我國沖天爐的現(xiàn)狀與展望

張耀文，王錄才，張 明

（1.中國刑事警察學院，遼寧 沈陽 110000；2.太原科技大學，山西 太原 030024；3.威?？婆d鑄造機械有限公司，山東 威海 264200）

沖天爐是一種優(yōu)秀的鑄鐵熔化設備，自我國清代末年從發(fā)達國家引進，在我國至少已有150 年的應用歷史，為發(fā)展我國的民族工業(yè)曾立下過不朽的功勛。沖天爐比感應電爐節(jié)省能源、二氧化碳排放量少、余熱回收利用的潛力大，同時爐料的適應性強、所生產(chǎn)出的鑄鐵的品質更為優(yōu)良。但自2008 年至今，我國大范圍淘汰和拆除了技術落后、對環(huán)境造成很大污染的沖天爐，堪稱中國鑄造行業(yè)的一個重大事件，值得研究和探討。本文回顧了我國淘汰和拆除沖天爐的過程，扼要分析了淘汰和拆除原因，探討了我國沖天爐技術未來的發(fā)展方向。

1 我國沖天爐的現(xiàn)狀

在“中國知網(wǎng)[1]”的搜索框輸入“沖天爐”，可以搜索到該主題的所有論文。按年度分析，1981 年到1991 年11 年間，每年有關沖天爐的論文均超過了100 篇，2013 年以后，該主題的論文數(shù)量銳減，2020年的論文數(shù)量僅有32 篇，其中包含了14 篇外文期刊刊載的論文。年度論文數(shù)量反映了大家的研究興趣，1981 年到1991 年11 年間堪稱中國沖天爐繁花似錦的春天，當前則屬其嚴寒的冬季。

中國沖天爐遭遇的窘態(tài)與兩份國際協(xié)議有關。1997 年12 月11 日《京都議定書》在日本京都通過，這是人類歷史上第一個限制溫室氣體排放的國際公約，中國政府于1998 年5 月29 日簽署了該公約，沖天爐此后進入了蕭瑟的秋季?！栋屠鑵f(xié)定》是2015 年12 月12 日在巴黎氣候變化大會上通過的一個國際協(xié)議，中國政府于2016 年4 月22 日在紐約簽署了該協(xié)議，中國沖天爐此后步入了嚴寒的冬季。

中國鑄造協(xié)會及其專家委員會于2017 年曾對全國沖天爐的數(shù)量進行過一次調查和測算，2015 年全國大小沖天爐的數(shù)量在14 000 臺左右（見表1）[2].2016 年，我國熔化率10 t/h 以上的沖天爐為120 臺套左右[3]。2021 年初所進行的一次準確調查和統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，止2020 年12 月底，中國大陸境內熔化率10 t/h 以上的沖天爐為308 臺，一些鑄造工作者為此扼腕嘆息。

表1 中國鑄造協(xié)會對2015 年我國沖天爐數(shù)量的測算

為了客觀記錄我國大范圍淘汰拆除沖天爐這一重要歷史事件，通過最大可能搜尋全國各地自2008 年以后的所有公開報道，并整理如下。

中國大陸淘汰沖天爐的首份文字記錄，見之于2008 年初《表面工程資訊》的一篇報道，即中國兵器工業(yè)集團公司表示，該集團從2008 年起，將用3 年時間淘汰“沖天爐、含氰電鍍等1 530 臺套落后工藝設備[4]”。在該報道中，沖天爐被首次定義為“落后工藝設備”。應該在此說明，沖天爐是一種有悠久歷史的鑄鐵熔煉設備，該集團將其籠統(tǒng)地歸入“落后工藝設備”，作者認為不符合科學精神。

2014 年底，針對當時開始拆除熔化率小于3 t/h和大于10 t/h 的沖天爐、沖天爐全面退出鑄造行業(yè)的現(xiàn)狀，杜蕓代表中國鑄造協(xié)會在《鑄造縱橫》發(fā)表了“沖天爐到底惹了誰？”一文；文中引用李傳栻、張伯明、房貴如、溫平等人提供的數(shù)據(jù)和觀點，批評了當時各地不加分析拆除沖天爐的現(xiàn)象[5]。值得一提的是，我國著名鑄造專家馬敬仲在2016 年和2019年連續(xù)發(fā)表了一系列為沖天爐鼓與呼的文章[6-8]。2018 年9 月26 日～29 日中國鑄造協(xié)會在煙臺召開了全國“節(jié)能環(huán)保型沖天爐鑄鐵熔煉經(jīng)驗交流會”，希望為沖天爐正名，“保衛(wèi)沖天爐”。但遺憾的是，這一系列呼吁和行動，未能阻擋住沖天爐在我國急劇減少的頹敗局面。

2012 年12 月28 日，浙江省淘汰辦、省經(jīng)信委、省質量技監(jiān)局、省環(huán)保廳等四部門發(fā)布了“浙江省淘汰落后生產(chǎn)能力指導目錄（2012 年本）[9]”，沖天爐赫然在該目錄中，這是我國第一個給沖天爐冠以“淘汰落后”名義的省級機關出臺的文件。浙江省從此開始了有計劃拆除境內沖天爐的行動，至今前后延續(xù)了七年。此后的2013 年12 月，浙江溫嶺報道了城南鎮(zhèn)拆除沖天爐的消息[10]；2015 年4 月，永康市共關停鑄造企業(yè)276 家，淘汰沖天爐等落后生產(chǎn)設備、生產(chǎn)線1 100 多臺（套）[11]；2015 年6 月底，縉云縣所有沖天爐已全部強制停運并陸續(xù)拆除[12]；2017 年7 月，武義縣布置淘汰拆除沖天爐工作[13]；《寧波日報》2019 年1 月18 日透露：北侖區(qū)仍有8家鑄造企業(yè)違規(guī)使用沖天爐等落后設備[14]。按浙江省經(jīng)濟和信息化廳“關于2019 年浙江省鑄造產(chǎn)能清單（第三批）的通告”，浙江省1 165 個鑄造企業(yè)中，當時僅有8 臺沖天爐[15]。按目前搜尋到的公開文件，浙江省自2012 年底到2020 年用七年時間有計劃、有步驟地拆除了境內的絕大多數(shù)沖天爐、特別是其中污染嚴重的小型沖天爐。該省淘汰拆除沖天爐時間較早、計劃性較強、對被拆企業(yè)有一定經(jīng)濟補償，相關行動有相對完整的文字報道。

江蘇省淘汰并拆除沖天爐始于2017 年年初，行動的計劃性也比較強、比較規(guī)范，納入了該省的“263 專項行動”，即“兩減六治三提升專項行動”，該行動是江蘇省委和省政府于2016 年年底，為了解決江蘇省環(huán)境問題制定的行動代號[16]。2017 年4 月，徐州市銅山區(qū)柳泉鎮(zhèn)“雷霆行動”，強拆生產(chǎn)車間、鐵皮大棚、沖天爐、干選水泥操作臺等設備基礎40多處[17]；2019 年8 月，江蘇省環(huán)境保護廳公示了華西泰克西公司拆除兩臺15 t/h 外熱風水冷爐、建造電爐的建設項目環(huán)境影響報告表[18]；2018 年9 月11日，泰州市海陵區(qū)出重拳在全鎮(zhèn)開展鑄造業(yè)沖天爐取締工作[19]；2020 年10 月21 日，溧陽市工信局稱[20]：“截止到2018 年10 月，我市已完成7 家企業(yè)3 t及3 t 以下沖天爐的淘汰工作，淘汰率100%”；2018年11 月，常州中關村拆除了震宇機械、遠達鑄造等廠的3 臺沖天爐及其相關生產(chǎn)設備[21]；2018 年12月19 日，姜堰市婁莊鎮(zhèn)拆除了全鎮(zhèn)27 個鑄造廠的沖天爐[22]；2020 年12 月15 日，海安市工信局公告了海安奧禹公司拆除兩臺5 t/h 沖天爐、2 臺0.5 t 中頻電爐[23]。

《湖南日報》2017 年8 月17 日報道[24]，湖南省經(jīng)信委以“省淘汰落后產(chǎn)能和企業(yè)兼并重組工作領導小組辦公室”名義下發(fā)緊急通知，要求各市、州政府對2013 年以來淘汰落后產(chǎn)能公告企業(yè)開展“回頭看”，對轄區(qū)內存在的不符合產(chǎn)業(yè)政策的小高爐、礦熱爐、沖天爐等落后工藝設備開展摸底排查和整改。該報道透露，湖南省在2013 年即已將沖天爐列為“淘汰落后產(chǎn)能”。2018 年8 月31 日，湖南鑄造之鄉(xiāng)、“江南鑄都”郴州嘉禾縣已拆除了其境內261 座5 t/h 以下的沖天爐[25]。

浙江、江蘇和湖南以外其他省份淘汰和拆除沖天爐的省級行動，未見之于公開報道。

河北省淘汰或拆除沖天爐的行動開始于2014年或2015 年。定州東宇鑄造有限公司于2014 年9月，公開了該公司“電爐替代沖天爐改造項目建設項目環(huán)境影響報告表”，稱：“對照《產(chǎn)業(yè)結構調整指導目錄（2011 年本）》（2013 年修正版）現(xiàn)有工程使用的沖天爐屬于第二類限制類中‘十一機械，第35條5 t/h 及以下短爐齡沖天爐’，不符合產(chǎn)業(yè)政策要求，需要技術改造[26]；2015 年3 月，安陽縣人民政府辦公室發(fā)布了“關于2015 年鑄造行業(yè)淘汰落后工藝裝備的通知[27]”，其中的“落后產(chǎn)能”指熔化率≤5 t/h的沖天爐，要求在2015 年3 月20 日前，拆除15 個鑄造廠的19 臺5 t/h 沖天爐，并要求“拆除落后裝備主體和配套電機、基座、上料機等附屬設施，落后裝備拆除后做銷毀處理”；2015 年4 月，泊頭市淘汰3 t/h及以下所有沖天爐[28]；2015 年5 月18 日，滄州市富鎮(zhèn)提出：“淘汰3 t/h 及以下所有沖天爐，鼓勵企業(yè)自行關?；蜣D電爐生產(chǎn)”，“對淘汰、關停、取締鑄造企業(yè)的沖天爐一律強制拆除”；寧晉縣在2017 年5 月2日前，共拆除境內沖天爐51 臺[29]；河北省雞澤縣生態(tài)環(huán)境分局辦公室2017 年6 月13 日透露，該縣拆除沖天爐的數(shù)量為132 臺[30]。

安徽省淘汰和拆除沖天爐的行動只能見到一些零星報道。比如，2015 年4 月，合肥江淮鑄造有限責任公司以濃郁的感情色彩“永遠的沖天爐”為題，報道該廠拆除2005 年7 月所建的兩臺套7 t/h 水冷長爐齡沖天爐[31]；2020 年7 月，合肥市經(jīng)濟和信息化局公示了“2020 年二季度合肥市鋼鐵冶煉、軋鋼及鑄造企業(yè)名單”，該公示涉及合肥市83 個大小鑄造企業(yè)，其中只有三個停產(chǎn)企業(yè)共有4 臺沖天爐[32]。2019 年6 月18 日，安徽省宣城市經(jīng)濟和信息化局公示了“宣城市中晟鑄造有限公司技改項目產(chǎn)能置換方案”，該方案涉及中晟鑄造有限公司2019 年6月拆除1 臺8 t/h 沖天爐、建造2 臺2 t 中頻感應電爐[33]。以此可以大致推測，安徽拆除沖天爐或者開始于2017 年略前一些時間。

河南省淘汰和拆除沖天爐行動的記錄也不多，該省的有關行動很可能開始于2016 年。安陽市于2016 年“投入約1.4 億元，拆除3 t/h 及以下沖天爐230 座，3 t/h至7 t/h沖天爐77 座[34]”；河南省工信廳2020 年12 月17 日公布了“2019 年河南省第二批鑄造行業(yè)產(chǎn)能清單公示[35]”。該公示顯示，截止2019年底，河南省第二批公示的312 個鑄造企業(yè)中，共有沖天爐7 臺，容量最大的為20 t/h，最小的為5 t/h，其中平頂山市有10 t/h 沖天爐4 臺。

山東省拆除沖天爐的行動應始于2016 年。2016 年6 月，博山鎮(zhèn)對轄區(qū)相關鑄造企業(yè)下達了《鑄造企業(yè)整改通知書》，要求按照市、區(qū)要求于5日內自行拆除沖天爐[36]。臨沂于2016 年6 月開始拆除其境內的沖天爐。臨清于2017 年3 月開始拆除其境內的沖天爐。2017 年3 月2 日，山東省濰坊市坊子區(qū)政府發(fā)布了“淘汰落后工藝設備（沖天爐）的通知[37]”。高密高鍛機械有限公司在2020 年12 月30 日前拆除8 t/h 沖天爐、12 t/h 沖天爐各1 套[38]。山東臨清拆除沖天爐的行動在2017 年3 月～4 月之間。圖1 所示為在此期間拍攝的某小型鑄造廠被拆除的沖天爐。

圖1 山東臨清某鑄造廠（攝于2017 年3 月17 日）

2018 年12 月18 日，吉林省四平市工業(yè)和信息化局在其網(wǎng)站上公布了“關于2018 年淘汰落后產(chǎn)能工作情況的報告”[39]，其中透露：“梨樹縣沖天爐較多，目前已完成兩批落后產(chǎn)能退出公示，已拆除2戶企業(yè)的沖天爐設備，剩余10 戶沖天爐設備不符合淘汰落后產(chǎn)能綜合標準的企業(yè)已交由梨樹縣人民政府，預計年底前完成退出工作?！?/p>

重慶拓仕達電氣有限公司2020 年2 月15 日在其網(wǎng)站“行業(yè)新聞”欄目稱[40]：重慶市“截至目前，全市303 家、共324 座7 t/h 以下鑄造沖天爐已全部拆除到位?！?/p>

2020 年12 月17 日，廣東省肇慶市生態(tài)環(huán)境局高要分局公示了該區(qū)“力達機械有限公司技改、擴建項目環(huán)境影響評價文件”的審批結果。該審批涉及力達機械有限公司拆除原有的燃焦炭沖天爐、新增1 套1 t 的變頻感應電爐[41]。

山西省原有沖天爐數(shù)量較多，但其淘汰和拆除沖天爐的行動未見之于省級的公開報道，但可以查到地市級的報道。例如：高平市關于“打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)2020 年決戰(zhàn)計劃”中稱：“2020 年6 月底前，全市2 家鑄造3 臺（10 t/h 以及以下）沖天爐全部淘汰”。另外，晉中市太谷區(qū)和山西華翔股份有限公司淘汰和拆除沖天爐的時間和結果，或者可以說明山西省的情況。晉中市太谷區(qū)曾在2010 年前后強制關停過大概300 個左右年產(chǎn)量小于1 萬噸的小型鑄造廠，淘汰和拆除過不少小型沖天爐，將區(qū)內400 多個鑄造廠整頓為100 多個。據(jù)2020 年底對晉中市太谷區(qū)閻峰兵的電話采訪，該區(qū)2020 年8 月開始拆除區(qū)內所有沖天爐，拆除前區(qū)內有大小沖天爐134 臺套，其中有10 臺套容量10 t/h 及其以上的沖天爐。至該年的年底，已拆除大小沖天爐108 臺套，計劃在2021 年3 月份以前、除計劃保留2 臺套天然氣試驗爐外，拆除境內所有沖天爐。另外，至該年的年底，該區(qū)共有感應電爐486 臺套，為了滿足感應電爐的用電需求，新建成和在建變電站4 座，包括1 座220 MVA、3 座110 MVA 變電站。另據(jù)2020年底對山西華翔集團股份公司宋建輝的電話采訪，該集團原有的3 組6 臺熔化率15 t/h 沖天爐、1 組2臺熔化率10 t/h 沖天爐，停用于2019 年3 月，破壞性拆除于2020 年8 月。

遺憾的是，北京、上海、天津、遼寧、黑龍江、內蒙古、寧夏、甘肅、西寧、西藏、新疆、陜西、四川、貴州、云南、福建等省淘汰和拆除沖天爐的有關行動未見之公開報道。

客觀地說，近幾年被有關部門強制淘汰和拆除的沖天爐，絕大多屬于污染物排放不達標、甚至未配置污染治理設備、確實對環(huán)境造成了很大污染的沖天爐。但作者認為2008 年至2020 年期間，有些部門不加分析地將沖天爐列入“落后工藝設備”和“落后產(chǎn)能”，沒有科學依據(jù)；淘汰沖天爐的行為給我國鑄鐵業(yè)的發(fā)展造成了不可彌補的損失。

生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、財政部等四部委于2019 年7 月1 日聯(lián)合發(fā)布了《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》（環(huán)大氣〔2019〕56號文件）[42]，其中規(guī)定：“加快推動鑄造（10 t/h 及以下）、巖棉等行業(yè)沖天爐改為電爐?！蓖瑫r規(guī)定：“沖天爐應配備袋式除塵、濾筒除塵等高效除塵設施；配備脫硫設施，重點區(qū)域配備石灰石石膏法等脫硫設施?！毙枰⒁獾氖牵鲜鏊牟课⑽窗褯_天爐視為“落后工藝設備”、“落后產(chǎn)能”。

在此順便說明各地淘汰沖天爐的另外一個重要原因，即電爐熔化鑄鐵的成本目前低于沖天爐。由于2008 年以來，焦炭市場價格持續(xù)走高，沖天爐熔化的成本在多數(shù)地區(qū)已失去了原有的成本優(yōu)勢，因此一些鑄造廠主動淘汰和拆除配置有污染治理設備、可以達標排放的沖天爐。環(huán)境保護和熔化的成本問題，是我國沖天爐近些年步入寒冬的兩個主要原因。但還是應該客觀地說，在嚴冬中凋零的絕大多數(shù)沖天爐確實屬于技術落后、對環(huán)境造成嚴重污染的落后設備。濰坊柴油機廠、玫德集團和長春一汽等鑄鐵企業(yè)未雨綢繆，建的數(shù)臺外熱風水冷沖天爐，猶如萬里冰雪中的幾枝傲雪紅梅，指引迷茫在風雪中的人們前進的方向。

2 我國沖天爐展望

中國沖天爐經(jīng)歷嚴冬之后靠什么迎來風和日麗的春天？筆者以為，我國沖天爐遭遇的環(huán)境保護和成本危機，應該歸因于技術的止步不前，只有研究、學習和開發(fā)先進的沖天爐技術，才能改變沖天爐當前的窘態(tài)。我國沖天爐技術的未來發(fā)展，應該著眼于以下“五化”方向。

2.1 污染物零排放或稱超低化

我國沖天爐自2008 年至今之所以遭遇凜冽的嚴冬，首先應該歸因于絕大多數(shù)沖天爐對環(huán)境造成的嚴重污染，先找沖天爐本身的問題。污染物、特別是氣相污染物的排放能否達到有關標準，是我國沖天爐能否生存的先決條件。氣相污染物達標排放屬于最起碼要求，在此基礎上，應該研發(fā)氣相污染物的零排放或稱超低排放有關新技術。

除了繼續(xù)氣相污染物的研究外，應擴大污染物排放控制的研究范圍，例如，加強沖天爐粉塵、爐渣和風機噪聲污染的研究。玫德集團和煙臺冰輪等鑄造廠，在沖天爐爐渣資源化利用方面已經(jīng)取得的經(jīng)驗，值得大家研究、總結和學習。

毋庸諱言，沖天爐到底對環(huán)境造成了什么污染，造成多大污染，至今仍是一本糊涂賬。沖天爐污染物檢測技術的落后，很大程度上限制了沖天爐的發(fā)展空間。因此建議今后逐步擴大沖天爐所排放污染物的檢測范圍，每臺沖天爐均應建立污染物檢測排放檔案。對于新建沖天爐，除了檢測煙塵、二氧化硫、氮氧化物等以外，應該按機械產(chǎn)品“型式檢驗”的規(guī)范，檢測氣相污染物中的重金屬（鉛、汞、鈹?shù)龋┖俊⒍喹h(huán)芳烴類有機物的含量，特別注意檢測其中的苯并（a）芘和二惡英含量，沖天爐煙塵和爐渣中重金屬的含量也應該進行全面檢測。檢測沖天爐的污染物，需要引進先進的儀器儀表，規(guī)定相應的檢測方法。

2.2 容量大型化

國家四部委于2019 年7 月1 日聯(lián)合發(fā)布的56號文件，之所以對10 t/h 及其以下的沖天爐提出限制性要求，是因為小型沖天爐的能耗、單位污染物的處理費用均大大高于大型沖天爐，因此有關限制存在一定的合理性。值得注意的是，即便是外熱風沖天爐，其能源利用效率仍不到50%，可以進一步利用余熱鍋爐回收蒸汽和熱水，甚至利用余熱發(fā)電機組回收電能，等等。但有關余熱回收技術只有用于大型沖天爐才有經(jīng)濟價值，大型化是發(fā)展我國沖天爐先進技術的基礎條件。

沖天爐大型化的首要問題不在于技術，而在于市場對鐵液需求的大量化。曾有人提出過在鑄造產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設大型沖天爐熔化中心的構想，但據(jù)筆者了解，多地鑄造產(chǎn)業(yè)園已經(jīng)擱置或放棄了該構想。例如，山西晉城南村綠色智能鑄造創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園，原計劃建設大型天然氣沖天爐熔化中心，河北隆堯汽車產(chǎn)業(yè)園也曾計劃建設大型燃焦沖天爐熔化中心，但這兩項計劃目前均止步未前。目前大家看到了通過鑄造園區(qū)實現(xiàn)我國沖天爐大型化的途徑，但所涉及的一系列技術和商業(yè)問題尚未有人做過深入研究。比如，沖天爐熔化中心生產(chǎn)的鐵液用什么方式經(jīng)濟、安全地輸送到園區(qū)內的各個鑄造廠，熔化中心與園區(qū)內各鑄造廠的鐵液如何實現(xiàn)產(chǎn)量的平衡，用什么經(jīng)濟方式才能建立起熔化中心與各鑄造廠之間的牢固關系，等等。另外，鑄造園的沖天爐熔化中心存在著沖天爐與高爐的技術競爭問題。在鑄造園區(qū)建設以高爐為核心的鐵液熔化中心，顯然比沖天爐更為經(jīng)濟。我國沖天爐容量的大型化，首先在于尋求市場對其大型化的需求。但不管怎么說，大型化是我國沖天爐技術發(fā)展的重要方向，需要聯(lián)合包括鑄造、能源、法律、經(jīng)濟、社會和環(huán)境保護等學科在內的專家，對其做深入細致的研究。

值得特別注意的是，大型化的目的在于提高沖天爐的能源利用效率及經(jīng)濟性，但我國在大型沖天爐及其配套技術方面，目前尚未完成有關無技術的準備。比如加料機屬沖天爐最簡單的配套設備，但國產(chǎn)的較大型沖天爐的加料機，其加料循環(huán)數(shù)低、批料量過大，導致熱風系統(tǒng)中的燃燒室不能穩(wěn)定工作。另外，大型沖天爐復雜一些的配套技術，可能仍然需要引進，比如，大型沖天爐的余熱發(fā)電機組、大型沖天爐所需的大流量低噪聲離心引風機等。

2.3 燃料多樣化

按目前的能源價格測算，天然氣沖天爐和電爐雙聯(lián)已屬目前最經(jīng)濟的鑄鐵熔化方式，因此需關注沖天爐的燃料多樣化。筆者對我國鑄鐵熔化設備的建議為：3 t/h 以下的沖天爐用感應電爐替代，3 t/h～15 t/h 的沖天爐應該提倡天然氣燃料，10 t/h～20 t/h以上的沖天爐提倡焦炭燃料。

提出上述建議是基于能源的利用效率及其投資回報率。天然氣沖天爐尾氣在加料口處的溫度只有200 ℃～300 ℃，其中不存在一氧化碳類的化學潛熱，沒有太大的回收利用價值，不需復雜的余熱回收設備，系統(tǒng)投資額度小，適合于中小型鑄鐵廠使用。燃焦沖天爐的尾氣中包含大量的熱能，配套復雜的余熱回收設備、提高其能源利用效率，可以得到較高的經(jīng)濟回報。

另外，除了焦炭、天然氣和丙烷氣外，沖天爐也可以選擇柴油、煤油等液體燃料。沖天爐到底使用哪一種燃料，應該在符合有關法律的前提下，綜合分析其經(jīng)濟和社會效益，尊重有關鑄造廠的決策。而且以行政命令干預沖天爐燃料選擇的現(xiàn)狀，應該盡快結束。

2.4 能源利用梯級化

“中國知網(wǎng)”的查詢結果表示，我國工業(yè)爐窯余熱梯級回收的概念，本世紀初首先出現(xiàn)于鋼鐵行業(yè)。筆者記得，在2006 年夏季在天津召開的一次鑄造會議上，有會議代表曾在大會發(fā)言中提出過以鉀-鈉熱管回收熱風、以水銀熱管回收蒸汽、以水熱管回收熱水，三梯級回收沖天爐余熱的概念和構想。但筆者尚未找到該會議的論文集、沒有發(fā)現(xiàn)該代表發(fā)言的文字記錄。燃焦沖天爐的尾氣中所包含的物理顯熱和化學潛熱，占焦炭理論熱值的50%以上，僅回收其中的熱能獲得熱風顯然還不夠。我國沖天爐應該引入梯級回收尾氣余熱的概念，梯級回收尾氣中和其他部分的熱能。

濰柴和長春一汽在2014 年前后引進的外熱風沖天爐，實際上已經(jīng)包含著梯級回收尾氣余熱的要素，這兩臺沖天爐回收尾氣余熱獲得熱風后，配置的余熱鍋爐可以進一步回收熱水用于職工洗浴。玫德集團的外熱風沖天爐配置的余熱鍋爐，目前并入了當?shù)責犭姀S的供熱管網(wǎng)，可以常年向社會供熱，創(chuàng)造了國內沖天爐梯級利用沖天爐余熱的寶貴經(jīng)驗。

在熱風后繼續(xù)回收尾氣中的余熱獲得蒸汽或熱水，可以用于冬季供熱，但這種余熱利用的途徑有季節(jié)性，夏季生產(chǎn)的蒸汽或者熱水無法得到合理使用。因此，沖天爐梯級回收尾氣余熱最有希望的途徑是余熱發(fā)電。

美國《沖天爐手冊》介紹了意大利某鑄造廠沖天爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)[43]，供參考：“在袋式除塵器上游安裝一臺以導熱油為介質的余熱鍋爐產(chǎn)生熱水，然后通過有機蘭金循環(huán)、英文簡稱ORC（Organic Rankine Cycle），利用沖天爐尾氣的余熱發(fā)電。圖2所示為有機蘭金循環(huán)渦輪發(fā)電的技術示意圖，其中渦輪機的運行溫度在100 ℃～250 ℃之間，運行中采用了一種蒸發(fā)溫度比較合適的有機液體介質。首先提前壓縮并預熱有機液體，然后利用爐氣的熱量蒸發(fā)該有機液體，有機液體蒸發(fā)、體積膨脹驅動渦輪并產(chǎn)生電力。三班連續(xù)生產(chǎn)的30 t/h 沖天爐能夠生成2 MW 的電力”。

圖2 有機蘭金循環(huán)（ORC）余熱發(fā)電原理

30 t/h 外熱風水冷爐包括鼓風機、加料機、冷卻水循環(huán)和消煙除塵部分等在內的電力裝機總容量約為1.2 MW，也就是說，有機金蘭循環(huán)余熱發(fā)電機組所產(chǎn)生的電力，不僅可以滿足沖天爐的全部電力需求，還可以向鑄造廠的其他設備供電。

梯級回收沖天爐尾氣中的余熱，是沖天爐的經(jīng)濟性優(yōu)于感應電爐的潛在優(yōu)勢，也是我國沖天爐技術進步的重要方向。

2.5 控制系統(tǒng)的數(shù)字和智能化

沖天爐控制系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化，即基于數(shù)字信息處理技術，通過計算機網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等進行沖天爐的自主或自動控制。其中，數(shù)字化是智能化的基礎和去前提條件。圖3 所示為濰柴進口的35 t/h 外熱風水冷爐中央控制室中的一個監(jiān)控界面，從其中可以看出，該爐的爐體部分、尾氣燃燒室、熱風換熱器、爐氣冷卻和余熱鍋爐、袋式除塵器等密布儀器、儀表，其中任何一項運行參數(shù)均數(shù)字化地及時反映到了中央控室，所有的運行參數(shù)均有記錄、可追溯。該控制系統(tǒng)是我國沖天爐數(shù)字化控制系統(tǒng)的重要參考。依靠上世紀90年代飛速發(fā)展起來的數(shù)字化和智能化儀表，利用國內技術構建類似于甚至優(yōu)于圖3 所示的控制系統(tǒng)，目前不存在任何難以逾越的技術障礙。沖天爐控制數(shù)字化可能涉及設計者對控制系統(tǒng)的理解和認識，同時涉及用戶對控制系統(tǒng)的投資意愿。對于復雜重要的外熱風水冷沖天爐控制系統(tǒng)，設計者和用戶均只要轉變觀念，便可以實現(xiàn)沖天爐控制的全面數(shù)字化，為智能化控制創(chuàng)造條件。

圖3 濰柴35 t/h 爐的一個監(jiān)控界面

需要注意的是，沖天爐控制系統(tǒng)檢測的數(shù)字化儀器儀表和其他電器元器件的選擇，需要特別注意其工作條件和環(huán)境，其中的流量儀表需要注意空氣、爐氣和冷卻水中存在或可能存在的粉塵和其他異物。重要的壓力、溫度和流量監(jiān)測點需要配置雙儀表，互為備份，防止單一儀表損壞導致嚴重后果。

在沖天爐控制數(shù)字化的基礎上智能化從何處起步？筆者建議：在現(xiàn)有的集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱DCS）或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System 簡稱FCS）中，首先搭載“風焦控制模塊”，從風量和焦炭的加入量的自動控制開啟沖天爐智能化的進程。風焦控制模塊從初級版起步，逐步提升為中級和高級版。初級版僅對風焦的操作提供趨勢性的建議，由爐工確定具體的操作參數(shù)；中級版本提供風焦的具體操作參數(shù)，由爐工決定是否執(zhí)行；高級版本則脫離爐工，對沖天爐的風焦參數(shù)進行自主控制。

沖天爐風焦控制模塊的工作原理是什么？沖天爐的爐氣成分靈敏地反映了焦炭的燃燒狀態(tài)，檢測尾氣的成分，結合沖天爐的熔化率（即單位時間內的加料量）和鐵液溫度，便可以判斷沖天爐的當前風量和底焦高度是否適當。在送風量和焦炭加入量兩個參數(shù)中，批焦一般為固定值，需要系統(tǒng)判斷和控制的不過是爐況特別異常時，要不要加接力焦和接力焦加多少？需要控制系統(tǒng)經(jīng)常性調節(jié)的參數(shù)只有風量一項，比如通過變頻器增大或者減小風量。由此可以看出，對沖天爐的風焦實現(xiàn)自動或者準自動控制，系統(tǒng)必須配置爐氣成分在線檢測儀。

濰柴股份和長春一汽近些年進口的三臺外熱風水冷沖天爐，來自美國的沖天爐采用FCS 和西門子S7-300 系列PLC；來自歐盟的沖天爐為DCS，采用西門子S7-400 系列PLC，這三套控制系統(tǒng)無一例外地均配置了爐氣成分在線數(shù)字化檢測儀，但尚無沖天爐風焦控制功能。圖4 所示為爐氣成分在線數(shù)字化檢測儀的工作原理圖，僅供參考。

圖4 爐氣在線數(shù)字化檢測儀工作原理示意圖

表2 為不同燃燒比下爐氣中主要氣體（CO、CO2、N2）成分，供選用爐氣成分數(shù)字化檢測儀測量范圍參考。

表2 沖天爐焦炭燃燒所產(chǎn)主要爐氣成分（體積分數(shù)，%）

沖天爐風焦的智能化控制，減少了沖天爐對爐工的依賴性，降低了沖天爐的能源消耗、提高了運行的穩(wěn)定性。另外，沖天爐鐵液成分的智能化控制，也是需要進一步深入研究的課題。

3 結語

我國偉大的民主主義先行者孫中山先生，1916年9 月15 日去浙江海寧觀看錢江大潮，心情澎湃，有感于袁世凱復辟失敗、抑郁亡故，回上海后為海寧縣立乙種商科學校題寫了“世界潮流，浩浩蕩蕩，順之者昌，逆之者亡”的千古名言。孫先生104 年前題寫的這十六個字，也適合于我國沖天爐的現(xiàn)狀，如果想當固步自封的“洪憲皇帝”則難逃被淘汰的命運。遵照國家的戰(zhàn)略部署，積極發(fā)展我國的外熱風沖天爐并不斷發(fā)掘其潛在優(yōu)勢、研制較高技術標準的沖天爐及其附屬設備、子系統(tǒng)，我國沖天爐必定迎來繁花似錦的春天！