加快我國研究推廣天然氣化鐵技術步伐的建議

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加快我國研究推廣天然氣化鐵技術步伐的建議

山東鐵戈爐業有限公司  呂榮伏

【摘要】介紹了天然氣化鐵技術及其國內的發展現狀,指出了感應電爐化鐵涉及的二氧化碳增排問題,提出了天然氣化鐵關系我國鑄鐵業可持續發展的觀點,針對加快我國天然氣化鐵的技術的研究推廣步伐,提出了包括成立全國技術推進小組、列入國家戰略性新興產業重點產品目錄、國家提供資金和技術支持等一系列建議。

【關鍵詞】二氧化碳減排  天然氣化鐵 感應電爐 鑄鐵熔化

2016年9月3日全國人大批準我國加入《巴黎協定》,各地環保部門從此以前所未有的姿態加大了各工業部門控制溫室氣體排放的力度,我國鑄造業面臨巨大的二氧化碳減排壓力。加快我國研究和推廣天然氣化鐵技術的步伐,關系國家二氧化碳減排戰略、關系我國鑄鐵業的發展戰略、關系到全國萬余個鑄鐵廠的存亡、關系全國百萬鑄造一線勞動者的生計,重要而緊迫。

1.天然氣及其天然氣化鐵技術簡介

天然氣屬于碳氫類燃料中含碳量最低的化石類能源。據國家發改委經濟運行調節局公告,2015年我國天然氣消費量為1932億立方米,距離“十二五”規劃中2015年達到2300億立方米的消費目標尚有368億立方米之差[]。國家發改委、國家能源局2016年12月26日發布的《能源發展“十三五”規劃》中,指出了我國當前天然氣的供應、消費形勢并給出了政策導向:“天然氣消費市場亟需開拓。天然氣消費水平明顯偏低與供應能力階段性富余問題并存,需要盡快拓展新的消費市場[]。也就是說,在“十三五”以至于今后更長時間內,以全局觀念看,我國不存在天然氣量的供應不足問題,我國具備在更大的工業領域使用天然氣能源的物質條件。

天然氣化鐵是以天然氣為能源熔化鑄鐵的一種技術,包括天然氣沖天爐、純氧天然氣回轉爐兩項技術。在工業發達國家,天然氣沖天爐已有一百多年的應用歷史,純氧天然氣回轉爐有約五十年的應用歷史,兩項技術均屬于高度成熟的工業實用技術。天然氣沖天爐屬于鑄鐵的連續性熔化設備,一般需要與保溫電爐組成雙聯熔化系統,適合于大批大量流水線生產的鑄造廠。純氧天然氣回轉爐屬于間歇性熔化設備,爐溫和鐵液溫度可以達到很高的程度,不需要與電爐雙聯,特別適合于我國廣大的中小鑄造廠使用。這兩種天然氣化鐵設備相互配合,可以滿足我國各類鑄造廠的需要。該類設備熔化每噸鑄鐵的能源消耗見表1。

1 天然氣化鐵設備的噸鐵能源消耗

熔化爐類型

噸鐵天然氣量

噸鐵氧氣量

噸鐵用電量

備注

天然氣沖天爐

65m3/t

15m3/t

55kWh/t

含雙聯保溫電爐用電

純氧天然氣回轉爐

50m3/t

120m3/t

0.8kWh/t

指有余熱回收的回轉爐

在我國鑄造業研究推廣天然氣化鐵技術,有利于大幅度減少鑄造行業二氧化碳溫室氣體的排放量,大幅度減少二氧化硫和氮氧化物的排放、減少霧霾天氣,保護大氣環境。

2008年以來,我國個別鑄造廠從國外曾引進過這兩種設備,取得了保護環境的積極效果。另外,自2008年以來,我國包括山東鐵戈爐業有限公司、威??婆d鑄造機械有限公司、山西礦大干燥設備有限公司、河北雞澤虹光鑄造有限等在內、先后有十多個單位和個人,在引進和學習國外先進技術的基礎上,研究開發過天然氣沖天爐、純氧天然氣回轉爐,取得了一定技術成果和經驗,為我國推廣天然氣化鐵技術奠定了一定的技術基礎。

2.感應電爐導致的二氧化碳增排

2015年全世界二氧化碳的排放總量為321億噸[]。按《BP世界能源統計年鑒2016》公布的2015年中國煤炭、石油、天然氣等一次能源的消費量[]推算,我國2015年二氧化碳的排放量在100億噸左右,達到甚至超過了全世界二氧化碳排放總量的30%、高居世界第一。我國政府高度重視包括二氧化碳在內的溫室氣體排放問題,2016年10月27日國務院發布了“‘十三五’控制溫室氣體排放工作方案(國發〔2016〕61號)”,部署了我國“十三五”期間低碳引領能源革命、打造低碳產業體系、推動城鎮化低碳發展、加快區域低碳發展、建設和運行全國碳排放權交易市場,等十項低碳發展戰略[]。

2005年《京都議定書》生效至今,我國新建和已有鑄造廠普遍不再采用燃焦沖天爐、而改用感應電爐化鐵。感應電爐能減少鑄鐵熔化的二氧化碳排放嗎?答案是否定的。

國家發改委辦公廳2015年4月公布了常見燃料二氧化碳的排放因子[],按此算法可以推算出感應電爐是鑄鐵熔化二氧化碳排放量最大的熔化爐,其二氧化碳的排放量是燃焦沖天爐的1.23倍、天然氣沖天爐和電爐雙聯熔化的2.58倍、天然氣回轉爐的4.28倍。天然氣沖天爐與電爐雙聯產生的二氧化碳為燃焦沖天爐的48%、感應電爐的39%;純氧天然氣回轉爐產生的二氧化碳為燃焦沖天爐的29%、感應電爐的23%(推算過程見拙作“二氧化碳減排與純氧天然氣回轉爐”一文)。

純氧天然氣回轉爐和天然氣沖天爐,除了二氧化碳排放量大大低于感應電爐、燃焦沖天爐外,懸浮顆粒物(SPM)、二氧化硫、氮氧化物(NOX)的排放量也大大低于感應電爐、燃焦沖天爐。

2005年至今我國不斷發展著的感應電爐化鐵技術,導致了我國鑄鐵業的二氧化碳增排。因此可以說,我國當前鑄鐵熔化技術的實際發展方向,背離了國家二氧化碳減排的戰略部署。

雖然我們可以期待未來的二氧化碳轉化、封存技術,有利于燃焦沖天爐在我國的發展;核電裝機容量的持續增加,有利于感應電爐的發展,但在可預期的“十三五”甚至“十四五”期間,純氧天然氣回轉爐和天然氣沖天爐仍然是我國鑄鐵熔化二氧化碳減排的唯一現實選擇。在我國發展天然氣化鐵技術,關系到國家二氧化碳減排的戰略部署。

3.我國鑄鐵業的生存與可持續發展

據美國鑄造協會《Modern Casting》的統計,中國2015年包括灰鐵、球鐵、可鍛鑄鐵在內的鑄鐵件產量為3380萬噸,占全世界鑄鐵總產量的46%;全國鑄鐵廠的數量為14000個,各類鑄造廠的總量為26000個,每個鑄造廠的年平均鑄件產量僅為1754噸[]。

中國鑄造協會2016年3月發布的《鑄造行業“十三五”發展規劃》中,列舉對比了2014年世界主要鑄件生產國企業平均年產量(表2)[],在世界十個主要鑄件生產國中,我國鑄造廠的產業集中度最低。我國現有鑄鐵廠多而分散、產能過剩、裝備水平低,中小鑄造廠在能源利用、環境保護等方面普遍存在不盡人意處的現狀,亟需改變。對我國現有的鑄鐵廠進行技術升級和資源整合,對我國鑄鐵業的健康發展有重要意義。

2  2014年世界主要鑄件生產國企業平均年產量

國家

中國

美國

俄羅斯

印度

德國

日本

巴西

意大利

法國

韓國

企業平均年產量/t

1777

5294

3500

2227

8818

2656

2043

1863

4098

2872

按照全國鑄造學會2015年10月編制完成的《鑄造行業“十三五”技術發展規劃綱要》,到2020年,我國鑄鐵廠的數量為1萬個左右,每個工廠的平均產量為3500t/年;到2025年,我國鑄鐵廠的數量為6千個左右,每個工廠的平均產量為6000t/年[]。在該規劃基礎上,如果進一步假設“十三五”末我國規模最大鑄鐵廠的年產量為25萬噸,1萬個鑄造廠的年產量符合正態分布規律,用概率論可預測2020年我國年產量不大于2000噸小型鑄鐵廠的數量為4920個(推算過程略)。從數量上看,當時我國小型鑄鐵廠差不多占了半壁江山。

我國幅員廣闊、工業門類多且發展不平衡,存在一定量的中小鑄造廠有某種經濟和技術的合理性。同時應該考慮,絕大多數中小鑄造廠作為勞動密集型企業,對于吸納當地勞動力就業、維持社會穩定有著不可替代的重要作用。在我國廣大的中小鑄鐵廠推廣先進的天然氣化鐵技術,可以解決這些企業的二氧化碳減排和其他環保問題,有利于中小鑄造廠的健康發展。

山東省的能源消費量目前居全國首位,也是全國鑄造大省。2016年7~8月份期間,我們曾對山東肥城、泰安、萊蕪、臨沂、濰坊、淄博等地鑄造企業的現狀進行過一次調查。這些地方的中小鑄造廠已基本全部放棄了燃焦沖天爐而改用了感應電爐,調查期間我們只發現淄博一個小型鑄造廠還在用燃焦沖天爐生產,其余各廠幾乎全部用晚10點到早6點之間的“谷電”生產。各地谷電的計量電費雖僅為0.3元/kWh左右,但容量電費(俗稱座機費)導致每噸鐵液的電費在430~460元之間,鑄件的生產成本有了很大幅度的增加。同時,夜班生產導致鑄件廢品率增加、工傷事故增加。2016年1月到2017年3月間,由于污染通道城市的原因,山東省東至淄博市、西至平陰縣的廣大地區,大小所有鑄造廠一概停產避峰,使用感應電爐熔化的鑄造廠也不例外。自2017年3月15日以后,山東濰坊、臨清等地環保部門以前所未有的強硬作風,限令鑄造廠停產整頓;臨清地區在3月15日到20日之間,先后共封存、拆除了五十余臺套沖天爐??傊?,山東鑄造企業在前所未有的環保壓力下,普遍存在生存危機,中小鑄造廠的憂患更甚,有些甚至已經倒閉。

2015年10月29日,工信部將爐外熱風水冷沖天爐列入了國家首臺(套)重大技術裝備推廣應用指導目錄[]。爐外熱風水冷長爐齡沖天爐仍屬于燃焦沖天爐,排放的尾氣中包含著大量的二氧化碳,其環保性能無法與天然氣沖天爐相比。另外,該爐是一種適合于大批大量鑄造流水線使用的鑄鐵熔化設備,并不適合年產鑄件數千、數百噸的廣大中小鑄造廠。我國廣大的中小鑄鐵廠除了采用二氧化碳排放量更高的感應電爐外,還可以用什么設備熔化鑄鐵?顯然,環境友好性好、熔化費用低的純氧天然氣回轉爐是這些鑄造廠的最佳選擇。為了二氧化碳減排,大型鑄造廠可以用水冷長爐齡天然氣沖天爐,中小型鑄造廠可以用純氧回轉天然氣回轉爐。發展天然氣化鐵設備,對于我國鑄造廠、特別是中小鑄造廠的生存和發展具有特別重要的意義。

總之,天然氣化鐵技術關系我國萬余個鑄鐵工廠的存亡、關系全國百萬鑄造一線勞動者的生計、關系國家二氧化碳減排,是一項涉及國家工業發展戰略的大事、緊迫事。

4.我們的建議

為了加快我國研究和推廣天然氣化鐵技術的步伐,我們建議:

3.1.建議在有關機構成立全國天然氣化鐵技術推進領導小組,統一規劃、協調和推進全國鑄造行業的天然氣化鐵技術。

3.2.建議盡快對我國的天然氣化鐵技術,提供科技政策和資金扶持,例如:

(1)國家發改委2017年1月25日發布了《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄》,其中7.2.7條款(控制溫室氣體排放技術裝備)原文為:“碳減排及碳轉化利用技術裝備、碳捕捉及碳封存技術及利用系統、非能源領域的溫室氣體排放控制技術裝備[]”。純氧天然氣回轉爐、天然氣沖天爐明顯屬于碳減排產品,且對我國鑄造行業的可持續發展具有重要戰略意義,符合入選國家戰略性新興產業重點產品目錄的條件。建議盡快將天然氣化鐵技術列入國家戰略性新興產業重點產品目錄。

(2)國家發改委資源節約和環境保護司,2016年12月30日發布了《國家重點節能低碳技術推廣目錄》(2016年本,節能部分)[]。我們建議國家發改委資源節約和環境保護司,盡快編制《國家重點節能低碳技術推廣目錄(低碳部分)》,并將天然氣沖天爐、純氧天然氣回轉爐編入該目錄。

(3)我們知道印度于1999年6月在泰姬陵所在的阿格拉(Agra)成功研制的印度首臺2t/h天然氣沖天爐,是在印度政府的支持下完成的。位于詹謝普爾(Jamshedpur)的印度國家冶金實驗室(NML),在印度技術信息預測和評估委員會(TIFAC)、科技部(DST)等部門的領導下,與阿格拉鑄鐵協會(AIFA)合作完成了該爐的研制任務[]。我們建議,國家有關部門對我國天然氣化鐵技術提供一定的資金扶持。

3.3.天然氣作為近十年來才開始在我國應用的新能源,我國一直鮮有人對天然氣燃燒的基礎理論和工業應用涉及的應用理論進行過系統研究。建議國家現有的物理化學研究所、化學物理研究所、金屬研究所等單位,盡快在前蘇聯和歐美國家有關研究的基礎上,就天然氣燃燒的有關問題開展深入研究,為發展我國天然氣工業的有關技術提供必須的理論依據,例如:

(1)天然氣燃燒的熱力學和動力學機理;

(2)天然氣燃燒產物(例如水蒸汽)對冶金過程、對金屬材料的影響;

(3)天然氣工業爐窯涉及的燃燒學基本問題,等。

3.4.天然氣化鐵技術的研究和推廣涉及大型工業設備,具有技術復雜、設備占地面積大、投資額度大、試驗時間長等等特點?;仡櫺轮袊闪⒁詠砦覈录夹g研究推廣的歷史,總可以發現國家的支持引導作用所發揮的決定性作用。脫離國家對新技術、新工藝的支持和引導,新技術很難得到快速推廣。因此建議以國家技術扶植資金為導向,同時吸引民間資金,盡快建立我國天然氣化鐵工程研究中心(或產品開發平臺),圍繞天然氣化鐵設備的產品技術開展系統研究,為發展我國的天然氣化鐵技術提供工程學支持。

我國鑄鐵業和其他行業一樣,擔負著履行《巴黎協定》規定的“本世紀下半葉實現溫室氣體凈零排放”的崇高義務。積極研究和推廣天然氣化鐵技術,應該得到我國政府和鑄鐵業人士的高度重視。

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