委办公厅2015年4月公布的常见燃料二氧化碳的排放因子见表1[4]。按照标准煤、焦炭和天然气的热值,可以换算得到焦炭和天然气的二氧化碳排放因子(见表1)。

  表1 化石燃料和电力CO2 的排放因子


燃料

单位

排放因子

焦炭和天然气的折算排放因子

煤炭

吨CO2/吨标煤

2.64

2.79kgCO2/kg焦炭[注1]

石油

吨CO2/吨标煤

2.08

 

天然气

吨CO2/吨标煤

1.63

2.00kg CO2/m3天然气[注1]

全国电力平均

kgCO2/kWh

0.6590[注2]



  注1:按标煤热值29.3MJ/kg、天然气热值36MJ/m3、焦炭热值31.0MJ/kg计,通过热值折算所得。
  注2:青海电力排放因子最低(0.2323)、内蒙古最高(0.9292),全国30个省级电网电力的平均排放因子为0.6590。
  熔化每吨金属炉料,天然气冲天炉不含烘炉的天然气用量不到60m3/t,包含烘炉在内最多为65m3/t[5];天然气回转炉约为80m3/t。表2按照表1中有关燃料的二氧化碳排放因子,计算比较了感应电炉、燃焦冲天炉、天然气冲天炉、天然气回转炉等,熔化每吨金属炉料产生的二氧化碳量。天然气冲天炉产生的二氧化碳为燃焦冲天炉的37%、感应电炉的30%;天然气回转炉产生的二氧化碳为燃焦冲天炉的46%、感应电炉的37%。按照国家发改委2015年采用的有关计算方法,可以证明天然气回转炉和天然气冲天炉,具有非常突出的二氧化碳减排特性。

  表2 不同熔化炉熔化一吨铸铁排放的CO2


熔化方式

CO2排放因子

吨铁燃料用量

CO2排放量/(kg/t)

感应电炉

0.659kg/kWh电力

650kWh电力/t[注]

428.35

燃焦冲天炉

2.79kg/kg焦炭

125kg焦炭/t

348.75

天然气冲天炉

2.00kg/m3天然气

65m3天然气/t

130

天然气回转炉

2.00kg/m3天然气

80m3天然气/t

160


  注:目前节能型感应电炉吨铁电耗仅550kWh,非节能型高达750kWh、甚至更高。
  天然气回转炉和天然气冲天炉,除了二氧化碳排放量大大低于燃焦冲天炉外,悬浮颗粒物(SPM)、二氧化硫、氮氧化物(NO2)的排放量也大大低于燃焦冲天炉,优于感应电炉。基于天然气化铁炉在包括二氧化碳减排在内的环境友好性能,我们因此有理由认为,研究和推广天然气化铁炉,对于我国铸铁业的长期可持续发展具有战略意义。虽然可以期待二氧化碳的转化、封存技术能为燃焦冲天炉带来利好,核电的进一步发展可为感应电炉带来利好,但在可预期的“十三五”甚至“十四五”期间,天然气回转炉和天然气冲天炉是我国铸铁熔化二氧化碳减排的唯一现实选择。
  顺便说一说,国家发改委2017年1月25日发布了《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》,其中7.2.7条款(控制温室气体排放技术装备)原文为:“碳减排及碳转化利用技术装备、碳捕捉及碳封存技术及利用系统、非能源领域的温室气体排放控制技术装备[6]”。纯氧天然气回转炉、天然气冲天炉明显属于碳减排产品,且对我国铸造行业的可持续发展具有重要战略意义,符合入选国家战略性新兴产业重点产品目录的条件。建议国家发改委将天然气化铁技术列入国家战略性新兴产业重点产品目录。
  另外,国家发改委资源节约和环境保护司,2016年12月30日发布了《国家重点节能低碳技术推广目录》(2016年本,节能部分)[7]。我们建议国家发改委资源节约和环境保护司,尽快编制《国家重点节能低碳技术推广目录(低碳部分)》,并将天然气冲天炉、纯氧天然气回转炉编入该目录的低碳部分。
  2.天然气回转炉
  天然气回转炉即纯氧天然气回转化铁炉,该炉在工业发达国家已有约五十余年的应用历史,特别适合于我国众多的中小铸铁厂使用。据美国铸造协会《Modern Casting》统计,中国2015年包括灰铁、球铁、可锻铸铁在内的铸铁产量为3380万吨,占全世界铸铁总产量的46%;中国铸铁厂的数量为14000个,每个铸造厂的年平均铸件产量仅为1754吨[8]。我国属于发展中国家,幅员广阔、工业门类多且发展不平衡,绝大多数中小铸造厂作为劳动密集型企业,对于吸纳当地劳动力就业、维持社会稳定有重要作用。
  目前我国中小铸造厂多数已放弃燃焦冲天炉而改用电炉熔化,一定程度上导致了我国二氧化碳温室气体排放量的增加,同时导致了铸件生产成本的大幅度上升。2016年7~8月份期间,我公司曾对山东各地的中小铸造厂进行过一次调查,在目前山东的中小铸造厂里,已基本上看不到冲天炉了,各厂几乎全部用晚10点到早6点之间的“谷电”生产,谷电的计量电费虽仅在0.3元/kWh左右,但容量电费(座机费)导致每吨铁液的电费在430~460元之间。夜班生产也导致了铸件废品率增加,工伤事故增加,铸造厂老板苦不堪言。长期夜班生产导致广大铸造工人怨声不已,有些工人戏说自己:白天吃人饭,晚上干鬼活。
  按我们目前的试验结果,天然气回转炉的吨铁天然气消耗约为80m3/t、氧气消耗约为160m3/t,吨铁燃料费用约为400元,低于感应电炉50~100元。在中小铸铁厂推广和使用天然气回转炉,替代燃焦冲天炉和感应电炉,对我国中小铸铁厂的生存发展具有重要意义。
  我们注意到,早在1978年,湖南大学谢源甫先生即在“国内外铸造合金及其熔炼发展概况”一文中指出:“目前国外最盛行的非焦化铁炉是回转炉。美、苏等国不仅生产中必须采用,而且有专门的公司生产这种炉子销售,容量从0.5吨到70吨[9]”。我国已故著名冲天炉专家刘幼华先生,1985年在“国内外铸铁熔炼技术发展若干动态”一文中也曾指出:“回转式化铁炉,这是国外应用最广泛的一种非焦化铁炉。美、英等国有专门公司生产和销售这种炉子,在日本、澳大利亚、荷兰、苏联、瑞士和法国等都有工厂使用[10]”。
  3.回转炉的研制和试验
  山东铁戈炉业有限公司在党和国家二氧化碳减排旗帜的指引下,为满足我国广大中小铸造厂生存发展的迫切需要,2015年10月开始了与意大利某公司的多轮艰难谈判,于2016年3月以356万欧元引进了该公司的纯氧天然气回转化铁炉技术。2016年4月开始,在国内数个行业多位技术专家的热情帮助和支持下,开始了天然气回转炉的研制。2016年9月研制成功了国内首台3吨天然气回转炉,并在山东章丘泰隆机械有限公司进行了累计100余炉次的熔化试验,参照引进的国外标准,全面测试了该炉的熔化性能,累计浇注了约300吨机床床身和其他铸件(见图1)。
  图2为回转化铁炉的炉体部分,由烧嘴、炉体、转动机架与液压缸、固定机架、移动烟囱、加料平台、液压溜槽等几部分组成。该炉组成的熔化系统由液氧站、天然气站、气体调控单元、冷却水系统、炉体等几部分组成。图3为首台3吨回转炉在该公司的试验现场。天然气回转炉熔化铸铁的过程包括以下六个步骤:
  (1)炉衬预热:烧嘴点火,首先将炉衬预热到800~1000℃。
  (2)加料:炉衬预热后,炉体倾转、通过液压溜槽将炉料加入炉内,加料后炉体复平。
  (3)炉料预热:烧嘴再次点火,开始加热炉料,炉料预热期间炉体正向、反向间断性慢速转动。炉料在此期间逐步软化、初步熔化。
  (4)铁液过热:炉料初熔后不久,该炉即进入铁液过热阶段。铁液过热期间,烧嘴以最大功率加热,炉体单一方向快速回转。


  (5)铁液测试:当目视铁液温度达到出铁要求时,用热电偶或红外测温仪测量测量铁水温度、用三角试片或炉前热分析仪测量铁液成分。
  (6)出铁和浇注:如果铁液温度和成分符合要求,打开出铁口出铁并浇注铸件。
  通过百余炉次的熔化试验和测试,我公司参考国外技术标准制定了“回转化铁炉”标准,该标准2017年1月通过了山东省技术监督局的审定,成为我国第一部公开发布的回转炉技术标准,使我国该项技术的标准化和商品化迈上了一个新台阶。3吨天然气回转炉目前可以达到的主要经济技术指标如表3。
  表3 3吨天然气回转炉的技术参数


序号

项目

单位

数值

备注

1

炉体铁液容量

t

3

 

2

铁液出炉温度

1400~1450

最高达到过1510℃

3

吨铁天然气用量

m3/t

~80

灰口铸铁

4

吨铁氧气用量

m3/t

~160

 

5

铁烧损的质量分数

%

1~3

 

6

碳烧损的质量分数

%

20~30

 

7

硅烧损的质量分数

%

20~25

 

8

锰烧损的质量分数

%

25~30

 

9

除尘系统处理风量

Nm3/h

1800



  我们懂得,开发一个崭新的产品需要很长时间、耗费很多精力,我们目前所完成的工作虽有成效和意义,但仅仅是万里长征第一步,要做的工作还有很多。我们希望今后在中国铸造协会的指引下,凝聚全国所有一切积极力量、群策群力,为发展对我国铸铁业具有战略意义的天然气化铁技术,勇往直前、不懈奋斗!
  本文不当之处,希望专家学者们研究讨论并不吝赐教,深表谢忱!

参考文献
[1]中国电力报.国际能源署发布2015年碳排放数据 [DB/OL].http://www.cpnn.com.cn/jnhb/hyzx/201603/t20160322_876605.html
[2]BP世界能源统计年鉴2016[DB/OL].http://www.bp.com/zh_cn/china/reports-and-publications/bp_2016.html/2017.03.02
[3]国务院. 关于印发“十三五”控制温室气体排放工作方案的通知[EB/OL].
http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-11/04/content_5128619.htm.
[4]国家发改委办公厅.关于开展2014年度单位国内生产总值二氧化碳排放降低目标责任考核评估的通知[EB/OL].
   http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201504/t20150427_689355.html.
[5]张明,宝林,吉守勤,岳创业,梁润波,等. 10t/h长炉龄燃气冲天炉及其运行数据[J].铸造,2014,09:894-899.
[6]国家发改委.中华人民共和国国家发展和改革委员会公告(2017年第1号)[EB/OL]. 
http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbgg/201702/t20170204_837240.html.
[7]国家发改委.中华人民共和国国家发展和改革委员会公告(2016年第30号)[EB/OL]. http://hzs.ndrc.gov.cn/newzwxx/201701/t20170119_835582.html.
[8]AFS Modern Casting.50th Census of world Casting Production(J/OL).
http://content.yudu.com/web/y5b2/0A1snzj/ModCastingDec2016/flash/resources/27.htm.
[9]谢源甫.国内外铸造合金及其熔炼发展概况[J]. 湖南冶金,1978,(04):1-14.
[10]刘幼华.国内外铸铁熔炼技术发展若干动态[J].现代铸铁,1985,(02):14-17.