JFE 塑料廢棄物循環(huán)利用

煉鐵過程中要利用鐵礦石、煤炭、水、電力和燃料等資源。日本JFE 鋼鐵公司一直在實施各種技術(shù)措施，降低煉鐵過程產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷。經(jīng)過長期的積累，JFE 已具備了鋼鐵技術(shù)與工程技術(shù)的綜合實力，并在此基礎(chǔ)上努力構(gòu)建以節(jié)省資源、節(jié)能、環(huán)保為宗旨的環(huán)境友好型煉鐵工藝流程。

此外，為減少對產(chǎn)業(yè)和社會的環(huán)境負(fù)荷積極地向社會提供環(huán)境友好型鋼鐵產(chǎn)品。 1991 年制定的《資源有效利用促進(jìn)法》，明確提出將廢棄物作為資源進(jìn)行循環(huán)利用的思路。

2000 年6 月制定了《推進(jìn)循環(huán)型社會基本法》，促進(jìn)將廢棄物作為“循環(huán)資源”進(jìn)行循環(huán)利用，提出了廢棄物減量化、再利用、再循環(huán)(3R)的原則。JFE 集團以循環(huán)事業(yè)為契機，于2000 年4 月全面實施了1995 年制定的《容器包裝循環(huán)法》。

位于京濱地區(qū)的 JFE 東日本制鐵所，從1996 年10 月開始，將聚氯乙烯以外的廢塑料替代焦炭作為高爐還原劑。2000 年制定了《容器包裝循環(huán)法》，將廢塑料包裝容器等廢棄物也作為煉鐵原料實現(xiàn)了再資源化。

塑料廢棄物的再資源化

1 作為高爐鐵礦石的還原劑

高爐煉鐵通常使用焦炭作為還原劑，也可使用廢塑料替代焦炭作為還原劑。廢塑料經(jīng)過破碎、造粒之后，從高爐下部風(fēng)口部位噴吹進(jìn)高爐后，生成還原性煤氣CO 和H2，將鐵礦石還原成鐵。進(jìn)行還原反應(yīng)使用的煤氣(約800kcal/Nm3)在高爐上部回收，用于煉鐵廠內(nèi)的加熱爐和發(fā)電設(shè)備等。這樣，在高爐內(nèi)噴吹的廢塑料，可全部在煉鐵工藝流程中得到有效利用。另外，利用廢塑料產(chǎn)生的H2 進(jìn)行還原，與使用焦炭相比，可大幅減少CO2 的排放量。瓶子等固定形狀的廢塑料，由破碎機按照所需粒徑進(jìn)行破碎后可直接噴吹。由于廢塑料膜粉碎后不能直接噴吹，必須進(jìn)行造粒。聚氯乙烯等含有氯成分，它在高爐內(nèi)熱分解產(chǎn)生腐蝕高爐設(shè)備的HCl，因此必須去除聚氯乙烯塑料。

由于在 2400℃的高溫風(fēng)口周邊吹入廢塑料，所以不會產(chǎn)生二英類物質(zhì)。由于高爐爐頂部分的低溫區(qū)域造成強還原環(huán)境，在此不會發(fā)生二英生成及再合成反應(yīng)。無償使用廢塑料作為鐵礦石的還原劑，不僅可以減少煉鐵流程中煤炭利用量，還可以抑制CO2 的排放量。可以說，高爐對廢塑料的利用有效利用了化石資源，大大減少了環(huán)境負(fù)荷，是優(yōu)異的循環(huán)系統(tǒng)和形成循環(huán)型社會的適宜工藝。

2 容器包裝廢塑料的處理

根據(jù) 2004 年4 月的《容器包裝循環(huán)法》，開始了塑料容器包裝的再商品化。為實現(xiàn)塑料容器包裝再資源化，用于高爐原料化處理過程如圖1 所示。高爐原料化設(shè)備的功能是:將自治體(日本專門從事循環(huán)經(jīng)濟的單位)收集、并經(jīng)壓縮打捆的標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)行拆捆，用搖動式分選機分出固定形體、瓶子、薄膜，清除混入的異物；再通過人工對固定形體、瓶子的選取，將不適宜再資源化的東西清除后，用破碎機按照所需粒徑進(jìn)行破碎，成為高爐用還原劑。另外，薄膜類經(jīng)破碎機所定粒徑破碎后，由于薄膜密度差異，使用離心式密度分離裝置將聚氯乙烯分離出去后，通過造粒機將薄膜按所定粒徑造粒后作為高爐還原劑。為落實 2004 年4 月開始實施的包裝容器再商品化，東日本制鐵所京濱地區(qū)(川崎市)以及西日本制鐵所福山地區(qū)(廣島)的兩家鋼鐵廠，建設(shè)了高爐原料化設(shè)備。

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3 聚氯乙烯的加熱脫氯處理

聚氯乙烯與氧氣在隔絕的狀態(tài)中，加熱到300～400℃，發(fā)生熱分解，生成HCl。利用這一性質(zhì)，在圖2 所示的外熱式回轉(zhuǎn)爐內(nèi)，將聚氯乙烯與媒介物進(jìn)行攪拌進(jìn)行熱分解，待熱分解產(chǎn)物冷卻后進(jìn)行破碎，作為煉鐵原料。媒介體是鋼鐵廠使用的粉狀焦炭，防止分解物結(jié)塊以及防止附著在回轉(zhuǎn)爐內(nèi)壁。由于回轉(zhuǎn)爐內(nèi)的還原環(huán)境，不會產(chǎn)生二英類物質(zhì)。熱分解煤氣從回轉(zhuǎn)爐排出后，隨著高溫燃燒，分解同時產(chǎn)生的碳?xì)浠铮固細(xì)浠锊幌颦h(huán)境排放。熱分解產(chǎn)生的HCl 在吸收塔被水吸收后，經(jīng)過精餾，回收工業(yè)用鹽酸。回收的鹽酸在制鐵所內(nèi)有效的進(jìn)行用于鋼材生產(chǎn)的酸洗作業(yè)。塑料處理促進(jìn)會和聚氯乙烯工業(yè)環(huán)境協(xié)會共同成功的進(jìn)行了此項試驗，2004 年4 月正式開始實施，JFE 環(huán)境(株)于2005 年接手此事業(yè)。

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4 廢塑料的熱處理微粉化

廢塑料經(jīng)破碎機微粉化之后，產(chǎn)生熱摩擦造成熔融軟化。因此，當(dāng)粉碎 1mm 以下時，需要冷凍破碎等特殊技術(shù)，作為廢塑料再資源化技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了實用化。同時在聚氯乙烯、混合塑料熱處理脫氯技術(shù)開發(fā)也獲得了非常重要的成果。

廢塑料經(jīng)過加熱處理、脆化后，即使不經(jīng)過冷凍處理，在常溫下也可以實現(xiàn)微粉化。應(yīng)用這一原理，建設(shè)了廢塑料熱處理微粉化工藝設(shè)備(APR:Advanced Plastic Recycling)，于2007 年4 月開始運行，其工藝流程見圖3。

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APR 設(shè)備由對容器包裝廢塑料的熔融、脫氯和微粉碎系統(tǒng)構(gòu)成。首先將混合的廢塑料進(jìn)行加熱熔融、脫氯、混合后，冷卻固化。在這個熱處理過程中脆化的廢塑料在常溫下粉碎，制成粒徑為200～400μm 的微粉塑料。這種微粉塑料與使用的廢塑料顆粒相比，提高了高爐內(nèi)的反應(yīng)效果，從而進(jìn)一步提高高爐對廢塑料的利用效率。

另外，由于 APR 設(shè)備具有脫氯功能，廢塑料容器包裝材料的循環(huán)過程可以包括含氯元素的廢塑料，也可有效利用這些殘渣。

5 依靠煤氣改質(zhì)爐生產(chǎn)燃料煤氣

JFE 的可燃性廢棄物煤氣化的熔融技術(shù)有兩種，高溫煤氣直接熔融爐和利用熱選擇方式的煤氣改質(zhì)爐。日本循環(huán)(株)于1999 年9 月在東日本制鐵所千葉地區(qū)的熱選擇方式煤氣改質(zhì)爐開始運轉(zhuǎn)，處理的對象是可燃性廢棄物和塑料容器包裝材料，生產(chǎn)的燃料煤氣供給煉鐵廠，其工藝流程見圖4。

熱選擇方式的特征是，在約1200℃的高溫中將可燃性廢棄物燃?xì)饣⒔?jīng)過燃?xì)飧馁|(zhì)、精制過程，最大限度地限制二英類物質(zhì)的產(chǎn)生。另外，產(chǎn)生的無機物渣體、金屬、金屬氫氧化物、硫磺等可以再資源化。

西日本制鐵所倉敷地區(qū)的水島埃克瓦庫斯(株)參與了以一般廢棄物和產(chǎn)業(yè)廢棄物為對象的 PFI(民間資金活用事業(yè))的燃?xì)饣聵I(yè)，給煉鐵廠供應(yīng)燃料煤氣。

利用廢塑料制造混凝土用模板

塑料容器包裝的廢塑料中含有適宜作為循環(huán)材料用的優(yōu)質(zhì)塑料。選出這些優(yōu)質(zhì)塑料，清除雜質(zhì)后，生產(chǎn)的再生樹脂，可用于制造“混凝土定型用模板(NF 板)”。2002 年9 月，開始了這項工作，從2005 年開始，與高爐燃料化事業(yè)一樣，JFE 環(huán)境(株)開始了這項工作。另外，從 2004 年9 月開始，如圖5 所示，采取會員制銷售，有價購買廢模板，構(gòu)建了混凝土模板的循環(huán)系統(tǒng)。這個循環(huán)系統(tǒng)從用廢塑料生產(chǎn)混凝土定型用模板，到建設(shè)現(xiàn)場的數(shù)次使用，廢模板回收，最后成為煉鐵原料等。而且，再資源化產(chǎn)生的殘渣，還可利用上述的APR 設(shè)備進(jìn)行處理。

廢塑料再資源化的環(huán)境影響

1 對廢棄物利用時CO2 排放量的處理

日本鋼鐵聯(lián)盟(社)的地球變暖對策行動計劃制定了鋼鐵業(yè)的能源減少目標(biāo)，即同1990 年相比， 2010 年能源消費量減少10%(以粗鋼產(chǎn)量1t 為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算)，同時作為附加措施，高爐要利用廢塑料 100 萬t。塑料廢棄物等在煉鐵工藝流程中替代原燃料加以利用，如前所述，可以減少礦石資源的利用，并避免了單純的燃燒掩埋，達(dá)到抑制了CO2 的產(chǎn)生及延長廢棄物處理場壽命的目的。

根據(jù)防止地球變暖對策的相關(guān)法律，2007 年開始實施對造成溫室效應(yīng)的燃?xì)馀欧旁谝欢恳陨系钠髽I(yè)進(jìn)行燃?xì)鉁y算和報告的公示制度。這個制度把廢棄物的高爐原料化與用于產(chǎn)品的生產(chǎn)用途進(jìn)行區(qū)分，對使用能源產(chǎn)生的C02(能源起因)同其他用途產(chǎn)生的C02(非能源起因)加以區(qū)分，制成發(fā)生量報告。這個措施促使了經(jīng)營者積極利用廢棄物替代化石能源。

2 對再資源化產(chǎn)生環(huán)境負(fù)荷的評價

日本容器標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)協(xié)會是第一家開始研究生命周期影響評估的，組建了關(guān)于塑料容器再商品化手段對環(huán)境負(fù)荷評估等研究委員會。2007 年6 月開始，該協(xié)會與環(huán)境省、經(jīng)產(chǎn)省共同編制報告，即“塑料容器包裝再商品化手段專門委員會”報告。

JFE 給予這個委員會全面協(xié)助，為塑料廢棄物高爐原料化及環(huán)境負(fù)荷評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。表 1 列出了各種再商品化手段，這個報告記錄了CO2 的減少效果和殘渣產(chǎn)生量。高爐原料化手段的殘渣產(chǎn)生量，使用1t 容器包裝廢塑料產(chǎn)生174kg 殘渣，與其他化合物的循環(huán)方法相比并不多；同使用焦炭相比，每噸廢塑料能減少3.3t C02，體現(xiàn)出高爐利用廢塑料的顯著效果。

2008 年，容器包裝廢塑料的使用量為67 萬t，其中用于材料循環(huán)的40 萬t，用于化合物循環(huán) 27 萬t。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以計算出CO2 的減少效果和殘渣的產(chǎn)生量。使用材料循環(huán)方法減少 CO255 萬t，殘渣產(chǎn)生量17 萬t；而進(jìn)行化合物循環(huán)，可減少CO282 萬t，殘渣產(chǎn)生量1 萬t。因此進(jìn)行化合物循環(huán)，CO2 減少效果極好，且殘渣產(chǎn)生量很少。圖 6 是過去三年再商品化帶來環(huán)境負(fù)荷的變化，將2006 年設(shè)為100，三年間廢棄物量增加了 13%，而CO2 減少量僅增加2%；2008 年較2007 年有所惡化，表現(xiàn)在殘渣產(chǎn)生量急劇增長了30%，說明在循環(huán)利用推進(jìn)的同時也增加了環(huán)境負(fù)荷。

利用廢塑料容器包裝的環(huán)境影響

自治體收集的用于再資源化的容器包裝廢塑料，通過再商品化機構(gòu)日本容器包裝循環(huán)協(xié)會，將這些廢棄物優(yōu)先用于材料循環(huán)。

2006 年以來，材料循環(huán)占有率升高，原因是在2008 年，實行了為滿足一定的再商品化品質(zhì)率(氯元素含量在0.3%以下，占主要成分的90%以上)的優(yōu)先中標(biāo)權(quán)資格制度。這個制度的實施使優(yōu)先材料循環(huán)占有率達(dá)到40%，非優(yōu)先材料循環(huán)與化合物循環(huán)之間進(jìn)行競爭，結(jié)果材料循環(huán)合計為59%，比2007 年增加了9%。

在各地區(qū)的中標(biāo)情況中，最多的是關(guān)東地區(qū)，中標(biāo)量(自治體收集量)合計為24 萬t，材料比例占42%，這是較低的；而在西日本，特別是九州、四國等地(自治體收集量)分別在3～5 萬t 之間；而材料循環(huán)比例在70%～90%之間，遠(yuǎn)高于全國平均59%的水平。表明各地區(qū)再商品化手段的水平有很大差別。

結(jié)束語

鋼鐵廠利用現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，將廢棄物制成循環(huán)資源，實踐證明作為煉鐵原料是可行的。JFE 今后將繼續(xù)加強技術(shù)開發(fā)，為構(gòu)建資源循環(huán)型社會，有效利用枯竭的自然資源和為防止地球變暖采取積極的行動。