加快我國研究推廣天然氣化鐵技術(shù)步伐的建議

山東鐵戈爐業(yè)有限公司  呂榮伏^※

【摘要】介紹了天然氣化鐵技術(shù)及其國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了感應(yīng)電爐化鐵涉及的二氧化碳增排問題，提出了天然氣化鐵關(guān)系我國鑄鐵業(yè)可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)，針對加快我國天然氣化鐵的技術(shù)的研究推廣步伐，提出了包括成立全國技術(shù)推進(jìn)小組、列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品目錄、國家提供資金和技術(shù)支持等一系列建議。

【關(guān)鍵詞】二氧化碳減排  天然氣化鐵 感應(yīng)電爐 鑄鐵熔化

2016年9月3日全國人大批準(zhǔn)我國加入《巴黎協(xié)定》，各地環(huán)保部門從此以前所未有的姿態(tài)加大了各工業(yè)部門控制溫室氣體排放的力度，我國鑄造業(yè)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(shù)的步伐，關(guān)系國家二氧化碳減排戰(zhàn)略、關(guān)系我國鑄鐵業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略、關(guān)系到全國萬余個鑄鐵廠的存亡、關(guān)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(shù)簡介

天然氣屬于碳?xì)漕惾剂现泻剂孔畹偷幕惸茉?。?jù)國家發(fā)改委經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)節(jié)局公告，2015年我國天然氣消費(fèi)量為1932億立方米，距離“十二五”規(guī)劃中2015年達(dá)到2300億立方米的消費(fèi)目標(biāo)尚有368億立方米之差^[]。國家發(fā)改委、國家能源局2016年12月26日發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，指出了我國當(dāng)前天然氣的供應(yīng)、消費(fèi)形勢并給出了政策導(dǎo)向：“天然氣消費(fèi)市場亟需開拓。天然氣消費(fèi)水平明顯偏低與供應(yīng)能力階段性富余問題并存，需要盡快拓展新的消費(fèi)市場”^[]。也就是說，在“十三五”以至于今后更長時間內(nèi)，以全局觀念看，我國不存在天然氣量的供應(yīng)不足問題，我國具備在更大的工業(yè)領(lǐng)域使用天然氣能源的物質(zhì)條件。

天然氣化鐵是以天然氣為能源熔化鑄鐵的一種技術(shù)，包括天然氣沖天爐、純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐兩項技術(shù)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，天然氣沖天爐已有一百多年的應(yīng)用歷史，純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐有約五十年的應(yīng)用歷史，兩項技術(shù)均屬于高度成熟的工業(yè)實用技術(shù)。天然氣沖天爐屬于鑄鐵的連續(xù)性熔化設(shè)備，一般需要與保溫電爐組成雙聯(lián)熔化系統(tǒng)，適合于大批大量流水線生產(chǎn)的鑄造廠。純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐屬于間歇性熔化設(shè)備，爐溫和鐵液溫度可以達(dá)到很高的程度，不需要與電爐雙聯(lián)，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(shè)備相互配合，可以滿足我國各類鑄造廠的需要。該類設(shè)備熔化每噸鑄鐵的能源消耗見表1。

表1 天然氣化鐵設(shè)備的噸鐵能源消耗

在我國鑄造業(yè)研究推廣天然氣化鐵技術(shù)，有利于大幅度減少鑄造行業(yè)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(hù)大氣環(huán)境。

2008年以來，我國個別鑄造廠從國外曾引進(jìn)過這兩種設(shè)備，取得了保護(hù)環(huán)境的積極效果。另外，自2008年以來，我國包括山東鐵戈爐業(yè)有限公司、威海科興鑄造機(jī)械有限公司、山西礦大干燥設(shè)備有限公司、河北雞澤虹光鑄造有限等在內(nèi)、先后有十多個單位和個人，在引進(jìn)和學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)過天然氣沖天爐、純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐，取得了一定技術(shù)成果和經(jīng)驗，為我國推廣天然氣化鐵技術(shù)奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.感應(yīng)電爐導(dǎo)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(tǒng)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(fèi)量^[]推算，我國2015年二氧化碳的排放量在100億噸左右，達(dá)到甚至超過了全世界二氧化碳排放總量的30%、高居世界第一。我國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（國發(fā)〔2016〕61號）”，部署了我國“十三五”期間低碳引領(lǐng)能源革命、打造低碳產(chǎn)業(yè)體系、推動城鎮(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，等十項低碳發(fā)展戰(zhàn)略^[]。

自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(yīng)電爐化鐵。感應(yīng)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(fā)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(yīng)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(lián)熔化的2.58倍、天然氣回轉(zhuǎn)爐的4.28倍。天然氣沖天爐與電爐雙聯(lián)產(chǎn)生的二氧化碳為燃焦沖天爐的48%、感應(yīng)電爐的39%；純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的二氧化碳為燃焦沖天爐的29%、感應(yīng)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(zhuǎn)爐”一文）。

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

自2005年至今我國不斷發(fā)展著的感應(yīng)電爐化鐵技術(shù)，導(dǎo)致了我國鑄鐵業(yè)的二氧化碳增排。因此可以說，我國當(dāng)前鑄鐵熔化技術(shù)的實際發(fā)展方向，背離了國家二氧化碳減排的戰(zhàn)略部署。

雖然我們可以期待未來的二氧化碳轉(zhuǎn)化、封存技術(shù)，有利于燃焦沖天爐在我國的發(fā)展；核電裝機(jī)容量的持續(xù)增加，有利于感應(yīng)電爐的發(fā)展，但在可預(yù)期的“十三五”甚至“十四五”期間，純氧天然氣回轉(zhuǎn)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(xiàn)實選擇。在我國發(fā)展天然氣化鐵技術(shù)，關(guān)系到國家二氧化碳減排的戰(zhàn)略部署。

3.我國鑄鐵業(yè)的生存與可持續(xù)發(fā)展

據(jù)美國鑄造協(xié)會《Modern Casting》的統(tǒng)計，中國2015年包括灰鐵、球鐵、可鍛鑄鐵在內(nèi)的鑄鐵件產(chǎn)量為3380萬噸，占全世界鑄鐵總產(chǎn)量的46%；全國鑄鐵廠的數(shù)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(chǎn)量僅為1754噸^[]。

中國鑄造協(xié)會2016年3月發(fā)布的《鑄造行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中，列舉對比了2014年世界主要鑄件生產(chǎn)國企業(yè)平均年產(chǎn)量（表2）^[]，在世界十個主要鑄件生產(chǎn)國中，我國鑄造廠的產(chǎn)業(yè)集中度最低。我國現(xiàn)有鑄鐵廠多而分散、產(chǎn)能過剩、裝備水平低，中小鑄造廠在能源利用、環(huán)境保護(hù)等方面普遍存在不盡人意處的現(xiàn)狀，亟需改變。對我國現(xiàn)有的鑄鐵廠進(jìn)行技術(shù)升級和資源整合，對我國鑄鐵業(yè)的健康發(fā)展有重要意義。

表2  2014年世界主要鑄件生產(chǎn)國企業(yè)平均年產(chǎn)量

按照全國鑄造學(xué)會2015年10月編制完成的《鑄造行業(yè)“十三五”技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，到2020年，我國鑄鐵廠的數(shù)量為1萬個左右，每個工廠的平均產(chǎn)量為3500t/年；到2025年，我國鑄鐵廠的數(shù)量為6千個左右，每個工廠的平均產(chǎn)量為6000t/年^[]。在該規(guī)劃基礎(chǔ)上，如果進(jìn)一步假設(shè)“十三五”末我國規(guī)模最大鑄鐵廠的年產(chǎn)量為25萬噸，1萬個鑄造廠的年產(chǎn)量符合正態(tài)分布規(guī)律，用概率論可預(yù)測2020年我國年產(chǎn)量不大于2000噸小型鑄鐵廠的數(shù)量為4920個（推算過程略）。從數(shù)量上看，當(dāng)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(yè)門類多且發(fā)展不平衡，存在一定量的中小鑄造廠有某種經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的合理性。同時應(yīng)該考慮，絕大多數(shù)中小鑄造廠作為勞動密集型企業(yè)，對于吸納當(dāng)?shù)貏趧恿蜆I(yè)、維持社會穩(wěn)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(jìn)的天然氣化鐵技術(shù)，可以解決這些企業(yè)的二氧化碳減排和其他環(huán)保問題，有利于中小鑄造廠的健康發(fā)展。

山東省的能源消費(fèi)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(yè)的現(xiàn)狀進(jìn)行過一次調(diào)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(yīng)電爐，調(diào)查期間我們只發(fā)現(xiàn)淄博一個小型鑄造廠還在用燃焦沖天爐生產(chǎn)，其余各廠幾乎全部用晚10點(diǎn)到早6點(diǎn)之間的“谷電”生產(chǎn)。各地谷電的計量電費(fèi)雖僅為0.3元/kWh左右，但容量電費(fèi)(俗稱座機(jī)費(fèi))導(dǎo)致每噸鐵液的電費(fèi)在430～460元之間，鑄件的生產(chǎn)成本有了很大幅度的增加。同時，夜班生產(chǎn)導(dǎo)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(qū)，大小所有鑄造廠一概停產(chǎn)避峰，使用感應(yīng)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(huán)保部門以前所未有的強(qiáng)硬作風(fēng)，限令鑄造廠停產(chǎn)整頓；臨清地區(qū)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(yè)在前所未有的環(huán)保壓力下，普遍存在生存危機(jī)，中小鑄造廠的憂患更甚，有些甚至已經(jīng)倒閉。

2015年10月29日，工信部將爐外熱風(fēng)水冷沖天爐列入了國家首臺(套)重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄^[]。爐外熱風(fēng)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(huán)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(shè)備，并不適合年產(chǎn)鑄件數(shù)千、數(shù)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(yīng)電爐外，還可以用什么設(shè)備熔化鑄鐵？顯然，環(huán)境友好性好、熔化費(fèi)用低的純氧天然氣回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)天然氣回轉(zhuǎn)爐。發(fā)展天然氣化鐵設(shè)備，對于我國鑄造廠、特別是中小鑄造廠的生存和發(fā)展具有特別重要的意義。

總之，天然氣化鐵技術(shù)關(guān)系我國萬余個鑄鐵工廠的存亡、關(guān)系全國百萬鑄造一線勞動者的生計、關(guān)系國家二氧化碳減排，是一項涉及國家工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)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(shù)的步伐，我們建議：

3.1.建議在有關(guān)機(jī)構(gòu)成立全國天然氣化鐵技術(shù)推進(jìn)領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)調(diào)和推進(jìn)全國鑄造行業(yè)的天然氣化鐵技術(shù)。

3.2.建議盡快對我國的天然氣化鐵技術(shù)，提供科技政策和資金扶持，例如：

(1)國家發(fā)改委2017年1月25日發(fā)布了《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄》，其中7.2.7條款（控制溫室氣體排放技術(shù)裝備）原文為：“碳減排及碳轉(zhuǎn)化利用技術(shù)裝備、碳捕捉及碳封存技術(shù)及利用系統(tǒng)、非能源領(lǐng)域的溫室氣體排放控制技術(shù)裝備^[]”。純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐、天然氣沖天爐明顯屬于碳減排產(chǎn)品，且對我國鑄造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義，符合入選國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品目錄的條件。建議盡快將天然氣化鐵技術(shù)列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品目錄。

(2)國家發(fā)改委資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)司，2016年12月30日發(fā)布了《國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》（2016年本,節(jié)能部分）^[]。我們建議國家發(fā)改委資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)司，盡快編制《國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄（低碳部分）》，并將天然氣沖天爐、純氧天然氣回轉(zhuǎn)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(shù)信息預(yù)測和評估委員會(TIFAC)、科技部(DST)等部門的領(lǐng)導(dǎo)下，與阿格拉鑄鐵協(xié)會（AIFA）合作完成了該爐的研制任務(wù)^[]。我們建議，國家有關(guān)部門對我國天然氣化鐵技術(shù)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(yīng)用的新能源，我國一直鮮有人對天然氣燃燒的基礎(chǔ)理論和工業(yè)應(yīng)用涉及的應(yīng)用理論進(jìn)行過系統(tǒng)研究。建議國家現(xiàn)有的物理化學(xué)研究所、化學(xué)物理研究所、金屬研究所等單位，盡快在前蘇聯(lián)和歐美國家有關(guān)研究的基礎(chǔ)上，就天然氣燃燒的有關(guān)問題開展深入研究，為發(fā)展我國天然氣工業(yè)的有關(guān)技術(shù)提供必須的理論依據(jù)，例如：

(1)天然氣燃燒的熱力學(xué)和動力學(xué)機(jī)理；

(2)天然氣燃燒產(chǎn)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(yè)爐窯涉及的燃燒學(xué)基本問題，等。

3.4.天然氣化鐵技術(shù)的研究和推廣涉及大型工業(yè)設(shè)備，具有技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備占地面積大、投資額度大、試驗時間長等等特點(diǎn)?；仡櫺轮袊闪⒁詠砦覈录夹g(shù)研究推廣的歷史，總可以發(fā)現(xiàn)國家的支持引導(dǎo)作用所發(fā)揮的決定性作用。脫離國家對新技術(shù)、新工藝的支持和引導(dǎo)，新技術(shù)很難得到快速推廣。因此建議以國家技術(shù)扶植資金為導(dǎo)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(chǎn)品開發(fā)平臺），圍繞天然氣化鐵設(shè)備的產(chǎn)品技術(shù)開展系統(tǒng)研究，為發(fā)展我國的天然氣化鐵技術(shù)提供工程學(xué)支持。

我國鑄鐵業(yè)和其他行業(yè)一樣，擔(dān)負(fù)著履行《巴黎協(xié)定》規(guī)定的“本世紀(jì)下半葉實現(xiàn)溫室氣體凈零排放”的崇高義務(wù)。積極研究和推廣天然氣化鐵技術(shù)，應(yīng)該得到我國政府和鑄鐵業(yè)人士的高度重視。