二氧化碳減排與純氧天然氣回轉爐

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二氧化碳減排與純氧天然氣回轉爐

山東鐵戈爐業有限公司  呂榮伏


  【摘要】首先討論了鑄鐵熔化的二氧化碳減排問題,分析對比了天然氣回轉爐、天然氣沖天爐在二氧化碳減排方面的優越性,提出了天然氣化鐵爐關系我國鑄鐵業可持續發展戰略的觀點,扼要介紹了山東鐵戈爐業有限公司研制天然氣回轉爐的過程,并介紹了研制的首臺3噸回轉爐的熔化試驗成果,對我國中小鑄鐵廠的熔化爐升級改造有參考價值。
  【關鍵詞】二氧化碳減排  天然氣回轉爐  天然氣沖天爐  可持續發展  鑄鐵熔化
  溫室氣體指大氣中能吸收地面反射的太陽輻射、導致地球表面變暖的氣體?!熬┒甲h定書”中規定控制的溫室氣體包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化合物(HFCs) 、全氟碳化合物(PFCs)、六氟化硫(SF6)等六種。在溫室氣體的總效應中,二氧化碳的作用約占一半,二氧化碳因此成了溫室氣體的代名詞。溫室氣體減排,我國政府在行動。
  我國鑄鐵熔化爐在“十三五”期間,如何實現以二氧化碳為代表的溫室氣體減排?本文擬以此為話題展開討論并向大家匯報我們在此方面所做的一些努力。
  1.二氧化碳減排與天然氣化鐵
  2015年全世界二氧化碳的排放總量為321億噸[1]。按《BP世界能源統計年鑒2016》公布的2015年我國煤炭、石油、天然氣的消費量推算,我國2015年二氧化碳的排放量不低于100億噸,達到甚至超過了全世界二氧化碳排放總量的30%、高居世界前列,政府高度重視包括二氧化碳在內的溫室氣體排放問題,2016年10月27日國務院發布了“‘十三五’控制溫室氣體排放工作方案”,規劃了我國“十三五”期間低碳能源革命、打造低碳產業體系、推動城鎮化低碳發展、加快區域低碳發展、建設和運行全國碳排放權交易市場,等十項低碳發展戰略[3]。
  目前不少人盲目地將溫室氣體減排的希望寄托于削減沖天爐、推廣感應電爐。感應電爐真的能夠減少鑄鐵熔化的二氧化碳排放嗎?答案是否定的。國家發改委辦公廳2015年4月公布的常見燃料二氧化碳的排放因子見表1[4]。按照標準煤、焦炭和天然氣的熱值,可以換算得到焦炭和天然氣的二氧化碳排放因子(見表1)。

  表1 化石燃料和電力CO2 的排放因子


燃料

單位

排放因子

焦炭和天然氣的折算排放因子

煤炭

噸CO2/噸標煤

2.64

2.79kgCO2/kg焦炭[注1]

石油

噸CO2/噸標煤

2.08


天然氣

噸CO2/噸標煤

1.63

2.00kg CO2/m3天然氣[注1]

全國電力平均

kgCO2/kWh

0.6590[注2]



  注1:按標煤熱值29.3MJ/kg、天然氣熱值36MJ/m3、焦炭熱值31.0MJ/kg計,通過熱值折算所得。
  注2:青海電力排放因子低(0.2323)、內蒙古高(0.9292),全國30個省級電網電力的平均排放因子為0.6590。
  熔化每噸金屬爐料,天然氣沖天爐不含烘爐的天然氣用量不到60m3/t,包含烘爐在內多為65m3/t;天然氣回轉爐約為80m3/t。表2按照表1中有關燃料的二氧化碳排放因子,計算比較了感應電爐、燃焦沖天爐、天然氣沖天爐、天然氣回轉爐等,熔化每噸金屬爐料產生的二氧化碳量。天然氣沖天爐產生的二氧化碳為燃焦沖天爐的37%、感應電爐的30%;天然氣回轉爐產生的二氧化碳為燃焦沖天爐的46%、感應電爐的37%。按照國家發改委2015年采用的有關計算方法,可以證明天然氣回轉爐和天然氣沖天爐,具有非常突出的二氧化碳減排特性。

  表2 不同熔化爐熔化一噸鑄鐵排放的CO2


熔化方式

CO2排放因子

噸鐵燃料用量

CO2排放量/(kg/t)

感應電爐

0.659kg/kWh電力

650kWh電力/t[注]

428.35

燃焦沖天爐

2.79kg/kg焦炭

125kg焦炭/t

348.75

天然氣沖天爐

2.00kg/m3天然氣

65m3天然氣/t

130

天然氣回轉爐

2.00kg/m3天然氣

80m3天然氣/t

160


  注:目前節能型感應電爐噸鐵電耗僅550kWh,非節能型高達750kWh、甚至更高。
  天然氣回轉爐和天然氣沖天爐,除了二氧化碳排放量大大低于燃焦沖天爐外,懸浮顆粒物(SPM)、二氧化硫、氮氧化物(NO2)的排放量也大大低于燃焦沖天爐,優于感應電爐?;谔烊粴饣F爐在包括二氧化碳減排在內的環境友好性能,我們因此有理由認為,研究和推廣天然氣化鐵爐,對于我國鑄鐵業的長期可持續發展具有戰略意義。雖然可以期待二氧化碳的轉化、封存技術能為燃焦沖天爐帶來利好,核電的進一步發展可為感應電爐帶來利好,但在可預期的“十三五”甚至“十四五”期間,天然氣回轉爐和天然氣沖天爐是我國鑄鐵熔化二氧化碳減排的現實選擇。
  2.天然氣回轉爐
  天然氣回轉爐即純氧天然氣回轉化鐵爐,該爐在工業發達國家已有約五十余年的應用歷史,特別適合于我國眾多的中小鑄鐵廠使用。我國2015年包括灰鐵、球鐵、可鍛鑄鐵在內的鑄鐵產量為3380萬噸,占全世界鑄鐵總產量的46%;鑄鐵廠的數量為14000個,每個鑄造廠的年平均鑄件產量僅為1754噸。我國幅員廣闊、工業門類多且發展不平衡,絕大多數中小鑄造廠作為勞動密集型企業,對于吸納當地勞動力就業、維持社會穩定有重要作用。
  目前我國中小鑄造廠多數已放棄燃焦沖天爐而改用電爐熔化,一定程度上導致了我國二氧化碳溫室氣體排放量的增加,同時導致了鑄件生產成本的大幅度上升。2016年7~8月份期間,我公司曾對山東各地的中小鑄造廠進行過一次調查,在目前山東的中小鑄造廠里,已基本上看不到沖天爐了,各廠幾乎全部用晚10點到早6點之間的“谷電”生產,谷電的計量電費雖僅在0.3元/kWh左右,但容量電費(座機費)導致每噸鐵液的電費在430~460元之間。夜班生產也導致了鑄件廢品率增加,工傷事故增加,鑄造廠老板苦不堪言。長期夜班生產導致廣大鑄造工人怨聲不已,有些工人戲說自己:白天吃人飯,晚上干鬼活。
  按我們目前的試驗結果,天然氣回轉爐的噸鐵天然氣消耗約為80m3/t、氧氣消耗約為160m3/t,噸鐵燃料費用約為400元,低于感應電爐50~100元。在中小鑄鐵廠推廣和使用天然氣回轉爐,替代燃焦沖天爐和感應電爐,對我國中小鑄鐵廠的生存發展具有重要意義。
  我們注意到,早在1978年,湖南大學謝源甫先生即在“國內外鑄造合金及其熔煉發展概況”一文中指出:“目前國外盛行的非焦化鐵爐是回轉爐。美、蘇等國不僅生產中采用,而且有專門的公司生產這種爐子銷售,容量從0.5噸到70噸[9]”。我國已故沖天爐專家劉幼華先生,1985年在“國內外鑄鐵熔煉技術發展若干動態”一文中也曾指出:“回轉式化鐵爐,這是國外應用廣泛的一種非焦化鐵爐。美、英等國有專門公司生產和銷售這種爐子,在日本、澳大利亞、荷蘭、蘇聯、瑞士和法國等都有工使用[10]”。
  3.回轉爐的研制和試驗
  山東鐵戈爐業有限公司在黨和國家二氧化碳減排旗幟的指引下,為滿足我國廣大中小鑄造廠生存發展的迫切需要,2015年10月開始了與意大利某公司的多輪艱難談判,于2016年3月以356萬歐元引進了該公司的純氧天然氣回轉化鐵爐技術。2016年4月開始,在國內數個行業多位技術專家的熱情幫助和支持下,開始了天然氣回轉爐的研制。2016年9月研制成功了國內首臺3噸天然氣回轉爐,并在山東章丘泰隆機械有限公司進行了累計100余爐次的熔化試驗,參照引進的國外標準,測試了該爐的熔化性能,累計澆注了約300噸機床床身和其他鑄件。
  圖2為回轉化鐵爐的爐體部分,由燒嘴、爐體、轉動機架與液壓缸、固定機架、移動煙囪、加料平臺、液壓溜槽等幾部分組成。該爐組成的熔化系統由液氧站、天然氣站、氣體調控單元、冷卻水系統、爐體等幾部分組成。圖3為首臺3噸回轉爐在該公司的試驗現場。天然氣回轉爐熔化鑄鐵的過程包括以下六個步驟:
  (1)爐襯預熱:燒嘴點火,首先將爐襯預熱到800~1000℃。
  (2)加料:爐襯預熱后,爐體傾轉、通過液壓溜槽將爐料加入爐內,加料后爐體復平。
  (3)爐料預熱:燒嘴再次點火,開始加熱爐料,爐料預熱期間爐體正向、反向間斷性慢速轉動。爐料在此期間逐步軟化、初步熔化。
  (4)鐵液過熱:爐料初熔后不久,該爐即進入鐵液過熱階段。鐵液過熱期間,燒嘴以大功率加熱,爐體單一方向快速回轉。


  (5)鐵液測試:當目視鐵液溫度達到出鐵要求時,用熱電偶或紅外測溫儀測量測量鐵水溫度、用三角試片或爐前熱分析儀測量鐵液成分。
  (6)出鐵和澆注:如果鐵液溫度和成分符合要求,打開出鐵口出鐵并澆注鑄件。
  通過百余爐次的熔化試驗和測試,我公司參考國外技術標準制定了“回轉化鐵爐”標準,該標準2017年1月通過了山東省技術監督局的審定,成為我國公開發布的回轉爐技術標準,使我國該項技術的標準化和商品化邁上了一個新臺階。3噸天然氣回轉爐目前可以達到的主要經濟技術指標如表3。
  表3 3噸天然氣回轉爐的技術參數


序號

項目

單位

數值

備注

1

爐體鐵液容量

t

3


2

鐵液出爐溫度

1400~1450

高達到過1510℃

3

噸鐵天然氣用量

m3/t

~80

灰口鑄鐵

4

噸鐵氧氣用量

m3/t

~160


5

鐵燒損的質量分數

%

1~3


6

碳燒損的質量分數

%

20~30


7

硅燒損的質量分數

%

20~25


8

錳燒損的質量分數

%

25~30


9

除塵系統處理風量

Nm3/h

1800



  我們懂得,開發一個嶄新的產品需要很長時間、耗費很多精力,我們目前所完成的工作雖有成效和意義,要做的工作還有很多。我們希望今后在鑄造協會的指引下,凝聚全國所有一切積極力量、群策群力,為發展對我國鑄鐵業具有戰略意義的天然氣化鐵技術,勇往直前、不懈奮斗!
  本文不當之處,希望專家學者們研究討論并不吝賜教,深表謝忱!

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