控制成本,控制排放


2012年,美国灰铸铁件和球墨铸铁件占铸件总产量的68%,分别是世界第三大灰铸铁件和第二大球墨铸铁件生产国。在大气质量标准日益严格的条件下,美国铸造行业面临着低成本、优质废钢铁的全球争夺。在很多企业生产成本中,原材料都占有最大的份额,因此,原材料方面的技术创新是至关重要的。

此外,在管道终端控制排放的传统方法可能大幅度地增大投资和运营成本,而针对排放源的技术创新可以降低成本。这方面的进步还可以减少挥发性有机化合物的排放,能适应日益严格的美国环境保护署的环保标准。

Fig. 1. The chart shows the baseline input-output boundaries for the conventional cupola iron casting facility used for this analysis.

Fig. 1. The chart shows the baseline input-output boundaries for the conventional cupola iron casting facility used for this analysis.

一个由大学科研人员、关心研发工作的企业家和铸造工作人员组成的团队已经开始探索铸造行业的可持续发展技术,其中一个重点是铸铁。科研人员已研发了三项主要的创新:

1.用由水解胶原、碱性硅酸盐和其他添加剂组配的粘结剂代替酚醛尿烷砂芯粘结剂,挥发性有机化合物的排放可减少2/3。

2. 用无烟煤颗粒与水解胶原、木浆胶和其他添加剂制成的团块代替冲天炉用的冶金焦炭,燃烧速度与焦炭一样,但是,每单位体积燃料产生的能量比原来多35-40%。

3. 对于用过的粘土湿型砂和袋式除尘器收集的粉尘,应用新型氧化剂和水声空化技术,可恢复粘土的粘结作用,并可清洁砂粒。该工艺通过减少粘土、煤和砂子的用量以降低成本,同时也减轻了挥发性有机化合物和有害气体造成的空气污染。

这一研究评估了铸铁企业的能源和材料流程,以更好地理解目前在行业实施的近商品化的可持续发展技术的成本和环境效益。这类前景看好的创新包括袋式除尘器粉尘和粘土湿型砂回收利用的新型氧化系统,减少挥发性有机化合物、代替焦炭的粘结剂技术,以及由非金属铸造工艺中产生的废弃物研发出来的取代产生大量挥发性有机化合物的材料的粘结剂系统。

比较的基础

为了评估资源的使用、排放情况以及与当前使用的和预期的铸造工艺相关的成本,需要一个基础性的标样。该控制标样是就位于威斯康辛州的一个冲天炉铸铁企业标定的,该企业采用冶金焦炭、传统的粘土湿砂造型工艺,袋式除尘装置收集的粉尘或废砂不再循环利用,在脱除旧砂或粘土上的碳质覆盖物方面也没有创新。基础性标样还使用胺硬化的酚醛尿烷砂芯。用这种作业方式来评估各种可持续生产技术的效果。

生产活动的范围涉及为铸铁厂提供输入材料的主要上游生产活动。标样中涵盖了能源、材料、排放物、运营成本和资本投入。生产中的每一个中间环节对这些数据进行跟踪,包括热金属的制备、制芯、湿砂造型、浇注、冷却和落砂。下游的铁制品回收和循环利用没有考虑在内,因为创新的工艺不影响这些过程。

EmissionT1图1描述了供分析用的基础性输入-输出界限。主要的上游生产活动包括为铸造企业提供电力、焦炭和砂子的作业,包括:发电、焦炭生产、采砂,以及其产生的排放物和需要的燃料和原材料。图1右侧显示了冲天炉熔炼和其他铸造生产活动,这是两项主要的功能性单元。这些生产活动需要输入熔炼材料,例如钢铁合金,废金属和天然气。还要求工艺过程中的输入,例如部件和补给。该工艺链生产出最终的铸铁件,也产生数量可观的排放物。

芯子的改变:胶原-碱性硅酸盐粘结剂

常规的铸造厂一般都采用冷芯盒工艺制芯,冷芯盒工艺用气态胺硬化的酚醛尿烷粘结剂,会造成空气污染。此外,金属液注入铸型时,芯子的粘结剂会发生热解,释放挥发性有机化合物和有害气体。常规的芯子粘结剂是铸铁厂挥发性有机化合物和有害气体的主要来源。

最近,小规模和试生产已经表明:混合胶原和碱性硅酸盐,可以制成芯子用粘结剂,其释放的挥发性有机化合物和有害气体比使用酚醛尿烷粘结剂少得多,同时,还保有与使用酚醛尿烷粘结剂可比较的强度和耐热性。在胶原-硅酸盐混合物的硬化过程中,有一套专利的热硬化型砂粘结剂系统,在真空条件下由空气、湿气或二氧化碳加热芯盒。该系统要求一个改良的制芯机和专用工具,但不需要尾气洗涤塔,也不产生洗涤残留的盐液。制芯车间产生的唯一排放物就是水。在合作铸造厂有限的经验基础上,相比传统的制芯工艺,这种制芯工艺更高效,周期时间更短,需要较少的芯盒清洗,产生较少的废芯。

关于低排放混合制芯粘结剂的最新研究还未发布,因此,这里提供的数据只是有可能的改进提高,但是胶原-碱性硅酸盐粘结剂在粘土湿砂造型方面,可能使总运营成本降低1.3%,挥发性有机化合物的排放减少35%。

EmissionT2熔化分解:电感应炉与冲天炉的对比

由于冲天炉炉料中加有石灰石,可采用杂质含量高的废铁和碳源。分批熔炼的感应电炉用电熔炼,要求使用价格较高的(较纯的)铁料和碳源来使之合金化。总的来说,电感应炉熔炼铸铁需要的化石能源和多207%,非化石能源多207%(见表2)。由于电力输送的效率较低,热能转化为电能,电能又反过来转化为热能的效率也比较低,因而,感应电炉熔炼铸铁的能耗肯定较高。由于冲天炉所用的冶金焦炭成本比燃煤电厂发电高得多,感应电炉的实际能源成本只比冲天炉高9.7%。

冲天炉排放的气体影响当地环境,而电感应炉产生的排放物较少。为了符合当地限制排放的空气质量规定,一些企业已经用电感应炉取代了冲天炉,但是就整个生产循环来说,这是不利的。用电感应炉代替冲天炉,只能将气体排放转移到上游——发电的环节,如表2所示。电感应炉排放的颗粒物较少,而在生产活动范围中,空气污染物的排放指数增加150%,温室气体排放高58%,挥发性有机化合物的排放高88%。这是局地空气污染标准如何对全国排放气体产生直接和有害的影响的一个典型例子。与冲天炉相比,分批熔炼的感应电炉运营成本增加1.7%。

(注:这些研究结果只反映威斯康辛州的发电系统的情况,与电力行业排放较少的地区和/或其他非化石能源地区的情况可能有所不同。)

废气排放检测:使用无烟煤细粒代替焦炭

生产焦炭时,要将烟煤加热到1652-1832℉(900-1000℃),经28-30小时,消耗15-20%原煤的能量,并释放等量碳当量的温室气体和挥发性有机混合物。随着科技的进步,部分或全部代替焦炭的使用,将减少或消除类似的排放产生。另一项提出的技术,是利用冲天炉排放的余热制取褐煤活性炭。褐煤可以吸收排放的挥发性有机化合物,吸收了有机化合物的褐煤可以用于粘土湿型砂,代替烟煤粉,也可以作为制造焦炭替代物的源料。

EmissionT3第一个选择是用废弃的无烟煤细粒制成的团块,以部分代替焦炭和硅铁合金(见图2)。这种团块用胶原、硅/硅酸盐和其他生物材料制成的粘结剂,其强度和热值与焦炭相近。这种团块中的无烟煤细粒和生物材料的价值有限,价格与低档次燃料或其他废料相当。而且,这种团块中含有硅,作为冲天炉的炉料,可为铸铁提供硅元素,并控制冲天炉的氧化还原反应水平。这种团块含有85%的无烟煤细粒,10%的生物材料和5%的硅/硅酸盐。粘结剂可以适应冲天炉内的受热条件,使团块从室温到熔铁温度都有强度。团块单位体积产生的BTU热量比焦炭高35-40%,燃烧速度大致相同。

这种无烟煤团块以前曾大规模地用于宾夕法尼亚州的一家用冲天炉熔炼的工厂。该试验在半天时间内使用4吨生物材料制成的团块,其中25%作为焦炭的替代物。在投入冲天炉的粗糙搬运过程中、下降到温度高达3000℉(1550℃)的风口部位时,团块仍保持完好无损。用团块的代替期间,装入炉中的总碳量(即焦炭和团块中的碳)减少6%,且保持一个恒定的熔炼温度,良好的CO / CO2比和橄榄绿色的炉渣,表明适当地降低了铸铁的形成条件。铸铁产品的碳含量保持不变,且铸铁中的硅、硫和其他微量金属的含量都适当。试验保持了铸铁产品的质量。

由于更加有效的能量释放,向冲天炉中补充喷射天然气的企业,可减少其对天然气的需求。无烟煤团块必须在248℉(120℃)下进行干燥,与在1,652-1,832℉(900-1,000摄氏度)下焦化26-30小时的焦炭相比,所需的能量要少的多。

EmissionT4该研究评估了焦炭替代物的两个变量的影响:无烟煤团块替代20%和50%的焦炭,使用20%的焦炭替代物和50%的焦炭替代物时,与焦炭相关的生产活动范围中能量的消耗,分别减少0.6%和  1.5%(见表3)。空气排放物指数降低,温室气体和挥发性有机化合物大幅减少。

另一个有可能代替焦炭的方法是利用冲天炉的废热,使粒状烟煤热解,粒状烟煤可用前面提到的粘结剂制成团块。这个过程的副产品可以出售和/或用作燃料,由于这一过程是在现场发生的,因此需要直接和间接的劳务作业。减排是建立在完成这一过程所要求的能源减少的基础上的。挥发性有机化合物作为副产品在冲天炉中凝聚或直接燃烧。这个过程已经在一个全面的试验中成功演示,也可以生产替代冶金焦炭的适用材料。

该工艺过程产生的潜在节能达3%(表3),不包括已售出的副产品中的可用能量,温室气体减少2.8%。由于工艺过程的封闭性,污染物和挥发性有机化合物的排放指标显著改善。总成本降低20.6%,原料和能源成本的减少抵消了劳动力成本的增加。副产品材料的销售收入(见“其他费用”)是很可观的,使净回报期限大约只需两年。

优化调整:先进的水声学氧化技术

Emission2

Fig. 2. The diagram shows the process of creating anthracite fines bricks, which partially replaced coke.

一家美国公司提出了一种新型的氧化系统,将臭氧、过氧化氢和高频声波用于被称为“黑水”的泥浆中,使袋式除尘器收集的粉尘再生。袋式除尘器得到的泥浆经先进的氧化技术处理,代替用于粘土湿型砂的传统水源。研究表明,目前50家铸铁厂采用此项工艺,所用的粘土和煤粉减少27-60%,使用的硅砂减少20-37%,在浇注、冷却和落砂过程中产生的挥发性有机化合物减少19-70%。

这项工艺的改进涉及水声学、空化、再循环和虚拟气旋(AO-HAC),并已在10个美国工厂安装。型砂-铁液的界面处,型砂中的煤粉和粘结剂热解挥发时形成的疏水碳质涂层,这项工艺由声频使疏水涂层沉积。之后,挥发性有机化合物转移到较冷的湿型砂中,进行再凝聚。先进氧化技术将粘土和砂表面的凝聚挥发物去除,恢复粘土的亲水粘结性能,并防止他们在造型、浇注、冷却和落砂过程中再次挥发。

在小规模生产中,再生砂足够清洁,可以当芯砂使用。在全面演示中,用再生砂芯子生产的铸件质量与使用原始商品砂的质量一样或更好。AO-HAC系统可以回收85%的正常处理的粘土湿型砂。基于这样的运行数据,以及AO-HAC系统与先进的氧化技术——“黑水”沉淀系统的协同效应,表4中生产活动范围和成本的比较表明:即使只用于袋式除尘器收集的粉尘,AO-HAC系统也可显著减少挥发性有机化合物的产生。

EmissionT5为实际应用而创新

铸造厂综合采用上述创新技术,就可以最有效地节约成本、能源和原材料。一个策略是采用50%的焦炭替代物,同时配合采用先进的氧化、水声、空化法以及用胶原-碱性硅酸盐粘结剂制芯。

有些方案具有共生性。例如,用水基低排放的胶原-碱性硅酸盐粘结剂取代酚醛聚氨酯粘结剂时,挥发性有机化合物和有害气体在粘结剂第一次接触铁液和随后的工艺过程中,由于先进氧化工艺对砂粒和粘土颗粒的清洁作用,挥发性有机化合物和有害空气污染物会减少。此外,与脱除芯砂的残留酚醛尿烷粘结剂相比,在湿型砂系统的落砂环节中,水基系统将有可能改善水基粘结剂残留物从芯砂上的清除效果。

表5表明了三项技术的生产活动范围和成本分析。“未来的铸造”模式将生产活动范围中的能耗减少15%,新砂使用量减少85%,挥发性有机化合物减少57%、回炉废铁减少9%,粘土、煤和焦炭减少50%。总的来看,将实现总成本降低6.6%。

回收袋式除尘器灰尘和沙子的高级氧化系统,带来明显的成本节约和环境效益,这也是60家美国工厂采用某种形式技术的主要原因。采用这些可持续技术对于节省运营成本意义重大,并可在0.2 -1.4年的周期快速收回投资回报。由于用于生产焦炭的高档冶金煤炭的供应减少、价格上涨,焦炭替代物将可以产生显著的成本节约。    ■

本文是基于在伊利诺伊州绍姆堡举办的2014年美国铸造协会铸造大会上发表的一篇论文。