高爐噴吹廢塑料下的廢舊塑料綜合利用新方法

侯 明

（廣東省循環經濟和資源綜合利用協會 廣東廣州 510095）

引言

在當前工業飛速發展下，塑料制品得到廣泛應用，廢棄塑料量也隨之增加。據調查，我國塑料垃圾占總垃圾數量的8%，且占比逐年遞增。在沿海城市中，塑料垃圾的占比更高，已經與發達國家比肩。廢棄塑料不但會影響生態環境，還會損害土壤與水源，導致農作物減產。對此，各國紛紛開始進行廢塑料處理研究，開發出高爐噴吹技術，可促進廢塑料的綜合利用，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，通過高爐噴吹技術的應用，可使其變成有價值的能源，其環保意義不容忽視。一方面，節約能源。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”，環境中的廢塑料不易腐爛，長期堆放污染環境，還會產生大量氯化氫、二氧化碳、二噁英等物質，引起酸雨與溫室效應，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，促進文明城市建設與開發。

2 高爐噴吹廢塑料技術的應用情況

2.1 主要成分

塑料內含的主要成分為碳和氫，從理論層面上看，全部塑料均可當作高爐冶鐵的發熱劑與還原劑，可發揮噴吹燃料的作用。但因塑料的用途不盡相同，在成分與性能等方面產生諸多差異。因塑料燃燒后的產物對冶煉產生較大影響，可優先考慮噴吹不帶氯的廢塑料，如PP、PE 與PS 等等。其中，PE 和PP 均由碳氫化合物構成，在燃燒之后產物以二氧化碳和水為主，不會對大氣產生大量污染。帶有毒性的塑料主要為PVC 一類，內含碳氫化合物、氯等物質，因在燃燒狀態下易產生氯化氫腐蝕設備，進而造成嚴重的酸污染。當前國內冶金行業技術水平不高，資金有限，在PVC 等有毒物質的處理方面有些力不從心。對此，可先從無毒塑料著手，邁開高爐噴吹技術應用的第一步，并針對含氯廢塑料等脫氧技術進行深入研究[1]。

2.2 應用現狀

從本質上看，噴吹技術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。根據相關研究表明，在高爐噴吹技術下可使廢塑料的利用率超過80%，產生的有害氣體較少，處理成本較低。該項技術的誕生可為廢料綜合處理提供新方法，也為冶金行業能源和資本節約提高新技術，為“白色污染”抑制開辟了新路徑。

2.2.1 國外應用現狀

德國率先將廢塑料當作原料投入到高爐噴吹中，經過試驗后，投資3000 萬馬克創建首個噴吹設備，可工作效能可達7 萬t/a。此后，德國的鋼鐵企業也陸續開始使用和推廣該項技術，并逐漸發展成熟。日本的資源相對匱乏，對高爐噴吹技術的研究起步較早，從德國引進該技術后建成噴吹設備，使鋼鐵廠在高爐上運行，工作效能為3 萬t/a，同時，還重點針對商業廢料燃燒與氣化進行研究，根據結果可知：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。當粒度范圍為0.3－0.9mm時，二者的特性較為相似；當廢塑料噴吹粒度為10mm 時，風口與中線之間的氧氣濃度逐漸降低。與噴煤時相比有所區別，且與全焦操作中的氧氣濃度變化較為相近。針對豎爐內部分解產生的C1-C4 范圍的碳氫化合物進行測試，根據結果可知，在豎爐尾氣與灰塵中，碳氫物質的含量與噴煤時較為相似。塑料經過分解后產生的焦油較少，可預防因系統粘堵影響工作效率。針對豎爐中CO2峰對比可知，廢塑料著火點與粒度相關，且燃燒率與粒度之間成正比關系，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氣化形成的二氧化碳速率相對較高，可見廢料中未燃碳的消耗率相對更高。假設未燃燒碳消耗只包括溶損反應，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、處理技術等方式來實現。根據大量廢塑料燃燒性能試驗結果可知，當塑料所處環境不同時，燃燒性能也會隨之改變。當氧化性不斷提升時，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聯[2]。

2.2.2 國內應用進展

（1）造粒技術。在高爐風口區域，廢塑料燃燒與氣化均與粒度、處理技術相關。當前主要采用冷態與熱態兩種造粒技術。前者是將分配好的廢氣塑料利用機械加工、擠壓和切削后，使其成為適宜噴吹的粒度；還可采用環形沖模造粒方式，使廢塑料在快速旋轉的轉筒與模型之間被擠壓，從模具事先預留的孔洞中擠出，外部邊緣處帶有切削刀具，可邊旋轉邊將孔洞內鉆出的廢料切割成細粒；后者是指將廢料注入造粒機中，利用飛速旋轉的刀具將其切斷，相互摩擦產生熱量促進塑料熔融，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也有所差異。通常情況下，對于PVC 塑料利用熱解脫氯技術，經過處理后將廢料從裝置下方解脫出來，再分別進行擠壓、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置鐵板，鐵板上帶有若干孔洞，孔洞的大小與形狀可根據實際需求靈活調節，確保造粒效果可觀；對于無氯塑料來說，將其進行熔融處理后可直接進行造粒。但因PVC 在加熱狀態下緩慢硬化，在熱分解過程中生成氯化氫，并不能使其變為流態。可見，此種造粒方式有助于深入研究。通常情況下，硬質PVC 可先破碎后，再熱解脫氯，經過脫氯后再噴入高爐之中。

（2）PVC 脫氯處理。噴吹技術雖然在工業領域得到廣泛應用，但因氯化氫對環境不夠友好、對設備具有腐蝕性等缺陷，導致PVC 脫氯處理效果一般。部分地區建設廢料回轉窯試驗設備，對此類塑料進行熱分解，對分解產生的氯化氫進行回收，再將反應后的廢料投入噴吹處理中；根據GB/T 39171-2020 規定，廢塑料回收時產生的危險廢物應交給具有相關處理資質的單位進行處理。部分地區對反應獲得的氯化氫與堿中和，設計出多種專門的廢料脫氯設備，且大多數為專利產品，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 熱解脫氯開展相關試驗，根據試驗結果可知，硬質PVC 先破碎再分解，當溫度為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，氫與碳的回收率較高。對于混合PVC 物質來說，可將溫度調節為330－350℃之間，此時可脫除90%的氯，在1.5h 左右可完成該項操作。

3 高爐噴吹技術下廢塑料綜合利用的前景與效果

3.1 開發前景

我國當前廢塑料污染相對嚴重，煤粉灰分較高，噴吹效果較弱，且許多地區煤炭資源短缺，綜合利用技術的應用十分迫切，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行脫氯處理后再實施噴吹。因噴吹技術優勢眾多，經濟社會效益十分可觀，具有投入少、回報高，以備社會接受等特性，開發前景十分廣闊。

3.2 應用效果

3.2.1 經濟效益

將廢塑料經過處理后當作高爐噴吹的燃料，可取得理想的經濟效益。與油、煤等燃料相比，廢塑料在價格方面占有優勢，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化率提高到50%的技術，能量附加利用率可達27%，可與廢物燃燒場中的總利用率相媲美。當前，我國每年產生的廢塑料量達到600 萬t，有超過半數被隨意丟棄，少數被焚燒或填埋，極少數得到回收利用。在廢料構成中，PP 占比最大，其次為PE 和PVC，這說明在噴吹技術中，無毒廢料的占比超過半數，達到420 萬t，以相同數量的煤炭為依據進行計算，可替代420 萬t 的煤，經濟效益十分可觀。

3.2.2 環保效益

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，抑制城市健康發展。部分地區采用燃燒方式處理，并對燃燒熱量回收利用，如鍋爐燒水等，但焚燒中產生的有害氣體會污染大氣環境。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 物質燃燒時產生二噁英等有毒氣體，對生態環境的影響較小。從環保角度來看，高爐噴吹技術具有較高的環境效益，應用前景廣闊[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，究其原因，主要是塑料噴入高爐后，碳氧化物在高爐下方轉變為溫度超過2000℃的煤氣，當煤氣在上升時，將鐵礦石加熱、還原，雖然該項反應不夠完全，但高爐釋放的煤氣可用于預熱空氣、發電等，使塑料內含能量得到充分利用，使環保效益提升[3]。

結語

綜上所述，當前“白色污染”已經成為水、大氣污染后的第三大污染，受到世界各國的關注。高爐噴吹技術作為廢塑料處理新方法，與其他措施相比在經濟性、環保性方面有諸多優勢，將其作為原料投入高爐之中，不但可降焦節能，還可保護環境，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%，值得大范圍推廣應用。