废塑料在炼铁中的应用

废塑料在炼铁中的应用

摘要：塑料废弃物对城市环境、景观的破坏以及进入自然环境后难以降解而带来的长期的深层次环境问题，已受到全世界的关注。解决废塑料造成的“白色污染”，是国内外环保工作者广泛关注的研究课题，各种废塑料处理技术也应运而生，通常是采用填埋法、焚烧法、再生利用法、热解利用以及高炉喷吹等处理方法。在这些方法中，高炉喷吹得到了较好地应用，被认为是目前比较行之有效的方法。

本文为科学、合理、经济地治理“白色污染”提供了理论依据，为钢铁厂与环境友好城市化功能的实现开辟了途径。

关键词：废塑料，高炉，喷吹，

1、废塑料的组成

塑料的主要化学成分是高分子碳氢化合物，密度一般很小，仅为钢14-25%，铝的50%左右[1]。由于塑料制品具有质量轻、耐腐蚀、易加工、耐消耗、防漏水、生产技术成熟和成本低等特点，已经广泛应用于国民生产的各个领域。我国废塑料的基本组成、主要物理化学性质及产品形式如表1.1所示[2]

目前，对废塑料处理的常用方法有三种：（1）再生利用；（2）焚烧发电；（3）堆积、掩埋。发达国家一般采用焚烧和再生利用法来处理废塑料 ,其熔融再生技术和焚烧技术较为先进 ,再生利用率为25% ,而我国处理废旧塑料则一般采用堆积和填埋的方式 ,焚烧和熔融再生技术虽有发展 ,但进展缓慢 ,较少采用。与这些方法相比，向高炉内喷吹废塑料技术是资源、能源利用率高，消除“白色污染”最有效的手段之一。德国专家 J·Janz 对不同处理过程废塑料的利用率所做的

统计证实了这一点[3]。统计结果见表1。

2、高炉喷吹技术

高炉喷吹技术是现代高炉炼铁生产广泛采用的新技术，它也是现代高炉炉况调节所不可缺少的重要手段之一。喷吹的燃料可以是重油、煤粉、粒煤、天然气或还原煤气，其中，喷吹煤粉日益受到世界各个国家或地区的高度重视。高炉炼铁工艺中采用喷吹煤粉技术，早在1840年就由S.M.班克斯提出来，并于1840~1845年在法国进行了实际操作，因工艺方面的问题没有得到解决，结果未被推广应用。后来又经过了一个多世纪，到了20世纪60年代初期，以北美为代表的许多地区再度试验了这一技术，其间还将原来的垂直螺旋给料改成了水平螺旋给料，尽管如此，还是以失败告终。最后，在采用了粉体气力输送技术的基础上，喷煤才真正成为在工业上得到应用的技术。这项技术在20世纪八十年取得了明显的进步，国外高炉喷煤量已达到200kg/t的大喷煤比，喷煤率(煤粉对燃料比的比率)达38%~40%，而且在英国克利夫兰厂的大喷煤试验中已经做到煤粉、焦炭各50%(煤300kg/t)，近年来，我国高炉炼铁发展迅速，高炉喷煤的应用取得了较大进步。重点大中型企业的喷煤比和总喷煤量都有较大的提高，2012年我国的平均煤比180kg/t。

经过最近十年的研究和实践，高炉喷煤技术水平日益提高，富氧喷煤技术得到普遍应用和氧煤喷吹技术日趋成熟，大大提高了提高煤粉的燃烧率，大幅度增加喷煤量。随着高炉喷吹技术的不断发展，喷吹物料的种类也发生了较大的变化，复合喷吹是一项很有发展潜力的高炉冶炼新技术，日本和苏联已提出了综合燃料(如天然气+重油、重油+煤粉、高炉煤气和焦炉煤气+煤粉等)的概念，并成功地进行了工业喷吹。

2、工艺流程对比

（1）高炉喷吹煤粉(直接喷吹)工艺流程[4]

高炉喷吹煤粉系统主要由原煤贮运、煤粉制备、煤粉喷吹、干燥剂制备和供

气动力系统组成，工艺流程如图1所示。外购原煤经汽车或输送机运至原煤场内，由桥式抓斗起重机倒堆。堆存的原煤通过桥式抓斗起重机加进配煤煤斗内，配煤斗下设有配料秤或圆盘给料机，由配料秤或圆盘给料机将原煤给至输送机，经输送机将原煤送至原煤仓中。原煤仓内的原煤经计量给煤机均匀地加入磨煤机。干燥剂通过袋式除尘器后的排烟风机吸人系统。原煤在磨煤机内同时进行细磨和干燥，粒度较大的煤粉在磨机内循环细碎，合格的煤粉沿管道进入气箱脉冲袋式收尘器被收集，经收粉器下的给尘机卸入煤粉仓；煤粉仓的煤粉经喷吹罐，连续向高炉喷煤。

（2）高炉喷吹废塑料工艺流程

高炉喷吹废塑料系统主要由收集、分选、原料制备、废塑料喷吹和供气动力系统组成，工艺流程如图2所示。收集的废塑料经汽车或输送机运至分选系统，不同种类的废塑料经风选、浮选等方法分选出来。分选出来的废塑料根据其性质采取相应的原料高炉喷吹废塑料的研究现状化处理工艺，譬如：硬质类废塑料(PVC)经破碎脱氯处理后成为高炉喷吹用原料，薄膜类废塑料(PE、PP、PS等)经破碎造粒处理后成为高炉喷吹用原料。原料化废塑料经输送机械输送至废塑料仓，废塑料仓中废塑料经喷吹罐连续向高炉喷吹。

3、废塑料的应用的原理

在炼铁工业中，人们为了降低炼铁成本，采用喷吹煤粉代替部分焦炭的工艺，这早已是一项成熟的技术，将废塑料分类、清洗、干燥等处理后，制造成粒径为6毫米的颗粒，可以代替部分煤粉用于高炉炼铁。喷吹进高炉的废塑料颗粒在炉内高温和还原气氛下，被气化成H2和CO，随热风上升的过程中，它们作为还原剂将铁矿石还原成铁。其反应式见(1.1)和(1.2):

风口区:CnHm+1/2O2=nCO+1/2mH2+Q1 （1.1）

气体上升过程:Fe2O3+nCO+mH2=2Fe+nCO2+mH2O+Q2 (1.2) 上面 2 个反应式中 Q1、Q2 是反应生成热[5]

废塑料在气化中产生的H2/CO比值要大于等量的煤粉，H2的扩散能力与还原能力均大于CO，因此用废塑料代替煤粉有利用于降低高炉焦比;同时由于塑料的灰分和硫含量很低，可以减少高炉的石灰用量，进而也减少高炉产渣量和炼铁成本;塑料的平均热值约为40.00GJ/kg，大于煤粉的热值(25.00~31.00GJ/kg)，也有利于提高高炉的生产效率。有关研究表明，废塑料在风口前端区的反应率比煤粉要好得多，这是因为煤粉的粒度仅为74um~100um，吹入风口后在高炉鼓风的作用下很快被燃烧、吹散，在风口前停留时间短，故还原气的反应率仅为

40%~60%;而用废塑料制成的小颗粒在风口前端区的停留时间长，致使还原气的反应率可达80%~100%。由于废塑料在高炉中的能量利用率分为还原剂和燃料两部分，而前者的利用率远高于后者的利用率，反应率高正是保证还原利用率和总利用率的必备条件。此外，国外一些专家还认为，经过处理好的废塑料被喷入高炉后可以节约40%的焦炭，剩余60%的焦炭完全可以满足高炉炉料的透气性和承载载荷的需要。

4、喷吹塑料的发展

国外对高炉喷吹废塑料的研究其起步比较早[6]，德国和日本已经实现工业化。德国的不莱梅钢铁公司是第一家把高炉喷吹废塑料的设想付诸实施的厂家。该公司于1994年2月份进行了小规模的喷吹试验，于1995年6月在2号高炉(内容积2688m3)上建造了一套喷吹能力为7*104t/a的喷吹设备，要求塑料的氯含量<2%，金属含量<1%等。高炉喷吹结果表明:所喷入的废塑料对高炉冶炼过程的影响介于煤与重油之间，但是喷吹废塑料比较便宜。除此之外，德国的克虏伯一赫施钢铁公司、蒂森钢铁公司以及克虏伯一曼内斯曼冶金公司的胡金根厂也在高炉上正式喷吹或进行半工业试验。日本NKK公司在京滨厂1号高炉(4907m3)上开发利用废塑料代替部分焦炭用于炼铁技术获得成功，喷吹废塑料从1997年的3*104t扩大到1999年的4*104t，喷吹结果表明:废塑料的热利用效率达80%以上;废塑料与焦炭的配置比为1:1;喷吹量为200kg/t时，CO2的发生量减少12%;无有害气体产生，而且副产品--煤气还可以用于发电[7]。

与国外相比，我国在高炉喷吹废塑料这方面实际上还处于理论研究及可行性论证阶段。其主要的制约因素为：

（1） 废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） 我国废塑料中聚氯乙烯(PVC)含量较高，分解后产生的氯元素严重地

腐蚀炉衬；

（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超过一

亿元。

5、高炉喷吹废塑料技术的环境效益分析：

实验[8]总结出如下结论：

（1） 高炉废塑料喷吹比为80kg/t时，能为钢铁联合企业节能

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