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中国高炉喷吹废塑料的可行性分析

浏览次数: 日期:2018年4月16日 14:53

  介绍了对高炉喷吹废塑料进行可行性研究的必要性;阐明了废塑料的化学成分及其化学能的可利用价值;论述了废塑料在高炉内的基本反应过程和国内研究的进展情况;并以鞍钢为例,通过列举废塑料的收集、分类、除氯、投资及经济效益等影响因素,进一步分析了中国高炉喷吹废塑料的可行性。

  近年来,高炉喷吹废塑料的环保技术取得了许多经验和积极的效果,引起世界各国环保组织的关注和冶金企业的重视。中国作为世界上塑料生产大国,“白色污染”相当严重(全球年产废塑料总量达5000多万吨,中国约占世界总产量的10%以上)。随着人们环境保护意识的不断加强,废弃塑料的治理工作越来越得到政府、社会团体和广大市民的关注。目前,世界各国对废塑料的治理常用再生利用、焚烧发电、堆积和掩埋的方法。与其相比,向高炉内喷吹废塑料技术的应用,不但解决了废塑料产生的污染,而且为高炉炼铁开辟了一种新的能源。因此,有必要对其进行可行性研究。

  1. 化学成分及化学能的利用

  1.1化学成分

  废塑料的主要成分是高分子碳氢化合物,其燃烧后产生较高的热能及化学能。其化学成分见表1[1]。

  1.2化学能利用

  表2以C8H8为例,说明了燃烧与还原二者之间能量的不同。这两个过程都是先被气化成CO和H2(即1/4)C8H8+O2=2CO+H2,反应热为8.21MJ/kg(碳)),然后才能有效地进行第2步反应:燃烧为2CO+H2+(3/2)O2=2CO2+H2O,反应热为(31.40/39.61)MJ/kg(碳);还原(高炉)为Fe2O3+CO+H2=2Fe+2co2+h2o,反应热为(-0.46/7.75)MJ/kg(碳)。整个用来加热的能量约80%是在燃烧过程中释放出来的。从另一角度看,如果气体用来还原的话,则供给的能量刚好满足进行反应所需的能量,约50%以上的能量是以化学能的形式被利用,而非以热能形式。

  从化学成分上看,塑料和油之间几乎没有什么差别。两者的碳氢化合物在高炉下部都转变成温度达2000℃以上的煤气。当煤气通过炉身时,这些气体就在高炉中将铁矿石还原。由于反应不能完全进行,使得从高炉出来的气体还含有用成分,它们或被用来预热空气,或送发电厂发电。表2表明,由于要求还原能量较高,高炉喷吹是在几种处理过程中唯一能使废塑料转化成能量,转化率达到50%以上的工艺过程。热量附加利用率约为27%。这几乎和现代废物焚烧厂的总利用率一样高,且没有一个标准发电厂能提供出比其更好的数据来。

  2. 高炉内的基本反应过程

  废塑料在高炉内的基本反应过程为[2]:①在风管和风口内的热分解和燃烧行为。在鼓风温度为1250℃的条件下,风管和风口内粒度为2.06mm的塑料颗粒表面部分熔化,但没有燃烧。②回旋区内的燃烧和气化反应行为。粒度为2.06mm的塑料喷入回旋区内的高温气氛中,经燃烧、气化反应以及加热引起的爆裂,粒度则变为0.20mm左右,这时的火焰温度为2000℃左右。可以看出由于煤气温度达到该程度,将引起塑料的分解、气化和燃烧。塑料的燃烧反应为:CxHy+1/2XO2→Xco+1/2Yh2+Q1。CO和H2在上升过程中,作还原剂与铁矿石发生还原反应:Fe2O3+Xco+YH2→Fe+Xco2+YH2O+Q2。③高炉下部塑料的消耗和沉积行为。炉子下部未反应的塑料在上升时,一部分用于铁矿石还原而生成CO2和H2O,一部分沉积在填充层而基本上不从炉顶排出。喷吹塑料后,H2和C1~C4碳氢化合物的浓度增加。塑料粉末在风口前燃烧产生还原气体,而大粒(2~10mm)塑料在回旋区深处燃烧和气化。塑料的燃烧率随颗粒的增大(<10mm而提高,大颗粒(2~10mm)塑料在回旋区的燃烧和气化率可达100%。

  从废塑料的化学成分和反应过程看,适合高炉喷吹。另外,与煤相比,在气化产物中H2/CO的比值要远大于喷吹煤粉时的比值,这有利于铁氧化物的高温还原。此外,由于废塑料的成分和硫极低,与喷吹等量的煤粉相比,可少加石灰石,减少渣量,有利于降低焦比和提高生产率。

  3. 国内的研究进展及可行性分析

  3.1国内研究进展

  废塑料主要由碳、氢两种元素构成,化学成分和重油接近。废塑料和其他石化燃料的燃烧特性对比结果见表3。从表中看出,废塑料具有很好的燃烧特性。废旧塑料可作为高炉炼铁的良好还原剂和发热剂。开发废旧塑料燃料化技术和高炉喷吹技术不仅能使钢铁生产实现降耗节能,而且也是改善社会环境的有效手段。

  目前,国内对废旧塑料的热特性、燃烧动力学、影响废旧塑料燃烧的气相成分及造粒条件所做的工作还只停留在试验阶段。文献[3]、[4]对其燃烧化及气化性能的研究表明,废旧塑料在不同气氛中的燃烧特性也不尽相同;随着氧化性的增强,开始燃烧温度及激烈燃烧温度都降低,燃烧速度加快且充分:在相同的气氛中废旧塑料的开始燃烧温度稍高于煤粉,但燃烧速度较煤粉快。热态造粒参数和粒度对废旧塑料燃烧特性有一定的影响,但其影响不大。文献[5]、[6]研究表明,用一级反应模型对废旧塑料样品的燃烧实验数据进行处理,结果表明符合一级反应规律。文献[7]、[8]利用差热分析法和静态法研究废旧塑料与煤粉的对比性实验表明:①随着温度的升高,废旧塑料热解出部分挥发性的可燃气体,在废旧塑料周围形成空气与可燃性气体的混合气层,满足着火条件即发生气—气单相燃烧反应。对于热解速度快的废旧塑料品种,则在油状物达到燃点时发生液—气多相燃烧反应。②与煤粉相比较,废旧塑料着火点较低,燃烧速度较快,燃烧后产生的还原性气体要多。因此,喷吹后更有利于节约焦炭并为高炉强化冶炼创造了条件。③废旧塑料的恒温燃烧反应存在质量损失率变化较慢的诱导期。温度升高则诱导时间缩短,相同试样的燃烧时间明显缩短,燃烧灰烬少。喷吹后有利于高炉的正常运行,使高炉达到高产。

  3.2可行性分析

  鞍钢在国内高炉喷吹废旧塑料研究方面起步较早,投入了大量的科研力量并取得了一些可喜的科研成果。目前,该项技术的实施主要受制于:①废旧塑料的收集和供应量不足,无分类措施,无法保证高炉喷吹的要求;②国内废旧塑料中聚氯乙烯(PVC)含量较高,分解后产生的氯元素严重地腐蚀炉衬,因此脱绿氯技术也是影响高炉喷吹废旧塑料的一个因素;③开发投资大,德、日两国企业开发这一技术的费用折合人民币均超过1亿元。上述因素对鞍钢高炉喷吹废旧塑料工作也产生一定的的影响。

  3.2.1废旧塑料的收集和分类问题

  目前,中国废旧塑料的年均产量为500~600万吨,其构成为聚乙烯(PE)占52%,聚氯乙烯(PVC)占22%,聚丙烯(PP)占15%,聚苯乙烯(PS)占2%,聚脂占1%,其他约占6%。国内废旧塑料的回收利用率仅为10%左右;无相应的废旧塑料收集和运输体系,收集单位分散,缺乏废旧塑料强制回收方面的法规,废旧塑料不能定点投放。这些因素造成了废旧塑料回收量的不足。对鞍山及周边地区的废品公司的调查结果表明,废旧塑料的回收量极少,且无分类措施,无法满足鞍钢高炉喷吹废旧塑料的要求(以鞍钢10号高炉为例,假设废旧塑料的喷吹能力为40kg/t,那么一天需约200t非PVC类废旧塑料)。而在原料回收方面,欧洲和日本早已制定了相应的法规,要求定点投放,分类回收。欧盟在2000年前废旧塑料的回收率就已达到90%;2005年要求塑料废弃物的再利用率达到60%,并制定了具体的分类回收措施。因此,德国和日本有条件在高炉上喷吹废旧塑料。

  3.2.2去除聚氯乙烯废塑料中的氯

  目前,国外喷吹的废旧塑料多为非聚氯乙烯类塑料,只有日本NKK公司和川奇钢铁公司正在从事废旧塑料除氯生产线的开发和研制工作。国内因废旧塑料回收不分类,且PVC含量相对较高,故鞍钢在现阶段应开发废旧塑料除氯技术,待该项技术开发成功后再进一步研究向高炉喷吹废塑料。

  3.2.3设备及投资情况

  根据国外厂家的投资情况,德国布莱梅钢铁公司喷吹系统设备改造投资为1500万马克,开发费用为3000万马克,建成一条处理能力为7万吨/a废旧塑料的生产线。日本NKK公司投资15亿日元,建成一条处理能力为3万吨/a废旧塑料的生产线。从国外两家公司开发并建成废旧塑料喷吹生产线的投资看,中国要想投资建成一条处理能力为3万吨/a废旧塑料的生产线约需1亿人民币,一次性投资过大。

  3.3效益分析

  由于回收来的废旧塑料价格要比煤、石油等燃料便宜得多,因此,喷吹废旧塑料可大幅度降低生产成本。此外,从能源利用的角度看,高炉喷吹废旧塑料也优于其它废旧塑料的回收利用技术。

  在废旧塑料喷吹技术中,气化产生的还原性气体中,H/C比例较高,有利于高炉冶炼,基本不含磷及含有极少的硫,有利于提高铁水质量和企业的经济效益,并真正达到“变废为宝”的综合治理目的,实现社会效益、经济效益双丰收。

  4结论

  国外已在高炉喷吹了塑料,且在高炉内的反应原理符合高炉工艺过程的要求。但对目前国内而言,由于其投资大、收集量不足,且无成熟的废塑料脱氯技术,因此,中国现阶段还无法实现喷吹废塑料的工业性生产。然而,从废塑料的喷吹成本看,它比喷煤粉有竞争力,如果得到环保政策的支持,成本还会降低。从环保角度看,高炉喷吹塑料具有巨大的社会效益,与废塑料的其他处理方法相比,在能量和特殊废料的利用方面都是最经济的工艺方法。国外钢铁企业喷吹废塑料实践也表明,其处理费用仅为焚烧废塑料处理方法的60%,为废塑料再生利用的25%。随着国家环保法规的制定,废塑料的回收分类会得到解决,且国家在资金和税收政策上也会支持废塑料的再利用,高炉喷吹废塑料将成为现实。

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