气化-熔炼炉与电弧炉联合处理废弃物系统-中国窑炉信息网

　　共英制钢（Kyoei Steel）旗下山口钢厂（Yamaguchi）利用电弧炉（EAF）成功地处理了医院的传染性废弃物和其他各种工业废弃物。虽然电弧炉因能将各种工业废弃物和含铁金属材料混合熔化，不需分离后进行处理而具有处理能力强、效率高和成本低等特点，但却不能有效处理含有色金属材料和有机化合物。为此，Kyoei Yamaguchi钢厂最近引进了一座由住友金属工业公司开发的气化-熔炼炉GSF （Gasification and Smelting furnace）用于处理废弃物。它是一种由EAF和GSF组合而成的集成系统，能高效处理其他设备很难处理的各种工业废弃物。含铁工业废弃物可在EAF中熔炼成钢液，含有色金属的工业废弃物和/或有机物则可经GSF处理后转变成有色金属和可用于加热钢坯的高热值合成煤气。因此，EAF和GSF组成的废弃物处理系统能处理包括有色金属和有机化合物在内的各种废弃物，并且具有二次废物、二噁英和CO2排放低等特点。

　　1 日本废弃物处理概况

　　在高生产率和高消费的日本，每年产生的各种工业和生活废弃物的数量十分庞大。由于日本的可用国土面积很少，因而最初用焚烧的方法来减少工业和生活废弃物，节约堆放土地面积。

　　20世纪80年代HIV传染病在日本出现时，人们意识到医院注射器非法或不恰当处理成为了该疾病的第二传染源。20世纪90年代由于传统燃烧炉处理废弃物产生大量二噁英而严重影响和威胁着人类的健康与生存，所以1999年日本制定了有关二噁英的限排标准。报废汽车因含金属等各种材料回收价值高，经回收破碎用于冶炼，冶炼处理量已超过80%。由于破碎废弃汽车过程中产生大量碎片ASR（Automobile shredder residues），采用土地填埋法极大地破坏了土地使用价值。为此，日本于2005年颁发了有关废弃汽车处理的强制性条例。

　　2 山口钢厂废弃物处理系统开发与管理

　　共英制钢1973年建造了山口钢厂，其电弧炉也于同年投入正式生产。

　　2.1 山口钢厂废弃物处理历史沿革

　　Kyoei Yamaguchi钢厂是日本第一家获准采用电弧炉处理废弃物的钢厂。1988年建成的MESSCUD系统是引领工业领域进行医院传染性废弃物和工业废弃物处理的先驱。

　　为了使废弃物的处理高效而快速，将收集的医院传染性废弃物、报废注射器及其他医院废弃物直接装入一个特殊桶内，然后加入电弧炉进行熔化处理。1999年电弧炉通过利用废弃物已使废气中的二噁英有了明显减少。2005年废弃汽车处理法规的颁发和执行使ASR量也开始减少。为了彻底消除ASR和更好地利用废热，1999年山口钢厂开始实施离心透平机利用废热发电的试验。由于不能从电弧炉处理废弃物中收集到丰富的废热，因而发电效率始终不高。为此，山口钢厂引进了一座由住友金属公司开发的气化-熔炼炉GSF。与EAF相比，GSF处理废弃物具有很多优势。它通过高温使废弃物在炉内分解产生高热值的合成煤气来代替煤油用于轧钢厂的钢坯加热，使气化-熔炼炉成为日本第一座工业废弃物处理炉。

　　2.2 山口钢厂废弃物处理流程

　　山口钢厂的废弃物处理系统能处理任何复杂化合物，包括用电弧炉处理很难燃烧的废弃物，如大型废弃汽车等。通过压碎和按利用途径选择设备将其分选为废铁、有色金属、橡胶和ASR。铁质材料送往电弧炉炼钢，所有ASR送入气化-熔炼炉生产合成煤气。通常情况下，废弃物中的少量金属很难通过破碎机分离出来。但如果将它们一并加入GSF炉进行燃烧和熔化，将熔化后的金属液和炉渣同时排出，在快速冷却过程中液态金属形成圆形颗粒，采用磁选法可成功将炉渣和金属分离。所得金属除含有高密度的铜以外，还有高密度的稀有金属，如黄金、白银和钯。将分离后的贵金属高价出售可获得很好的经济效益。

　　3 气化-熔炼炉基本概念

　　气化-熔炼炉能在处理ASR和其他废弃物时去除毒性和生产可燃气体—产品煤气用于轧钢炉加热待轧钢坯。

　　气化-熔炼炉的结构多为竖式。采用整体设计使废弃物在炉内实现转换的同时形成液态炉渣。按照炉内的化学反应特征可将其分为三区：
　　改善燃气质量的煤气重整区；
　　② 水分蒸发和高温分解区；
　　③ 包括碳化物在内的难燃废弃物炉渣生成区，即炉子的燃烧和熔化区。
　　为了提高炉子的废物处理效率，安装了一套吹氧喷枪，以便在需要吹氧的区域实现吹氧。冶炼时废弃物通过炉子中间的加料口加入，在炉子下部的燃烧和熔化区生成高温还原煤气。

　　废弃物中的水汽利用高温燃烧煤气显热进行蒸发去除。（CpHqOr)分解反应由碳化物和碳氢化合物气体产生。当工艺中产生的碳化物下降到炉子下部燃烧和熔化区与废弃物中的难燃废弃物形成填料层时，碳氢化合物气体则上升到炉子上部的煤气重整区进行重整。在燃烧和熔化区燃烧废弃物需要的氧气从水平吹氧喷枪吹入，形成高温分解区，与下降的碳化物反应生成温度达到或超过1500℃的煤气。下降的难燃废料与碳化物一起在高温作用下熔融成液态炉渣。

　　在上述各种反应发生的同时，碳氢化合物可燃气体上升到炉子上部与水平上方吹进的氧气反应形成以CO和H2为主要成分的产品煤气即重整煤气。此外，为了防止二噁英即氯苯及其粒子的产生，必须增大吹氧量和CO燃烧量，使该区温度控制在大约1200℃。

　　为了提高气化-熔炼炉的生产效率，难燃废料生成液态炉渣后应立即排出，并将生成的产品煤气输送到轧钢加热炉用于加热钢坯。

　　4 气化-熔炼炉工作原理

　　4.1 喷吹纯氧

　　喷吹的氧气是纯氧而不含空气。以空气为原料采用PSA型制氧机生产氧气纯度高、生产流程简单、运行成本低廉。喷吹纯氧具有以下优势：

　　首先，可在炉内生成热值高达8.0MJ/Nm3的混合煤气用于高效热机，如燃气发电机、燃气轮机、燃料电池等。

　　其次，气化-熔炼炉吹入纯氧比旧式燃烧炉吹入空气可减少大量废气的产生，使工艺设备设计紧凑。

　　第三，炉子处理废弃物过程中可对排放煤气所含氮氧化物进行有效控制，省去NOX清除设备，有利于减少建设投资。

　　第四，炉子易保持高温促进包括二噁英在内的各种有机物完全分解，保证生成优质炉渣。

　　4.2 炉渣生成

　　因为气化-熔炼炉处理废弃物使用纯氧、填充层温度可达到或超过1500℃，所以废弃物中的难燃部分很容易熔化成含铁量很低而温度可达1500℃的优质液态炉渣。废弃物中含有的重金属铅、镉、汞、砷绝大多数进入粉尘，仅有少量进入液态炉渣和熔融金属。炉渣温度高（1500℃）冷却后强度高、重金属含量低，因而可不经淋洗用作柏油路路基填埋料。为了顺利排出液态炉渣，炉身底部装有一套附属机构。除此之外，还给炉子安装了燃烧器以保证温度降低后的液态炉渣和金属出炉后仍然具有良好的流动性。

　　4.3 煤气冷却

　　由于气化-熔炼炉内生成的产品煤气含有较高浓度的HCl气体，在一定温度范围内它会再合成严重损害人类健康的二噁英，所以采用薄雾喷溅法将产品煤气从约850℃及其以上温度快速冷却至200℃及其以下温度，尽量缩短冷却时间以便最大限度地减少二噁英的生成，使产品煤气和粉尘中的二噁英含量几乎为零，从而省去二噁英处理工艺和设备，进一步降低废弃物处理成本。

　　5 气化-熔炼炉操作简介

　　6 气化-熔炼炉处理废弃物时对环境的影响

　　处理废弃物时，从气化-熔炼炉中排出对环境有影响的产物有三种：废气、灰渣、炉渣。

　　这里的废气即产品煤气，一般用于轧钢加热炉加热钢坯，因此不会对环境造成损害。只有特殊情况才会将其燃烧后排放到大气中。

　　灰渣中含有极细的粉尘和渣粒，粉尘分别从废气冷却塔和布袋除尘器中捕集。两种灰渣的基本性质相同，捕集后一并输送到灰渣贮存槽。灰渣中的渣粒降落在密封水槽中快速冷却后变成与砂粒类似的颗粒，可用运输机运走。

　　除上述三种对环境有影响的排出物外，还有二噁英。因为采取了废气快速冷却等措施，气化-熔炼炉处理废弃物产生的二噁英含量极低（实例废气含二噁英0.0016ng-TEQ/m3（0℃，101kPa），灰渣含二噁英0.0058ng-TEQ/g，炉渣中无二噁英）。

　　由此可知，气化-熔炼炉处理废弃物的排出物对环境几乎没有影响。

　　7 产品煤气的利用

　　山口钢厂气化-熔炼炉处理废弃物过程中生成的产品煤气用于该厂两种轧钢加热炉，以代替煤油加热钢坯。1号轧机直接轧制热送钢坯不需要加热炉（也可接受冷坯，加热后轧制）；2号轧机只接受冷方坯，加热后轧制。

　　由于1座气化-熔炼炉产生的产品煤气量不能满足两座加热炉的需求，为不致因煤气量的波动使轧钢受到影响，决定设置贮气罐供气化-熔炼炉以及两种轧钢加热炉使用。

　　8 结语

　　气化-熔炼炉处理废弃物初期出现过很多技术问题，整个投产期运行极不稳定，如耐火材料寿命太短、难以控制液态炉渣排出、灰渣堆积造成堵塞等问题导致废弃物处理成本增高。

　　但在住友金属工业公司（开发气化-熔炼炉）和共英制钢（具有丰富电炉操作经验）的紧密配合下，终于克服了各种困难，成功解决了运行过程中的各种技术问题。运行实践证明，仅仅依靠设备的技术改革很难使炉子正常运行获得良好的经济效益。只有通过气化-熔炼炉与电弧炉配合运行，生产出足够多的产品煤气代替煤油加热钢坯，再利用技术优势和好的商业模式，才能使气化-熔炼炉处理医院传染性废弃物和各种工业废弃物实现高产、低耗、低成本和低污染。