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JFE开发的高炉喷吹废塑料技术简介
JFE开发的高炉喷吹废塑料技术简介 2011年12月04日 来源： 按照“十一五”规划节能环保优先的方针，钢铁工业作为耗能大户还应进一步狠抓节能。高炉喷吹废塑料在日本是一项成熟的节能环保技术，但在我国的应用尚属空白，在我国钢铁业由大变强的过程中亟应尽快赶上。现根据日刊资料对日本JFE钢铁开发此项技术的经过简介如下，以供有关参考。开发背景日本是一个国土狭小和资源贫乏的经济大国，1973年在石油危机以后对节能十分重视；90年代开始解决垃圾填埋场地不足，后又狠抓了废物再生利用以扩大节能；1997年“京都议定书”通过后又承担了2010年比1990年减排CO2 6%的任务，于是2000年颁布“建设循环型社会基本法”和多项配套法规，由此成为推动高炉喷吹废塑料技术开发和不断发展的持久动力。废塑料的容积在废物中所占的比例极高，大部分通过填埋和焚烧处理。但填埋后由于不易降解造成地下水源污染，焚烧时由于PVC等含氯废塑料易生成毒性极强的二恶英，对人们健康的危害极大，故成为1995年颁布的“容器包装再生法”中要求分类回收和扩大再利用的重点对象，JFE钢铁京滨厂便是从1995年在高炉喷吹废塑料的。另外，钢铁工业属于高能耗产业，尽管日本钢铁业的能源利用效率居世界领先水平，但其耗能量仍居全国的11%，且2004年的CO2排放量高达1.85亿t；加上原燃料基本依靠进口，年进口量高达12亿t。故钢铁联盟于1996年组织制订并公布的以减排CO2为中心的节能环保2010年企业志愿计划中，规定比1990年节能10.5%（其中消耗废塑料100万t折合节能1.5%），从而成为推动高炉喷吹废塑料的直接持久动力。关于研究开发的具体背景如下：（1）废塑料利用的社会问题。废塑料由于用途广泛，废后又多混杂在一起，因此作为原料利用较为困难。如1995年的再生利用率仅为25%，远低于其他容器包装废物钢罐壳的66%。在再生利用技术的开发方面，初期开发油化技术，但由于要求原料分选严格使成本较高，加上成品油质量比石油差，又值九十年代后期油价低而未能实用化，因此十分重视开发新的再生利用技术。（2）开发经过。JFE钢铁于19世纪70年代即取得合成塑料作高炉还原剂的专利，但因回收废塑料的社会体制尚未建立，错过了实用技术开发的机会。进入90年代后社会对资源合理利用的认识提高，于是重新研究高炉利用废塑料的技术，主要是：（a）从炉顶把矿石、焦炭一块装入；（b）从风口由热风喷入高炉代煤的方法。从高炉上部加入时，废塑料在300℃左右即分解为以焦油为主的碳化氢并从炉顶排出，使节焦的效果不明显，且对改善炉料的透气性有负作用，从而决定高炉利用废塑料从下部喷入为宜，重点从这方面进行了技术开发。1993年参照德国PVC等含氯废塑料较低国家的经验，即除小型高炉从风口喷吹外，还有通过化工厂处理，但后者的能源利用率较低，于是决定集中开发高炉喷吹废塑料的高效技术。（3）高炉喷吹废塑料的课题。关于高炉喷吹废塑料技术，首先是缺乏有关粒度大小的资料；其次是作为生活垃圾排出的废塑料，其品种组成波动大，具体见表1。特别是以包装袋和薄膜为主的废塑料，其假比重仅0.1t/m3，和煤粉的差距太大；另外，含氯废塑料加热后将产生的盐酸可能对高炉设备造成腐蚀。
表1 生活垃圾中废塑料的含量和性能
针对以上课题，需进行以下技术开发：1 为弄清废塑料在高炉内的反应效率，需对其在高炉中的变化解析，特别要查明在高温区（~2000℃）下的气体特性以及废塑料的最佳粒径和特性。2 开发不同特性塑料的分类、粉碎和造粒技术。3 开发对引发设备故障的PVC等含氯废塑料高效分离去除技术。4 开发含氯废塑料的脱氯技术，以利于合理利用。将废塑料制成高炉原料的预处理技术1 对废塑料燃烧性的评价。废塑料用于高炉时，在炉内达到高气化率以发挥还原剂的作用是最重要的课题。一般当固体粒子通过微细化使比表面积加大时反应速度将上升，但废塑料的微细化很难。对此，为了把握喷吹入高炉中废塑料的气化特性及选定可高效利用废塑料的粒径，开展了以下的基础研究。（1） 单一粒子的燃烧性评价。为评价废塑料粒子的基本燃烧特性，用特制的层流炉进行了研究。炉身高2.4m，中间燃烧孔为φ100mm，燃烧段高500mm，在炉内加热至1300~1500℃下，从炉上部通过管道将预热空气和塑料粒子送入燃烧带，对单一粒子的燃烧过程通过安装在炉侧壁的石英玻璃窗由高速摄影镜头直接摄影的同时，并由双色温度计测定粒子温度。试验时对各种尺寸的废塑料粒子和煤粉进行了比较燃烧试验。即用煤粉（粒径φ0.044~0.063mm）和废塑料（粒径φ0.425~0.85mm）比较燃烧试验（塑料为聚丙烯，煤的挥发分33.3%，空气温度1200）℃，送入速度为4m/s）的结果，看到煤粉加入炉内马上着火，由挥发分燃烧使粒子火焰温度达1500℃，同时观察到的粒子火焰径也快速扩大到20倍，之后随着挥发分燃烧完毕使焰径缩小，温度也下降而转而向固定炭的表面燃烧。而废塑料则由于粒径比煤粉大，致使着火慢，观察到的火焰温度也仅1100~1180℃，同时火焰径的扩大也比煤粉慢。另对不同种类、不同粒径废塑料从落下到着火时间比较试验的结果如表2，除发现随粒径加大而着火时间延长外，和塑料种类不同的关系不大。
表2 不同塑料、不同粒径的着火时间（单位：ms）
还有和煤粉比较时，塑料粒径的影响较大，在1mm时则比煤粉长，这主要是由于两者向粒子内部的导热率不同，即它比煤粉的导热率高导致传热快之故。（2） 对粒子群的燃烧性评价。从单一粒子的燃烧试验得知，粒径越大则燃烧性下降。但废塑料由于粉碎性差导致微粉化时需冷却而使经济性差，考虑实际喷吹时为粒子群燃烧，使粒子间存在辐射传热而和单粒燃烧不同。于是为查明废塑料在焦炭填充层的燃烧变化，用10t/a试验高炉（废钢铁熔化炉）开展了试验并研究。该炉为竖式化铁炉，从炉顶装入废钢铁和焦炭，从风口吹入氧气（用氮稀释）和煤粉，从炉下部回收铁水和炉渣。由于高炉下部达到2000℃高温，对风口都通水冷却以保护之。喷吹用塑料为PE、PP、PS和PE的废材PCP，粒径分<1mm和2~4mm两种。由于只熔化废钢铁，不消耗铁矿石还原用炭的部分。当从风口吹入煤粉+废塑料量一定的条件下改变废塑料的数量、品种和粒径时，发现吹入<1mm粒径的PS比<1mm粒径的PE时铁水温度较高，吹入2~4mm粒径的PE和PCP时则铁水温度更高。另从理论燃烧温度和风口冷却水带走热量的关系比较看出，在喷吹粗粒废塑料时比喷吹煤粉和细粒废塑料时冷却水带走的热量更少，说明粗粒废塑料的燃烧焦点较其它更易转向炉内，这和试验炉内气体分析的结果也一致。总之，经过充分试验，证明2~4mm粒径的废塑料在高炉喷吹中还是可用的。（3） 高炉喷吹废塑料影响的实况调查。 为了查明高炉喷吹废塑料时其在炉内的变化情况，用专门的试验装置（废塑料粒径<6mm、喷吹速度65kg/分、年喷吹量3万t，喷吹风口只用20个中的3个），在京滨厂4907m3高炉进行了试验。并通过插入风口的取样管及以下的方法，对废塑料在高炉内的变化进行了解析。（a）从风口视窗对吹入高炉内的废塑料用1/13500秒的速度摄影，以对气化状态解析；（b）利用从风口插入高炉内的取样管，对高炉内气体成分按半径方向的中心、中间和周边3处进行了分析；（c）对炉顶的高炉煤气和粉尘分析，以调查有无废塑料分解生成物（轻质炭化氢）和焦油。由以上的试验结果得知，当废塑料和煤粉从喷口由高温空气以200m/s速度送入风口并进入炉内。从摄得的图像得知，粒径0.1mm的煤粉喷入炉内后马上燃烧而看到火焰，而粗粒废塑料由于气化慢导致在风口出口外前端处仍以粒状存在。由此令人担心会产生焦油，但从炉顶粉尘中焦油浓度的分析结果看仍和未喷废塑料时一样，说明废塑料在高炉内已完全气化，对高炉煤气的清净设备不会负面影响。另外，对高炉煤气的成分进行分析对比，含氢量比一般操作时高出0.3%，这也反映了废塑料含氢高的特点和炉内完全气化的结果。但这不仅对高炉操作无害，反而有利于提高高炉煤气的发热量和节能。总之，由以上结果证明高炉喷吹废塑料的可行性。2 喷吹废塑料的预处理技术高炉喷吹废塑料还必须开发预处理技术，特别是对容器包装用废塑料应解决以下问题：（a）对各种混合废塑料应设法分离；（b）对废塑料以外的且不适合作原料用的杂质应除去；（c）对过多的PVC等含氯废塑料应大部除去。为此，建成500kg/h的工试装置，进行了以下预处理的重点试验和技术研发：（1） 开发废塑料按形态别的分离技术。废塑料的形态可分为固体状和薄膜状两大类，如混合破碎时，则膜状破碎物易悬挂在料仓中或堵塞管道，必须在事前予以分离。新开发的分选装置是将混合废塑料放在倾斜的摇动滚床上，利用反弹力之差将两者分向两头而分离。并可通过改变摇床的倾角和曲轴的转数影响分选效率。经对膜状、固体状各50%的混合废塑料在不同参数下的试验结果如表3，由此可知，摇床倾角10°、曲轴回转数170~180rpm是分选的最佳条件。
表3 不同条件下两类塑料的分选效率（单位：%）
（2） 含氯废塑料分选系统的开发。生活垃圾中的废塑料含有多量的PVC等含氯废塑料，如喷入高炉中将产生氯化氢，对相关设备造成腐蚀，故开发成功从膜状废塑料中分选出含氯废塑料的技术。由表1可看出，PVC等含氯废塑料的比重较大，从理论上看本可以利用比重差进行分选，但实际上由于废塑料附有气泡和杂质，使用一般比重分选法难以达到分选目的，于是采用了离心式比重分选法。即在水平圆筒内加入水等分离溶液和规定粒径的粉碎废塑料，由于圆筒的高速回转产生的离心力所附的气泡被除去，再由和分离液体的比重差很快得到分选。即比重大的含氯废塑料沉降于圆筒壁处，而比重轻的其它废塑料则在水面形成环状浮游物，由在筒内设置的两种半径和倾角不同的摇床将他们排出筒外而分离。通过500kg/h处理能力试验设备的实验结果，找出了供应废塑料的粒径、分离液的混合浓度、圆筒的最佳回转速度和最佳水位及最佳去泡剂等合适的运行条件。经过对实际生活废塑料的试用结果，对含氯废塑料的含氯量占混合物5~9%的条件下，对轻量可用于高炉的废塑料中使含氯稳定的保持在0.5% 以下的目标得以通过高效分选后实现，使含氯废塑料混杂在内的废塑料通过分选后不仅可用于高炉喷吹，还进一步将选出的含氯废塑料经回转窑加热下脱氯并以盐酸形式回收后作为冷轧工场的酸洗用料，对脱氯后的部分仍经造粒后供高炉喷吹用，最终做到了全部废塑料的再生利用。3 废塑料供高炉喷吹的预处理。在上述基础技术开发的基础上，在JFE钢铁的东日本钢铁的京滨分厂和西日本钢铁的福山分厂已共建成近20万t/a的废塑料预处理系统以供高炉喷吹。即对选出的膜状废塑料经固化造粒为φ2×4~6mm的固柱状即可供高炉喷吹用；对固形废塑料则经二轴破碎机和一轴粉碎机破碎至φ2~4mm的固状物后即可供高炉喷吹用。由于生活废塑料中含氯废塑料占8~10%，故必须先经上述的去氯分选和脱氯处理分别造粒处理后供高炉喷吹用。近年发展及今后展望JFE钢铁于1993年试成高炉喷吹废塑料技术并于1995年在京滨分厂4907m3高炉实用化，以后并据钢铁联盟要求2010年使用废塑料100万t以节能1.5%的目标，制定了2010年JFE钢铁喷吹废塑料3.5万t的计划，但后发的新日铁用废塑料掺入炼焦油中2%以炼焦的技术，其能源利用率94%和含氯废塑料<5%优于高炉喷吹的75%和2%，2005年的用量超过了高炉喷吹。为了提高废塑料在高炉中的气化和还原效率，于2006年又开发成功将废塑料微粉化的技术，即通过对废塑料进行特殊预处理以变脆，可通过粉碎至原来1/10的200~400um，并投资14亿日元在京滨分厂于2007年3月建成8000t/a装置，预计年可减排CO2 1.8万t，由此高炉喷吹废塑料今后将得到加快发展。(end)