纯氧天然气回转炉的环保性与经济性(新版)

纯氧天然气回转炉的环境友好性与经济性

山东铁戈炉业有限公司  吕荣伏

威海科兴铸造机械有限公司  张明

摘要：对比分析了当前几种铸铁熔化炉在二氧化碳排放、炉渣排放、废气处理量、熔化成本等方面的数据，说明了纯氧天然气回转炉的环境友好能优于燃焦冲天炉和感应电炉，并且按当前燃料和其它有关物料市场价格，纯氧天然气回转炉的熔化成本最低，本文对当前铸铁熔化设备的选择分析有一定参考意义。

关键词：铸造  纯氧天然气回转化铁炉  铸铁熔化  环境友好性  熔化成本

纯氧天然气回转化铁炉的环境友好性能明显优于燃焦冲天炉和感应电炉，按当前能源市场价格计，其熔化成本低于燃焦冲天炉和感应电炉，本文通过具体的统计数据对这几种熔化炉作了分析，供参考。

1.铸铁熔化的二氧化碳排放

1997年召开的联合国气候大会通过的《京都议定书》中控制的温室气体为：二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等六种。在总的温室效应中二氧化碳的作用约占一半，因此二氧化碳的排放量成为世界各国关注的焦点。据“BP世界能源统计年鉴2019”^[]，2019年我国二氧化碳的排放量为982580万吨，占全世界排放总量的28.8%。我国目前二氧化碳的年排放量及其增长率居全世界第一，中国政府承受着减少二氧化碳排放的巨大国际压力。

燃料燃烧生成二氧化碳的量与燃料的化学成分有关。常见的烃类燃料利用其中氢、碳两种元素的燃烧生成水、二氧化碳产生热量。氢和碳元素是烃类燃料中的两个极端，氢燃烧生成水而不生成二氧化碳，碳完全燃烧生成二氧化碳而不生成水。含碳量低的烃类燃料，燃烧后生成的二氧化碳量少，近些年开始被称为低碳燃料。表1列出了碳元素和常见的几种烃类燃料的含碳量、单位燃烧热所对应的二氧化碳量、以及二氧化碳与燃料的质量比。由表1可知，甲烷是碳含量最低的烃类燃料，单位燃烧热对应的二氧化碳排放量最低，仅为碳的44.2%（即49.42/111.8）。甲烷即天然气中的最主要成分，逐步提高我国工业燃料中天然气的消费比例，可降低二氧化碳的排放量，减缓世界气候变化的速度。

表1  碳和常见烃类燃料的碳含量及其燃烧生成的二氧化碳量

为了延缓全球气候变暖、减少二氧化碳的排放量，国家一直重视天然气类低碳能源的推广。2012年10月，国家发改委、能源局发布了《天然气发展“十二五”规划》，我国天然气的消费量计划在2015年达到2300亿立方米^[]。2013年1月发布的《能源发展“十二五”规划》中，规划2015年我国天然气在一次能源消费中的比重将提高到7.5%、煤炭的比重将控制在65%以内^[]。2016年12月发布的《能源发展“十三五”规划》^[]中，规划2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2015年下降18%,天然气消费比重力争达到10%,煤炭消费控制在58%以下；虽然我国天然气的消费量近十几年来一直呈现快速增长趋势，2019年消费量达3073亿立方米，但在一次能源消费中的占比仅为5.9%，大大低于世界平均值；另外，“十三五”规划要求通过合理布局天然气销售网络和服务设施，以民用、发电、交通和工业等领域为着力点，实施天然气消费的提升行动。按国家推广低碳能源的一系列规划和部署，我国铸铁熔化应该积极推广天然气化铁技术。

按铸造协会的统计，我国2019年铸铁件的产量为3495万吨（其中灰铁2040万吨、球铁1395万吨、可锻铸铁60万吨）。考虑到铸件总出品率因素，出目前我国铁液的年熔化量不小于4200万吨。表2分析了几种不同的铸铁熔化炉熔化4200万吨铁液，每年所产生的二氧化碳量，其中感应电炉实际排放的二氧化碳最多。积极推广纯氧天然气回转炉和天然气冲天炉，有利于大幅度减少我国铸铁业的二氧化碳排放量。数据分析表明，用感应电炉熔化铸铁，大幅度增加了我国二氧化碳的排放量。

表2  不同熔化炉生产4200万吨铁液的二氧化碳排放量

注：当前火力发电，每330克发1kWh电，330克煤燃烧即生成1.21kg的二氧化碳；由于我国当前火力发电量约占发电总量的73%（见表3），因此可以折合计算出每度电产生0.883kg二氧化碳。

表3  2015年我国电力生产状况 ^[]

通过以上数据可知。目前我国普遍用电炉替代燃焦冲天炉，将铸铁业二氧化碳的排放转嫁给了电力行业，不仅不能减少二氧化碳的总排放量,而且增加了有关污染物的排放量。我国铸铁熔化的二氧化碳减排，希望在于天然气冲天炉和纯氧天然气回转炉。即大型流水线生产铸铁厂应该积极推广天然气冲天炉和电炉双联熔化，小型铸铁厂应该积极推广纯氧天然气回转化铁炉，以实现有效减少铸铁熔炼二氧化碳减排的目的。

表4为常见的几种铸铁熔化炉熔化一吨铁液的燃料和其它物料的消耗量。

表4  几种熔化炉熔化1吨铸铁的燃料和其它消耗统计值

2.纯氧天然气回转炉的环保性

纯氧天然气回转化铁炉除了可以明显减少二氧化碳排放外，还具有其它环保方面的优越性。表5为几种熔化炉熔化1吨金属炉料所排放的废气、废渣等污染物的量。可以看出，纯氧天然气回转化铁炉产生的粉尘量小、炉渣量少、几乎不排放二氧化硫和氧化氮，尾气的储量也最小，在环境友好性方面存在明显的优势。

表5 几种熔化炉熔化1吨铸铁所排放的废弃物量

注1：普通冲天炉的尾气处理量按送风量的5倍计；

注2：尾气中的氧气残留的体积浓度按7%计；

注3：按《铸造防尘技术规程 GB8959-2007》推荐值计。

纯氧天然气回转炉在污染治理设备的投资和运行费用方面，也具有明显的经济性。纯氧天然气回转炉的尾气处理量最少，因此除尘设备的运转费最低。如果使用的金属炉料比较洁净，在不使用除尘设备的情况下，尾气中粉尘的浓度在10mg/m³左右，接近于城市大气中的粉尘浓度；如果炉料洁净程度差，尾气在进入除尘设备前，其中粉尘的浓度在200mg/m³以下，有利于减少除尘设备的投资和运行费用。另外，纯氧回转化铁炉的尾气中，基本不含二氧化硫和氧化氮，不需要配置尾气脱硫、脱硝设备。

3.纯氧天然气回转炉的经济性

表6中对比了纯氧天然气回转化铁炉和其它熔化炉的熔化成本。由于天然气和焦炭价格的变化，燃焦冲天炉已经不是目前熔化成本最低的熔化方式，感应电炉也已经不是成本最高的熔化方式。由于天然气市场价格的连续走低，纯氧天然气回转化铁炉在降低铸铁熔化成本方面已经有了明显的优势，外热风水冷炉的熔化成本目前最高。

表6  当前几种熔化炉熔化1吨铸铁的燃料与其它费用

纯氧天然气回转化铁炉除了上述成本优势外，还有其他方面的经济优势。例如，不需要储存焦炭的库房，球铁铸造厂免去了铁液脱硫涉及的费用，等等。

纯氧天然气回转化铁炉在目前能源价格下的熔化成本最低，值得大家关注。在铸铁厂、特别是小型铸铁厂推广这种新型低碳熔化炉，对于保护环境、提高工厂效益有重要意义。