天然氣熔鐵爐的環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性

張　明，王錄才，吉守勤，殷黎麗，楊　彬

（1.威?？婆d鑄造機(jī)械有限公司，山東威海264200；2.太原科技大學(xué)，山西太原030024；3.太原鋼城企業(yè)有限公司，山西太原030003；4.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014000）

天然氣熔鐵爐的環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性

張明1，王錄才2，吉守勤3，殷黎麗4，楊彬4

（1.威?？婆d鑄造機(jī)械有限公司，山東威海264200；2.太原科技大學(xué)，山西太原030024；3.太原鋼城企業(yè)有限公司，山西太原030003；4.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014000）

介紹了天然氣沖天爐、純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐的環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性。使用這兩種熔鐵爐，可達(dá)到有效減少鑄鐵熔煉爐二氧化碳排放量的目的，其基本熔化費(fèi)用也低于電爐熔化。

天然氣沖天爐；純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐；鑄鐵熔化；鑄造

天然氣沖天爐、天然氣純氧回轉(zhuǎn)化鐵爐，因其突出的環(huán)保性能正受到人們的熱切關(guān)注，但這兩種熔鐵爐熔化鑄鐵的成本一般總高于燃焦沖天爐，但低于感應(yīng)電爐。我國(guó)1970年代出現(xiàn)過(guò)的舊式天然氣化鐵爐、附加天然氣的燃焦沖天爐，因其不具備經(jīng)濟(jì)或環(huán)保方面的優(yōu)越性，本文不作介紹。

表1　常見(jiàn)烴類(lèi)燃料的碳含量及其燃燒生成的二氧化碳量

1　二氧化碳排放與低碳燃料

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)。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，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。氫氣和碳元素是烴類(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歸納了常見(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%（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。

為了延緩全球氣候變暖、減少二氧化碳的排放量，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m3[1].國(guó)家發(fā)改委2013年1月發(fā)布的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中說(shuō)明，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)[2]。

據(jù)英國(guó)BP公司統(tǒng)計(jì)[3]，2014年我國(guó)煤炭在一次能源消費(fèi)中的占比為66.03%，高于世界平均值（30%）的兩倍多。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)，2014年消費(fèi)量達(dá)1 855億m3，但在一次能源消費(fèi)中的占比僅為5.61%，大大低于該年世界平均值（23.71%）.

我國(guó)自2004年以來(lái)天然氣的消費(fèi)量見(jiàn)圖1. 2014年全世界天然氣消費(fèi)量最大的國(guó)家仍然是美國(guó)（7 594億m3）、第二仍為俄羅斯（4 092億m3），我國(guó)排名第三、伊朗第四（1 702億m3、日本第五（1125億m3）.據(jù)國(guó)家發(fā)改委經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)節(jié)局公告[4]，2015年我國(guó)天然氣消費(fèi)量為1 932億m3，距離“十二五”規(guī)劃中2015年計(jì)劃達(dá)到2 300億m3的消費(fèi)目標(biāo)，有368億立方米之差。也就是說(shuō)，我國(guó)“十二五”規(guī)劃中，天然氣的計(jì)劃消費(fèi)目標(biāo)并未達(dá)成。

圖1　我國(guó)2004年至今的天然氣年消費(fèi)量

2　我國(guó)鑄鐵業(yè)二氧化碳減排的出路

我國(guó)2014年鑄鐵件的產(chǎn)量為3 380萬(wàn)t（其中灰鐵2 080萬(wàn)t、球鐵1 240萬(wàn)t、可鍛鑄鐵60萬(wàn)t），如果鑄件出品率按80%計(jì)，可大致推算出目前我國(guó)鐵液的年熔化量約為4 200萬(wàn)t.表2分析了燃焦沖天爐和天然氣熔鐵爐熔化4 200萬(wàn)t鐵液，所產(chǎn)生的二氧化碳量，兩者相差約1 140萬(wàn)t.積極推廣天然氣熔鐵爐，有利于大幅度減少我國(guó)鑄鐵業(yè)的二氧化碳排放量。

表2　燃焦與天然氣熔鐵爐的二氧化碳排放量對(duì)比

順便說(shuō)明，即便目前的4 200萬(wàn)t鐵液全部用天然氣熔鐵爐熔化，每噸消耗60 m3天然氣，所需的2.5億m3天然氣，僅占2015年全國(guó)天然氣消費(fèi)總量的千分之一多（1.23‰）.因此不必?fù)?dān)心在我國(guó)推廣天然氣熔鐵爐后，會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)的天然氣供應(yīng)造成沖擊，導(dǎo)致天然氣價(jià)格的飆升。另外近兩年，我國(guó)，特別是我國(guó)北方地區(qū)，天然氣的供求關(guān)系為供大于求，各個(gè)天然氣供應(yīng)商正在極力推銷(xiāo)天然氣。

2005年《京都議定書(shū)》生效后，我國(guó)鑄鐵廠越來(lái)越多地用感應(yīng)電爐替代了燃焦沖天爐，電爐熔化能夠減少我國(guó)的二氧化碳排放嗎？答案是否定的。

我國(guó)2015年火力發(fā)電量占發(fā)電總量的73.0%（見(jiàn)表3），即73.0%的電力來(lái)源于煤炭。表4分析了熔化4 200萬(wàn)t鐵液，分別為用燃焦沖天爐和電爐熔化所消耗煤炭的量。前者消耗煤炭540萬(wàn)t，后者消耗煤炭658萬(wàn)t，兩者相差達(dá)118萬(wàn)t.用電爐熔化鑄鐵比燃焦沖天爐需消耗更多的煤炭，如果火電在發(fā)電總量中的占比按73%、標(biāo)準(zhǔn)煤含碳量按90%計(jì)，電爐化鐵所排放的二氧化碳達(dá)2 172萬(wàn)t，高于燃焦沖天爐530多萬(wàn)t.

表3　2015年我國(guó)電力生產(chǎn)狀況[5]

表4　燃焦沖天爐與電爐熔化的煤炭消費(fèi)量對(duì)比

用電爐替代燃焦沖天爐，將鑄鐵業(yè)二氧化碳排放轉(zhuǎn)嫁給電力行業(yè)，不僅不能減少二氧化碳、二氧化硫的總排放量，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和二氧化硫減排，希望在于天然氣熔鐵爐。大型流水線(xiàn)生產(chǎn)鑄鐵廠使用天然氣沖天爐，小型鑄鐵廠使用純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐，可達(dá)到有效減少鑄鐵熔煉爐二氧化碳排放量的目的。

3　天然氣熔鐵爐的環(huán)保性能

天然氣熔鐵爐除了可以明顯減少二氧化碳排放外，還具有其他環(huán)保方面的優(yōu)越性。表5比較了常見(jiàn)幾種鑄鐵熔化方式，熔化1 t金屬爐料所排放的廢氣、廢渣等污染物的量。

表5　天然氣熔鐵爐與其他熔化爐環(huán)保性能的對(duì)比

4　天然氣熔鐵爐的經(jīng)濟(jì)性

目前的天然氣熔鐵爐，包括天然氣沖天爐和純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐兩種，分別說(shuō)明如下。

4.1天然氣沖天爐的基本熔化費(fèi)用

天然氣沖天爐熔化鑄鐵除消耗天然氣外，還需一定量的氧氣，水冷爐柵上的陶瓷球（可用焦炭代替）需按一定比例隨金屬爐料不斷補(bǔ)充。另外，天然氣沖天爐需要與電爐雙聯(lián)，需要消耗一定電能。為了對(duì)比天然氣沖天爐與燃焦沖天爐、電爐的熔化費(fèi)用，本文引用了“基本費(fèi)用”一詞。

天然氣沖天爐熔化鑄鐵的基本費(fèi)用，與所在地天然氣、氧氣、電力的價(jià)格有關(guān)、與陶瓷球的售價(jià)有關(guān)。目前全國(guó)天然氣的單價(jià)在2.0元/m3～3.6元/m3之間，氧氣的單價(jià)在0.6元/m3～1.0元/m3之間，國(guó)產(chǎn)陶瓷球的售價(jià)在2.0元/kg～2.5元/kg，電價(jià)在0.8元/kW·h左右。表6按照我國(guó)天然氣、氧氣、陶瓷球、電力的一般價(jià)格，核算了天然氣沖天爐熔化鑄鐵的基本費(fèi)用，同時(shí)與燃焦沖天爐、燃焦沖天爐與電爐雙聯(lián)等熔化方式做了對(duì)比，供參考。

4.2純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐的基本熔化費(fèi)用

表6中列出了純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐熔化的基本費(fèi)用。該爐以天然氣為燃料，以氧氣助燃，爐溫可以達(dá)到2 700℃左右，其使用性能非常接近于感應(yīng)電路，可以在爐內(nèi)調(diào)節(jié)鐵液成分，不需與電爐雙聯(lián)。該爐不僅可以熔化灰鐵、球鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵，也可以熔化銅合金、鋁合金和其他有色合金。相對(duì)于感應(yīng)電爐，小型鑄造廠使用純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。

我國(guó)大部分地區(qū)工業(yè)企業(yè)的電力計(jì)費(fèi)，均存在著“基礎(chǔ)電費(fèi)”問(wèn)題。如果變壓器的容量超過(guò)315（或320）kVA，工廠除了向供電企業(yè)交納“計(jì)量電費(fèi)”外，還必須按23元/（月·kVA）～28元/（月·kVA）向供電企業(yè)交納基礎(chǔ)電費(fèi)。手工造型、單班生產(chǎn)的小型鑄鐵廠、造型和澆注間隔時(shí)間特殊的鑄鐵廠、定單或生產(chǎn)不穩(wěn)定的鑄鐵廠，使用電爐熔化必須涉及的基礎(chǔ)電費(fèi)，成為這些鑄鐵廠沉重的額外負(fù)擔(dān)。如果他們使用純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐，則無(wú)基礎(chǔ)電費(fèi)的額外負(fù)擔(dān)問(wèn)題。

山東濰坊某小型鑄造廠生產(chǎn)球鐵管箍，原來(lái)用燃焦沖天爐熔化，后應(yīng)環(huán)保要求改為中頻電爐熔化，每月約熔化鐵液110 t.為了減少電費(fèi)支出，用晚間0.33元/度的“谷電”熔化，每噸鐵液平均耗電650度。該廠電爐變壓器的容量為800kVA（申報(bào)容量為750 kVA），基礎(chǔ)電費(fèi)28元/（月·kVA）.該廠的計(jì)量電費(fèi)約為110×650×0.33=23 595元，基礎(chǔ)電費(fèi)為750×28=21 000元，電費(fèi)共計(jì)44 595元，該廠單位鐵液電費(fèi)合4 05.4元/t.這類(lèi)小型鑄造廠，特別適合使用純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐。

某鑄鐵廠生產(chǎn)造紙機(jī)械所用的烘缸，年產(chǎn)量在1.5萬(wàn)t左右，單個(gè)鑄件一般在15 t左右，最大的達(dá)50 t，每批鑄件地坑造型一般需要4天時(shí)間，但澆注只需要1天。這類(lèi)造型周期長(zhǎng)、生產(chǎn)制度特殊的鑄鐵廠，也非常適合使用純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐，如果使用電爐熔化，鑄件的生產(chǎn)成本將因基礎(chǔ)電費(fèi)而大幅度增加。

在表6中可以看出，在鑄鐵的五種方式中，感應(yīng)電爐熔化的基本費(fèi)用最高、燃焦沖天爐最低，天然氣熔鐵爐居中。

除了熔化基本費(fèi)用外，天然氣熔鐵爐在污染治理設(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。例如，天然氣沖天爐和純氧回轉(zhuǎn)化鐵爐，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10 mg/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200 mg/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，天然氣沖天爐和純氧回轉(zhuǎn)化鐵爐的尾氣中，基本不含二氧化硫，純氧回轉(zhuǎn)化鐵爐的尾氣中不含氮氧化物，不需要尾氣脫硫、脫硝設(shè)備。

表6　天然氣熔鐵爐與其他熔化爐基本熔化費(fèi)用的對(duì)比

天然氣熔鐵爐除了環(huán)保方面的成本優(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。

［1］國(guó)家發(fā)改委，能源局.天然發(fā)展”十二五”規(guī)劃［EB/OL］.［2016-05-12］.http：//wenku.baidu.com/view/f69dd80dcc1755270722086f. html.

［2］國(guó)家發(fā)改委.能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃［EB/OL］.［2014-03-02］. http：//wenku.baidu.com/view/0b33a03fa32d7375a4178019.html.

［3］BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2015［EB/OL］.［2016-05-12］.http：// www.bp.com/zh_cn/china/reports-and-publications/_bp_2015. html.

［4］國(guó)家發(fā)改委經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)節(jié)局.2015年天然氣運(yùn)行簡(jiǎn)況［EB/OL］.［2016-01-22］.http：//yxj.ndrc.gov.cn/gjyx/201601/t20160122_776235. html.

［5］國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.2015年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［EB/OL］.［2016-02-29］.http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201602/t2016022 9_1323991.html.

［6］中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.能源：能源加工轉(zhuǎn)化效率［EB/ OL］.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2015，［2016-05-12］.http：//www.stats.gov. cn/tjsj/ndsj/2015/indexch.html.

［7］中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)信息部.中電聯(lián)發(fā)布全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)（2011年）［EB/OL］.［2016-05-12］.http：//www.cec.org.cn/xinxifabu/ 2012-01-13/78769.html.

TG232

A

1674-6694（2016）05-0001-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.05.001

2016-04-21

張明（1958-），男，高級(jí)工程師，主要從事沖天爐技術(shù)的研究。