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高爐噴吹塑料技術(shù)
????????核心提示：焦炭和100kg煤粉￡a每天漏16000t礦石生產(chǎn)出blish32!風(fēng)口噴吹塑料存在的問(wèn)題1前言廢棄塑料的處理已成為世界性難題，從節(jié)省能源，減少污染的角度考慮，各國(guó)都在研究回收利用的方法。
????????焦炭和100kg煤粉￡a每天漏16000t礦石生產(chǎn)出blish32!風(fēng)口噴吹塑料存在的問(wèn)題1前言廢棄塑料的處理已成為世界性難題，從節(jié)省能源，減少污染的角度考慮，各國(guó)都在研究回收利用的方法。特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，為此投入了相當(dāng)資金研究開發(fā)廢棄塑料的回收利用技術(shù)。在這方面，曰本鋼管京浜制鐵所經(jīng)過(guò)大量的基礎(chǔ)研究，開發(fā)出了向高爐噴吹粒狀塑料的技術(shù)。自1996年開始噴吹，到1999年噴吹量已達(dá)4.5萬(wàn)t.焦炭使用量每年減少5萬(wàn)t，碳酸氣體的排放量每年減少20. 2萬(wàn)t，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。由于該技術(shù)在節(jié)能和環(huán)保方面的雙重效果而受到2000年度日本全國(guó)節(jié)能促進(jìn)會(huì)的獎(jiǎng)勵(lì)。
????????在高爐操作過(guò)程中，從礦石變成鐵水要消耗大量的焦炭。也就是說(shuō)，焦炭從高爐上部裝入，同時(shí)從高爐下部風(fēng)口噴入原生煤炭粉末，即噴煤。人們?cè)谄疵岣邍娒罕鹊耐瑫r(shí)，各種廢棄塑料在不斷增加著，而且回收利用率很低。塑料具有41868kJ/kg的發(fā)熱值，與煤炭相比，氫的含有率較高。因此向高爐噴吹塑料，不僅可以削減煤炭的使用量，而且還可以減少CO2的排放量。將廢棄的塑料用于煉鐵，既節(jié)省資源又保護(hù)了環(huán)境，實(shí)為一舉雙得的好方法。目前這一方法在國(guó)外已經(jīng)投入實(shí)用，但在國(guó)內(nèi)還僅限于探討和研究階段。
????????2對(duì)現(xiàn)狀的分析2.1高爐操作現(xiàn)狀礦石和焦炭從高爐上部交替裝上爐內(nèi)的同時(shí)，從下面風(fēng)口鼓入1000°C以上的熱風(fēng)，鐵水和爐渣同時(shí)流出。在高爐下部風(fēng)口端頭的回旋區(qū)，焦炭經(jīng)燃燒生成高溫煤氣供給礦石還原和熔解。這時(shí)大部分焦炭變成⑴氣體與鐵礦石進(jìn)行還原反應(yīng)。
????????為了降低焦炭的使用量，噴煤技術(shù)已得到普及。
????????以京浜制鐵所1號(hào)高爐為例，每噸生鐵使用450kg 10000t生鐵。福山制鐵所每噸鐵的噴煤量超過(guò)20Ckg.沒(méi)有參與還原反應(yīng)的煤氣從爐頂排出，用于爐頂余壓發(fā)電或供給廠內(nèi)加熱爐和發(fā)電機(jī)組作為燃料使用，使煤氣得到完全有效的利用。
????????2.2廢棄塑料的回收利用情況塑料從各種大小包裝袋、餐具到汽車減震器等大型成型品已滲透到人類生活的各個(gè)方面，污染日趨嚴(yán)重。由于使用范圍和使用量不斷擴(kuò)大，廢棄量也在逐年增加。其處理方法除少量回收外，一是填埋，二是焚燒。填埋不僅占用土地，而且難于降解解焚燒又造成環(huán)境污染。各國(guó)政府都在提倡資源再生或回收利用并制出一系列政策法規(guī)控制對(duì)國(guó)土資源和環(huán)境的破壞。日本是一個(gè)能源小國(guó)，十分重視對(duì)廢棄物的回收利用，許多節(jié)能技術(shù)走在世界前列，但對(duì)塑料的回收利用率也只有42%(1997年)，這大概是因?yàn)樗芰闲螒B(tài)復(fù)雜，有些塑料制品是與其他材料的混合物，難于分離的緣故。
????????3高爐使用塑料存在的問(wèn)題3.1廢棄塑料的利用方法把塑料作為熱源裝入爐內(nèi)有兩種方法：(1)自高爐上部裝入;(2)自高爐下部風(fēng)口吹入。關(guān)于高爐爐內(nèi)溫度分布，下部大約2000在爐的上部，由于下部產(chǎn)生的高溫煤氣與原、燃料(鐵礦石、焦炭)進(jìn)行熱交換而降低到約150°C.如果塑料從高爐上部隨礦石、焦炭一起裝入爐內(nèi)，就會(huì)隨著原料的下降而升溫。塑料屬于石油化工產(chǎn)品，當(dāng)溫度達(dá)到100~200C時(shí)就會(huì)熔化，當(dāng)達(dá)到300C以上時(shí)就會(huì)分解成低分子量化合物。在分解生成物中，因含有石蠟和焦油成分，因此從上部裝入會(huì)影響爐料的透氣性，而且還會(huì)粘附在煤氣凈化設(shè)備上造成故障，可見(jiàn)從上部裝入不是理想的方法。鑒于上述情況著重研究了自風(fēng)口噴吹的方法……0―.及0mmn以下的的塑料顆粒在回旋區(qū)內(nèi)的氣1油化從風(fēng)口噴吹固體燃料如所示，在高爐下部燃燒、氣化區(qū)(回旋區(qū))變換成還原氣體。從熱風(fēng)爐向風(fēng)口鼓入的熱風(fēng)溫度約1000°q速度約200m/S，由于風(fēng)的沖擊力，在風(fēng)口處形成一個(gè)約1. 5m長(zhǎng)的遇到熱風(fēng)中的2便急劇燃燒并瞬間生成CO2和H2O，與此同時(shí)，燃燒溫度達(dá)到2000°C以上。回旋區(qū)的后半部分(遠(yuǎn)離風(fēng)口部分)，2消失，生成的C2和HO與焦炭反應(yīng)變換成還原氣體CO和H2.最終形成所示的氣體組成和溫度分布。固體燃料在回旋區(qū)內(nèi)的滯留時(shí)間極其短暫，約10提高固體燃料在高爐內(nèi)的利用率，必須開發(fā)使固體燃料以最短的時(shí)間燃燒/氣化技術(shù)。在噴吹煤粉的情況下，粒徑不得超過(guò)100%!。
????????回旋區(qū)內(nèi)氣體組成和溫度分布噴吹廢舊塑料的粒度要求與煤粉一樣。但對(duì)塑料進(jìn)行粉碎加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱，加工所產(chǎn)生的熱會(huì)導(dǎo)致塑料軟熔，為防止軟熔必須采取冷卻技術(shù)這就需要大量的能源。另外，廢棄塑料形態(tài)各異，也會(huì)使粉碎加工系統(tǒng)復(fù)雜化。為此，對(duì)以下2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究。
????????塑料在高爐內(nèi)達(dá)到最高利用率的最佳粒徑。
????????實(shí)際噴吹時(shí)對(duì)高爐操作的影響。
????????4解決方法4.1塑料粒徑與燃燒/氣化特性在一般焚燒爐中，固體粒子的燃燒/氣化特性受粒徑大小的影響，粒徑越大，燃燒/氣化率越低。粒徑的大小是由加工機(jī)械決定的，因此，對(duì)加工機(jī)械的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。從模擬。為了進(jìn)行比較，同時(shí)表示出了噴焦和噴煤的情況。在噴煤的情況下，煤粉一進(jìn)入回旋區(qū)，氧氣迅速被消耗，風(fēng)口端頭部氧氣完全耗光。在噴焦情況下，氧氣消耗呈遞減趨勢(shì)并出現(xiàn)CO2高峰期，由此可見(jiàn)，回旋區(qū)內(nèi)存在著燃燒帶。
????????從可以看出，噴吹塑料與噴焦情況類似。
????????經(jīng)對(duì)粒徑為0.2~1.0mm與粒徑<10mm的塑料相比，CO2的峰值位置雖靠近風(fēng)口，但不像煤粉那樣貼近。噴吹焦粉時(shí)，最高溫度距風(fēng)口約250mm;噴煤的情況有所不同，最高溫度區(qū)與風(fēng)口較近。噴吹粒徑<10mm的塑料，其溫度分布與噴焦情況類似。與噴煤相比，由于高溫區(qū)離風(fēng)口稍遠(yuǎn)，所以可以減輕對(duì)爐壁的熱負(fù)荷，同時(shí)也可減輕爐壁引起的熱損失。
????????關(guān)于塑料燃燒氣化率與粒徑的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明，粒徑越大，氣化率越高。而且比煤粉燃燒氣化率高，煤粉的燃燒氣化率僅為56%~60%，而塑料的燃燒氣化率高達(dá)90%以上。粗粒塑料之所以燃燒氣化率高，分析原因是吹入風(fēng)口后由于顆粒較大并不立即著火燃燒，而是在回旋區(qū)內(nèi)作短暫循環(huán)滯留，當(dāng)粒徑達(dá)到飛散的程度(極限粒徑)時(shí)再燃燒氣速度相對(duì)應(yīng)?；匦齾^(qū)內(nèi)的燃燒氣化率可用下式表示。
????????由此可以看出，初始粒徑r大的粗粒塑料才能確保高燃燒/氣化率。采用上式進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所使用的模型是適當(dāng)?shù)摹Ｃ悍廴紵?氣化率低的原因是未在回旋區(qū)內(nèi)作循環(huán)滯留。即使噴入粗粒煤粉也不能收到循環(huán)滯留的效果，因?yàn)槊毫Ｊ艿郊眲〖訜岷髸?huì)分裂，無(wú)法控制其完整性。塑料組織致密，傳熱慢，受到急劇加熱時(shí)不易分裂。也就是說(shuō)，只要粒度得當(dāng)，就可以把廢棄塑料作為還原劑和熱源使用。
????????4.2在高爐噴吹塑料的實(shí)驗(yàn)經(jīng)反復(fù)分析研究和模擬試驗(yàn)后，在京浜制鐵所高爐進(jìn)行了實(shí)爐實(shí)驗(yàn)。塑料粒度分為2種，一種是粒徑為0.2~1.0mm，另一種粒徑<10mm，主要測(cè)定項(xiàng)目如下。
????????高爐內(nèi)煤氣分析：在高爐半徑方向上的3個(gè)取樣點(diǎn)放置探測(cè)器對(duì)噴吹塑料的高爐煤氣進(jìn)行采樣。
????????對(duì)高爐粉塵中的焦油進(jìn)行分析。
????????經(jīng)對(duì)高爐半徑方向上中心、中間、周邊部煤氣中H2含量的分析得知，噴吹塑料時(shí)，無(wú)論粒度如何，與不噴塑料相比，H2含量都有所增加。特別是噴吹0. ~1.0mm的塑料，與爐中心部相比，中間和周邊的H2含量要高。而噴吹粒徑< 10mm的塑粒時(shí)，中間和中心部的H2含量要高。這就是說(shuō)，噴吹< 10mm的粗粒塑料時(shí)，在回旋區(qū)內(nèi)深處循環(huán)滯留，生成的還原煤氣有效地滲透到高爐內(nèi)部。
????????關(guān)于高爐內(nèi)的焦油問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與不噴塑料時(shí)高爐粉塵中的焦油含量相同，這就消除了原來(lái)的擔(dān)心。由此可見(jiàn)，噴吹塑料是不存在問(wèn)題的，高爐煤氣中H2含量增加，預(yù)示著高爐碳酸氣體的排放量將會(huì)減少。
????????4.3模擬計(jì)算效果經(jīng)噴煤與噴吹塑料二者相比，噴吹塑料時(shí)焦炭的消耗量比噴煤少，這是因?yàn)樗芰习l(fā)熱量比煤粉高的緣故?？梢杂?jì)算出，噴吹塑料量若為10kg/t鐵7水焦炭的使用量可削減12.1kg/t鐵水。
????????率也收到了理想的效果。塑料在高爐內(nèi)轉(zhuǎn)變成還原煤氣，用于鐵礦石的還原。焦炭的使用量是由高爐的熱平衡和物質(zhì)平衡決定的。研究結(jié)果表明，當(dāng)塑料噴吹量為50kg/t鐵水時(shí)，還原煤氣的利用率為51%說(shuō)明塑料作為還原劑得到了有效利用。未被利用排到爐外的煤氣又用于熱風(fēng)爐和發(fā)電。噴吹塑料時(shí)，作為高爐整體系統(tǒng)熱回收利用率可達(dá)80%這比用于都市垃圾發(fā)電熱回收效率高得多。
????????5噴吹塑料所獲得的經(jīng)濟(jì)效益5.1噴吹塑料及爐況噴入高爐的塑料必須具有一定的粒度，1996年10月日本京浜1號(hào)高爐使用的塑料是除聚乙烯之外的工業(yè)廢棄塑料，分膜狀和塊狀2種，并分別在2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行處理。膜狀塑料在造粒機(jī)造粒，塊狀塑料在粉碎機(jī)粉碎，都必須加工成所設(shè)定的粒度。年處理能力4萬(wàn)多t.結(jié)果表明，設(shè)置噴塑系統(tǒng)后，焦比下降，爐況穩(wěn)定。
????????5.2節(jié)能效果表1噴吹塑料節(jié)省能源。資源的比較名稱單位(未噴塑)(噴塑)增減量焦?fàn)t裝煤量kg/t鐵水噴塑：一24.7增加噴煤干餾熱量MJ/t鐵水高焦炭kg/t鐵水增加噴煤量：一13.8爐煤粉kg/t鐵水塑料kg/t鐵水塑料發(fā)熱量：35588kJ/kg;粉煤發(fā)熱量：30982k|/kg向高爐噴吹廢棄塑料的節(jié)能效果主要表現(xiàn)在降低焦比方面。表1表示包括焦?fàn)t在內(nèi)的節(jié)省能源、節(jié)省資源的效果。噴煤和噴吹塑料降低了焦比，同時(shí)也降低了煉焦時(shí)的耗煤量。從各自的噴吹量和發(fā)熱量可以計(jì)算出噴吹塑料的效果。1999年噴吹塑料4.5萬(wàn)t，相當(dāng)于每噸鐵水13. 3kg.依此計(jì)算，焦炭削減量為14.3kg，―年的削減量約為5.0萬(wàn)t.按焦炭平均發(fā)熱量29726kJ/kg計(jì)算年節(jié)能量為1.475X106GJ.從表1可以看出，由于噴吹塑料焦比降低，焦?fàn)t煉焦少用煤24.7kg/t鐵水，一年可減少煤炭使用量8.5萬(wàn)t(出鐵量9500t/d)另外，由于煉焦少用煤1噴吹塑料爐掾作過(guò)程中惠源的回收干餾時(shí)熱量消耗量可減少339MJ/：t//鐵水，。孟，1節(jié)能年節(jié)能46473GJ.焦?fàn)t、高爐合計(jì)年節(jié)能為1.521X106GJ，相當(dāng)于京浜制鐵所全年能耗量的1.47 5.3減少了碳酸氣體的排放量綜上如述，由于噴吹塑料減少了焦炭的使用量，因而減少了碳酸氣體的排放量。按上述焦炭年節(jié)減量5萬(wàn)t計(jì)算，一年可減少排放碳酸氣體15. 8萬(wàn)t(按0.8686kg―akg―焦換算)。另夕卜，由于塑料氫含量比煤粉高，所以噴吹塑料還會(huì)進(jìn)一步減少碳酸氣體的排放量。增加噴煤量和噴吹塑料帶來(lái)的C量減少，可以從各自的含C率算出。由于噴吹塑料C的減少量為3.5kg/t鐵水，一年可減少碳酸氣體排放量4.4萬(wàn)t(換算成C為1.2萬(wàn)t)兩項(xiàng)合計(jì)一年可減少碳酸氣體排放量20.2萬(wàn)t. 6結(jié)束語(yǔ)曰本開發(fā)并投入實(shí)用的噴塑技術(shù)不但取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且為廢棄塑料的處理開辟了一條新途徑。目前已在京浜、福山、加古川等多家鋼鐵企業(yè)投入實(shí)用并在不斷地推廣。從資源回收和保護(hù)環(huán)境的角度看，噴吹廢棄塑料無(wú)疑是個(gè)好方法。曰本鋼鐵協(xié)會(huì)針對(duì)地球變暖問(wèn)題，計(jì)劃在2010年高爐噴吹塑料達(dá)100萬(wàn)t，能源消耗量和碳酸氣體排放量與1990年相比降低1.5%以上介紹了日本京浜制鐵所1號(hào)高爐采用噴塑技術(shù)在節(jié)能和環(huán)保方面取得的優(yōu)異成績(jī)，如果本文對(duì)我國(guó)煉鐵行業(yè)有所借鑒則不勝欣慰。
