加快我国研究推广天然气化铁技术步伐的建议

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加快我国研究推广天然气化铁技术步伐的建议

山东铁戈炉业有限公司  吕荣伏

【摘要】介绍了天然气化铁技术及其国内的发展现状,指出了感应电炉化铁涉及的二氧化碳增排问题,提出了天然气化铁关系我国铸铁业可持续发展的观点,针对加快我国天然气化铁的技术的研究推广步伐,提出了包括成立全国技术推进小组、列入国家战略性新兴产业重点产品目录、国家提供资金和技术支持等一系列建议。

【关键词】二氧化碳减排  天然气化铁 感应电炉 铸铁熔化

2016年9月3日全国人大批准我国加入《巴黎协定》,各地环保部门从此以前所未有的姿态加大了各工业部门控制温室气体排放的力度,我国铸造业面临巨大的二氧化碳减排压力。加快我国研究和推广天然气化铁技术的步伐,关系国家二氧化碳减排战略、关系我国铸铁业的发展战略、关系到全国万余个铸铁厂的存亡、关系全国百万铸造一线劳动者的生计,重要而紧迫。

1.天然气及其天然气化铁技术简介

天然气属于碳氢类燃料中含碳量最低的化石类能源。据国家发改委经济运行调节局公告,2015年我国天然气消费量为1932亿立方米,距离“十二五”规划中2015年达到2300亿立方米的消费目标尚有368亿立方米之差[]。国家发改委、国家能源局2016年12月26日发布的《能源发展“十三五”规划》中,指出了我国当前天然气的供应、消费形势并给出了政策导向:“天然气消费市场亟需开拓。天然气消费水平明显偏低与供应能力阶段性富余问题并存,需要尽快拓展新的消费市场[]。也就是说,在“十三五”以至于今后更长时间内,以全局观念看,我国不存在天然气量的供应不足问题,我国具备在更大的工业领域使用天然气能源的物质条件。

天然气化铁是以天然气为能源熔化铸铁的一种技术,包括天然气冲天炉、纯氧天然气回转炉两项技术。在工业发达国家,天然气冲天炉已有一百多年的应用历史,纯氧天然气回转炉有约五十年的应用历史,两项技术均属于高度成熟的工业实用技术。天然气冲天炉属于铸铁的连续性熔化设备,一般需要与保温电炉组成双联熔化系统,适合于大批大量流水线生产的铸造厂。纯氧天然气回转炉属于间歇性熔化设备,炉温和铁液温度可以达到很高的程度,不需要与电炉双联,特别适合于我国广大的中小铸造厂使用。这两种天然气化铁设备相互配合,可以满足我国各类铸造厂的需要。该类设备熔化每吨铸铁的能源消耗见表1。

1 天然气化铁设备的吨铁能源消耗

熔化炉类型

吨铁天然气量

吨铁氧气量

吨铁用电量

备注

天然气冲天炉

65m3/t

15m3/t

55kWh/t

含双联保温电炉用电

纯氧天然气回转炉

50m3/t

120m3/t

0.8kWh/t

指有余热回收的回转炉

在我国铸造业研究推广天然气化铁技术,有利于大幅度减少铸造行业二氧化碳温室气体的排放量,大幅度减少二氧化硫和氮氧化物的排放、减少雾霾天气,保护大气环境。

2008年以来,我国个别铸造厂从国外曾引进过这两种设备,取得了保护环境的积极效果。另外,自2008年以来,我国包括山东铁戈炉业有限公司、威海科兴铸造机械有限公司、山西矿大干燥设备有限公司、河北鸡泽虹光铸造有限等在内、先后有十多个单位和个人,在引进和学习国外先进技术的基础上,研究开发过天然气冲天炉、纯氧天然气回转炉,取得了一定技术成果和经验,为我国推广天然气化铁技术奠定了一定的技术基础。

2.感应电炉导致的二氧化碳增排

2015年全世界二氧化碳的排放总量为321亿吨[]。按《BP世界能源统计年鉴2016》公布的2015年中国煤炭、石油、天然气等一次能源的消费量[]推算,我国2015年二氧化碳的排放量在100亿吨左右,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。我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(国发〔2016〕61号)”,部署了我国“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[]

2005年《京都议定书》生效至今,我国新建和已有铸造厂普遍不再采用燃焦冲天炉、而改用感应电炉化铁。感应电炉能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月公布了常见燃料二氧化碳的排放因子[],按此算法可以推算出感应电炉是铸铁熔化二氧化碳排放量最大的熔化炉,其二氧化碳的排放量是燃焦冲天炉的1.23倍、天然气冲天炉和电炉双联熔化的2.58倍、天然气回转炉的4.28倍。天然气冲天炉与电炉双联产生的二氧化碳为燃焦冲天炉的48%、感应电炉的39%;纯氧天然气回转炉产生的二氧化碳为燃焦冲天炉的29%、感应电炉的23%(推算过程见拙作“二氧化碳减排与纯氧天然气回转炉”一文)。

纯氧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感应电炉、燃焦冲天炉外,悬浮颗粒物(SPM)、二氧化硫、氮氧化物(NOX)的排放量也大大低于感应电炉、燃焦冲天炉。

2005年至今我国不断发展着的感应电炉化铁技术,导致了我国铸铁业的二氧化碳增排。因此可以说,我国当前铸铁熔化技术的实际发展方向,背离了国家二氧化碳减排的战略部署。

虽然我们可以期待未来的二氧化碳转化、封存技术,有利于燃焦冲天炉在我国的发展;核电装机容量的持续增加,有利于感应电炉的发展,但在可预期的“十三五”甚至“十四五”期间,纯氧天然气回转炉和天然气冲天炉仍然是我国铸铁熔化二氧化碳减排的唯一现实选择。在我国发展天然气化铁技术,关系到国家二氧化碳减排的战略部署。

3.我国铸铁业的生存与可持续发展

据美国铸造协会《Modern Casting》的统计,中国2015年包括灰铁、球铁、可锻铸铁在内的铸铁件产量为3380万吨,占全世界铸铁总产量的46%;全国铸铁厂的数量为14000个,各类铸造厂的总量为26000个,每个铸造厂的年平均铸件产量仅为1754吨[]

中国铸造协会2016年3月发布的《铸造行业“十三五”发展规划》中,列举对比了2014年世界主要铸件生产国企业平均年产量(表2)[],在世界十个主要铸件生产国中,我国铸造厂的产业集中度最低。我国现有铸铁厂多而分散、产能过剩、装备水平低,中小铸造厂在能源利用、环境保护等方面普遍存在不尽人意处的现状,亟需改变。对我国现有的铸铁厂进行技术升级和资源整合,对我国铸铁业的健康发展有重要意义。

2  2014年世界主要铸件生产国企业平均年产量

国家

中国

美国

俄罗斯

印度

德国

日本

巴西

意大利

法国

韩国

企业平均年产量/t

1777

5294

3500

2227

8818

2656

2043

1863

4098

2872

按照全国铸造学会2015年10月编制完成的《铸造行业“十三五”技术发展规划纲要》,到2020年,我国铸铁厂的数量为1万个左右,每个工厂的平均产量为3500t/年;到2025年,我国铸铁厂的数量为6千个左右,每个工厂的平均产量为6000t/年[]。在该规划基础上,如果进一步假设“十三五”末我国规模最大铸铁厂的年产量为25万吨,1万个铸造厂的年产量符合正态分布规律,用概率论可预测2020年我国年产量不大于2000吨小型铸铁厂的数量为4920个(推算过程略)。从数量上看,当时我国小型铸铁厂差不多占了半壁江山。

我国幅员广阔、工业门类多且发展不平衡,存在一定量的中小铸造厂有某种经济和技术的合理性。同时应该考虑,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、维持社会稳定有着不可替代的重要作用。在我国广大的中小铸铁厂推广先进的天然气化铁技术,可以解决这些企业的二氧化碳减排和其他环保问题,有利于中小铸造厂的健康发展。

山东省的能源消费量目前居全国首位,也是全国铸造大省。2016年7~8月份期间,我们曾对山东肥城、泰安、莱芜、临沂、潍坊、淄博等地铸造企业的现状进行过一次调查。这些地方的中小铸造厂已基本全部放弃了燃焦冲天炉而改用了感应电炉,调查期间我们只发现淄博一个小型铸造厂还在用燃焦冲天炉生产,其余各厂几乎全部用晚10点到早6点之间的“谷电”生产。各地谷电的计量电费虽仅为0.3元/kWh左右,但容量电费(俗称座机费)导致每吨铁液的电费在430~460元之间,铸件的生产成本有了很大幅度的增加。同时,夜班生产导致铸件废品率增加、工伤事故增加。2016年1月到2017年3月间,由于污染通道城市的原因,山东省东至淄博市、西至平阴县的广大地区,大小所有铸造厂一概停产避峰,使用感应电炉熔化的铸造厂也不例外。自2017年3月15日以后,山东潍坊、临清等地环保部门以前所未有的强硬作风,限令铸造厂停产整顿;临清地区在3月15日到20日之间,先后共封存、拆除了五十余台套冲天炉。总之,山东铸造企业在前所未有的环保压力下,普遍存在生存危机,中小铸造厂的忧患更甚,有些甚至已经倒闭。

2015年10月29日,工信部将炉外热风水冷冲天炉列入了国家首台(套)重大技术装备推广应用指导目录[]。炉外热风水冷长炉龄冲天炉仍属于燃焦冲天炉,排放的尾气中包含着大量的二氧化碳,其环保性能无法与天然气冲天炉相比。另外,该炉是一种适合于大批大量铸造流水线使用的铸铁熔化设备,并不适合年产铸件数千、数百吨的广大中小铸造厂。我国广大的中小铸铁厂除了采用二氧化碳排放量更高的感应电炉外,还可以用什么设备熔化铸铁?显然,环境友好性好、熔化费用低的纯氧天然气回转炉是这些铸造厂的最佳选择。为了二氧化碳减排,大型铸造厂可以用水冷长炉龄天然气冲天炉,中小型铸造厂可以用纯氧回转天然气回转炉。发展天然气化铁设备,对于我国铸造厂、特别是中小铸造厂的生存和发展具有特别重要的意义。

总之,天然气化铁技术关系我国万余个铸铁工厂的存亡、关系全国百万铸造一线劳动者的生计、关系国家二氧化碳减排,是一项涉及国家工业发展战略的大事、紧迫事。

4.我们的建议

为了加快我国研究和推广天然气化铁技术的步伐,我们建议:

3.1.建议在有关机构成立全国天然气化铁技术推进领导小组,统一规划、协调和推进全国铸造行业的天然气化铁技术。

3.2.建议尽快对我国的天然气化铁技术,提供科技政策和资金扶持,例如:

(1)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[]”。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。建议尽快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。

(2)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)[]。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。

(3)我们知道印度于1999年6月在泰姬陵所在的阿格拉(Agra)成功研制的印度首台2t/h天然气冲天炉,是在印度政府的支持下完成的。位于詹谢普尔(Jamshedpur)的印度国家冶金实验室(NML),在印度技术信息预测和评估委员会(TIFAC)、科技部(DST)等部门的领导下,与阿格拉铸铁协会(AIFA)合作完成了该炉的研制任务[]。我们建议,国家有关部门对我国天然气化铁技术提供一定的资金扶持。

3.3.天然气作为近十年来才开始在我国应用的新能源,我国一直鲜有人对天然气燃烧的基础理论和工业应用涉及的应用理论进行过系统研究。建议国家现有的物理化学研究所、化学物理研究所、金属研究所等单位,尽快在前苏联和欧美国家有关研究的基础上,就天然气燃烧的有关问题开展深入研究,为发展我国天然气工业的有关技术提供必须的理论依据,例如:

(1)天然气燃烧的热力学和动力学机理;

(2)天然气燃烧产物(例如水蒸汽)对冶金过程、对金属材料的影响;

(3)天然气工业炉窑涉及的燃烧学基本问题,等。

3.4.天然气化铁技术的研究和推广涉及大型工业设备,具有技术复杂、设备占地面积大、投资额度大、试验时间长等等特点。回顾新中国成立以来我国新技术研究推广的历史,总可以发现国家的支持引导作用所发挥的决定性作用。脱离国家对新技术、新工艺的支持和引导,新技术很难得到快速推广。因此建议以国家技术扶植资金为导向,同时吸引民间资金,尽快建立我国天然气化铁工程研究中心(或产品开发平台),围绕天然气化铁设备的产品技术开展系统研究,为发展我国的天然气化铁技术提供工程学支持。

我国铸铁业和其他行业一样,担负着履行《巴黎协定》规定的“本世纪下半叶实现温室气体净零排放”的崇高义务。积极研究和推广天然气化铁技术,应该得到我国政府和铸铁业人士的高度重视。