天然气熔铁炉的环保性与经济性

2016-11-26王录才吉守勤殷黎丽

铸造设备与工艺 2016年5期

关键词：电炉铸铁电费

张　明，王录才，吉守勤，殷黎丽，杨　彬

（1.威海科兴铸造机械有限公司，山东威海264200；2.太原科技大学，山西太原030024；3.太原钢城企业有限公司，山西太原030003；4.包头职业技术学院，内蒙古包头014000）

天然气熔铁炉的环保性与经济性

张明1，王录才2，吉守勤3，殷黎丽4，杨彬4

介绍了天然气冲天炉、纯氧天然气回转化铁炉的环保性与经济性。使用这两种熔铁炉，可达到有效减少铸铁熔炼炉二氧化碳排放量的目的，其基本熔化费用也低于电炉熔化。

天然气冲天炉；纯氧天然气回转化铁炉；铸铁熔化；铸造

天然气冲天炉、天然气纯氧回转化铁炉，因其突出的环保性能正受到人们的热切关注，但这两种熔铁炉熔化铸铁的成本一般总高于燃焦冲天炉，但低于感应电炉。我国1970年代出现过的旧式天然气化铁炉、附加天然气的燃焦冲天炉，因其不具备经济或环保方面的优越性，本文不作介绍。

表1　常见烃类燃料的碳含量及其燃烧生成的二氧化碳量

1　二氧化碳排放与低碳燃料

1997年召开的联合国气候大会通过的《京都议定书》中控制的温室气体为：二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等六种。在总的温室效应中二氧化碳的作用约占一半，因此二氧化碳的排放量成为世界各国关注的焦点。我国目前二氧化碳的年排放量及其增长率居全世界第一，承受着减少二氧化碳排放的巨大国际压力。

燃料燃烧生成二氧化碳的量与燃料的化学成分有关。常见的烃类燃料利用其中氢、碳两种元素的燃烧生成水、二氧化碳产生热量。氢气和碳元素是烃类燃料中的两个极端，氢燃烧生成水而不生成二氧化碳，碳完全燃烧生成二氧化碳而不生成水。含碳量低的烃类燃料，燃烧后生成的二氧化碳量少，近些年开始被称为低碳燃料。

表1归纳了常见的几种烃类燃料的含碳量、单位燃烧热所对应的二氧化碳量、以及二氧化碳与燃料的质量比。由表1可知，甲烷是碳含量最低的烃类燃料，单位燃烧热对应的二氧化碳排放量最低，仅为碳的44.2%（49.42/111.8）.甲烷即天然气中的最主要成分，逐步提高我国工业燃料中天然气的消费比例，可降低二氧化碳的排放量，减缓世界气候变化的速度。

为了延缓全球气候变暖、减少二氧化碳的排放量，2012年10月，国家发改委、能源局发布了《天然气发展“十二五”规划》，我国天然气的消费量计划在2015年达到2300亿m3[1].国家发改委2013年1月发布的《能源发展“十二五”规划》中说明，2015年我国天然气在一次能源消费中的比重将提高到7.5%、煤炭的比重将控制在65%以内[2]。

据英国BP公司统计[3]，2014年我国煤炭在一次能源消费中的占比为66.03%，高于世界平均值（30%）的两倍多。虽然我国天然气的消费量近十几年来一直呈现快速增长趋势，2014年消费量达1 855亿m3，但在一次能源消费中的占比仅为5.61%，大大低于该年世界平均值（23.71%）.

我国自2004年以来天然气的消费量见图1. 2014年全世界天然气消费量最大的国家仍然是美国（7 594亿m3）、第二仍为俄罗斯（4 092亿m3），我国排名第三、伊朗第四（1 702亿m3、日本第五（1125亿m3）.据国家发改委经济运行调节局公告[4]，2015年我国天然气消费量为1 932亿m3，距离“十二五”规划中2015年计划达到2 300亿m3的消费目标，有368亿立方米之差。也就是说，我国“十二五”规划中，天然气的计划消费目标并未达成。

图1　我国2004年至今的天然气年消费量

2　我国铸铁业二氧化碳减排的出路

我国2014年铸铁件的产量为3 380万t（其中灰铁2 080万t、球铁1 240万t、可锻铸铁60万t），如果铸件出品率按80%计，可大致推算出目前我国铁液的年熔化量约为4 200万t.表2分析了燃焦冲天炉和天然气熔铁炉熔化4 200万t铁液，所产生的二氧化碳量，两者相差约1 140万t.积极推广天然气熔铁炉，有利于大幅度减少我国铸铁业的二氧化碳排放量。

表2　燃焦与天然气熔铁炉的二氧化碳排放量对比

顺便说明，即便目前的4 200万t铁液全部用天然气熔铁炉熔化，每吨消耗60 m3天然气，所需的2.5亿m3天然气，仅占2015年全国天然气消费总量的千分之一多（1.23‰）.因此不必担心在我国推广天然气熔铁炉后，会对国内的天然气供应造成冲击，导致天然气价格的飙升。另外近两年，我国，特别是我国北方地区，天然气的供求关系为供大于求，各个天然气供应商正在极力推销天然气。

2005年《京都议定书》生效后，我国铸铁厂越来越多地用感应电炉替代了燃焦冲天炉，电炉熔化能够减少我国的二氧化碳排放吗？答案是否定的。

我国2015年火力发电量占发电总量的73.0%（见表3），即73.0%的电力来源于煤炭。表4分析了熔化4 200万t铁液，分别为用燃焦冲天炉和电炉熔化所消耗煤炭的量。前者消耗煤炭540万t，后者消耗煤炭658万t，两者相差达118万t.用电炉熔化铸铁比燃焦冲天炉需消耗更多的煤炭，如果火电在发电总量中的占比按73%、标准煤含碳量按90%计，电炉化铁所排放的二氧化碳达2 172万t，高于燃焦冲天炉530多万t.

表3　2015年我国电力生产状况[5]

表4　燃焦冲天炉与电炉熔化的煤炭消费量对比

用电炉替代燃焦冲天炉，将铸铁业二氧化碳排放转嫁给电力行业，不仅不能减少二氧化碳、二氧化硫的总排放量，而且增加了有关污染物的排放量。我国铸铁熔化的二氧化碳和二氧化硫减排，希望在于天然气熔铁炉。大型流水线生产铸铁厂使用天然气冲天炉，小型铸铁厂使用纯氧天然气回转化铁炉，可达到有效减少铸铁熔炼炉二氧化碳排放量的目的。

3　天然气熔铁炉的环保性能

天然气熔铁炉除了可以明显减少二氧化碳排放外，还具有其他环保方面的优越性。表5比较了常见几种铸铁熔化方式，熔化1 t金属炉料所排放的废气、废渣等污染物的量。

表5　天然气熔铁炉与其他熔化炉环保性能的对比

4　天然气熔铁炉的经济性

目前的天然气熔铁炉，包括天然气冲天炉和纯氧天然气回转化铁炉两种，分别说明如下。

4.1天然气冲天炉的基本熔化费用

天然气冲天炉熔化铸铁除消耗天然气外，还需一定量的氧气，水冷炉栅上的陶瓷球（可用焦炭代替）需按一定比例随金属炉料不断补充。另外，天然气冲天炉需要与电炉双联，需要消耗一定电能。为了对比天然气冲天炉与燃焦冲天炉、电炉的熔化费用，本文引用了“基本费用”一词。

天然气冲天炉熔化铸铁的基本费用，与所在地天然气、氧气、电力的价格有关、与陶瓷球的售价有关。目前全国天然气的单价在2.0元/m3～3.6元/m3之间，氧气的单价在0.6元/m3～1.0元/m3之间，国产陶瓷球的售价在2.0元/kg～2.5元/kg，电价在0.8元/kW·h左右。表6按照我国天然气、氧气、陶瓷球、电力的一般价格，核算了天然气冲天炉熔化铸铁的基本费用，同时与燃焦冲天炉、燃焦冲天炉与电炉双联等熔化方式做了对比，供参考。

4.2纯氧天然气回转炉的基本熔化费用

表6中列出了纯氧天然气回转化铁炉熔化的基本费用。该炉以天然气为燃料，以氧气助燃，炉温可以达到2 700℃左右，其使用性能非常接近于感应电路，可以在炉内调节铁液成分，不需与电炉双联。该炉不仅可以熔化灰铁、球铁、可锻铸铁、合金铸铁，也可以熔化铜合金、铝合金和其他有色合金。相对于感应电炉，小型铸造厂使用纯氧天然气回转化铁炉具有明显的经济性。

我国大部分地区工业企业的电力计费，均存在着“基础电费”问题。如果变压器的容量超过315（或320）kVA，工厂除了向供电企业交纳“计量电费”外，还必须按23元/（月·kVA）～28元/（月·kVA）向供电企业交纳基础电费。手工造型、单班生产的小型铸铁厂、造型和浇注间隔时间特殊的铸铁厂、定单或生产不稳定的铸铁厂，使用电炉熔化必须涉及的基础电费，成为这些铸铁厂沉重的额外负担。如果他们使用纯氧天然气回转化铁炉，则无基础电费的额外负担问题。

山东潍坊某小型铸造厂生产球铁管箍，原来用燃焦冲天炉熔化，后应环保要求改为中频电炉熔化，每月约熔化铁液110 t.为了减少电费支出，用晚间0.33元/度的“谷电”熔化，每吨铁液平均耗电650度。该厂电炉变压器的容量为800kVA（申报容量为750 kVA），基础电费28元/（月·kVA）.该厂的计量电费约为110×650×0.33=23 595元，基础电费为750×28=21 000元，电费共计44 595元，该厂单位铁液电费合4 05.4元/t.这类小型铸造厂，特别适合使用纯氧天然气回转化铁炉。

某铸铁厂生产造纸机械所用的烘缸，年产量在1.5万t左右，单个铸件一般在15 t左右，最大的达50 t，每批铸件地坑造型一般需要4天时间，但浇注只需要1天。这类造型周期长、生产制度特殊的铸铁厂，也非常适合使用纯氧天然气回转化铁炉，如果使用电炉熔化，铸件的生产成本将因基础电费而大幅度增加。

在表6中可以看出，在铸铁的五种方式中，感应电炉熔化的基本费用最高、燃焦冲天炉最低，天然气熔铁炉居中。

除了熔化基本费用外，天然气熔铁炉在污染治理设备的投资和运行费用方面，也具有明显的经济性。例如，天然气冲天炉和纯氧回转化铁炉，如果使用的金属炉料比较洁净，在不使用除尘设备的情况下，尾气中粉尘的浓度在10 mg/m3左右，接近于城市大气中的粉尘浓度；如果炉料洁净程度差，尾气在进入除尘设备前，其中粉尘的浓度在200 mg/m3以下，有利于减少除尘设备的投资和运行费用。另外，天然气冲天炉和纯氧回转化铁炉的尾气中，基本不含二氧化硫，纯氧回转化铁炉的尾气中不含氮氧化物，不需要尾气脱硫、脱硝设备。