山東鐵戈?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輻射、導(dǎo)致地球表面變暖的氣體。“京都議定書”中規(guī)定控制的溫室氣體包括二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、氫氟碳化合物（HFC_s） 、全氟碳化合物（PFC_s）、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，我國政府在行動(dòng)。
　　我國鑄鐵熔化爐在“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討論并向大家匯報(bào)我們在此方面所做的一些努力。
　　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年我國煤炭、石油、天然氣的消費(fèi)量推算，我國2015年二氧化碳的排放量不低于100億噸，達(dá)到甚至超過了全世界二氧化碳排放總量的30%、高居世界前列，政府高度重視包括二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體排放問題，2016年10月27日國務(wù)院發(fā)布了“‘十三五’控制溫室氣體排放工作方案”，規(guī)劃了我國“十三五”期間低碳能源革命、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)行全國碳排放權(quán)交易市場，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)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。國家發(fā)改委辦公廳2015年4月公布的常見燃料二氧化碳的排放因子見表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（見表1）。

燃料	單位	排放因子	焦炭和天然氣的折算排放因子
煤炭	噸CO2/噸標(biāo)煤	2.64	2.79kgCO2/kg焦炭[注1]
石油	噸CO2/噸標(biāo)煤	2.08
天然氣	噸CO2/噸標(biāo)煤	1.63	2.00kg CO2/m3天然氣[注1]
全國電力平均	kgCO2/kWh	0.6590[注2]

　　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)，通過熱值折算所得。
　　注2:青海電力排放因子低（0.2323）、內(nèi)蒙古高(0.9292)，全國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)多為65m³/t；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%。按照國家發(fā)改委2015年采用的有關(guān)計(jì)算方法，可以證明天然氣回轉(zhuǎn)爐和天然氣沖天爐，具有非常突出的二氧化碳減排特性。

熔化方式	CO2排放因子	噸鐵燃料用量	CO2排放量/(kg/t)
感應(yīng)電爐	0.659kg/kWh電力	650kWh電力/t[注]	428.35
燃焦沖天爐	2.79kg/kg焦炭	125kg焦炭/t	348.75
天然氣沖天爐	2.00kg/m3天然氣	65m3天然氣/t	130
天然氣回轉(zhuǎn)爐	2.00kg/m3天然氣	80m3天然氣/t	160

　　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（NO₂）的排放量也大大低于燃焦沖天爐，優(yōu)于感應(yīng)電爐。基于天然氣化鐵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)于我國鑄鐵業(yè)的長期可持續(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利好，核電的進(jìn)一步發(fā)展可為感應(yīng)電爐帶來利好，但在可預(yù)期的“十三五”甚至“十四五”期間，天然氣回轉(zhuǎn)爐和天然氣沖天爐是我國鑄鐵熔化二氧化碳減排的現(xiàn)實(shí)選擇。
　　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)國家已有約五十余年的應(yīng)用歷史，特別適合于我國眾多的中小鑄鐵廠使用。我國2015年包括灰鐵、球鐵、可鍛鑄鐵在內(nèi)的鑄鐵產(chǎn)量為3380萬噸，占全世界鑄鐵總產(chǎn)量的46%；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)量僅為1754噸。我國幅員廣闊、工業(yè)門類多且發(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)山東各地的中小鑄造廠進(jìn)行過一次調(diào)查，在目前山東的中小鑄造廠里，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“國內(nèi)外鑄造合金及其熔煉發(fā)展概況”一文中指出：“目前國外盛行的非焦化鐵爐是回轉(zhuǎn)爐。美、蘇等國不僅生產(chǎn)中采用，而且有專門的公司生產(chǎn)這種爐子銷售，容量從0.5噸到70噸^[9]”。我國已故沖天爐專家劉幼華先生，1985年在“國內(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，這是國外應(yīng)用廣泛的一種非焦化鐵爐。美、英等國有專門公司生產(chǎn)和銷售這種爐子，在日本、澳大利亞、荷蘭、蘇聯(lián)、瑞士和法國等都有工使用^[10]”。
　　3.回轉(zhuǎn)爐的研制和試驗(yàn)
　　山東鐵戈?duì)t業(yè)有限公司在黨和國家二氧化碳減排旗幟的指引下，為滿足我國廣大中小鑄造廠生存發(fā)展的迫切需要，2015年10月開始了與意大利某公司的多輪艱難談判，于2016年3月以356萬歐元引進(jìn)了該公司的純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐技術(shù)。2016年4月開始，在國內(nèi)數(shù)個(gè)行業(yè)多位技術(shù)專家的熱情幫助和支持下，開始了天然氣回轉(zhuǎn)爐的研制。2016年9月研制成功了國內(nèi)首臺(tái)3噸天然氣回轉(zhuǎn)爐，并在山東章丘泰隆機(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)的國外標(biāo)準(zhǔn)，測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。
　　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。天然氣回轉(zhuǎn)爐熔化鑄鐵的過程包括以下六個(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)鐵液過熱：爐料初熔后不久，該爐即進(jìn)入鐵液過熱階段。鐵液過熱期間，燒嘴以大功率加熱，爐體單一方向快速回轉(zhuǎn)。

　　(5)鐵液測試：當(dāng)目視鐵液溫度達(dá)到出鐵要求時(shí)，用熱電偶或紅外測溫儀測量測量鐵水溫度、用三角試片或爐前熱分析儀測量鐵液成分。
　　(6)出鐵和澆注：如果鐵液溫度和成分符合要求，打開出鐵口出鐵并澆注鑄件。
　　通過百余爐次的熔化試驗(yàn)和測試，我公司參考國外技術(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月通過了山東省技術(shù)監(jiān)督局的審定，成為我國公開發(fā)布的回轉(zhuǎn)爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使我國該項(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。

序號(hào)	項(xiàng)目	單位	數(shù)值	備注
1	爐體鐵液容量	t	3
2	鐵液出爐溫度	℃	1400～1450	高達(dá)到過1510℃
3	噸鐵天然氣用量	m3/t	～80	灰口鑄鐵
4	噸鐵氧氣用量	m3/t	～160
5	鐵燒損的質(zhì)量分?jǐn)?shù)	%	1～3
6	碳燒損的質(zhì)量分?jǐn)?shù)	%	20～30
7	硅燒損的質(zhì)量分?jǐn)?shù)	%	20～25
8	錳燒損的質(zhì)量分?jǐn)?shù)	%	25～30
9	除塵系統(tǒng)處理風(fēng)量	Nm3/h	1800

　　我們懂得，開發(fā)一個(gè)嶄新的產(chǎn)品需要很長時(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，要做的工作還有很多。我們希望今后在鑄造協(xié)會(huì)的指引下，凝聚全國所有一切積極力量、群策群力，為發(fā)展對(duì)我國鑄鐵業(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，希望專家學(xué)者們研究討論并不吝賜教，深表謝忱！