純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐的環(huán)境友好性與經(jīng)濟(jì)性
山東鐵戈爐業(yè)有限公司 呂榮伏
威海科興鑄造機(jī)械有限公司 張明
摘要：對(duì)比分析了當(dāng)前幾種鑄鐵熔化爐在二氧化碳排放、爐渣排放、廢氣處理量、熔化成本等方面的數(shù)據(jù)，說(shuō)明了純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐的環(huán)境友好能優(yōu)于燃焦沖天爐和感應(yīng)電爐，并且按當(dāng)前燃料和其它有關(guān)物料市場(chǎng)價(jià)格，純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐的熔化成本最低，本文對(duì)當(dāng)前鑄鐵熔化設(shè)備的選擇分析有一定參考意義。
關(guān)鍵詞：鑄造 純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐 鑄鐵熔化 環(huán)境友好性 熔化成本
純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐的環(huán)境友好性能明顯優(yōu)于燃焦沖天爐和感應(yīng)電爐，按當(dāng)前能源市場(chǎng)價(jià)格計(jì)，其熔化成本低于燃焦沖天爐和感應(yīng)電爐，本文通過(guò)具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)這幾種熔化爐作了分析，供參考。
1.鑄鐵熔化的二氧化碳排放
1997年召開(kāi)的聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)通過(guò)的《京都議定書(shū)》中控制的溫室氣體為：二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等六種。在總的溫室效應(yīng)中二氧化碳的作用約占一半，因此二氧化碳的排放量成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)“BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2019”[]，2019年我國(guó)二氧化碳的排放量為982580萬(wàn)噸，占全世界排放總量的28.8%。我國(guó)目前二氧化碳的年排放量及其增長(zhǎng)率居全世界第一，中國(guó)政府承受著減少二氧化碳排放的巨大國(guó)際壓力。
燃料燃燒生成二氧化碳的量與燃料的化學(xué)成分有關(guān)。常見(jiàn)的烴類(lèi)燃料利用其中氫、碳兩種元素的燃燒生成水、二氧化碳產(chǎn)生熱量。氫和碳元素是烴類(lèi)燃料中的兩個(gè)極端，氫燃燒生成水而不生成二氧化碳，碳完全燃燒生成二氧化碳而不生成水。含碳量低的烴類(lèi)燃料，燃燒后生成的二氧化碳量少，近些年開(kāi)始被稱(chēng)為低碳燃料。表1列出了碳元素和常見(jiàn)的幾種烴類(lèi)燃料的含碳量、單位燃燒熱所對(duì)應(yīng)的二氧化碳量、以及二氧化碳與燃料的質(zhì)量比。由表1可知，甲烷是碳含量最低的烴類(lèi)燃料，單位燃燒熱對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放量最低，僅為碳的44.2%（即49.42/111.8）。甲烷即天然氣中的最主要成分，逐步提高我國(guó)工業(yè)燃料中天然氣的消費(fèi)比例，可降低二氧化碳的排放量，減緩世界氣候變化的速度。
表1 碳和常見(jiàn)烴類(lèi)燃料的碳含量及其燃燒生成的二氧化碳量
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燃料 |
燃料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% |
化學(xué)反應(yīng)式 |
燃料標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱/（kJ/mol） |
單位熱對(duì)應(yīng)的CO2/（g/MJ） |
CO2與燃料的質(zhì)量比 |
單位燃料產(chǎn)生的CO2 |
|
氫氣 |
0 |
H2+O2=H2O |
284．70 |
0 |
0 |
0 |
|
甲烷 |
75 |
CH4+2O2=2H2O+CO2 |
890.3 |
49.42 |
2.75 |
1.964 kg/m3 |
|
乙烷 |
80 |
2C2H6+7O2=6H2O+4CO2 |
1558.3 |
56.47 |
2.93 |
3.929 kg/m3 |
|
丙烷 |
81.82 |
C3H8+5O2=4H2O+3CO2 |
2221.5 |
59.42 |
3.00 |
5.893 kg/m3 |
|
乙炔 |
92.31 |
2C2H2+5O2=2H2O+4CO2 |
1302.7 |
67.55 |
3.38 |
3.929 kg/m3 |
|
碳 |
100 |
C+O2=CO2 |
393.5 |
111.8 |
3.67 |
3.667 kg/kg |
為了延緩全球氣候變暖、減少二氧化碳的排放量，國(guó)家一直重視天然氣類(lèi)低碳能源的推廣。2012年10月，國(guó)家發(fā)改委、能源局發(fā)布了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，我國(guó)天然氣的消費(fèi)量計(jì)劃在2015年達(dá)到2300億立方米[]。2013年1月發(fā)布的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中，規(guī)劃2015年我國(guó)天然氣在一次能源消費(fèi)中的比重將提高到7.5%、煤炭的比重將控制在65%以?xún)?nèi)[]。2016年12月發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[]中，規(guī)劃2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2015年下降18%,天然氣消費(fèi)比重力爭(zhēng)達(dá)到10%,煤炭消費(fèi)控制在58%以下；雖然我國(guó)天然氣的消費(fèi)量近十幾年來(lái)一直呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，2019年消費(fèi)量達(dá)3073億立方米，但在一次能源消費(fèi)中的占比僅為5.9%，大大低于世界平均值；另外，“十三五”規(guī)劃要求通過(guò)合理布局天然氣銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)設(shè)施，以民用、發(fā)電、交通和工業(yè)等領(lǐng)域?yàn)橹c(diǎn)，實(shí)施天然氣消費(fèi)的提升行動(dòng)。按國(guó)家推廣低碳能源的一系列規(guī)劃和部署，我國(guó)鑄鐵熔化應(yīng)該積極推廣天然氣化鐵技術(shù)。
按鑄造協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2019年鑄鐵件的產(chǎn)量為3495萬(wàn)噸（其中灰鐵2040萬(wàn)噸、球鐵1395萬(wàn)噸、可鍛鑄鐵60萬(wàn)噸）。考慮到鑄件總出品率因素，出目前我國(guó)鐵液的年熔化量不小于4200萬(wàn)噸。表2分析了幾種不同的鑄鐵熔化爐熔化4200萬(wàn)噸鐵液，每年所產(chǎn)生的二氧化碳量，其中感應(yīng)電爐實(shí)際排放的二氧化碳最多。積極推廣純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐和天然氣沖天爐，有利于大幅度減少我國(guó)鑄鐵業(yè)的二氧化碳排放量。數(shù)據(jù)分析表明，用感應(yīng)電爐熔化鑄鐵，大幅度增加了我國(guó)二氧化碳的排放量。
表2 不同熔化爐生產(chǎn)4200萬(wàn)噸鐵液的二氧化碳排放量
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熔化爐種類(lèi) |
燃料單位消耗 |
燃料用量 |
單位燃料產(chǎn)生的CO2 |
二氧化碳年產(chǎn)量 |
備注 |
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燃焦沖天爐 |
鐵焦比8 |
焦炭525萬(wàn)噸 |
3.67kg/kg(見(jiàn)表1) |
1636萬(wàn)噸 |
固定碳按85%估算 |
|
感應(yīng)電爐 |
600KWh/噸鐵 |
電2520000萬(wàn)KWh |
0.883kg/KWh注 |
2226萬(wàn)噸 |
電爐化鐵生成的CO2量最大 |
|
天然氣沖天爐 |
60立方米/噸 |
天然氣2.52億立方米 |
1.964kg/m3(見(jiàn)表1) |
495萬(wàn)噸 |
按純甲烷估算 |
|
純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐 |
70立方米/噸 |
天然氣2.94億立方米 |
1.964kg/m3(見(jiàn)表1) |
577萬(wàn)噸 |
按純甲烷估算 |
注：當(dāng)前火力發(fā)電，每330克發(fā)1kWh電，330克煤燃燒即生成1.21kg的二氧化碳；由于我國(guó)當(dāng)前火力發(fā)電量約占發(fā)電總量的73%（見(jiàn)表3），因此可以折合計(jì)算出每度電產(chǎn)生0.883kg二氧化碳。
表3 2015年我國(guó)電力生產(chǎn)狀況 []
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發(fā)電類(lèi)型 |
火電 |
水電 |
核電 |
風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電 |
總計(jì) |
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發(fā)電量/ （億千瓦時(shí)) |
42420.4 |
11264.2 |
1707.9 |
2713.3 |
58105.8 |
|
占比/% |
73.00 |
20.01 |
2.94 |
4.67 |
100 |
通過(guò)以上數(shù)據(jù)可知。目前我國(guó)普遍用電爐替代燃焦沖天爐，將鑄鐵業(yè)二氧化碳的排放轉(zhuǎn)嫁給了電力行業(yè)，不僅不能減少二氧化碳的總排放量,而且增加了有關(guān)污染物的排放量。我國(guó)鑄鐵熔化的二氧化碳減排，希望在于天然氣沖天爐和純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐。即大型流水線(xiàn)生產(chǎn)鑄鐵廠應(yīng)該積極推廣天然氣沖天爐和電爐雙聯(lián)熔化，小型鑄鐵廠應(yīng)該積極推廣純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐，以實(shí)現(xiàn)有效減少鑄鐵熔煉二氧化碳減排的目的。
表4為常見(jiàn)的幾種鑄鐵熔化爐熔化一噸鐵液的燃料和其它物料的消耗量。
表4 幾種熔化爐熔化1噸鑄鐵的燃料和其它消耗統(tǒng)計(jì)值
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熔化方式及 其排放項(xiàng)目 |
普通燃焦沖天爐 |
外熱風(fēng)水冷燃焦沖天爐+電爐雙聯(lián) |
感應(yīng)電爐 |
天然氣沖天爐+電爐雙聯(lián) |
純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐 |
備注 |
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焦炭/（kg） |
140 |
125 |
0 |
0 |
0 |
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|
電力/（KWh） |
熔化或者保溫 |
0 |
110 |
600 |
110 |
0 |
|
|
機(jī)械動(dòng)力消耗 |
35 |
45 |
20 |
30 |
20 |
含鼓風(fēng)機(jī)和除塵風(fēng)機(jī)、加料機(jī)、液壓站等 |
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合計(jì) |
35 |
155 |
620 |
140 |
20 |
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天然氣/（m3） |
0 |
0 |
0 |
60 |
70 |
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陶瓷球/kg |
0 |
0 |
0 |
12 |
0 |
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|
|
氧氣/m3 |
0 |
0 |
0 |
15 |
145 |
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2.純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐的環(huán)保性
純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐除了可以明顯減少二氧化碳排放外，還具有其它環(huán)保方面的優(yōu)越性。表5為幾種熔化爐熔化1噸金屬爐料所排放的廢氣、廢渣等污染物的量。可以看出，純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐產(chǎn)生的粉塵量小、爐渣量少、幾乎不排放二氧化硫和氧化氮，尾氣的儲(chǔ)量也最小，在環(huán)境友好性方面存在明顯的優(yōu)勢(shì)。
表5 幾種熔化爐熔化1噸鑄鐵所排放的廢棄物量
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熔化方式及 其排放項(xiàng)目 |
普通燃焦沖天爐 |
外熱風(fēng)水冷燃焦沖天爐+雙聯(lián)電爐 |
感應(yīng)電爐 |
天然氣沖天爐+電爐雙聯(lián) |
純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐 |
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粉塵量 |
2.8～12kg/t |
2.0～8kg/t |
0.1～0.2kg/t |
0.2～0.5kg/t |
0.2～0.5kg/t |
|
爐渣量 |
150kg/t |
70kg/t |
30kg/t |
50kg/t |
30kg/t |
|
二氧化碳量 |
279kg/t |
398kg/t |
428kg/t |
166kg/t |
137kg/t |
|
二氧化硫量 |
300～400mg/m3(需處理) |
300～400mg/m3(需處理) |
～0 |
～0 |
～0 |
|
氮氧化物量 |
＜100mg/m3 |
＜100mg/m3 |
～0 |
＜30mg/m3 |
＜10mg/m3 |
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尾氣處理量注 |
4000Nm3/t【1】 |
1440Nm3/t【2】 |
800Nm3/t【8】 |
950Nm3/t【2】 |
315Nm3/t【2】 |
注1：普通沖天爐的尾氣處理量按送風(fēng)量的5倍計(jì)；
注2：尾氣中的氧氣殘留的體積濃度按7%計(jì)；
注3：按《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程 GB8959-2007》推薦值計(jì)。
純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐在污染治理設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用方面，也具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐的尾氣處理量最少，因此除塵設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)最低。如果使用的金屬爐料比較潔凈，在不使用除塵設(shè)備的情況下，尾氣中粉塵的濃度在10mg/m3左右，接近于城市大氣中的粉塵濃度；如果爐料潔凈程度差，尾氣在進(jìn)入除塵設(shè)備前，其中粉塵的濃度在200mg/m3以下，有利于減少除塵設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用。另外，純氧回轉(zhuǎn)化鐵爐的尾氣中，基本不含二氧化硫和氧化氮，不需要配置尾氣脫硫、脫硝設(shè)備。
3.純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐的經(jīng)濟(jì)性
表6中對(duì)比了純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐和其它熔化爐的熔化成本。由于天然氣和焦炭?jī)r(jià)格的變化，燃焦沖天爐已經(jīng)不是目前熔化成本最低的熔化方式，感應(yīng)電爐也已經(jīng)不是成本最高的熔化方式。由于天然氣市場(chǎng)價(jià)格的連續(xù)走低，純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐在降低鑄鐵熔化成本方面已經(jīng)有了明顯的優(yōu)勢(shì)，外熱風(fēng)水冷爐的熔化成本目前最高。
表6 當(dāng)前幾種熔化爐熔化1噸鑄鐵的燃料與其它費(fèi)用
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熔化方式 |
普通燃焦沖天爐 |
外熱風(fēng)水冷燃焦沖天爐+電爐雙聯(lián) |
感應(yīng)電爐 |
天然氣沖天爐+電爐雙聯(lián) |
純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐 |
能源和其它物料的當(dāng)前單價(jià) |
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焦炭/元 |
434 |
387.5 |
0 |
0 |
0 |
按3100元/噸計(jì) |
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電力/元 |
28 |
124 |
496 |
112 |
16 |
按0.8元/KWh計(jì) |
|
天然氣/元 |
0 |
0 |
0 |
132 |
154 |
按2.2元/m3計(jì) |
|
氧氣/元 |
0 |
0 |
0 |
18 |
174 |
按1.2元/m3計(jì) |
|
陶瓷球/元 |
0 |
0 |
0 |
102 |
0 |
按8.5元/kg計(jì) |
|
以上合計(jì)/元 |
462 |
511.5 |
496 |
364 |
344 |
|
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費(fèi)用排序 |
中等 |
最高 |
次高 |
次低 |
最低 |
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純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐除了上述成本優(yōu)勢(shì)外，還有其他方面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。例如，不需要儲(chǔ)存焦炭的庫(kù)房，球鐵鑄造廠免去了鐵液脫硫涉及的費(fèi)用，等等。
純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐在目前能源價(jià)格下的熔化成本最低，值得大家關(guān)注。在鑄鐵廠、特別是小型鑄鐵廠推廣這種新型低碳熔化爐，對(duì)于保護(hù)環(huán)境、提高工廠效益有重要意義。
