1铸造行业的节能减排现状及对策分析

2010中国铸造活动周论文集-1-铸造行业的节能减排现状及对策分析*李元元1，陈维平1，黄丹2，罗杰1，柳哲1，陈永成3，刘启平4，苏仕方5（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2.河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作454003；3.中天创展球铁有限公司，广东佛山528313；4.广东省韶铸集团有限公司，广东韶关512031；5.沈阳铸造研究所，辽宁沈阳110022）摘要：本文对目前世界主要国家的铸造行业的节能减排现状及各自的对策进行了回顾。铸造行业作为耗能和污染物（特别是CO2）排放的主要部门，其节能减排受到了各国政府和业内人士的广泛关注。世界各国的学者和工程技术专家针对铸造行业的节能减排潜力进行了多方位的分析与预测，并提出了各种分析模型。各国的主要对策集中在制定针对性政策和开发清洁高效生产技术。同时，本文还说明了目前中国铸造行业在节能减排方面与世界其他国家的异同，指出了今后发展的方向。关键词：节能；减排；铸造随着举世瞩目的联合国气候变化大会在丹麦首都哥本哈根开幕，揭开了发展低碳经济的宏伟序幕。许多国家公布了其碳减排目标，中国政府也承诺到2020年单位GDP碳排放比2005年减少40%至45%[1]。低碳经济以低能耗、低排放、低污染为特征实践着经济社会可持续发展的目标。但是，发展中国家的经济发展又必将经过较高能耗和污染排放的发展阶段，这是产业结构所决定的。例如正处于经济快速增长时期的中国，其增长有很大一部分是由高耗能、高污染的第二产业带来的。据了解，中国的温室气体排放量已居世界第二。事实上，中国非常重视节能减排，从1990年到2005年，中国的实际温室气体排放量已经降低了46%左右。而截至2009年上半年的统计，中国单位GDP能耗又在2005年基础上累计降低13%，有望实现到2010年单位GDP能耗在2005年基础上降低20%左右的目标。这意味着中国在2006-2010年期间少排放的二氧化碳总量将达到15亿吨以上[2]。中国不具备像美国一样推行“消碳”高端技术的经济水平，因为这需要很大的投入；也不可能通过降低产量来实现“低碳”。但可以从节约能源的角度来减少排放。针对中国的国情，发展低碳经济在技术层面上可以从两个方面着手：节约能源、提高能效（间接减排二氧化碳）和采用低排放生产技术与设备等（直接减排）。中国虽然已经成为世界铸造大国，产量居世界首位，有数据表明，2009年中国铸件年产量3,530万吨，已连续10年世界第一，但从综合质量、材质结构、成本、能耗、效益和清洁生产等方面看远非铸造强国[3]。中国铸造也与国际先进水平的差距何在，铸造业将走向何方，影响铸造产品质量的许多问题有待关心“中国制造”的人们去思考。1铸造生产能耗现状及节能潜力分析铸造生产要耗用大量的能源，同时又产生大量的废弃物。铸造行业是消耗能源的重点行业，也是对环境影响较大的行业之一。特别是中国，钢铁产业的能耗是相当巨大的。2008年当年的铸件总量为3,350万吨，其中铸铁2510万吨，铸钢460万吨，有色380万吨；2009年铸件总量上升至3530万吨，其中铸铁2630万吨，铸钢480万吨，有色铸件420万吨。其中统计数字显示2007年左右，中国合格铸铁件生产的平均能耗为830Kgce/吨，而同期日本的数据为334Kgce/吨，德国356Kgce/吨，美国*基金项目：中国广东省重大科技专项（节能减排与可再生能源）计划资助2008A0808000222010中国铸造活动周论文集-2-364Kgce/吨，英国536Kgce/吨[3]，如图1所示，中国铸铁件生产的平均能耗时发达国家的二倍多。不过，经过努力，2009年的统计数据显示，中国合格铸铁件生产的平均能耗已经降至610Kgce/吨。采取一切可能的对策，大力促进铸造行业节约资源，降低能耗，环境友好，实现可持续发展，是我们铸造工作者当前和今后相当长时期内的重要工作。6103343563645360100200300400500600700China＊JapanGermanU.S.U.K.图1五个国家铸铁件生产平均能耗比较Figure1Averageenergyconsumptionincastironproductioninfivecountriesin2007(*datain2009)1.1铸造生产能耗现状铸造生产能耗的主要环节有以下几个方面[4]：（1）金属的熔炼：包括铸铁、铸钢、有色合金等金属的熔炼过程；采用的设备包括冲天炉、各种电炉、焦炭炉。使用的能源形式主要为煤炭、焦炭、电力，以及燃油和天然气等。（2）热处理及型壳焙烧：包括铸钢、铸铁、铸铝、铸铜等合金的热处理。使用的能源形式主要为电力、燃油和天然气等。（3）热法造型制芯：包括型壳、热芯盒等。使用的能源形式主要为电力、燃油和天然气等。图2说明了中国在1978-2007年能源消耗及其结构的变化趋势[5]。早在2002年，中国能源消费已位列全球第二，本世纪以来保持平均8.9%的增速递增。而中国铸造行业的能耗占机械工业总耗能的25～30%，能源平均利用率为17%，能耗约为铸造发达国家的2倍。据统计，铸件生产过程中材料和能源的投入约占产值的55～70%。中国铸件毛重比国外平均高出10～20%，铸钢件工艺出品率平均为55%，国外可达70%。2010中国铸造活动周论文集-3-图2中国能源消耗增长与能源结构（1978-2007）[5]1.2降低能耗、提高能源效率的主要阻力与动力首先，减少二氧化碳排放已经成为关系全球环境安全的重大问题，世界各国在减排问题上的观点也渐趋一致。中国人口众多、生态环境脆弱、自然灾害多发，近年来与气候变暖相关的异常气候事件频繁发生，给人民生活造成了很大影响。因此，尽管中国作为昀大的发展中国家，不能因为减排贻误发展机遇，但也绝不能走高碳发展的路子。第二，节能和环保本身也是减少原材料消耗的根本措施，可以大幅度减少成本，显著提高竞争力，这与企业谋求自身利益并不矛盾，是节能减排的根本动力之一。同时，生产出的绿色产品得到社会认可，会带来很大的市场空间，企业发展就有了广阔前景。而中国作为发展中国家，当前和今后一个时期面临两大难题：一是经济发展与环保的矛盾越来越尖锐，二是资源供需矛盾非常突出。为此，中国政府为此提出了一系列战略，包括把节约资源、保护环境作为基本国策，建设和谐社会战略，建设节约型社会战略，发展循环经济，建立创新型国家战略。要将上述战略落到实处就必须走绿色发展道路。但是节约能源、提高能效的阻力也是客观存在的。主要有三个方面[6]：（1）经济方面。主要表现在由于需要更新或改进设备而造成的预算增加，以及在选择节能技术时所增加的信息处理和分析成本。（2）具体操作中出现困难。例如一般人们的行为惯性导致不易接受和进行改变，同时还存在对节能新技术的质疑等等。（3）组织方面。主要是指缺乏能源监管权力和能源问题的相关组织等等。1.3节能潜力分析1.3.1能耗分析模型及节能潜力预测铸造行业能源消耗巨大，因此节能潜力也很大。为了评估铸造工艺的节能潜力，世界各国学者发展了多种能耗分析模型来对节能潜力进行预测。其中英国学者早在上世纪70、80年代就开始了国家工业能耗及节能潜力的分析研究工作[7]。Phung等人在1981年建立了一种针对评估工业节能潜力和成本的方法，并评估出在1980至2000年英国每单位产出可以节约20%的附加能源[8]。Langley则分析了英国铸铁和铸钢产业的能源利用模式[9]。俄罗斯学者Fromme通过案例研究提出，仅通过产品结构调整就能降低30%的能源需求[10]。2010中国铸造活动周论文集-4-进入21世纪后，节能减排与绿色制造成为更多学者的关注焦点。Popp的研究结论：就价格变化而言，在能耗上三分之二的变化是由于单一的价格诱导因素的替代作用，而剩余的三分之一是来自于创新诱导[11]。Luis等人提出提高入炉空气温度可以减少5%的焦炭消耗，从而提高冲天炉能效、降低能源成本[12]。墨西哥学者Ozawa等人的研究说明，在1970到1996年间，钢铁产量增长导致了主要能耗增长211%，其中结构变化（产品+过程）使得主要能耗下降了12%，而能效变化使得能耗降低了51%[13]。Kissock等人指出对工业能效项目中能源节约量的精确的检测可以促进将来对可预见的节约量的估算，提高资本资源（capitalresources）的利用率[14]。印度学者Nagesha研究了印度小规模企业（包括了小型铸造厂）的能耗现状，指出能效高的公司更有可能在经济方面同样表现良好，并且可能获得更大的回报[15]。Worrel等人在1997年提出了一种分析能耗的方法，主要是使用了一种物理生产指数（PPI）来考察产品（结构）[16]。在计算PPI时，每种产品生产及加工都通过重量因子来权衡。一般情况下，重量因子取决于生产每种钢铁产品的主要能耗。(1)其中Pi是产品i的产量，Wi是产品i的重量因子。则总的生产能耗为：(2)其中Ej为燃料j提供的主要能量。∑Pi，PPI/∑Pi，∑Ej/PPI则分别代表产出、产品（结构）和能效。中国学者陈维平等人也提出了一种简化模型用以评估典型铸铁生产的能耗状况[17]，同时指出使用单位成品能耗来评价昀终能源利用效率和能耗水平更具科学性。设总投料质量为M吨，完成全部生产流程后的总能耗为N，成品率为F，浇冒系统质量为M1，产生的废品质量为M2，铸件精整工序中的机加工量为M3，则单位成品能耗EF为：（3）设熔炼和热处理设备条件不变的情况下，原工艺的成品率为F0，通过适当工艺技术改进提高至F，则成品率的提高幅度ΔF＝F－F0，ΔF≤1－F0。则单位成品能耗的降幅R为：（4）单位成品能耗的降幅R与原有成品率F0的关系，如图3所示。从图3中可以看出，在原有成品率F0一定的条件下，单位能耗的降幅R随着成品率提高幅度x的增加而增大；当成品率提高幅度ΔF值一定时，单位能耗的降幅R随着原有成品率F0的增加而降低。即进一步提高技术指标时（提高成品率），能耗降幅有限；同时，在同样的原有技术水平下（F0一定），进一步提高技术指标，则指标提高幅度越大，对降耗的作用也越大。2010中国铸造活动周论文集-5-图3成品率提高与单位能耗降幅的关系1.3.2主要节能途径影响工业生产中能源消耗的因素有很多，目前许多国家采取税收或政策等因素来降低产量，从而达到降低工业生产能耗的目的；然而，其所削减的产量又可能转移到低劳动力成本的发展中国家，从全球范围看，并未能从根本上解决工业生产节能降耗的问题。除了上述措施外，完全可以通过积极的提高能效的方法来实现节能目标。如提高设备的能效或直接删减高能耗环节，这是一种直接节能的措施；同时还可以通过技术手段等提高能效，即间接节能的措施。（1）直接节能途径熔炼是铸造生产中的关键工序，提高设备的能源利用率是降低熔炼环节能耗的昀直接的方法[18,19]。目前中国铸件热处理环节的能耗所占比例较高，热处理设备的能源利用效率较低。以球墨铸铁为例，传统技术生产的球铁，需要进行较高温度的石墨化退火或正火处理以提高性能。如果能够生产铸态下即质量达标的球铁铸件，则可以省去热处理环节，或仅进行低温消除应力退火，其对节能降耗的贡献也非常可观[20-23]。（2）间接节能途径铸件的成形工艺正在朝着高精度、短流程、洁净化、高品质等方向发展。采用先进铸造技术，不仅是提高铸件质量的重要途径，同时由于优化了整个工艺流程[28-32]、提高铸件近净成型程度[24-27]，从而降低了废品率，提高了铸件的工艺出品率和成品率，进而提高了铸造生产的能效，起到了间接节能的作用。陈维平等人选择某铸铁生产厂进行了针对上述直接节能措施和间接节能措施（技术措施）的案例比较研究[17]。某铸铁生产厂原生产现状为：采用大型冲天炉熔炼设备熔炼，普通砂型铸造，球铁需经后期石墨化热处理。废品率约为10%，工艺出品率为70%；此外，后期机加工过程后成品率为60%。平均的单位成品能耗为583kgce/吨成品件。现在该厂使用中频炉替代原有冲天炉进行熔炼、消失模造型替代传统砂型铸造，同