高炉喷吹废塑料技术及应用前景

由表 3 可见 , 高炉喷吹废塑料是废塑料处 理工艺中唯一使能量利用率超过 50% 的工艺。 其中 60% 的能量以化学能的形式用 来还原铁 矿石 , 还有 20% 的能量以热能的形式用来加 热铁矿石或高炉煤气发电。 3 废塑料在国外高炉喷吹中的应用 在国外, 废塑料已经在高炉生产中得到了 应用 , 并取得了良好的效果。德国从 1994 年 开始进行喷吹的工业性实验, 1995 年 6 月在 德国不莱梅钢铁公司建造了世界上第一套喷吹 废塑料设备, 喷吹能力为 7 万吨/ 年 , 不莱梅 钢铁公司 2 号高炉 ( 2668m 3 ) 的 8 个风 口用 于喷吹废塑料 , 每 个风口喷 吹量约为 1 25t / h, 将废 塑料 先造 成直 径 小于 10mm 的 塑 料 粒, 成 功 地 达 到 每 吨 铁 喷 吹 废 塑 料 35kg 。 1996 年第一季度喷入了 1 万吨, 4 月份喷吹量 最高为 3500t。此外 , 德国克虏伯赫钢铁公司 和蒂森钢铁公司已经实际应用。
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表3
项 目
采用不同处理工艺时 废塑料的能量利用率 %
40 废物焚烧厂 30 发电厂
高炉喷吹 80
利用率
磁选去金属 造粒 高炉料仓。德国拥有全国 的废塑料收集系统 DSD, 它保证 了有足够的 回收量和原料供应, 德国的废塑料造粒方法主 要采用挤压法, 将废塑料挤压成小粒。用这种 方法制成的塑料粒较为疏松 , 致密度小, 燃烧 速度快 , 但对喷吹设备要求高, 维护困难。日 本的造粒方法主要采用熔融造粒。即将废塑料 切成小片后 , 加腐蚀剂熔融 , 喷吹高压水冲击 成粒, 这样制成的塑料粒致密度高, 喷吹动力 大 , 对设备损害小, 但热耗大, 且损失部分能 量 , 一般废 塑料粒度为 6mm, 喷吹时可以将 块状、粒状混合喷入。 5 高炉喷吹废塑料的经济社会效益分析 如前所述, 高炉喷吹废塑料一方面能够有 效地消除 白色污染 , 而且最大限度地降低 由于废塑料燃烧或其他回收方法所容易造成的 二次环境污染。另一方面, 高炉喷吹废塑料主 要是通过废塑料气化后生成的还原性气体与铁 矿石反应来利用其化学能, 部分以热能的形式 来加热铁矿石或用于发电和热风炉, 总的能量 利用率达到 80% , 是其它处理方式所不能及
%
灰分 K 2 O + Na 2 O 0 08~ 0 11
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由表 1 可见废塑料的主要组成是碳氢聚合 物, 所以废塑料具有较高的热值和良好的燃烧 性能。废塑料的燃烧过程是很复杂的。通常是 由传热、传质、热分解、熔融、蒸发、气相化 学反应和多相化学反应等全部过程或其中的一 部分过程所组成。一般认为, 废塑料的燃烧形 式主要是蒸发燃烧 : 受热后首先熔化成液体 , 进一步受热后产生很多易燃蒸发气体, 所产生 的易燃蒸气再与空气混合燃烧。 废塑料在高炉中的燃烧和气化随喷入高炉 的废塑料的粒度不同有差异, 由高速摄像仪拍 摄的 照片可 以看 出, 当向 高炉 内喷 吹 0 2 ~ 1mm 的废塑料颗粒时与喷吹煤粉时 的情况类 似, 即喷入高炉的颗粒团在回旋区的扩散深度 浅, 而且被瞬时燃烧气化。而当向高炉内喷吹 10mm 以下的废塑料颗粒时 , 颗粒团不规则地 向回旋区深处扩散 , 分散后燃烧。也就是说 , 细粒度废塑料在风口前迅速气化燃烧, 粗粒度 废塑料在在燃烧带深处气化燃烧。 研究表明, 在 10mm 以下 , 废塑料的燃烧 率和气化率随粒径的增大而升高 , 粒径在 1 0 ~ 10mm 范围时燃烧气 化率可以达 到 100% , 而粒径在 0 05mm 左右的废塑料燃烧气化率只 有 50% ~ 70% 。这 是因为粗粒度的废塑 料在 回旋区滞留时间较长 , 能够充分燃烧。 2 2 废塑料的燃烧特性对高炉冶炼的影响 废塑料 燃 烧性 能 的实 验 室研 究 表 明
且可以使环保工作产业化, 切实治理好 污染 。 2 废塑料在高炉中的行为
白色
2 1 废塑料在高炉中的燃烧分析 废塑料与重油、煤粉的化学成分比较如表 1。 表 1 煤粉、 重油 、废塑料的成分组成
成分 煤粉 重油 废塑料 C 79 30 86 75 83 74 H 3 39 11 54 12 38 S 0 50 0 16 0 05 3 08 0 04 15 4
在日本 , 1996 年 10 月首套投资 15 亿日 元的高炉喷吹废塑料联合处理系统已在 NKK 公司 京滨厂 1 号高炉 ( 4907m ) 运行 , 年处 理废塑料 3 万吨 , 将废塑料分拣、破碎、粒化 后, 通 过 4 个 风 口 喷 入 高 炉, 喷 吹 量 约 为 10kg/ t , 最高喷吹量可达 200kg/ t, 该系统可 使 CO2 的排放量减少 30% , 只产生少量有害 气体 , 高炉能量利用达 到 80% 以 上, 且高炉 煤气可以用于发电或烧热风炉, 也可以作为民 用煤气。 4 国外喷吹用废塑料原料化概况 废塑料从垃圾中分拣后 , 送至联合处理系 统处理 , 然后才能喷入高炉 , 喷入高炉的废塑 料主要是不能用于再生或已是再生的废制品 , 如一次性容器、包装物、专用计算机部件、磁 带等。整套联合处理系统的处理步骤为: 收集 分选 粉碎 磁选去金属 再粉碎 再中间
,
废塑料的发热值与重油相近, 而在高炉中产生 的 NOx 或 SOx 的量很少 , 未燃碳远远低于其 他几种燃料。而且废塑料的气化产物中, H 2 / CO 的比值远大于喷煤时的比值, 相同喷入量 所产生的煤气量也比喷煤时大 , 这对高炉冶炼 是有利的。喷吹塑料的特点与喷吹重油相似 , 在同样燃料比的条件下, 煤气中 H 2 的含量增 加, 间接还原发展, 还原速度加快。总的效果 是焦比降低和利用系数提高。由于废塑料的灰 分含量极低, 与喷 煤相比可以减 少石灰石 用QUE OF INJECTING WASTE PLASTICS INTO THE BF AND ITS APPLICATION PROSPECT
Cao F eng L ong Shigang
( Anhui Polytechnic U niversit y) Abstract T he paper analy zed the feasibility of injecting w aste plastics into BF from combust ion analysis
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高炉喷吹废塑料技术及应用前景
曹 枫 龙世刚
( 安徽工业大学)
摘 要 从废塑料喷吹后的燃 烧分析、对 高炉冶 炼的影 响、能量的 利用等 多方面 分析了 废塑料 白色污 染 开辟 了一条 很好的 途径 , 也为 冶金企
应用于高炉喷吹的可行性。并介 绍了国 外高炉 喷吹废 塑料的实 践与进 展。分析表 明 : 高炉 喷吹 废塑料的技术既为废塑料的 综合利用 和治理 业节约能源提供了一种新的手段。 关键词 废塑料 高炉喷吹 可行性
1 前言 随着塑料工业的迅速发展 , 各种塑料制品 已大量用于工业领域和日常生活。然而随之产 生的大量废塑料却严重污染环境, 成为社会公 害。世界各国纷纷立法以加强对废塑料的回收 与利用。近年来 , 废塑料综合利用的新技术也 屡见报导。其中由德国首先提出的高炉喷吹废 塑料是目前消除白色污染的最佳途径之一, 已 在德国、日本等国广为采用。 在我国废 塑料的综 合处理技 术还比较 落 后, 基本上还停留在常规处理阶段 , 不仅造成 了资源的浪费, 而且经济效益低下。将废塑料 用于国内高炉喷吹, 不仅可有效利用资源, 而
and effects on BF operation and energy usage after w aste plastics injection. I t also described practice and development of injecting w aste plastics into the blast furnace in foreign country . T he analysis showed that the technolog y of injecting w aste plast ics into the blast furnace w as no t only a good way to ut ilize co mprehensively w aste plastics and solve the problem of white pollution, but also a new means of saving energy in metallurgy enter prise. Keywords w aste plastics BF injection feasibility
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重油几乎没有什么差别, 两者的碳氢化合物在 高炉炉缸都转变成温度高达 2000 以上的煤 气, 在煤气上升过程中将铁矿石还原, 而从高 炉出来的煤气还可以用来预热空气或送至发电 厂去发电。废塑料不同处理工艺的能量利用率 见表 3 所示。 表2 废塑料作为发热剂或还原剂时能量利用
利用方式 燃烧放热 ( 废塑料焚烧厂 ) 1/ 4C 8H 8 + O 2 = 2CO+ H 2 2CO+ H 2 + 3/ 2O2 = 2CO 2 + H 2 O 还原放热 ( 高炉喷吹 ) 1/ 4C 8H 8 + O 2 = 2CO+ H 2 Fe 2 O3 + CO + H 2 = 2Fe+ 2CO 2+ H 2 O 反应热 / M J kg - 1C + 39 61 + 8 21 + 31 40 + 7 75 + 8 21 - 0 46
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率。同时根据德国在喷吹废塑料的试验期与不 喷吹废塑料的基准期对煤气和热风炉废气进行 取样分析表明, 喷吹废塑料时气体中的二恶英 及呋喃并没有增加, 即喷吹废塑料可以最大限 度地降低污染。这是由于喷入高炉的废塑料在 高炉风口前 2000 的高温区及高炉内强还原 性气氛下, 不可能产生二恶英及呋喃等有毒气 体 , 同时也 很 难生 成 NOx 和 SOx 等有 害气 体。有害气体排放量减少, 有利于减少环境污 染。废塑料是碳氢化合物, 在高炉中裂解过程 对风口区理论燃烧温度的影响介于煤粉和重油 之间, 故对高炉无不利影响 , 实践表明高炉喷 吹废塑料不影响高炉顺行, 铁水温度也不会降 低。喷入高炉的废塑料瞬时还原气化生成还原 性气体 CO 、H 2 , 在 上升过程中与 矿石反应 , 还原铁矿石 , 同时加热铁矿石并使其熔融。废 塑料在高炉内反应过程及机理同煤粉相同。 2 3 废塑料在高炉中的能量利用 在高炉中, 通过燃烧焦碳产生热 , 加热反 应物达到还原铁矿所需的温度 , 并将铁熔化 , 总的说来, 这一个过程是大量进行化学反应的 过程, 而且产生的热几乎完全被利用。 表 2 显示了废塑料垃圾炉焚烧和废塑料高 炉喷吹能量利 用的不同 , 本 文以 C8 H 8 为例 , 说明燃烧与还原之间能量利用的不同。这两个 过程都是先被气化成 CO 和 H 2 , 然后第二步 的反应才能 有效进行。大 约整个过程 能量的 80% 是在燃烧中释 放出来的 ; 从另一 角度来 看 , 如果气体用来还原的话 , 供给的能量刚好 满足进行反应所需要的能量, 大约 50% 以上 的能量是以化学能的形式被利用 , 而并非以热 能形式。 废塑料的可燃成 分可达 96% , 假设分子 式为 Cn H m , 与 O 2 的反应式如下: C nH m+ n/ 2O2 = nCO+ m/ 2H 2 C nH m+ ( n+ m/ 4) O 2 = nCO2 + m/ 2H 2 O 通常高炉都由风口喷吹煤粉或重油以提供 部分所需的热量 , 从化学成分上看, 废塑料与