純氧天然氣回轉爐的環保性與經濟性(新版)

點擊次數:   更新時間:21/04/19 15:47:04     來源:www.tsyyb.cn關閉

純氧天然氣回轉爐的環境友好性與經濟性

山東鐵戈爐業有限公司  呂榮伏

威??婆d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據,說明了純氧天然氣回轉爐的環境友好能優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  環境友好性  熔化成本

純氧天然氣回轉化鐵爐的環境友好性能明顯優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,本文通過具體的統計數據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。“BP世界能源統計年鑒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。

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

燃料

燃料中碳的質量分數/%

化學反應式

燃料標準燃燒熱/(kJ/mol)

單位對應的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

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,國家發改委、能源局發布了《天然氣發展“十二五”規劃》,我國天然氣的消費量計劃在2015年達到2300億立方米[]。2013年1月發布的《能源發展“十二五”規劃》中,規劃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月發布的《能源發展“十三五”規劃》[]中,規劃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、發電、交通和工業等領域為著力點,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。

按鑄造協會的統計,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)??紤]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的二氧化碳排放量。數據分析表明,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。

2  不同熔化爐生產4200萬噸鐵液的二氧化碳排放量

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

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:當前火力發電,每330克發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電量約占發電總量的73%(見表3),因此可以折合計算出每度電產生0.883kg二氧化碳。

3  2015年我國電力生產狀況 []

發電類型

火電

水電

核電

風電與太陽能發電

總計

發電量/ 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

通過以上數據可知。目前我國普遍用電爐替代燃焦沖天爐,將鑄鐵業二氧化碳的排放轉嫁給了電力行業,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,以實現有效減少鑄鐵熔煉二氧化碳減排的目的。

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。

4  幾種熔化爐熔化1噸鑄鐵的燃料和其它消耗統計值

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

感應電爐

天然氣沖天爐+電爐雙聯

純氧天然氣回轉爐

備注

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,還具有其它環保方面的優越性。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??梢钥闯?,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,在環境友好性方面存在明顯的優勢。

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+雙聯電爐

感應電爐

天然氣沖天爐+電爐雙聯

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

4000Nm3/t【1】

1440Nm3/t【2】

800Nm3/t【8】

950Nm3/t【2】

315Nm3/t【2】

1:普通沖天爐的尾氣處理量按送風量的5倍計;

2:尾氣中的氧氣殘留的體積濃度按7%計;

3:按《鑄造防塵技術規程 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

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

感應電爐

天然氣沖天爐+電爐雙聯

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

氧氣/元

0

0

0

18

174

按1.2元/m3

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

 

費用排序

中等

最高

次高

次低

最低

 

純氧天然氣回轉化鐵爐除了上述成本優勢外,還有其他方面的經濟優勢。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,對于保護環境、提高工廠效益有重要意義。

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