高炉喷吹废塑料的节能效益及应用前景

上海市绿色工业促进会 潘 洲

前言

高炉喷吹废塑料技术是利用高炉独特的高温、高还原性环境，将废塑料作为一种燃料喷入高炉中。它不仅充分实现了废弃物的资源回收和再利用，节约了煤炭资源，而且，具有传统废塑料处理技术无可比拟的能量利用率高、处理后无污染的优点，在当前节能减排、发展低碳经济的大形势下，具有极大的示范意义。近年来,国外的许多厂家,尤其是德国和日本的一些钢铁企业,采用了向高炉内喷吹废塑料的环保技术,经过几年的实践,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[1]。宝钢作为国内钢铁企业的领头羊，早在2001年初就开始了高炉喷吹废塑料的技术可行性研究，涉及废塑料的选用、脱氯、造粒、气力输送及燃烧特性研究等。但是，如何保证废塑料来源的数量、稳定性及经济性则成为该技术实际运用的瓶颈。本文结合高炉喷吹用废塑料资源可获取性的调研就该技术在宝钢的应用前景做出初步分析。

1 国内外高炉喷吹废塑料的现状

20世纪90年代中期,德国和日本许多钢铁企业都积极开展了高炉喷吹废塑料的研究开发工作。国内，鞍钢宝钢等钢铁巨头亦在21世纪初开展了相关研究。

德国于1991年颁布的“垃圾减量法”要求居民减少生活垃圾的同时并积极组织开发垃圾中有用废物的再生利用技术，并专门成立了德国废物利用公司（简称DSD公司），在DSD公司的支持下，不来梅钢铁公司开展了高炉喷吹废塑料的试验。除了不莱梅钢铁公司外,德国的克虏伯—赫施钢铁公司、蒂森钢铁公司等也在高炉上进行了工业性试验[2]。日本钢管公司（NKK）学习德国不来梅厂经验，1995年也成功地在高炉喷吹废塑料[3]。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定的成果[4]。

2 高炉喷吹废塑料的节能效益

高炉喷吹废塑料不仅充分实现了废弃物的资源回收和再利用，而且，具有传统废塑料处理技术无可比拟的能量利用率高、处理后无污染的优点。从回收再利用的角度看，废塑料的堆积和掩埋根本不存在能量利用和再生利用。焚烧中如果单纯把废塑料放入焚烧炉中烧掉也没有回收利用，如果作为供热和发电时的热利用率也仅为30%～40%,而废塑料在高炉中的热利用率高达80%。废塑料的发热值高于煤粉40%～50%，其与煤粉的置换比在1.2，其H2含量远高于煤粉，H2在高炉上部可参与直接还原，可置换部分焦炭，与焦炭的置换比大于1.0。日本德国喷塑比在50公斤/吨铁，假如宝钢以25公斤喷塑比，一座高炉日产量为：10000吨×0.025=250吨，则月产量为7500吨，年产量为9万吨，4座高炉约36万吨/年。如果废塑料的收集量能完全满足以上要求，则每年能节约喷吹煤约43万吨，节能效益显著。

3 废塑料来源分析

3.1 废塑料选用的经济可行性

一般来说，塑料可以分为热塑性和热固性，热塑性塑料是指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，如聚乙烯、聚氯乙烯等；热固性塑料是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶（熔）特性的塑料，主要包括酚醛塑料、环氧塑料、聚氨酯、不饱和聚酯等。从上述定义可以看出，热塑性塑料可以反复的熔融重塑使用，而热固性塑料具有加热不熔的特点，再次重塑利用性小。根据此特点，废塑料回收市场回收再造粒的废旧塑料主要是热塑性塑料，而且该类废旧塑料的价格也普遍高于现在的煤炭价格。每吨废旧热塑性塑料的价格高达数万元，最低也在千元左右，而煤炭价格的波动区间在400元/吨-1000元/吨。因此，如果考虑大量高炉喷吹的话，热塑性塑料现阶段不具有经济可行性，而且，我国废弃塑料的回收处理方式是以人工从垃圾或其他渠道回收，集中后再进行分类、加工处理的模式为主，虽然该模式不具有完整的系统性、但适合中国的国情，很有效，使得废弃塑料的回收利用比例比较高，这就造成了垃圾中废塑料比例低的现状，即使在生活垃圾填埋场内，还存在拾荒大军。如果还要从这些垃圾堆场中进行分选，不仅要投资分选设备费、场地费、人员费及运输费等，而且分选出来的废塑料比较少、脏、杂，分选成本也高，也很难达到高炉喷吹的各项指标要求。政策层面上看，政府首先鼓励市场化运作，对废塑料的回收在现阶段获得政府的政策补助可能性也比较小。

因此，我们把目光聚焦在热固性塑料，尤其是印刷线路板的主要成分环氧树脂及酚醛树脂上。

3.2 上海市热固性塑料的数量预测

上海市废弃热固性塑料的来源主要有三个方面，即热固性塑料生产和加工企业的残料和边角料、报废汽车中的热固性塑料和废弃电子电器产品中的热固性塑料。目前，上海市尚未建立完善的废弃热固性塑料回收体系。上海市废弃塑料的产生量已达30万吨/年，呈逐年上升趋势；废弃塑料回用量为12万吨/年，而废弃热固性塑料回用率却几乎为零。为了了解上海市现阶段及未来废旧热固性塑料的产生量，查阅上海市统计年鉴等相关资料，运用灰色预测模型[5]，先分别估算各类含热固性塑料的产品（包括汽车和电子电器产品）将来一段时间的销售量，然后根据各类含热固性塑料的产品的使用年限及每年废弃的比例，计算每年各类含热固性塑料的产品的废弃数量，最后结合各产品中热固性塑料所占的比重，计算废弃热固性塑料的重量。

经过预测模型的理论计算，2009年报废汽车中废弃热固性塑料的量为275.94吨，报废电子产品中的废弃热固性塑料的量为5465.06吨，以热固性塑料为基体材料的生产企业的残料、边角料的量约为420吨，因此，2009年废弃热固性塑料总的产生量约为6161吨。三部分废弃热固性塑料所占比例如图1所示：

从图1不难看出，报废电子电器中的废弃热固性塑料占很大比例，是废弃热固性塑料的主要来源。进一步对2007～2017年报废电子电器以及报废汽车中废弃热固性塑料的预测量的增长趋势进行分析，如图2所示：

从图2看出，上海市废弃热固性塑料的总量在以较快的速度（平均增长速度超过13.63%）增长，说明上海市已经进入含热固性塑料的产品废弃的高峰阶段。废弃热固性塑料的主要来源是报废电子电器中的废弃热固性塑料，占总比例的88.7%，报废汽车中废弃热固性塑料和生产企业的边角料、残料比例较小。

热固性塑料的不可熔融再生性、废弃量的高增长性、高热值及回收价格的合理性等都给宝钢高炉喷吹用废塑料开辟了新的方向和思路。

3.3 上海市热固性塑料的获取渠道

宝钢已经完成了高炉喷吹用废塑料的技术可行性研究，而且从现阶段经济可行性出发，也已经把目光焦距在热固性塑料，尤其是印刷线路板的主要成分环氧树脂及酚醛树脂上。但怎样去收集，怎样保证其成分要求达到宝钢高炉喷吹的要求及保证一定的数量，这些都成为了新的制约因素。

通过对上海市废弃物回收再利用市场的详细调研分析，笔者认为：充分利用上海电子废弃物交投中心有限公司、伟翔环保科技发展（上海）有限公司等类似的电子废弃物回收处理企业，这些企业有一整套加工设备，能够保证宝钢喷吹用废塑料的颗粒粒径等要求，而且也能做好成分检测及控制，充分满足高炉喷吹的要求。这样，宝钢就不需要再去上一整套塑料分拣、清洗、造粒设备等，能够尽量压缩运营成本。而且，伟翔环保科技发展（上海）有限公司提供的环氧树脂及酚醛树脂的价格在500元/吨左右，具有一定的价格优势。随着煤炭资源的紧缺以及废弃环氧树脂及酚醛树脂收集量的不断增加，喷吹废塑料的价格优势会逐渐明显。但是，现在存在的问题是，如今能够收集到的这些废塑料的量远远小于宝钢高炉喷吹所需求的量，因此，笔者设想一方面可以让废塑料囤积到一定量后再进行高炉喷吹，另一方面可在宝钢集团内部小高炉进行喷吹。

4 结论及建议

宝钢早在2001年初就开始了高炉喷吹废塑料的技术可行性研究，涉及废塑料的选用、脱氯、造粒、气力输送及燃烧特性研究等。虽然该项目技术成熟可行，但是如何保证废塑料来源的数量、稳定性及对废塑料成分的要求制约了该技术的实际运用。为此，我们具体分析了高炉喷吹废塑料的节能效益,充分考虑该技术实际运用的经济可行性,结合上海市目前废塑料来源的特点,为高炉喷吹废塑料在宝钢的应用前景做出初步分析,形成结论及建议如下：

(1)以热固性塑料为主要喷吹用塑料。该类物质回收的潜量大，尤其是现阶段有大量废弃、填埋的环氧树脂及酚醛树脂。但就目前的市场情况来看，成熟的供应商不多。另外,随着煤炭价格的不断走高，政府加强废弃物规范化处理，供应商和供应量将呈上升趋势，且经济性将进一步增强。随着废弃物规范化处理普及，亦可以考虑其他类型的废塑料。

(2)高炉喷吹废塑料不光体现了国家现阶段大力推行节能减排的政策，也符合国家发展低碳经济的趋势。高炉喷吹废塑料减排二氧化碳效益显著，若能与清洁发展机制（clean development mechanism,CDM）相结合，则能获得一定的经济效益。

(3)鉴于现阶段环氧树脂及酚醛树脂所能收集到的量比较少，建议在宝钢集团小高炉上开展工业化试验工作，初期可利用现有的废塑料供应商，与废塑料供应商建立战略合作关系，逐步扩大高炉喷吹用废塑料来源，共同争取政府主管部门的优惠政策，实现双赢，促进高炉喷吹废塑料技术的应用推广。

1李博知.废塑料用于高炉喷吹的现状及前景[J],新技术新工艺,2006(11)：84-86

2郭廷杰.德、日高炉喷吹废塑料情况简介[J]，中国冶金，2001(6)：35-38

3郭廷杰.日本高炉喷吹利用废塑料代煤技术简介[J]，再生资源研究，2001(4):35-38

4李博知，尹国才，秦学武.中国高炉喷吹废塑料的可行性分析[J]，中国冶金，2006,16(6):47-50

5李卫国，张爱琴.灰色系统理论在年用电量预测中的应用[J]，沈阳航空工业学院学报，2007,24(5):90-92