純氧天然氣回轉爐的環(huán)境友好性與經濟性
山東鐵戈爐業(yè)有限公司 呂榮伏
威海科興鑄造機械有限公司 張明
摘要：對比分析了當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)，說明了純氧天然氣回轉爐的環(huán)境友好能優(yōu)于燃焦沖天爐和感應電爐，并且按當前燃料和其它有關物料市場價格，純氧天然氣回轉爐的熔化成本最低，本文對當前鑄鐵熔化設備的選擇分析有一定參考意義。
關鍵詞：鑄造 純氧天然氣回轉化鐵爐 鑄鐵熔化 環(huán)境友好性 熔化成本
純氧天然氣回轉化鐵爐的環(huán)境友好性能明顯優(yōu)于燃焦沖天爐和感應電爐，按當前能源市場價格計，其熔化成本低于燃焦沖天爐和感應電爐，本文通過具體的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對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年召開的聯(lián)合國氣候大會通過的《京都議定書》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關注的焦點。據(jù)“BP世界能源統(tǒng)計年鑒2019”[]，2019年我國二氧化碳的排放量為982580萬噸，占全世界排放總量的28.8%。我國目前二氧化碳的年排放量及其增長率居全世界第一，中國政府承受著減少二氧化碳排放的巨大國際壓力。
燃料燃燒生成二氧化碳的量與燃料的化學成分有關。常見的烴類燃料利用其中氫、碳兩種元素的燃燒生成水、二氧化碳產生熱量。氫和碳元素是烴類燃料中的兩個極端，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。含碳量低的烴類燃料，燃燒后生成的二氧化碳量少，近些年開始被稱為低碳燃料。表1列出了碳元素和常見的幾種烴類燃料的含碳量、單位燃燒熱所對應的二氧化碳量、以及二氧化碳與燃料的質量比。由表1可知，甲烷是碳含量最低的烴類燃料，單位燃燒熱對應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，逐步提高我國工業(yè)燃料中天然氣的消費比例，可降低二氧化碳的排放量，減緩世界氣候變化的速度。
表1 碳和常見烴類燃料的碳含量及其燃燒生成的二氧化碳量
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燃料 |
燃料中碳的質量分數(shù)/% |
化學反應式 |
燃料標準燃燒熱/（kJ/mol） |
單位熱對應的CO2/（g/MJ） |
CO2與燃料的質量比 |
單位燃料產生的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，國家一直重視天然氣類低碳能源的推廣。2012年10月，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，我國天然氣的消費量計劃在2015年達到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年我國天然氣在一次能源消費中的比重將提高到7.5%、煤炭的比重將控制在65%以內[]。2016年12月發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[]中，規(guī)劃2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2015年下降18%,天然氣消費比重力爭達到10%,煤炭消費控制在58%以下；雖然我國天然氣的消費量近十幾年來一直呈現(xiàn)快速增長趨勢，2019年消費量達3073億立方米，但在一次能源消費中的占比僅為5.9%，大大低于世界平均值；另外，“十三五”規(guī)劃要求通過合理布局天然氣銷售網絡和服務設施，以民用、發(fā)電、交通和工業(yè)等領域為著力點，實施天然氣消費的提升行動。按國家推廣低碳能源的一系列規(guī)劃和部署，我國鑄鐵熔化應該積極推廣天然氣化鐵技術。
按鑄造協(xié)會的統(tǒng)計，我國2019年鑄鐵件的產量為3495萬噸（其中灰鐵2040萬噸、球鐵1395萬噸、可鍛鑄鐵60萬噸）。考慮到鑄件總出品率因素，出目前我國鐵液的年熔化量不小于4200萬噸。表2分析了幾種不同的鑄鐵熔化爐熔化4200萬噸鐵液，每年所產生的二氧化碳量，其中感應電爐實際排放的二氧化碳最多。積極推廣純氧天然氣回轉爐和天然氣沖天爐，有利于大幅度減少我國鑄鐵業(yè)的二氧化碳排放量。數(shù)據(jù)分析表明，用感應電爐熔化鑄鐵，大幅度增加了我國二氧化碳的排放量。
表2 不同熔化爐生產4200萬噸鐵液的二氧化碳排放量
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熔化爐種類 |
燃料單位消耗 |
燃料用量 |
單位燃料產生的CO2 |
二氧化碳年產量 |
備注 |
|
燃焦沖天爐 |
鐵焦比8 |
焦炭525萬噸 |
3.67kg/kg(見表1) |
1636萬噸 |
固定碳按85%估算 |
|
感應電爐 |
600KWh/噸鐵 |
電2520000萬KWh |
0.883kg/KWh注 |
2226萬噸 |
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(見表1) |
495萬噸 |
按純甲烷估算 |
|
純氧天然氣回轉爐 |
70立方米/噸 |
天然氣2.94億立方米 |
1.964kg/m3(見表1) |
577萬噸 |
按純甲烷估算 |
注：當前火力發(fā)電，每330克發(fā)1kWh電，330克煤燃燒即生成1.21kg的二氧化碳；由于我國當前火力發(fā)電量約占發(fā)電總量的73%（見表3），因此可以折合計算出每度電產生0.883kg二氧化碳。
表3 2015年我國電力生產狀況 []
|
發(fā)電類型 |
火電 |
水電 |
核電 |
風電與太陽能發(fā)電 |
總計 |
|
發(fā)電量/ （億千瓦時) |
42420.4 |
11264.2 |
1707.9 |
2713.3 |
58105.8 |
|
占比/% |
73.00 |
20.01 |
2.94 |
4.67 |
100 |
通過以上數(shù)據(jù)可知。目前我國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,而且增加了有關污染物的排放量。我國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爐。即大型流水線生產鑄鐵廠應該積極推廣天然氣沖天爐和電爐雙聯(lián)熔化，小型鑄鐵廠應該積極推廣純氧天然氣回轉化鐵爐，以實現(xiàn)有效減少鑄鐵熔煉二氧化碳減排的目的。
表4為常見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)計值
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熔化方式及 其排放項目 |
普通燃焦沖天爐 |
外熱風水冷燃焦沖天爐+電爐雙聯(lián) |
感應電爐 |
天然氣沖天爐+電爐雙聯(lián) |
純氧天然氣回轉爐 |
備注 |
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|
焦炭/（kg） |
140 |
125 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
電力/（KWh） |
熔化或者保溫 |
0 |
110 |
600 |
110 |
0 |
|
|
機械動力消耗 |
35 |
45 |
20 |
30 |
20 |
含鼓風機和除塵風機、加料機、液壓站等 |
|
|
合計 |
35 |
155 |
620 |
140 |
20 |
|
|
|
天然氣/（m3） |
0 |
0 |
0 |
60 |
70 |
|
|
|
陶瓷球/kg |
0 |
0 |
0 |
12 |
0 |
|
|
|
氧氣/m3 |
0 |
0 |
0 |
15 |
145 |
|
|
2.純氧天然氣回轉爐的環(huán)保性
純氧天然氣回轉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，純氧天然氣回轉化鐵爐產生的粉塵量小、爐渣量少、幾乎不排放二氧化硫和氧化氮，尾氣的儲量也最小，在環(huán)境友好性方面存在明顯的優(yōu)勢。
表5 幾種熔化爐熔化1噸鑄鐵所排放的廢棄物量
|
熔化方式及 其排放項目 |
普通燃焦沖天爐 |
外熱風水冷燃焦沖天爐+雙聯(lián)電爐 |
感應電爐 |
天然氣沖天爐+電爐雙聯(lián) |
純氧天然氣回轉爐 |
|
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 |
|
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量的5倍計；
注2：尾氣中的氧氣殘留的體積濃度按7%計；
注3：按《鑄造防塵技術規(guī)程 GB8959-2007》推薦值計。
純氧天然氣回轉爐在污染治理設備的投資和運行費用方面，也具有明顯的經濟性。純氧天然氣回轉爐的尾氣處理量最少，因此除塵設備的運轉費最低。如果使用的金屬爐料比較潔凈，在不使用除塵設備的情況下，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，尾氣在進入除塵設備前，其中粉塵的濃度在200mg/m3以下，有利于減少除塵設備的投資和運行費用。另外，純氧回轉化鐵爐的尾氣中，基本不含二氧化硫和氧化氮，不需要配置尾氣脫硫、脫硝設備。
3.純氧天然氣回轉爐的經濟性
表6中對比了純氧天然氣回轉化鐵爐和其它熔化爐的熔化成本。由于天然氣和焦炭價格的變化，燃焦沖天爐已經不是目前熔化成本最低的熔化方式，感應電爐也已經不是成本最高的熔化方式。由于天然氣市場價格的連續(xù)走低，純氧天然氣回轉化鐵爐在降低鑄鐵熔化成本方面已經有了明顯的優(yōu)勢，外熱風水冷爐的熔化成本目前最高。
表6 當前幾種熔化爐熔化1噸鑄鐵的燃料與其它費用
|
熔化方式 |
普通燃焦沖天爐 |
外熱風水冷燃焦沖天爐+電爐雙聯(lián) |
感應電爐 |
天然氣沖天爐+電爐雙聯(lián) |
純氧天然氣回轉爐 |
能源和其它物料的當前單價 |
|
焦炭/元 |
434 |
387.5 |
0 |
0 |
0 |
按3100元/噸計 |
|
電力/元 |
28 |
124 |
496 |
112 |
16 |
按0.8元/KWh計 |
|
天然氣/元 |
0 |
0 |
0 |
132 |
154 |
按2.2元/m3計 |
|
氧氣/元 |
0 |
0 |
0 |
18 |
174 |
按1.2元/m3計 |
|
陶瓷球/元 |
0 |
0 |
0 |
102 |
0 |
按8.5元/kg計 |
|
以上合計/元 |
462 |
511.5 |
496 |
364 |
344 |
|
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費用排序 |
中等 |
最高 |
次高 |
次低 |
最低 |
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純氧天然氣回轉化鐵爐除了上述成本優(yōu)勢外，還有其他方面的經濟優(yōu)勢。例如，不需要儲存焦炭的庫房，球鐵鑄造廠免去了鐵液脫硫涉及的費用，等等。
純氧天然氣回轉化鐵爐在目前能源價格下的熔化成本最低，值得大家關注。在鑄鐵廠、特別是小型鑄鐵廠推廣這種新型低碳熔化爐，對于保護環(huán)境、提高工廠效益有重要意義。
