廢塑料在鋼鐵行業的應用

王曉霞，慕進文，朱青德

(1.甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅 嘉峪關 735100；2.酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100)

1 廢塑料來源及處理技術

廢塑料一是來源于塑料生產加工廠出現的廢品、殘次品、邊角料、下腳料、試驗廢品等，這類廢塑料一般分類良好，且附帶的其他污染物較少，經過破碎即可回收利用，我國每年進口的廢塑料大多屬此類;二是來源于塑料制品的使用和消費領域，主要是農用地膜、包裝塑料和日用品等，這類塑料制品使用報廢后，因其使用量大、面廣、頻率高，大部分與土壤、生活垃圾混合在一起，成分復雜，回收難度大。我國塑料制品每年以8%的增長率快速增加，2011年我國塑料生產量為5 474萬t，居世界第二。發達國家在發展本國回收利用技術的同時，也以出口的方式轉移本國廢塑料，我國每年從國外進口大量廢塑料，2011年進口達1 400萬t，2016為735萬t，為了緩解環保壓力，2017年7月，我國出臺了《禁止洋垃圾入境推進固體廢物進口管理制度改革實施方案》，禁止進口廢塑料。

廢塑料預處理技術主要為廢料分選技術，根據塑料不同組成及性質進行選別，我國塑料組成及部分性質見表1。廢塑料分選技術分為粉碎品分選和制品分選，粉碎品分選技術根據塑料不同的密度、熔點、溶解性以及靜電性等物理性質進行選別，制品分選技術根據高分子結構不同，利用紅外線、X射線進行分選。目前廢塑料分選技術如圖1所示，其中比較典型的是干式分選、濕式分選和電磁分選。

表1 廢塑料組成和主要物理化學性質

圖1 廢塑料分選技術

2 廢塑料在鋼鐵行業的應用

廢舊塑料運用于鋼鐵行業既可節省資源，又可減輕廢塑料對環境的不利影響，廢塑料在鋼鐵行業中原料化是再生利用技術研究的焦點，最先研究并實現工業化的是高爐噴吹，其次是焦化煉焦。日本高爐噴吹和焦化煉焦使用的廢塑料量見表2。

表2 日本廢塑料再生利用分類量 萬t

日本JFE集團和神戶制鋼以“高爐噴吹廢塑料”為主，新日鐵以“焦爐化學原料法”為主，新日鐵是世界上廢塑料應用于鋼鐵行業最大的企業。2011年新日鐵處理廢塑料約30萬t，每年處理廢舊輪胎約12萬t，2000—2011年累計處理190萬t，到2018年11月累計處理廢塑料突破300萬t，相當于減排960萬t CO2。

2.1 廢塑料用于煉焦

2.1.1 國內外焦化處理廢塑料情況

焦爐應用廢塑料技術，即利用焦爐以及化工產品回收系統，在高溫、還原性氣氛及全封閉的條件下，將廢塑料和煤同時轉化為焦炭、焦油和焦爐煤氣，實現廢塑料的綜合利用。它以傳統的煤焦化理論為基礎，結合國外比較成熟的廢塑料熱解工藝，對廢塑料經除雜質、造粒等技術后與煤混合裝入焦爐進行煉焦生產。

1999年，新日鐵在以前進行的廢塑料油化試驗的基礎上，進行了在煉焦煤中配入1%的廢塑料再生利用的研究。從2000年開始，新日鐵分別在名古屋廠和君津廠啟動了5萬t/a的廢塑料處理設備，2002年又啟動了八幡廠和室蘭廠各2.5萬t/a的廢塑料處理設備，2005年通過新增設備，廢塑料處理量達到19.2萬t/a，2010年全面推廣時，處理能力達到了30萬t/a。2004—2005年期間，首鋼技術研究院利用200 kg焦爐進行配加廢塑料試驗研究，得到結論：配加1%的廢塑料時可提高焦炭質量，使焦炭反應后強度、抗碎強度增強，反應性降低；廢塑料比例提高到2%時，廢塑料的處理量上升，同時焦炭質量變化不大[9]。

在上述試驗研究的基礎上，首鋼技術研究院建成了年生產廢塑料型煤5 000 t規模的中試線，并利用首鋼4號焦爐進行了10孔炭化室規模的廢塑料與煤共焦化工業試驗，結果表明：在試驗周期內，利用焦化處理廢塑料不影響焦化廠正常生產操作；與不配廢塑料相比，1%的塑料型煤與煤共焦化所得焦炭的抗碎強度(M40)變化不明顯，耐磨性能指標(M10)降低了1.6%、反應性(CRI)降低了10.0、反應后強度(CSR)增加了18.0，明顯提高了焦炭質量；另外，單孔炭化室的裝煤量增加3%，炭化時間縮短17 min，因此，該技術還可提高焦爐產能并縮短煉焦時間。

2011年5月10日，國內首條利用焦爐處理廢塑料的生產線在遷安首環科技有限公司調試成功。每年可以消納社會廢塑料1萬t，生產煉焦用原料5萬t。但通過聯系現場技術人員咨詢，該生產線主要受經濟性較差的條件制約，目前處于停用狀態。以當前市場上回收價格為例，薄膜、包裝袋、瓶、桶等類型的廢塑料平均收購價格約為4 570元/t，遠高于單種煤的采購價格。

2.1.2 廢塑料與煤共焦化技術

新日鐵公司將回收的混合廢塑料捆送到預處理工場后，先經開捆破袋裝置拆開，并在皮帶機上用人工選出混入大塊雜物，然后送粗破碎機破碎至100～150 mm以下的碎片后送機械分選，經磁力分選除去其中的金屬雜質后，再利用比重分選法除去多余的含氯廢塑料，然后送二次破碎機破碎至10～14 mm的小片，再由擠出壓縮成型裝置制成直徑為20～30 mm，長度為 50～60 mm的顆粒狀物，其中的雜質含量可保證<1%。混合廢塑料主要品種有PE(聚乙烯)、PS(聚苯乙烯)、PP(聚丙烯)、PET(聚對苯二甲酸乙二醇脂)、PVC(聚氯乙烯)等。根據實驗室分品種進行試驗的結果，除聚氯乙烯按5%控制外，其他組成具體見表3。

表3 新日鐵處理廢塑料的組成 %

綜合分析其成分為：C 72.6%，H219.6%，N20.3%，S 0.04%，灰分5%左右。將上述組成的廢塑料按總量1%～2%的比例配入煉焦煤中，經干餾后大致有20%生成焦炭、40%生成焦爐煤氣和40%生成化工產品，總的有效利用率達94%，除干餾過程中用于加熱所耗熱量外，幾乎全部熱量得到有效利用。由于含氯廢塑料產生的HCl在煤氣通過氨水時得到中和凈化，故對化工副產品的質量無影響，該焦炭質量檢測的結果，均與未配廢塑料的結果相同。

首鋼技術研究院開發的廢塑料與煤共焦化技術。廢塑料從某公司購買，先將外購的廢塑料破碎至3～5 mm，然后將廢塑料與煤共熔融混合物料進行熱壓成型，制成“塑料型煤”。最終將“塑料型煤”與煉焦煤混合入爐煉焦，產生的焦炭、焦油和煤氣可直接利用傳統焦化工藝進行處理和回收。該新工藝的特點在于先將煤預熱到能夠使廢塑料熔融但不分解的溫度，然后將破碎后的廢塑料片加入預熱后的煤中，進行熱熔融處理，使得廢塑料軟化熔融、分散并附著滲透在煤的表面及孔隙中，然后一起壓制成塑料型煤。該工藝存在以下優點：將廢塑料與煉焦配煤熱熔融混合，不但解決了廢塑料與煤混合產生偏析的技術難題，而且解決了傳統預熱煤技術中揚塵問題；實現煤與廢塑料的無添加劑熱壓成形，所得的煉焦型煤機械強度高，耐磨損和防水功能強，可提高焦炭、焦油、焦爐煤氣的產質量。

2.1.3 焦爐應用廢塑料技術優勢及存在問題

在廢塑料配煤煉焦工藝中，利用廢塑料代替部分煉焦煤，在增加焦油、煤氣產率的同時，還具有以下優勢：能量利用率高；允許含氯廢塑料進入焦爐；對廢塑料原料及加工要求相對較低；不需對現有設備進行改造。在廢塑料配煤煉焦工藝中，廢塑料配比大于2%時，隨著廢塑料配比的增加，焦炭質量也隨之降低。同時，因廢塑料的種類、粒徑、結構、預處理方式等不同，其對煉焦的影響也會不同。據研究表明：焦化工藝配加少量的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)可達到略微優化了焦炭的質量的目的，聚苯乙烯(PS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等會降低焦炭的質量，大比例使用聚氯乙烯(PVC)仍是難點。

2.2 廢塑料用于高爐噴吹

廢塑料作為高爐煉鐵還原劑和發熱劑，可代替部分煤粉和焦炭。廢塑料氣化后H2/CO比值要大于煤粉，在高溫區H2的擴散能力和還原能力均大于CO，高爐噴吹廢塑代替部分煤粉和焦炭有利于降低CO2排放量，且塑料磷、硫含量很低，可改善鐵水質量。

研究表明，經過預處理的廢塑料與煤粉的置換比可達到1.3，與焦炭的置換比可達到1.0，高爐每噴1 kg廢塑料，可減排2.5～3.3 kg CO2，廢塑料噴入高爐后有50%作為直接還原劑，廢塑料有效利用率可高達70%，遠高于焚燒發電(40%)。

2.2.1 國內外高爐噴吹廢塑料情況

德國是最早研究并實現高爐噴吹廢塑料的國家。1991年德國頒布《垃圾減量法》，要求居民減少生活垃圾的同時并組織開發廢塑料運用于鋼鐵行業的再生利用技術，并專門成立了廢物回收利用公司(DSD公司)，后續國家又頒布了《循環經濟法》，進一步明確了廢塑料回收再利用相關責任，同時國家加大對使用廢舊塑料鋼鐵企業補助。1994年不萊梅鋼鐵公司開展了高爐噴吹廢塑料試驗并取得成功。到1998年DSD公司回收63萬t廢塑料，除作為生產塑料制品原料24萬t外，高爐噴吹為16.3萬t，后續高爐噴吹廢塑料量逐步擴大。

日本國內每年產生1 000萬t廢塑料，政府借鑒德國經驗，于1995年頒布了《包裝容器再生法》，同年日本NKK公司(JFE公司前身)成功實現高爐噴吹廢塑料69 kg/t。1996年建成高爐噴吹廢塑料3萬t/年的中試線，噴吹廢塑料最高達到200 kg/t。到2000年時，NKK鋼鐵公司噴吹廢塑料成功實現工業化，并在全國多家高爐上推廣運用。

2000年日本高爐噴吹廢塑料達到42.2萬t，由于高爐剛開始噴吹廢塑料，未對含氯廢塑料進行嚴格限制，以及發生廢塑料粘槍、堵槍現象，導致高爐爐況出現波動，高爐噴吹廢塑料量逐步降低。2008年以后，隨著廢塑料預處理技術的不斷完善以及廢塑料脫氯技術取得成功，高爐噴吹廢塑料量恢復到20萬t/年。

2000—2007年日本高爐噴吹廢塑料為169.3萬t，其中JFE鋼鐵公司為48萬t，約占全國噴吹量30%。到2012年時日本高爐噴吹廢塑料占廢塑料回收利用總量5%。

2000年后，我國多家科研院所和企業就廢塑料運用于高爐噴吹進行了研究，取得了一些可喜成果。曹楓[10]等用不同的廢塑料在空氣中燃燒，通過分析尾氣成分，比較廢塑料和煤粉的燃燒特性，結果表明，與煤粉相比塑料著火點較低，燃燒速度快，燃燒后產生的還原性氣體較多；龍世剛[11]等人通過實驗室研究了廢塑料在不同粒度條件下的燃燒特性，分析高爐噴吹廢塑料堵槍現象。

寶鋼在充分借鑒日本高爐噴吹廢塑料技術基礎上，開發了高爐噴吹廢塑料相關技術，并于2007年進行了高爐噴吹廢塑料工業化試驗，成功實現噴吹廢塑料100 kg/t，但后續未見工業化推廣運用的報道。寶鋼高爐噴吹廢塑料工藝流程見圖2，寶鋼高爐噴吹廢塑料技術與日本相近。

圖2 寶鋼高爐噴吹廢塑料工藝流程

2.2.2 高爐噴吹廢塑料工藝

高爐噴廢塑料在國外已是一項非常成熟的工藝，廢塑料經分選、破碎、去除聚氯乙烯(PVC)、制粒等預處理工藝后，由單獨的噴吹系統噴入高爐，廢塑料在高爐下部高溫和還原性氣氛下氣化生成H2和CO，還原鐵礦石，高爐噴吹廢塑料關鍵在于廢塑料預處理工藝。廢塑料種類多、形狀雜，有袋狀、薄膜狀、瓶狀等，在噴入高爐前必須要進行預處理。將收集到的廢塑料進行清理、晾干，初破后經“瓶/薄膜分離機”分離成瓶狀類塑料和薄膜類塑料。瓶狀類塑料經破碎機破碎成≤10 mm塑料粒后運送至成品倉；薄膜類塑料破碎后經“聚氯乙烯(PVC)分離裝置”去除PVC，干燥并制粒(≤10 mm)后，運送至成品倉與瓶狀塑料粒一起供高爐噴吹使用。

廢塑料用于高爐噴吹要進行兩次分選的原因是：①高爐噴吹廢塑，對含氯廢塑料(PVC)入爐要求較嚴。PVC噴入高爐后，氯化物會降低焦炭質量，生成的氯化氫對管道、設備腐蝕較嚴重，所以，高爐噴吹廢塑料時，通過分選限制PVC入爐，德國、日本高爐噴廢塑料時PVC占比一般不超過2%。②薄膜類塑料需制粒后才能噴入高爐。瓶狀類塑料經破碎后可直接噴入高爐，而薄膜類塑料，破碎后需單獨制粒(≤10 mm)才能噴入高爐，否則會導致噴吹管道堵塞，因此廢塑料應通過分選分離成薄膜類和瓶狀類。

目前高爐噴吹廢塑料分選技術主要采用干法和濕法兩種方式相結合。分離機采用沖擊式分離原理，即利用物體反彈力的差異，同時進行3種物料的分離：一是反彈力小的物體，即薄膜類物料；二是反彈力大的物料，即瓶類物料；三是殘余物料，如砂土和直徑小的物體等[12]。利用曲軸使傾斜安裝的篩板作跳汰運動，廢塑料投入篩板上后，薄膜類物料向上方運動，瓶類物料向下方運動，而砂土等細顆粒物則直接從篩板空隙中落下。濕法分選用于去除廢塑料中含氯廢塑料，分選原理是依據廢塑料密度的不同去除聚氯乙烯(PVC)，廢塑料中除聚氯乙烯外密度均與水相近，而聚氯乙烯密度大于水，通過不同的沉降速度，從而去除PVC，2014年日本JFE公司在傳統高爐噴吹廢塑料技術上開發了廢塑料微粉化技術(APR)。該技術是由廢塑料加熱熔融、混合、脫氯、冷卻固化以及微粉碎工序組成，制成粒度小于1 mm的微粉塑料。與傳統技術相比，微粉塑料由于比表面積增加，燃燒速度加快，在高爐內反應性提高，廢塑料作為還原劑的比例得到提高，廢塑料有效利用率從70%上升到80%以上。

2.2.3 高爐噴吹廢塑料存在的問題

高爐噴吹廢塑料可將廢物再利用，以代替部分煤粉和焦炭，減排CO2，在使用過程中也存在一些問題：①高爐不能直接使用PVC廢塑料，需經過脫氯處理方可使用。②廢塑料預處理較為復雜，廢塑料要經過多次分選、脫氯、制粒等工序方可供高爐使用。③廢塑料軟化溫度低，噴吹廢塑料容易發生粘槍、堵槍現象。④傳統廢塑料制粒較粗(≤10 mm)，比表面積小，氣化速度較慢，燃燒不充分，大比例噴吹廢料時，容易降低高爐料柱透氣性。

2.3 廢塑料在煉鋼的應用

廢塑料碳、氫含量高，燃燒時發熱量大，可以用來熔化廢鋼，廢塑料在轉爐和電爐均有應用，在電爐應用方面的研究較多，主要作為增碳劑、助燃劑、泡沫渣成形劑，利用廢塑料加速熔化廢鋼在歐洲、美國、日本得到了普遍應用；在轉爐煉鋼方面的應用，主要是將廢塑料制備成鐵鱗球團作為轉爐含鐵造渣料。

日本以廢塑料作為含碳材料，將廢塑料與鐵粉混合，裝入回轉窯加熱，得到廢塑料和鐵粉混合的熔融物，采用固化擠壓機擠壓致密后，以層狀形式與廢鋼一起裝入廢鋼斗中，在一次裝料時加入電爐內。采用該技術后，每年可對大約200萬t廢塑料進行有效地循環再利用，解決了廢塑料迅猛燃燒燒壞相關設備的問題。

日本大同特殊鋼于2004年開發成功電爐鋼利用廢塑料技術，將廢塑料作為電爐煉鋼中的助燃劑和增碳劑，取代現有無煙煤和焦炭。將破碎后廢塑料和機械廠車屑鐵粉按1∶1比例混合，加熱初熔后用壓力機進行加工，加工為邊長200 mm的方塊，與廢鋼一起加入電爐。將40%聚丙烯(PP)、10%ABS和50%鐵屑粉混合熱壓成塊狀物，在電爐內進行了多次工業試驗，試驗結果表明：電爐操作順利，熱效率和增碳效率方面與加無煙煤和焦炭相當，該技術既達到了廢塑料緩慢燃燒，又有效利用了鐵屑。

澳大利亞新南威爾士大學與第一鋼鐵公司合作，研究了廢塑料和橡膠噴射技術，將粒狀橡膠廢輪胎作為電爐泡沫渣成形劑，并開展了工業試驗。試驗結果表明：電爐煉鋼熔融速率提高，增碳劑、氧氣和天然氣消耗減少。相關報道顯示，該技術在澳大利亞第一鋼鐵公司已成為一項常規技術，因此獲得了新南威爾士政府2011年綠色地球獎，取得全球專利許可權。澳大利亞許多鋼廠都采用了這項技術，每年消耗100萬只廢舊輪胎。

2003年日本廣畑廠高爐停產后，研發頂底吹氧噴煤化鐵煉鋼技術。該技術將廢汽車輪胎粉碎后，摻入噴吹的煤粉中，在頂底吹氧轉爐噴吹，實現全冷料煉鋼，節約噴煤量的同時，有效利用輪胎中子午線鋼絲，綜合節能效果良好，年廢汽車輪胎用量在6萬t以上。

寶鋼徐迎鐵等以氧化鐵皮、焦炭粉及廢塑料為原料，制造出發泡球團，用于電弧爐冶煉過程造泡沫渣。此發泡球強度高，加入熔池后可造出良好的泡沫渣，平均發泡高度大于10 mm，一次加料發泡高度大于8 mm，達到提高電弧熱效率、降低電耗、縮短冶煉周期及保護爐襯的效果。

2015年，首鋼長鋼鋼鐵有限公司開展了廢塑料用于轉爐煉鋼的工業試驗，利用廢塑料的熔融黏結特性和鐵鱗良好的化渣特性，將廢塑料拆包、破碎，按照一定比例與含油鐵鱗混合均勻并加熱，將物料中的水分干燥和廢塑料軟融后，送入成型機壓制成球團，作為煉鋼造渣劑，替代一部分礦石或OG泥冷固球團，實現資源再利用[13]。試驗結果表明：廢塑料球團冷卻效果介于礦石和OG泥球團之間，化渣效果與礦石相當，能夠替代礦石和OG泥球團作為造渣劑。

適用于煉鋼的塑料制品主要包括聚乙烯(PE)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚氯乙烯(PVC)燃燒后對管道的腐蝕等原因，其在煉鋼的應用仍是難點。國內外廢塑料在煉鋼的應用，出于技術保密，對廢塑料破碎、入爐方面的技術細節介紹較少，文獻報道時只對應用效果進行了介紹。

3 廢塑料在我國未能廣泛應用的原因

3.1 廢塑料強制性回收利用的法律法規不完善

德國、日本等發達國家，在廢塑料運用于鋼鐵行業方面，政府為主導，出臺了廢塑料再利用相關法律，以強制手段把廢塑料資源化作為一項國策執行。如日本在出臺了《包裝容器再利用法》后，細分了《容器包裝回收利用法》《家用電器回收利用法》《資源有效利用促進法》《建筑材料循環利用法》《廢物處理法》和《綠色消費法》等法律，使廢塑料從產生→回收→利用均有法可依。我國在2009年實施《中華人民共和國循環經濟促進法》，但未涉及廢塑料回收與再利用，有關廢塑料回收利用的具體法律法規不完善，要達到廢塑料資源化利用目的，在沒有法律強制性措施的影響下，完全依靠市場經濟調節作用，以達到大量使用廢塑料，困難較大，這是我國廢塑料未在鋼鐵行業應用的重要原因。

3.2 在鋼鐵行業使用廢塑料方面政府補貼不到

日本、德國等發達國家為了推廣廢塑料在鋼鐵行業中的應用，一方面，政府投資組建了專業的廢塑料回收公司，形成規模效益，使廢塑料成本得到控制；另一方面，政府對使用廢塑料的鋼鐵企業給予資金補貼。這些措施的實施使廢塑料來源得到穩定保障，使鋼鐵企業利用廢塑料的成本得到有效控制。國家通過經濟調節手段充分引導和鼓勵鋼鐵企業使用廢塑料，而我國目前在這一方面還較為欠缺。

3.3 廢塑料回收體系不完善

我國生活垃圾中的廢塑料一般不加分類地投入垃圾箱，這給廢塑料的處理帶來相當大的難度，廢塑料基本靠人工回收，廢塑料回收率低，美國、西歐及日本等發達國家，廢塑料分裝己十分普及。日本從廢塑料回收到利用的流程是：居民分類投放→市鎮村分別收集→由日本容器包裝再生協會按合同集中→以交付委托處理費方式交再生利用用戶。日本廢塑料回收系統，能保證鋼鐵企業廢塑料來源穩定，成本較低。

3.4 廢塑料中PVC含量較高

德國廢塑料中PVC含量約為4%，日本為17%，而我國高達22%，高爐噴吹廢塑料限制PVC含量小于2%，雖然焦化控制放寬，但也在5%以內，我國鋼鐵行業要大量處理PVC含量高的廢塑料，就必須進行脫氯，不管從技術還是成本，限制了在我國鋼鐵行業中推廣與運用。

4 結論及建議

(1)發達國家在廢塑料應用于鋼鐵行業方面，已實現工業化，技術不斷完善，每年通過高爐噴吹和焦化煉焦大量處理廢塑料；我國目前還未進行工業化應用。

(2)高爐噴吹廢塑料，對廢塑料預處理工藝要求較高，PVC含量應小于2%；廢塑料應用于焦化，從國內外廢塑料與煤共焦化技術推廣應用情況看，廢塑料適宜配比為1%～2%。

(3)當前我國在廢塑料回收體系不完善以及再生利用方面法律保障較為欠缺，鋼鐵企業在關注國家環保政策的變化的同時，還應當對廢塑料在鋼鐵行業中的最新應用技術進行跟蹤，當國家法律和政策更傾向于廢塑料運用于鋼鐵行業時，擇機優先發展廢塑料運用于焦化相關技術。