废塑料在炼铁中的应用

2019-03-11 19:03:00
废塑料在炼铁中的应用 摘要:塑料废弃物对城市环境、 景观的破坏以及进入自然环境后难以降解而带来 的长期的深层次环境问题, 已受到全世界的关注。 解决废塑料造成的 “白色污染” , 是国内外环保工作者广泛关注的研究课题,各种废塑料处理技术也应运而生,通 常是采用填埋法、焚烧法、再生利用法、热解利用以及高炉喷吹等处理方法。在 这些方法中,高炉喷吹得到了较好地应用,被认为是目前比较行之有效的方法。 本文为科学、合理、经济地治理“白色污染”提供了理论依据,为钢铁厂与 环境友好城市化功能的实现开辟了途径。 关键词:废塑料,高炉,喷吹, 1、废塑料的组成 塑料的主要化学成分是高分子碳氢化合物,密度一般很小,仅为钢 14-25%, 铝的 50%左右[1]。由于塑料制品具有质量轻、耐腐蚀、易加工、耐消耗、防漏水、 生产技术成熟和成本低等特点, 已经广泛应用于国民生产的各个领域。我国废塑 料的基本组成、主要物理化学性质及产品形式如表 1.1 所示[2] 目前,对废塑料处理的常用方法有三种: (1)再生利用; (2)焚烧发电; (3) 堆积、掩埋。发达国家一般采用焚烧和再生利用法来处理废塑料 ,其熔融再生技 术和焚烧技术较为先进 ,再生利用率为 25% ,而我国处理废旧塑料则一般采用堆 积和填埋的方式 ,焚烧和熔融再生技术虽有发展 ,但进展缓慢 ,较少采用。与这 些方法相比, 向高炉内喷吹废塑料技术是资源、 能源利用率高, 消除 “白色污染” 最有效的手段之一。德国专家 J·Janz 对不同处理过程废塑料的利用率所做的 统计证实了这一点[3]。统计结果见表 1。 2、高炉喷吹技术 高炉喷吹技术是现代高炉炼铁生产广泛采用的新技术, 它也是现代高炉炉况 调节所不可缺少的重要手段之一。喷吹的燃料可以是重油、煤粉、粒煤、天然气 或还原煤气,其中,喷吹煤粉日益受到世界各个国家或地区的高度重视。高炉炼 铁工艺中采用喷吹煤粉技术,早在 1840 年就由 S.M.班克斯提出来,并于 1840~1845 年在法国进行了实际操作,因工艺方面的问题没有得到解决,结果未 被推广应用。后来又经过了一个多世纪,到了 20 世纪 60 年代初期,以北美为代 表的许多地区再度试验了这一技术, 其间还将原来的垂直螺旋给料改成了水平螺 旋给料,尽管如此,还是以失败告终。最后,在采用了粉体气力输送技术的基础 上,喷煤才真正成为在工业上得到应用的技术。这项技术在 20 世纪八十年取得 了明显的进步,国外高炉喷煤量已达到 200kg/t 的大喷煤比,喷煤率(煤粉对燃料 比的比率)达 38%~40%,而且在英国克利夫兰厂的大喷煤试验中已经做到煤粉、 焦炭各 50%(煤 300kg/t),近年来,我国高炉炼铁发展迅速,高炉喷煤的应用取得 了较大进步。重点大中型企业的喷煤比和总喷煤量都有较大的提高,2012 年我 国的平均煤比 180kg/t。 经过最近十年的研究和实践,高炉喷煤技术水平日益提高,富氧喷煤技术得 到普遍应用和氧煤喷吹技术日趋成熟,大大提高了提高煤粉的燃烧率,大幅度增 加喷煤量。 随着高炉喷吹技术的不断发展, 喷吹物料的种类也发生了较大的变化, 复合喷吹是一项很有发展潜力的高炉冶炼新技术, 日本和苏联已提出了综合燃料 (如天然气+重油、重油+煤粉、高炉煤气和焦炉煤气+煤粉等)的概念,并成功地 进行了工业喷吹。 2、工艺流程对比 (1)高炉喷吹煤粉(直接喷吹)工艺流程[4] 高炉喷吹煤粉系统主要由原煤贮运、煤粉制备、煤粉喷吹、干燥剂制备和供 气动力系统组成, 工艺流程如图 1 所示。 外购原煤经汽车或输送机运至原煤场内, 由桥式抓斗起重机倒堆。 堆存的原煤通过桥式抓斗起重机加进配煤煤斗内,配煤 斗下设有配料秤或圆盘给料机, 由配料秤或圆盘给料机将原煤给至输送机,经输 送机将原煤送至原煤仓中。 原煤仓内的原煤经计量给煤机均匀地加入磨煤机。干 燥剂通过袋式除尘器后的排烟风机吸人系统。 原煤在磨煤机内同时进行细磨和干 燥, 粒度较大的煤粉在磨机内循环细碎,合格的煤粉沿管道进入气箱脉冲袋式收 尘器被收集,经收粉器下的给尘机卸入煤粉仓;煤粉仓的煤粉经喷吹罐,连续向 高炉喷煤。 (2)高炉喷吹废塑料工艺流程 高炉喷吹废塑料系统主要由收集、分选、原料制备、废塑料喷吹和供气动力 系统组成,工艺流程如图 2 所示。收集的废塑料经汽车或输送机运至分选系统, 不同种类的废塑料经风选、 浮选等方法分选出来。分选出来的废塑料根据其性质 采取相应的原料高炉喷吹废塑料的研究现状化处理工艺,譬如:硬质类废塑料 (PVC)经破碎脱氯处理后成为高炉喷吹用原料,薄膜类废塑料(PE、PP、PS 等) 经破碎造粒处理后成为高炉喷吹用原料。 原料化废塑料经输送机械输送至废塑料 仓,废塑料仓中废塑料经喷吹罐连续向高炉喷吹。 3、废塑料的应用的原理 在炼铁工业中, 人们为了降低炼铁成本, 采用喷吹煤粉代替部分焦炭的工艺, 这早已是一项成熟的技术,将废塑料分类、清洗、干燥等处理后,制造成粒径为 6 毫米的颗粒,可以代替部分煤粉用于高炉炼铁。喷吹进高炉的废塑料颗粒在炉 内高温和还原气氛下,被气化成 H2 和 CO,随热风上升的过程中,它们作为还 原剂将铁矿石还原成铁。其反应式见(1.1)和(1.2): 风口区:CnHm+1/2O2=nCO+1/2mH2+Q1 (1.1) (1.2) 气体上升过程:Fe2O3+nCO+mH2=2Fe+nCO2+mH2O+Q2 上面 2 个反应式中 Q1、Q2 是反应生成热[5] 废塑料在气化中产生的 H2/CO 比值要大于等量的煤粉,H2 的扩散能力与还 原能力均大于 CO, 因此用废塑料代替煤粉有利用于降低高炉焦比;同时由于塑料 的灰分和硫含量很低, 可以减少高炉的石灰用量,进而也减少高炉产渣量和炼铁 成本;塑料的平均热值约为 40.00GJ/kg,大于煤粉的热值(25.00~31.00GJ/kg),也 有利于提高高炉的生产效率。 有关研究表明,废塑料在风口前端区的反应率比煤 粉要好得多,这是因为煤粉的粒度仅为 74um~100um,吹入风口后在高炉鼓风的 作用下很快被燃烧、吹散,在风口前停留时间短,故还原气的反应率仅为 40%~60%;而用废塑料制成的小颗粒在风口前端区的停留时间长,致使还原气的 反应率可达 80%~100%。 由于废塑料在高炉中的能量利用率分为还原剂和燃料两 部分, 而前者的利用率远高于后者的利用率,反应率高正是保证还原利用率和总 利用率的必备条件。此外,国外一些专家还认为,经过处理好的废塑料被喷入高 炉后可以节约 40%的焦炭,剩余 60%的焦炭完全可以满足高炉炉料的透气性和 承载载荷的需要。 4、喷吹塑料的发展 国外对高炉喷吹废塑料的研究其起步比较早 [6] ,德国和日本已经实现工业 化。德国的不莱梅钢铁公司是第一家把高炉喷吹废塑料的设想付诸实施的厂家。 该公司于 1994 年 2 月份进行了小规模的喷吹试验, 1995 年 6 月在 2 号高炉(内 于 容积 2688m3)上建造了一套喷吹能力为 7*104t/a 的喷吹设备,要求塑料的氯含量 <2%, 金属含量<1%等。 高炉喷吹结果表明:所喷入的废塑料对高炉冶炼过程的影 响介于煤与重油之间,但是喷吹废塑料比较便宜。除此之外,德国的克虏伯一赫 施钢铁公司、 蒂森钢铁公司以及克虏伯一曼内斯曼冶金公司的胡金根厂也在高炉 上正式喷吹或进行半工业试验。日本 NKK 公司在京滨厂 1 号高炉(4907m3)上开 发利用废塑料代替部分焦炭用于炼铁技术获得成功,喷吹废塑料从 1997 年的 3*104t 扩大到 1999 年的 4*104t, 喷吹结果表明:废塑料的热利用效率达 80%以上; 废塑料与焦炭的配置比为 1:1;喷吹量为 200kg/t 时,CO2 的发生量减少 12%;无有 害气体产生,而且副产品--煤气还可以用于发电[7]。 与国外相比, 我国在高炉喷吹废塑料这方面实际上还处于理论研究及可行性 论证阶段。其主要的制约因素为: (1) 废塑料的收集和供应量不足, 无分类措施, 无法保证高炉喷吹的要求; (2) 我国废塑料中聚氯乙烯(PVC)含量较高,分解后产生的氯元素严重地 腐蚀炉衬; (3) 开发投资大, 德、 日两国企业开发这一技术的费用折合人民币超过一 亿元。 5、高炉喷吹废塑料技术的环境效益分析: 实验[8]总结出如下结论: (1) 高炉废塑料喷吹比为 80kg/t 时,能为钢铁联合企业节能 9.9%,使钢铁联合企业为社会减少 CO2 排放 7.7% (2) 高炉废塑料喷吹比为 80kg/t 时,钢铁联合企业产品的节能率 为 6.1%~10.8%,钢铁联合企业产品为社会 CO2 的减排率为 4.9%~8.7%。 (3) 实施高炉喷吹废塑料技术后钢铁联合企业及其产品的消耗、 CO2 排放等指标的预测结果的不确定性较大, 决策者应该充分重视不确定 性分析的结果。 (4) 在 95%的置信度下, 高炉喷吹废塑料技术能为钢铁联合企业 节能 2.1%,使钢铁联合企业为社会减少 CO2 排放 2.1%。 6、废塑料和煤粉在高炉风温条件下燃烧特性的比较: 测定 1250℃下塑料和煤粉燃烧的尾气成分对燃烧率和燃烧所需时间及不同 富氧率对燃 烧率的影响进行分析[9],主要结论如下: 1)废塑料气化燃烧快速反应时间明显早于煤粉。 在初期的剧烈反应使通入燃 烧区的空气氧气不能维持充分燃烧.而生成的 CO、CO2 峰值和反应完成时间也 明显早于煤粉。 (2)煤粉在 1250℃下经尾气分析得知整个燃烧过程中都是完全燃烧.几乎没 有 CO 生成,煤粉裂解产物少。不断通人燃烧区的空气能提供足够充分燃烧的氧 气,所以燃烧生成 CO2,很少有 CO 生成,但其燃烧时间长。 (3)废塑料内含的 C、 可燃基高于煤粉. H 四种废塑料的燃烧率平均高于煤粉 20~25 个百分点。 在同样条件下其燃烧时问快于煤粉 10~15s. 时间提高率达 20% ~30%。 (4)在富氧条件下废塑料的燃烧率的提高与煤粉相比并不明显,这是由于废 塑料在高温快速裂解气化,与氧是气相反应,其燃烧机理与煤粉不同。换言之, 废塑料在不需富氧条件下仍可获取较高的燃烧率。 (5)无论在空气还是富氧条件下,废塑料颗粒越大,燃烧时间越长,燃烧速 度越慢. 8、高炉喷吹废塑料的堵枪研究 塑料的软融温度较低,一般在 80~140℃开始软化,180~250℃软融速度达到 最大值[10],因此高炉喷吹塑料时,喷枪中的废塑料有可能在喷枪管壁粘结,结 焦甚至堵枪。 在进行的 200 多次喷吹试验中[11]绝大多数情况不堵枪,但少数情况有堵枪现 象。喷吹废塑料发生堵枪的因素很复杂。除与塑料种类及粒度、喷枪内径、固气 比和温度有关外,还与塑料颗粒的表面性质,喷枪结构,喷枪的内表面性质等诸因 素有关。 合理的粒度组成和相适应的喷枪直径,合理的喷枪结构和材质以及合理 的喷吹工艺参数等是防止堵枪主要措施。 9、结语 高炉喷吹废塑料作为高炉喷吹燃料技术的一个新方向, 尽管目前还处于一 个不断和发展的阶段, 但已显示出其广阔的发展前景, 高炉喷吹废塑料不仅可以 减轻废弃塑料的环境污染, 也为废塑料的回收利用开辟了一条崭新的途径, 该技 术比目前其它几种回收利用废塑料能源技术( 发电、焚烧生热) 的能源利用率更 高。此外, 用于废塑料的价格十分便宜, 用它代替重油或煤喷入高炉可以进一步 降低高炉炼铁的成本。 【参考文献】 [1]Moser ML,lee DO.A fourteen 一 year survey of plastics ingestion by western North Atlanic seabirds.Colonial Watethirds,1992,15(1):83-94. [2]川德国不莱梅钢铁公司高炉喷吹废塑料技术已达成熟阶段,世界金属导报 1997,1:13. [3]颜 新,废塑料作为高炉辅助喷吹燃料的综合利用,钢铁技术 2006,05,9-10 [4]孙刘恒,高炉喷吹废塑料与喷吹煤粉比较分析,设计技术,2010,01 [5]徐国群,废塑料在炼铁工艺中的应用,环境工程,2003,02,78-81 [6]郭兴忠.废塑料综合利用新方法[J],重庆环境科学,2000,22(4):16. [7]薛朝云.国外高炉喷吹废塑料简况.炼铁,1997,16(2):58 [8]黄志甲; 孙浩; 丁晓; 刘颖昊; 刘涛,高炉喷吹废塑料技术的环境效益分析, 第七届(2009)中国钢铁年会, 2009-11-11 [9]郁庆瑶; 林成城; 张龙来; 顾德仁; 龙世刚; 刘煜,世界钢铁,2011,03:30-32 [10] 龙 世 刚 , 孟 庆 民 , 汪 志 全 , 马 春 霞 , 冯 新 华 . 废 塑 料 塑 化 造 粒 和 环 境 保 护 , 安 徽 工 业 大 学 学 报 2003,20(4 ):278-282. [11]龙世刚高炉喷吹废塑料的堵枪研究,2008 年全国炼铁生产技术会议暨炼铁年会,2008-04
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