高炉喷吹废塑料下的废旧塑料综合利用新方法

侯 明

（广东省循环经济和资源综合利用协会 广东广州 510095）

引言

在当前工业飞速发展下，塑料制品得到广泛应用，废弃塑料量也随之增加。据调查，我国塑料垃圾占总垃圾数量的8%，且占比逐年递增。在沿海城市中，塑料垃圾的占比更高，已经与发达国家比肩。废弃塑料不但会影响生态环境，还会损害土壤与水源，导致农作物减产。对此，各国纷纷开始进行废塑料处理研究，开发出高炉喷吹技术，可促进废塑料的综合利用，使“白色污染”得到有效抑制。

1 废塑料回收与综合利用的环保意义

废塑料作为城市固废物中的一种，主要源于石油，通过高炉喷吹技术的应用，可使其变成有价值的能源，其环保意义不容忽视。一方面，节约能源。将废塑料回收利用制作出品像一般的塑料包装材料，可节约85－94%的能量，有效减少制造树脂的石油原料消耗；另一方面，抑制“白色污染”，环境中的废塑料不易腐烂，长期堆放污染环境，还会产生大量氯化氢、二氧化碳、二噁英等物质，引起酸雨与温室效应，通过高炉喷吹、回收利用等，可减少废塑料对土壤、海洋、大气等造成的污染，有效抑制“白色污染”的危害，促进文明城市建设与开发。

2 高炉喷吹废塑料技术的应用情况

2.1 主要成分

塑料内含的主要成分为碳和氢，从理论层面上看，全部塑料均可当作高炉冶铁的发热剂与还原剂，可发挥喷吹燃料的作用。但因塑料的用途不尽相同，在成分与性能等方面产生诸多差异。因塑料燃烧后的产物对冶炼产生较大影响，可优先考虑喷吹不带氯的废塑料，如PP、PE 与PS 等等。其中，PE 和PP 均由碳氢化合物构成，在燃烧之后产物以二氧化碳和水为主，不会对大气产生大量污染。带有毒性的塑料主要为PVC 一类，内含碳氢化合物、氯等物质，因在燃烧状态下易产生氯化氢腐蚀设备，进而造成严重的酸污染。当前国内冶金行业技术水平不高，资金有限，在PVC 等有毒物质的处理方面有些力不从心。对此，可先从无毒塑料着手，迈开高炉喷吹技术应用的第一步，并针对含氯废塑料等脱氧技术进行深入研究[1]。

2.2 应用现状

从本质上看，喷吹技术是以废塑料为原料制成相宜粒度喷入高炉中，替代焦炭或者煤粉作为燃烧物的一种新方法。根据相关研究表明，在高炉喷吹技术下可使废塑料的利用率超过80%，产生的有害气体较少，处理成本较低。该项技术的诞生可为废料综合处理提供新方法，也为冶金行业能源和资本节约提高新技术，为“白色污染”抑制开辟了新路径。

2.2.1 国外应用现状

德国率先将废塑料当作原料投入到高炉喷吹中，经过试验后，投资3000 万马克创建首个喷吹设备，可工作效能可达7 万t/a。此后，德国的钢铁企业也陆续开始使用和推广该项技术，并逐渐发展成熟。日本的资源相对匮乏，对高炉喷吹技术的研究起步较早，从德国引进该技术后建成喷吹设备，使钢铁厂在高炉上运行，工作效能为3 万t/a，同时，还重点针对商业废料燃烧与气化进行研究，根据结果可知：与煤粉相比，废塑料的燃烧与气化均不相同，主要受到塑料颗粒的影响。当粒度范围为0.3－0.9mm时，二者的特性较为相似；当废塑料喷吹粒度为10mm 时，风口与中线之间的氧气浓度逐渐降低。与喷煤时相比有所区别，且与全焦操作中的氧气浓度变化较为相近。针对竖炉内部分解产生的C1-C4 范围的碳氢化合物进行测试，根据结果可知，在竖炉尾气与灰尘中，碳氢物质的含量与喷煤时较为相似。塑料经过分解后产生的焦油较少，可预防因系统粘堵影响工作效率。针对竖炉中CO2峰对比可知，废塑料着火点与粒度相关，且燃烧率与粒度之间成正比关系，聚集颗粒燃烧率与破碎颗粒相比较低。与煤粉相比，源于废塑料中未燃烧碳气化形成的二氧化碳速率相对较高，可见废料中未燃碳的消耗率相对更高。假设未燃烧碳消耗只包括溶损反应，则喷吹率与粒度、密度以及自身性能有一定影响。由此可见，喷出量增加可通过选取合适粒度、处理技术等方式来实现。根据大量废塑料燃烧性能试验结果可知，当塑料所处环境不同时，燃烧性能也会随之改变。当氧化性不断提升时，燃烧初始温度与峰值均会下降，且燃烧速度提升。在环境相同的情况下，废塑料初始温度明显高于煤粉，但燃烧速度与煤粉相比较快，这说明粒度与燃烧性能之间有所关联[2]。

2.2.2 国内应用进展

（1）造粒技术。在高炉风口区域，废塑料燃烧与气化均与粒度、处理技术相关。当前主要采用冷态与热态两种造粒技术。前者是将分配好的废气塑料利用机械加工、挤压和切削后，使其成为适宜喷吹的粒度；还可采用环形冲模造粒方式，使废塑料在快速旋转的转筒与模型之间被挤压，从模具事先预留的孔洞中挤出，外部边缘处带有切削刀具，可边旋转边将孔洞内钻出的废料切割成细粒；后者是指将废料注入造粒机中，利用飞速旋转的刀具将其切断，相互摩擦产生热量促进塑料熔融，喷洒适量的水分使其急速冷却成粒。此种方式因废塑料类型、熔融温度不同，与之匹配的造粒技术也有所差异。通常情况下，对于PVC 塑料利用热解脱氯技术，经过处理后将废料从装置下方解脱出来，再分别进行挤压、冷却、切割等操作，使其粒度与高炉要求相符合。在挤压装置的下方设置铁板，铁板上带有若干孔洞，孔洞的大小与形状可根据实际需求灵活调节，确保造粒效果可观；对于无氯塑料来说，将其进行熔融处理后可直接进行造粒。但因PVC 在加热状态下缓慢硬化，在热分解过程中生成氯化氢，并不能使其变为流态。可见，此种造粒方式有助于深入研究。通常情况下，硬质PVC 可先破碎后，再热解脱氯，经过脱氯后再喷入高炉之中。

（2）PVC 脱氯处理。喷吹技术虽然在工业领域得到广泛应用，但因氯化氢对环境不够友好、对设备具有腐蚀性等缺陷，导致PVC 脱氯处理效果一般。部分地区建设废料回转窑试验设备，对此类塑料进行热分解，对分解产生的氯化氢进行回收，再将反应后的废料投入喷吹处理中；根据GB/T 39171-2020 规定，废塑料回收时产生的危险废物应交给具有相关处理资质的单位进行处理。部分地区对反应获得的氯化氢与碱中和，设计出多种专门的废料脱氯设备，且大多数为专利产品，在脱氯后废料可作为化工原料再生，也可在高温油化后，以化工原料的形式再次使用。针对PVC 热解脱氯开展相关试验，根据试验结果可知，硬质PVC 先破碎再分解，当温度为330℃左右、粒度约为3mm 时，脱除率可超过95%，在1h 左右便可脱除完毕，且回收的氢、碳量较高；对于包装所用的PVC 薄膜，在温度为350℃左右时，其脱除率可超过96%，在1.5h 左右可完成脱氯目标，氢与碳的回收率较高。对于混合PVC 物质来说，可将温度调节为330－350℃之间，此时可脱除90%的氯，在1.5h 左右可完成该项操作。

3 高炉喷吹技术下废塑料综合利用的前景与效果

3.1 开发前景

我国当前废塑料污染相对严重，煤粉灰分较高，喷吹效果较弱，且许多地区煤炭资源短缺，综合利用技术的应用十分迫切，这不但有助于解决和抑制“白色污染”，还可为高炉冶铁提供新方法。在废塑料中，无氯塑料约为400 万t，按照相同热效益的煤计算，可替代400 万t，且含氯塑料也可先进行脱氯处理后再实施喷吹。因喷吹技术优势众多，经济社会效益十分可观，具有投入少、回报高，以备社会接受等特性，开发前景十分广阔。

3.2 应用效果

3.2.1 经济效益

将废塑料经过处理后当作高炉喷吹的燃料，可取得理想的经济效益。与油、煤等燃料相比，废塑料在价格方面占有优势，可有效降低成本投入。喷吹塑料是回收利用中唯一可将塑料能量转化率提高到50%的技术，能量附加利用率可达27%，可与废物燃烧场中的总利用率相媲美。当前，我国每年产生的废塑料量达到600 万t，有超过半数被随意丢弃，少数被焚烧或填埋，极少数得到回收利用。在废料构成中，PP 占比最大，其次为PE 和PVC，这说明在喷吹技术中，无毒废料的占比超过半数，达到420 万t，以相同数量的煤炭为依据进行计算，可替代420 万t 的煤，经济效益十分可观。

3.2.2 环保效益

在以往的废塑料处理中主要采用堆积或填埋等方式，不但占用大量土地，还会污染土壤和地下水，抑制城市健康发展。部分地区采用燃烧方式处理，并对燃烧热量回收利用，如锅炉烧水等，但焚烧中产生的有害气体会污染大气环境。与之相比，采用高炉喷吹的方式可有效减少废气排放，如SOx、NOx等，也不会在PVC 物质燃烧时产生二噁英等有毒气体，对生态环境的影响较小。从环保角度来看，高炉喷吹技术具有较高的环境效益，应用前景广阔[4]。在能源利用方面，喷吹废料与其他废料回收相比性能更强，究其原因，主要是塑料喷入高炉后，碳氧化物在高炉下方转变为温度超过2000℃的煤气，当煤气在上升时，将铁矿石加热、还原，虽然该项反应不够完全，但高炉释放的煤气可用于预热空气、发电等，使塑料内含能量得到充分利用，使环保效益提升[3]。

结语

综上所述，当前“白色污染”已经成为水、大气污染后的第三大污染，受到世界各国的关注。高炉喷吹技术作为废塑料处理新方法，与其他措施相比在经济性、环保性方面有诸多优势，将其作为原料投入高炉之中，不但可降焦节能，还可保护环境，减少30%的二氧化碳排放量，释放的有害气体较少，能量利用率超过80%，值得大范围推广应用。