高爐噴吹廢塑料下的廢舊塑料綜合利用新方法

侯 明

（廣東省循環(huán)經(jīng)濟(jì)和資源綜合利用協(xié)會 廣東廣州 510095）

引言

在當(dāng)前工業(yè)飛速發(fā)展下，塑料制品得到廣泛應(yīng)用，廢棄塑料量也隨之增加。據(jù)調(diào)查，我國塑料垃圾占總垃圾數(shù)量的8%，且占比逐年遞增。在沿海城市中，塑料垃圾的占比更高，已經(jīng)與發(fā)達(dá)國家比肩。廢棄塑料不但會影響生態(tài)環(huán)境，還會損害土壤與水源，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。對此，各國紛紛開始進(jìn)行廢塑料處理研究，開發(fā)出高爐噴吹技術(shù)，可促進(jìn)廢塑料的綜合利用，使“白色污染”得到有效抑制。

1 廢塑料回收與綜合利用的環(huán)保意義

廢塑料作為城市固廢物中的一種，主要源于石油，通過高爐噴吹技術(shù)的應(yīng)用，可使其變成有價值的能源，其環(huán)保意義不容忽視。一方面，節(jié)約能源。將廢塑料回收利用制作出品像一般的塑料包裝材料，可節(jié)約85－94%的能量，有效減少制造樹脂的石油原料消耗；另一方面，抑制“白色污染”，環(huán)境中的廢塑料不易腐爛，長期堆放污染環(huán)境，還會產(chǎn)生大量氯化氫、二氧化碳、二噁英等物質(zhì)，引起酸雨與溫室效應(yīng)，通過高爐噴吹、回收利用等，可減少廢塑料對土壤、海洋、大氣等造成的污染，有效抑制“白色污染”的危害，促進(jìn)文明城市建設(shè)與開發(fā)。

2 高爐噴吹廢塑料技術(shù)的應(yīng)用情況

2.1 主要成分

塑料內(nèi)含的主要成分為碳和氫，從理論層面上看，全部塑料均可當(dāng)作高爐冶鐵的發(fā)熱劑與還原劑，可發(fā)揮噴吹燃料的作用。但因塑料的用途不盡相同，在成分與性能等方面產(chǎn)生諸多差異。因塑料燃燒后的產(chǎn)物對冶煉產(chǎn)生較大影響，可優(yōu)先考慮噴吹不帶氯的廢塑料，如PP、PE 與PS 等等。其中，PE 和PP 均由碳?xì)浠衔飿?gòu)成，在燃燒之后產(chǎn)物以二氧化碳和水為主，不會對大氣產(chǎn)生大量污染。帶有毒性的塑料主要為PVC 一類，內(nèi)含碳?xì)浠衔铩⒙鹊任镔|(zhì)，因在燃燒狀態(tài)下易產(chǎn)生氯化氫腐蝕設(shè)備，進(jìn)而造成嚴(yán)重的酸污染。當(dāng)前國內(nèi)冶金行業(yè)技術(shù)水平不高，資金有限，在PVC 等有毒物質(zhì)的處理方面有些力不從心。對此，可先從無毒塑料著手，邁開高爐噴吹技術(shù)應(yīng)用的第一步，并針對含氯廢塑料等脫氧技術(shù)進(jìn)行深入研究[1]。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

從本質(zhì)上看，噴吹技術(shù)是以廢塑料為原料制成相宜粒度噴入高爐中，替代焦炭或者煤粉作為燃燒物的一種新方法。根據(jù)相關(guān)研究表明，在高爐噴吹技術(shù)下可使廢塑料的利用率超過80%，產(chǎn)生的有害氣體較少，處理成本較低。該項(xiàng)技術(shù)的誕生可為廢料綜合處理提供新方法，也為冶金行業(yè)能源和資本節(jié)約提高新技術(shù)，為“白色污染”抑制開辟了新路徑。

2.2.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

德國率先將廢塑料當(dāng)作原料投入到高爐噴吹中，經(jīng)過試驗(yàn)后，投資3000 萬馬克創(chuàng)建首個噴吹設(shè)備，可工作效能可達(dá)7 萬t/a。此后，德國的鋼鐵企業(yè)也陸續(xù)開始使用和推廣該項(xiàng)技術(shù)，并逐漸發(fā)展成熟。日本的資源相對匱乏，對高爐噴吹技術(shù)的研究起步較早，從德國引進(jìn)該技術(shù)后建成噴吹設(shè)備，使鋼鐵廠在高爐上運(yùn)行，工作效能為3 萬t/a，同時，還重點(diǎn)針對商業(yè)廢料燃燒與氣化進(jìn)行研究，根據(jù)結(jié)果可知：與煤粉相比，廢塑料的燃燒與氣化均不相同，主要受到塑料顆粒的影響。當(dāng)粒度范圍為0.3－0.9mm時，二者的特性較為相似；當(dāng)廢塑料噴吹粒度為10mm 時，風(fēng)口與中線之間的氧氣濃度逐漸降低。與噴煤時相比有所區(qū)別，且與全焦操作中的氧氣濃度變化較為相近。針對豎爐內(nèi)部分解產(chǎn)生的C1-C4 范圍的碳?xì)浠衔镞M(jìn)行測試，根據(jù)結(jié)果可知，在豎爐尾氣與灰塵中，碳?xì)湮镔|(zhì)的含量與噴煤時較為相似。塑料經(jīng)過分解后產(chǎn)生的焦油較少，可預(yù)防因系統(tǒng)粘堵影響工作效率。針對豎爐中CO2峰對比可知，廢塑料著火點(diǎn)與粒度相關(guān)，且燃燒率與粒度之間成正比關(guān)系，聚集顆粒燃燒率與破碎顆粒相比較低。與煤粉相比，源于廢塑料中未燃燒碳?xì)饣纬傻亩趸妓俾氏鄬^高，可見廢料中未燃碳的消耗率相對更高。假設(shè)未燃燒碳消耗只包括溶損反應(yīng)，則噴吹率與粒度、密度以及自身性能有一定影響。由此可見，噴出量增加可通過選取合適粒度、處理技術(shù)等方式來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)大量廢塑料燃燒性能試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)塑料所處環(huán)境不同時，燃燒性能也會隨之改變。當(dāng)氧化性不斷提升時，燃燒初始溫度與峰值均會下降，且燃燒速度提升。在環(huán)境相同的情況下，廢塑料初始溫度明顯高于煤粉，但燃燒速度與煤粉相比較快，這說明粒度與燃燒性能之間有所關(guān)聯(lián)[2]。

2.2.2 國內(nèi)應(yīng)用進(jìn)展

（1）造粒技術(shù)。在高爐風(fēng)口區(qū)域，廢塑料燃燒與氣化均與粒度、處理技術(shù)相關(guān)。當(dāng)前主要采用冷態(tài)與熱態(tài)兩種造粒技術(shù)。前者是將分配好的廢氣塑料利用機(jī)械加工、擠壓和切削后，使其成為適宜噴吹的粒度；還可采用環(huán)形沖模造粒方式，使廢塑料在快速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒與模型之間被擠壓，從模具事先預(yù)留的孔洞中擠出，外部邊緣處帶有切削刀具，可邊旋轉(zhuǎn)邊將孔洞內(nèi)鉆出的廢料切割成細(xì)粒；后者是指將廢料注入造粒機(jī)中，利用飛速旋轉(zhuǎn)的刀具將其切斷，相互摩擦產(chǎn)生熱量促進(jìn)塑料熔融，噴灑適量的水分使其急速冷卻成粒。此種方式因廢塑料類型、熔融溫度不同，與之匹配的造粒技術(shù)也有所差異。通常情況下，對于PVC 塑料利用熱解脫氯技術(shù)，經(jīng)過處理后將廢料從裝置下方解脫出來，再分別進(jìn)行擠壓、冷卻、切割等操作，使其粒度與高爐要求相符合。在擠壓裝置的下方設(shè)置鐵板，鐵板上帶有若干孔洞，孔洞的大小與形狀可根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)節(jié)，確保造粒效果可觀；對于無氯塑料來說，將其進(jìn)行熔融處理后可直接進(jìn)行造粒。但因PVC 在加熱狀態(tài)下緩慢硬化，在熱分解過程中生成氯化氫，并不能使其變?yōu)榱鲬B(tài)?？梢?，此種造粒方式有助于深入研究。通常情況下，硬質(zhì)PVC 可先破碎后，再熱解脫氯，經(jīng)過脫氯后再噴入高爐之中。

（2）PVC 脫氯處理。噴吹技術(shù)雖然在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但因氯化氫對環(huán)境不夠友好、對設(shè)備具有腐蝕性等缺陷，導(dǎo)致PVC 脫氯處理效果一般。部分地區(qū)建設(shè)廢料回轉(zhuǎn)窯試驗(yàn)設(shè)備，對此類塑料進(jìn)行熱分解，對分解產(chǎn)生的氯化氫進(jìn)行回收，再將反應(yīng)后的廢料投入噴吹處理中；根據(jù)GB/T 39171-2020 規(guī)定，廢塑料回收時產(chǎn)生的危險廢物應(yīng)交給具有相關(guān)處理資質(zhì)的單位進(jìn)行處理。部分地區(qū)對反應(yīng)獲得的氯化氫與堿中和，設(shè)計出多種專門的廢料脫氯設(shè)備，且大多數(shù)為專利產(chǎn)品，在脫氯后廢料可作為化工原料再生，也可在高溫油化后，以化工原料的形式再次使用。針對PVC 熱解脫氯開展相關(guān)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，硬質(zhì)PVC 先破碎再分解，當(dāng)溫度為330℃左右、粒度約為3mm 時，脫除率可超過95%，在1h 左右便可脫除完畢，且回收的氫、碳量較高；對于包裝所用的PVC 薄膜，在溫度為350℃左右時，其脫除率可超過96%，在1.5h 左右可完成脫氯目標(biāo)，氫與碳的回收率較高。對于混合PVC 物質(zhì)來說，可將溫度調(diào)節(jié)為330－350℃之間，此時可脫除90%的氯，在1.5h 左右可完成該項(xiàng)操作。

3 高爐噴吹技術(shù)下廢塑料綜合利用的前景與效果

3.1 開發(fā)前景

我國當(dāng)前廢塑料污染相對嚴(yán)重，煤粉灰分較高，噴吹效果較弱，且許多地區(qū)煤炭資源短缺，綜合利用技術(shù)的應(yīng)用十分迫切，這不但有助于解決和抑制“白色污染”，還可為高爐冶鐵提供新方法。在廢塑料中，無氯塑料約為400 萬t，按照相同熱效益的煤計算，可替代400 萬t，且含氯塑料也可先進(jìn)行脫氯處理后再實(shí)施噴吹。因噴吹技術(shù)優(yōu)勢眾多，經(jīng)濟(jì)社會效益十分可觀，具有投入少、回報高，以備社會接受等特性，開發(fā)前景十分廣闊。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

將廢塑料經(jīng)過處理后當(dāng)作高爐噴吹的燃料，可取得理想的經(jīng)濟(jì)效益。與油、煤等燃料相比，廢塑料在價格方面占有優(yōu)勢，可有效降低成本投入。噴吹塑料是回收利用中唯一可將塑料能量轉(zhuǎn)化率提高到50%的技術(shù)，能量附加利用率可達(dá)27%，可與廢物燃燒場中的總利用率相媲美。當(dāng)前，我國每年產(chǎn)生的廢塑料量達(dá)到600 萬t，有超過半數(shù)被隨意丟棄，少數(shù)被焚燒或填埋，極少數(shù)得到回收利用。在廢料構(gòu)成中，PP 占比最大，其次為PE 和PVC，這說明在噴吹技術(shù)中，無毒廢料的占比超過半數(shù)，達(dá)到420 萬t，以相同數(shù)量的煤炭為依據(jù)進(jìn)行計算，可替代420 萬t 的煤，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

3.2.2 環(huán)保效益

在以往的廢塑料處理中主要采用堆積或填埋等方式，不但占用大量土地，還會污染土壤和地下水，抑制城市健康發(fā)展。部分地區(qū)采用燃燒方式處理，并對燃燒熱量回收利用，如鍋爐燒水等，但焚燒中產(chǎn)生的有害氣體會污染大氣環(huán)境。與之相比，采用高爐噴吹的方式可有效減少廢氣排放，如SOx、NOx等，也不會在PVC 物質(zhì)燃燒時產(chǎn)生二噁英等有毒氣體，對生態(tài)環(huán)境的影響較小。從環(huán)保角度來看，高爐噴吹技術(shù)具有較高的環(huán)境效益，應(yīng)用前景廣闊[4]。在能源利用方面，噴吹廢料與其他廢料回收相比性能更強(qiáng)，究其原因，主要是塑料噴入高爐后，碳氧化物在高爐下方轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟瘸^2000℃的煤氣，當(dāng)煤氣在上升時，將鐵礦石加熱、還原，雖然該項(xiàng)反應(yīng)不夠完全，但高爐釋放的煤氣可用于預(yù)熱空氣、發(fā)電等，使塑料內(nèi)含能量得到充分利用，使環(huán)保效益提升[3]。

結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前“白色污染”已經(jīng)成為水、大氣污染后的第三大污染，受到世界各國的關(guān)注。高爐噴吹技術(shù)作為廢塑料處理新方法，與其他措施相比在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性方面有諸多優(yōu)勢，將其作為原料投入高爐之中，不但可降焦節(jié)能，還可保護(hù)環(huán)境，減少30%的二氧化碳排放量，釋放的有害氣體較少，能量利用率超過80%，值得大范圍推廣應(yīng)用。