谈谈冲天炉的节能减排

一．前言

    20世界80年代，铸铁材料发展进入了顶峰期，随后世界的铸铁件产量出现急剧递减。由于受能源、劳动力价格和环境因素的影响，西方发达国家减少了在本国内的铸件产量，转而向发展中国家采购一般铸件。在这种国际形势下，中国的铸件产量在逐年增加，已连续九年居世界第一，占世界总产量的三分之一，成为名副其实的铸造大国。在中国年产2000万吨的铸铁件中有80%是由冲天炉熔炼的，据不完全统计正在服役的冲天炉有2万台，单台冲天炉的年产量不足1000吨，5T/h以下的小冲天炉仍占现役冲天炉的75%以上。

我国快速增长的能源消耗和过高的石油对外依存度使政府2006年年初提出：希望到2010年，单位GDP能耗比2005年降低20%，主要污染物排放减少10%，这两个指标和在一起，就是我们所说的“节能减排”，根据这俩个指标，如果GDP增长10%，5年内就要节能6亿吨标准煤，减排二氧化硫620多万吨，化学需氧量570多万吨，这是党和政府对世界人民的庄严承诺。

当前，实现节能减排目标面临的形式十分严峻，2006年以来各地区、各部门相继作出了工作部署，节能减排工作取得积极进展。针对铸造厂的节能减排，许多地方政府正在推行用中频电炉取代冲天炉的工作，在有些地方对使用冲天炉的铸造企业不管是否带除尘装置，都过不了环评关，5t/h以下的冲天炉正在被推倒，用中频电炉取而代之，认为用中频电炉熔炼铸铁更节能更环保的报道也经常出现在各种媒体。推行外热风冲天炉也写进了节能减排工作纲要。

二．用中频电炉取代冲天炉熔炼铸铁是否真的节能减排

从（表1）可以看出，FAR冲天炉能耗最低，天然气冲天炉能耗次之，排在第三位的就是我们经常提到的热风、无炉壳冷却、单班冲天炉，海林经久工业炉制造厂生产的组合式冲天炉排在第四位。那么中频电炉的能耗指标又是多少呢？工作温度在1450℃时，吨铁水耗电650-685KWH/t铁，热效率60%。看到这你是不是得出

了这样一个结论——中频电炉很节能，好于烧焦炭的冲天炉。但是下这个结论还为时过早，看一下我国的电力构成：燃煤发电占73%、水电占14.6%、核电占2.4%、风电占2.3%、其他7.7%。可见在我国燃煤发电占绝对地位。那么煤又是怎么变成电的呢？从煤变成电存在着三种形式的能量转换过程：在锅炉中煤的化学能转换为热能，在汽轮机中热能转换成机械能，在发电机中机械能转换成电能。经过这三次能量转换，存在着大量的能量损失，实际上最好的煤电机组用于发电的热效率也不超过40%，一般情况下是350克标煤发1kw/h的电，费这么大劲发出的电，再送给中频电炉转换成磁能，磁能再转变成热能用于熔化铁水，怎么就变得节能了呢？我们可以很方便的计算出，用中频电炉熔化1吨铁水的标煤消耗是234kg/t铁，远大于能耗最高的冷风冲天炉的标煤消耗148kg/t铁。通过以上分析可以得出，用中频电炉代替冲天炉熔炼铸铁，不可能达到节能减排的目的。个别媒体所说的中频炉不冒烟有利于环保，那只是把烟转移到火电厂去冒了而已。

 

三．冲天炉节能减排的途径

1.冲天炉的热平衡

冲天炉中铁料预热、熔化及过热过程中，都要吸收一定的热量，这部分热量是化铁的有效热量，整个冲天炉热量的收支情况（热平衡）是研究冲天炉节能减排的有力工具。因炉型工艺和原材料的情况差别很大，故每座炉子的热平衡情况也很不一致，以常见的

冷风冲天炉为例加以说明：

从上图我们可以看出，焦炭燃烧放热占95%，元素烧损放热占5%构成了冲天炉热量收入的总和。在

热量支出中铁料熔化过热占到了33%，炉气物理热损失6.5%，炉气化学热损失31.6%,炉壁散热及蓄热损失14.3%，石灰石分解1.7%，炉渣吸热3.3%，还有9.6%的其他热损，构成了冲天炉的全部热支出。冲天炉的节能减排，就是想办法使各种热损失变得更小。

2.冲天炉炉气热损失的由来

   从上面的热平衡图我们发现，冲天炉的炉气物理热损失占6.5%，化学热损失占31.6%，两者相加是38.1%，都大于了用于铁料熔化和过热的热量33%。炉气的物理热损失是由于炉气离开金属炉料时，还有250-350℃的温度而产生的，这种热损失是容易理解的。占热量支出的31.6%的化学热损失又是怎样产生的呢？让我们从冲天炉的底焦燃烧谈起。

焦炭的燃烧反应在焦炭的表面进行，因条件不同，碳和氧之间要发生四种不同的反应：

当空气供应充足时，发生完全燃烧反应

C+O2 → CO2 +34070 KJ/kg.C

当空气供应不充足，发生不完全燃烧反应

C+O2 →CO +10270 KJ/kg.C

当CO又遇到空气时，则会再次燃烧继续放出热量

CO+1/2O2 → CO2 +23800 KJ/kg.C

除氧化放热外，焦炭燃烧过程中还有一个还原吸热过程

CO2 +C → 2CO— 12628 KJ/m³CO2

 

在冲天炉风眼供入的风即便是充足的，可以发生完全燃烧反应，但由于冲天炉的炉料与焦炭混装的特性，随着炉气的上升还会发生CO2的还原吸热反应，这样在传统冲天炉的炉气中含有8—20%CO。炉气的化学热损失就是这一原因造成的。炉气中的CO的比例越大，其化学热损失也越大，但是为了减少硅、锰等合金元素的氧化烧损，保证铁液冶金质量，炉气中还要保留一定数量的CO。反应焦炭完全燃烧程度的一个重要参数炉气燃烧系数ηv

    ηv=CO2/(C02+CO)×100%

式中 CO2   CO —分别为炉气中CO2和CO的体积分数。

从以上分析可以看出如何解决好既提高焦炭燃烧系数，同时又减少金属元素氧化烧损这一矛盾，是冲天炉节能减排的工作重点。

四．国内外一些节能冲天炉简介

1.多排小风口冲天炉

这种冲天炉的风口一般为3—5排，主风口布置在第二排或第三排，除主风口外，尚布置1-3排辅助风口，这种辅助风口，排数多，进风面积小，风速高。而在主风口以上靠近熔化带处设置了8—12mm直径的小风口1—2排，这种冲天炉风口分布范围大，扩大了炉内的高温区，但高温区所能达到的最高温度并不高。1973年上海某厂采用这种炉型的冲天炉，焦铁比达到1：16，燃烧系数μv=95%，硅锰烧损大于30%，铁水温度1350℃。铁氧化也较为严重。随着我国焦炭质量的好转，这种炉型的冲天炉慢慢地淡出了人们的视野。

2.二次送风冲天炉

所谓二次送风就是在底焦上方100—200mm处，送入部分空气，使到达这一层面的CO继续燃烧放出热量，提高冲天炉的热效率。上海工业大学早在1975年，对这一工艺进行了详细的研究，得出如下结论：⑴冲天炉二次送风是充分利用焦炭燃烧热的一种有效措施之一。⑵在5T/H的冲天炉中，当采用装炉底焦高度为1300mm,预热带二次送风的最佳位置为1230mm。⑶最佳二次送风量为15%—20%，这时能使加料口炉气的CO含量降低3—5%。⑷在不改变总焦铁比的条件下，提高铁水温度30—40℃，在保证原有铁水温度不变的情况下，节约焦炭10—15%，这时炉渣的FeO含量由无二次风的4.01%增加到5.5%；在实际工作中冲天炉加二次风的比例及加入位置很难准确判断，容易形成第二个熔化带，加重铁液氧化。

3.天然气冲天炉

   20世纪70年代开始研究的以天然气为燃料的无焦冲天炉，今天由于世界焦炭供应紧张，电价上涨，又重新受到人们关注，与烧焦炭的冲天炉比较CO2排放量少，另外天然气不含S，不会对环境和金属造成污染。但是天然气的理论燃烧温度和实际燃烧温度都不算高，为了获得高的铁水温度，炉气温度必须足够高，于是实行氧化气氛的燃烧制度，Fe 、Si、Mn、C的烧损将不可避免。从英国研究单位或得的资料显示，出铁温度大多处在1400—1480℃，如想进一步提高铁水温度到1520℃，必须在氧化环境下运行，这时炉渣中FeO含量可达10%—15%。

4.FAR 冲天炉

    FAR冲天炉意为“高效率冲天炉”1990年Rachner,H.G,在英国铸造工作者协会介绍了这种技术的细节，第一个炉子的样机由巴西TUPY公司开发，1994年前后，在该公司自己的工厂内试用，生产率为15t/h。如图（2）所示，金属炉料和焦炭的投料是分开的，金属炉料由竖炉轴线中心加入，焦炭和石灰石则分别加到沿炉身圆周对称设置的6个加料口中，FAR冲天炉燃烧用的空气不进行预热，而是采用了体积为1.5%的O2富氧送风。对6个焦炭加入口采取相应的压力控制措施，使燃烧形成的高温炉气通向炉身中心后再向上流动，使金属炉料受到良好加热。当含有CO的炉气尚未进入炉身上部时利用二次风对CO进行燃烧，使加料口炉气的CO含量接近于零，这样防止既防止CO2的还原反应的能量消耗，同时又使炉气所携带的CO的化学能全部释放。能量利用率得到明显的改善，焦耗降低6—7%，相当于标准煤耗64kg/t铁，二氧化碳排放量是普通冲天炉的52%。但这种冲天炉的合金元素烧损及渣中FeO含量，无公开资料说明，至今不得而知。

5.外热风冲天炉

以上介绍的四种冲天炉都是通过减少炉气的化学热损失的方法来达到“节能减排”的，他们想尽各种办法点燃炉气中的CO,阻止CO2的还原，这些措施所带来的必然后果是加强了炉气的氧化性气氛，加剧了合金元素及铁的氧化烧损。那么，有没有一种既能提高热效率，又不加剧炉内的氧化性气氛，同时又能减少合金元素及铁的氧化的冲天炉呢？答案是肯定的，那就是外热风冲天炉。如果要给外热风冲天炉下个定义，我个人认为应该是：把炉气引到金属炉料以外，再点燃炉气中的CO,放出的热量用于加热空气形成热风，再把热风通过送风口送入炉内的冲天炉。这种冲天炉的特点为：热风工作温度在450℃左右，炉气所能达到的最高温度明显提高，导致CO2+C=2CO的反应加强，这种冲天炉炉气中CO占12%-17%、CO2占6%—9%，可以做到增碳、增硅，锰的烧损少于15%，炉渣中FeO含量小于1.5%，铁液中的S含量降低到冷风冲天炉的1/2。这些特点对获得优质铸件极为有利。不足之处是：热风设备结构复杂，造价高，有时炉气的点燃需油或天然气助燃，这种冲天炉的热效率还不是很高，热风（450℃）所带回的热量只占烟气化学热损失的三分之一，还有三分之二没被利用。

四．组合式冲天炉“节能减排“的措施

组合式冲天炉是海林市经久工业炉制造厂独家生产的专利产品，它走的是另一条节能路线：采用风冷薄炉衬结构，3T/H组合式冲天炉砌炉只用耐火砖350块，而普通的冷风冲天炉砌炉需要3000块耐火砖，使炉壁的蓄热损失大大减少。炉子的多节都为双层风冷结构，在冷却炉壁的同时，又产生250—300℃的热风，在正常开炉时，炉壁外的油漆不会脱落，可见炉壁的散热损失之小。采用本厂配方捣制的炉墙，脱落速度大大降低，石灰石加入量和炉渣产生量只是传统冷风炉的1/3,这样炉渣吸热及石灰石分解热损得到减少。独特的曲线炉膛加强了炉气和金属炉料的换热，使炉气的物理热损耗降低。由于采取了以上节能措施，热效率达到46%，也就不奇怪了。现场测试结果：使用固定碳85%的焦炭，层焦铁比1：10的情况下，铁水温度1470℃，Si烧损10%，Mn烧损20%，渣中FeO含量4.5%。1—3T/H的组合式冲天炉都能达到上述指标。

五．结语

通过以上分析我们可以得出如下结论：

1.       用中频电炉取代冲天炉熔炼铸铁达不到节能减排的目的，反而增加了能源消耗。

2.       提高冲天炉的燃烧系数节能效果明显，但铁及合金元素的烧损加剧。

3.       采用外热风冲天炉熔炼铸铁是一个既节能又减少合金元素烧损的好方案。

4.       组合式冲天炉走了另一条节能路线，是一种较为节能的冲天炉，适用于5T/H以下的单班生产，应加以推广。

以上是我多年积累的一个汇编，一些不足之处在所难免，但我还是认为，冲天炉的“节能减排”不能只作表面文章，研制出真正意义上的“高效、节能、优质、环保”的冲天炉是我们所有铸造工作者所不可推卸的共同责任。

作者简介：赵文鹤 ，男， 1967年生，铸造工程师，拥有多项国家专利，其中发明专利3项，实用新型专利4项

明细如下表：

本人具有极强的创新能力，愿结交各界有识之士，共谋发展大业。

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