二氧化碳減排與純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐

ft東鐵戈?duì)t業(yè)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(wèn)題，分析對(duì)比了天然氣回轉(zhuǎn)爐、天然氣沖天爐在二氧化碳減排方面的優(yōu)越性，提出了天然氣化鐵爐關(guān)系我國(guó)鑄鐵業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的觀點(diǎn)，扼要介紹了山東鐵戈?duì)t業(yè)有限公司研制天然氣回轉(zhuǎn)爐的過(guò)程，并介紹了

研制的首臺(tái)3噸回轉(zhuǎn)爐的熔化試驗(yàn)成果，對(duì)我國(guó)中小鑄鐵廠的熔化爐升級(jí)改造有參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】二氧化碳減排 天然氣回轉(zhuǎn)爐 天然氣沖天爐 可持續(xù)發(fā)展 鑄鐵熔化

溫室氣體指大氣中能吸收地面反射的太陽(yáng)輻射、導(dǎo)致地球表面變暖的氣體。“京都議定書(shū)”中規(guī)定控制的溫室氣體包括二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）、氧化亞氮（N?O）、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(yīng)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(guó)政府在行動(dòng)。

我國(guó)鑄鐵熔化爐在“十三五”期間，如何實(shí)現(xiàn)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(kāi)討論并向大家匯報(bào)我們?cè)诖朔矫嫠龅囊恍┡Α?

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(tǒng)計(jì)年鑒2016》公布的2015年中國(guó)煤炭、石油、天然氣的消費(fèi)量[2]推算，我國(guó)2015年二氧化碳的排放量在100億噸左右，達(dá)到甚至超過(guò)了全世界二氧化碳排放總量的30%、高居世界第一。中國(guó)政府高度重視包括二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體排放問(wèn)題，2016年10月27日國(guó)務(wù)院發(fā)布了

“‘十三五’控制溫室氣體排放工作方案（國(guó)發(fā)〔2016〕61號(hào)）”，規(guī)劃了我國(guó)“十三五”期間低碳引領(lǐng)能源革命、打造低碳產(chǎn)業(yè)體系、推動(dòng)城鎮(zhèn)化低碳發(fā)展、加快區(qū)域低碳發(fā)展、建設(shè)和運(yùn)行全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)，等十項(xiàng)低碳發(fā)展戰(zhàn)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(yīng)電爐。感應(yīng)

※作者介紹:呂榮伏（1975—），男，福建泉州人，工商管理碩士，ft東鐵戈?duì)t業(yè)有限公司董事長(zhǎng)，電話：

13954154666，Email:tgly6666@126.com.

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(guó)家發(fā)改委辦公廳 2015

年 4 月公布的常見(jiàn)燃料二氧化碳的排放因子見(jiàn)表 1[4]。按照標(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)表 1）。

表1 化石燃料和電力CO₂ 的排放因子

注1:按標(biāo)煤熱值29.3MJ/kg、天然氣熱值36MJ/m3、焦炭熱值31.0MJ/kg計(jì)，通過(guò)熱值折算所得。

注2:青海電力排放因子最低（0.2323）、內(nèi)蒙古最高(0.9292)，全國(guó)30個(gè)省級(jí)電網(wǎng)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(nèi) 最多為65m3/t[5]；天然氣回轉(zhuǎn)爐約為80m3/t。表2按照表1中有關(guān)燃料的二氧化碳排放因子， 計(jì)算比較了感應(yīng)電爐、燃焦沖天爐、天然氣沖天爐、天然氣回轉(zhuǎn)爐等，熔化每噸金屬爐

料產(chǎn)生的二氧化碳量。天然氣沖天爐產(chǎn)生的二氧化碳為燃焦沖天爐的37%、感應(yīng)電爐的30%； 天然氣回轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的二氧化碳為燃焦沖天爐的46%、感應(yīng)電爐的37%。天然氣回轉(zhuǎn)爐二氧

化碳的減排效果最為突出，天然氣沖天爐也有不俗的表現(xiàn)。

表2 不同熔化爐熔化一噸鑄鐵排放的CO₂

注:目前節(jié)能型感應(yīng)電爐噸鐵電耗僅550kWh，非節(jié)能型高達(dá)750kWh、甚至更高。

天然氣回轉(zhuǎn)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（NO_X）的排放量也大大低于燃焦沖天爐，優(yōu)于感應(yīng)電爐?；谔烊粴饣F爐在包括二氧化碳減排在內(nèi)的環(huán)境友好性能，我們因此有理由認(rèn)為，研究和推廣天然氣化鐵爐，對(duì)于我國(guó)鑄鐵業(yè)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。雖然可以期待二氧化碳的轉(zhuǎn)化、封存技術(shù)能為燃焦沖天爐帶來(lái)利好，核電的進(jìn)一步發(fā)展可為感應(yīng)電爐帶來(lái)利好，但在可預(yù)期的“十三五”甚至“十四五”期間，天然氣回轉(zhuǎn)爐和天

然氣沖天爐仍然是我國(guó)鑄鐵熔化二氧化碳減排的唯一現(xiàn)實(shí)選擇。

順便說(shuō)一說(shuō)，國(guó)家發(fā)改委2017年1月25日發(fā)布了《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄》，其中7.2.7條款（控制溫室氣體排放技術(shù)裝備）原文為：“碳減排及碳轉(zhuǎn)化利用技術(shù)裝備、碳捕捉及碳封存技術(shù)及利用系統(tǒng)、非能源領(lǐng)域的溫室氣體排放控制技術(shù)裝備[6]”。純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐、天然氣沖天爐明顯屬于碳減排產(chǎn)品，且對(duì)我國(guó)鑄造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義，符合入選國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品目錄的條件。建議國(guó)家發(fā)改委將天然氣化鐵技術(shù)列入國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品目錄。

另外，國(guó)家發(fā)改委資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)司，2016年12月30日發(fā)布了《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》（2016年本,節(jié)能部分）[7]。我們建議國(guó)家發(fā)改委資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)司，盡快編制《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄（低碳部分）》，并將天然氣沖天爐、純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐編入該目錄的低碳部分。

2. 天然氣回轉(zhuǎn)爐

天然氣回轉(zhuǎn)爐即純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐，該爐在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已有約五十余年的應(yīng)用歷史，特別適合于我國(guó)眾多的中小鑄鐵廠使用。據(jù)美國(guó)鑄造協(xié)會(huì)《Modern Casting》統(tǒng)計(jì)，中國(guó)2015年包括灰鐵、球鐵、可鍛鑄鐵在內(nèi)的鑄鐵產(chǎn)量為3380萬(wàn)噸，占全世界鑄鐵總產(chǎn)量的46%；中國(guó)鑄鐵廠的數(shù)量為14000個(gè)，每個(gè)鑄造廠的年平均鑄件產(chǎn)量?jī)H為1754 噸[8]。我國(guó)屬于發(fā)展中國(guó)家，幅員廣闊、工業(yè)門(mén)類(lèi)多且發(fā)展不平衡，絕大多數(shù)中小鑄造廠作為勞動(dòng)密集型企業(yè)，對(duì)于吸納當(dāng)?shù)貏趧?dòng)力就業(yè)、維持社會(huì)穩(wěn)定有重要作用。

目前我國(guó)中小鑄造廠多數(shù)已放棄燃焦沖天爐而改用電爐熔化，一定程度上導(dǎo)致了我國(guó)二氧化碳溫室氣體排放量的增加，同時(shí)導(dǎo)致了鑄件生產(chǎn)成本的大幅度上升。2016年7～8月份期間,我公司曾對(duì)ft東各地的中小鑄造廠進(jìn)行過(guò)一次調(diào)查，在目前ft東的中小鑄

造廠里，已基本上看不到?jīng)_天爐了，各廠幾乎全部用晚10點(diǎn)到早6點(diǎn)之間的“谷電”生產(chǎn)， 谷電的計(jì)量電費(fèi)雖僅在0.3元/kWh左右，但容量電費(fèi)(座機(jī)費(fèi))導(dǎo)致每噸鐵液的電費(fèi)在430～460元之間。夜班生產(chǎn)也導(dǎo)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(zhǎng)期夜班生產(chǎn)導(dǎo)致廣大鑄造工人怨聲不已，有些工人戲說(shuō)自己：白天吃人飯，晚上干鬼活。

按我們目前的試驗(yàn)結(jié)果，天然氣回轉(zhuǎn)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(fèi)用約為400元，低于感應(yīng)電爐50～100元。在中小鑄鐵廠推廣和使用天然氣回轉(zhuǎn)爐，替代燃焦沖天爐和感應(yīng)電爐，對(duì)我國(guó)中小鑄鐵廠的生存發(fā)展具有重要意義。

我們注意到，早在1978年，湖南大學(xué)謝源甫先生即在“國(guó)內(nèi)外鑄造合金及其熔煉發(fā)展概況”一文中指出：“目前國(guó)外最盛行的非焦化鐵爐是回轉(zhuǎn)爐。美、蘇等國(guó)不僅生產(chǎn)中必須采用，而且有專(zhuān)門(mén)的公司生產(chǎn)這種爐子銷(xiāo)售，容量從0.5噸到70噸[9]”。我國(guó)已故著名沖天爐專(zhuān)家劉幼華先生，1985年在“國(guó)內(nèi)外鑄鐵熔煉技術(shù)發(fā)展若干動(dòng)態(tài)”一文中也曾指出：“回轉(zhuǎn)式化鐵爐，這是國(guó)外應(yīng)用最廣泛的一種非焦化鐵爐。美、英等國(guó)有專(zhuān)門(mén)公司生產(chǎn)和銷(xiāo)售這種爐子，在日本、澳大利亞、荷蘭、蘇聯(lián)、瑞士和法國(guó)等都有工廠使用[10]”。

3. 回轉(zhuǎn)爐的研制和試驗(yàn)

ft東鐵戈?duì)t業(yè)有限公司在黨和國(guó)家二氧化碳減排旗幟的指引下，為滿足我國(guó)廣大中小鑄造廠生存發(fā)展的迫切需要，2015年10月開(kāi)始了與意大利某公司的多輪艱難談判，于2016年3月以356萬(wàn)歐元引進(jìn)了該公司的純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐技術(shù)。2016年4月開(kāi)始，在國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)行業(yè)多位技術(shù)專(zhuān)家的熱情幫助和支持下，開(kāi)始了天然氣回轉(zhuǎn)爐的研制。2016年9 月研制成功了國(guó)內(nèi)首臺(tái)3噸天然氣回轉(zhuǎn)爐，并在ft東章丘泰隆機(jī)械有限公司進(jìn)行了累計(jì)100余爐次的熔化試驗(yàn)，參照引進(jìn)的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，全面測(cè)試了該爐的熔化性能，累計(jì)澆注了約300噸機(jī)床床身和其他鑄件（見(jiàn)圖1）。

圖2為回轉(zhuǎn)化鐵爐的爐體部分，由燒嘴、爐體、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)架與液壓缸、固定機(jī)架、移動(dòng)煙囪、加料平臺(tái)、液壓溜槽等幾部分組成。該爐組成的熔化系統(tǒng)由液氧站、天然氣站、氣體調(diào)控單元、冷卻水系統(tǒng)、爐體等幾部分組成。圖3為首臺(tái)3噸回轉(zhuǎn)爐在該公司的試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)。天然氣回轉(zhuǎn)爐熔化鑄鐵的過(guò)程包括以下六個(gè)步驟：

(1) 爐襯預(yù)熱：燒嘴點(diǎn)火，首先將爐襯預(yù)熱到800～1000℃。

(2) 加料：爐襯預(yù)熱后，爐體傾轉(zhuǎn)、通過(guò)液壓溜槽將爐料加入爐內(nèi)，加料后爐體復(fù)平。

(3) 爐料預(yù)熱：燒嘴再次點(diǎn)火，開(kāi)始加熱爐料，爐料預(yù)熱期間爐體正向、反向間斷性慢速轉(zhuǎn)動(dòng)。爐料在此期間逐步軟化、初步熔化。

(4) 

鐵液過(guò)熱：爐料初熔后不久，該爐即進(jìn)入鐵液過(guò)熱階段。鐵液過(guò)熱期間，燒嘴以最大功率加熱，爐體單一方向快速回轉(zhuǎn)。

(5) 鐵液測(cè)試：當(dāng)目視鐵液溫度達(dá)到出鐵要求時(shí)，用熱電偶或紅外測(cè)溫儀測(cè)量測(cè)量鐵

水溫度、用三角試片或爐前熱分析儀測(cè)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(kāi)出鐵口出鐵并澆注鑄件。

通過(guò)百余爐次的熔化試驗(yàn)和測(cè)試，我公司參考國(guó)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定了“回轉(zhuǎn)化鐵爐” 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)2017年1月通過(guò)了ft東省技術(shù)監(jiān)督局的審定，成為我國(guó)第一部公開(kāi)發(fā)布的回轉(zhuǎn)爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和商品化邁上了一個(gè)新臺(tái)階。3噸天然氣回轉(zhuǎn)爐目前可以達(dá)到的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如表3。

表3 3噸天然氣回轉(zhuǎn)爐的技術(shù)參數(shù)

但是我們知道，開(kāi)發(fā)一個(gè)嶄新的產(chǎn)品需要很長(zhǎng)時(shí)間、耗費(fèi)很多精力，我們目前所完成的工作雖有成效和意義，但僅僅是萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步，要做的工作還有很多。我們希望今后在中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)的指引下，凝聚全國(guó)所有一切積極力量、群策群力，為發(fā)展對(duì)我國(guó)鑄鐵業(yè)具有戰(zhàn)略意義的天然氣化鐵技術(shù)，勇往直前、不懈奮斗！

本文不當(dāng)之處，希望專(zhuān)家學(xué)者們研究討論并不吝賜教，深表謝忱！

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