張立強 馬春元

山東大學 山東祥桓環(huán)境科技有限公司

1 我國有機固廢資源狀況

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，產(chǎn)生大量有機廢棄物：生物質(zhì)、農(nóng)林廢棄物、生活垃圾、廢舊塑料、廢舊橡膠等，已成為我國面臨的嚴峻問題之一。

2020年我國秸稈量為7.97億噸，林木剩余物總量3.0億噸，商品牧草產(chǎn)量0.3億噸，整體折合26億噸秸稈當量、13億噸標煤當量；如果沒有得到合理化利用則折合31.98億噸二氧化碳排放量。

據(jù)國家統(tǒng)計局《中國統(tǒng)計年鑒2020》的數(shù)據(jù)，2019年全年我國生活垃圾清運量2.42億噸，預(yù)估二氧化碳排放量：1.6億噸。2019年中國規(guī)模型企業(yè)塑料制品產(chǎn)量8184.2萬噸，廢塑料回收量1890萬噸，回收占比23%；每年生產(chǎn)的橡膠制品量約46萬噸，廢舊橡膠產(chǎn)生量約18萬噸，回收占比39%。估算二氧化碳排放量：45萬噸。

綜上所述，我國有機廢物產(chǎn)量大、處理難。如果利用不合理，將造成二氧化碳的大量排放，不利于國家“碳達峰碳中和”戰(zhàn)略的實施，但有機固廢蘊藏豐富的能量。初步估算，全國有機廢物折合標煤每年超過15億噸。碳中和背景下有機固廢的能源化合理利用意義重大。

2 我國鋼鐵行業(yè)碳減排需求

鋼鐵冶金工業(yè)作為國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)原材料工業(yè)，為我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展提供了重要支撐。鋼鐵工業(yè)屬于能源、水資源、礦石資源消耗大的資源密集型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳等污染物，是全球范圍內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域碳排放的重點行業(yè)，約占全球溫室氣體排放的7%。

中國國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，我國2020年粗鋼產(chǎn)量10.5億噸，較2019年增加5.2%，占全球粗鋼產(chǎn)量的57%。這是粗鋼產(chǎn)量連續(xù)增長的第五年，也是我國粗鋼產(chǎn)量首次超過10億噸。以煤、焦炭為主的高爐長流程工藝結(jié)構(gòu)在中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展中長期占主導(dǎo)地位。我國鋼鐵行業(yè)碳排放量占全球鋼鐵碳排放總量的60%以上，占全國碳排放總量的15%左右，是31個制造業(yè)門類中碳排放量最大的行業(yè)，也是我國第二大CO2排放產(chǎn)業(yè)。因此鋼鐵行業(yè)碳減排意義重大。

有機廢棄物為碳中和原料，將有機廢棄物處理與鋼鐵冶金行業(yè)耦合，一方面可實現(xiàn)有機廢棄物的有效處理和能源化利用，另一方面可實現(xiàn)低碳冶金，為鋼鐵行業(yè)碳減排做出貢獻。

3有機廢棄物熱解炭化用于鋼鐵冶煉燃料替代技術(shù)

有機廢物由于含水量高、預(yù)處理困難、經(jīng)濟性差，難以直接應(yīng)用于鋼鐵冶煉過程。因此需要開發(fā)一種新的與鋼鐵行業(yè)協(xié)同耦合性優(yōu)良的有機廢物處理工藝。

本文提出一種有機固廢熱解炭化用于鋼鐵冶煉過程的燃（原）料替代技術(shù)，該技術(shù)的核心是熱解炭化一體爐，有機固廢在熱解炭化一體爐內(nèi)熱解產(chǎn)生熱解燃氣和熱解炭，熱解氣和熱解炭可作為原料或燃料與鋼鐵冶金過程直接耦合實現(xiàn)低碳冶金；也可以通過氣化、重整，制備富氫氣體，富氫氣體送至冶金過程使用，實現(xiàn)富氫冶金。

有機廢棄物熱解炭化協(xié)同低碳冶金技術(shù)：有機廢棄物首先進入熱解炭化爐進行熱解炭化，產(chǎn)生熱解炭和熱解氣，其中熱解氣溫度維持400℃以上，因此熱解油為氣態(tài)，并與熱解氣混合在一起。熱解炭可送入高爐和燒結(jié)機作為燃料和原料使用。熱解氣可用于高爐、加熱爐、熱風爐、鍋爐等作為還原氣或者燃料。利用該技術(shù)將有機廢棄物轉(zhuǎn)化為熱解氣和熱解炭，可與鋼鐵工序耦合，替代冶金煤實現(xiàn)低碳冶金，助力鋼鐵行業(yè)脫碳。

有機廢棄物熱解炭化富氫冶金技術(shù)：有機廢棄物首先進入熱解炭化爐進行熱解炭化，產(chǎn)生熱解炭、熱解氣和熱解油，由于熱解氣溫度維持400℃以上，熱解油為氣態(tài)，并與熱解氣混合。熱解炭進入氣化爐氣化后與熱解氣（油）混合進行高溫水蒸氣重整，得到富氫重整氣。富氫重整氣降溫除水后進入氫氣提純裝置可以得到高純氫氣，也可經(jīng)初步處理后得到合成氣。富氫原料氣、合成氣和氫氣均可作為高爐、燒結(jié)、熱風爐、球團豎爐和石灰窯的氣體燃料，實現(xiàn)富氫冶金。

熱解炭的固定碳含量為74.1%，灰分為6.48%，水分為3.39%，揮發(fā)分為16.03%。有機廢棄物熱解固體產(chǎn)物的主要成分為熱解炭，其成分與煤炭類似，可實現(xiàn)代替煤炭實現(xiàn)燃料（原料）替代。

鋼鐵工業(yè)的主要工序為燒結(jié)、球團、煉鐵（高爐）、石灰窯等。燒結(jié)是鋼鐵的重要工序，所需要的能源主要有電力、煤炭、焦粉高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等。根據(jù)2016年中鋼協(xié)會員單位能耗統(tǒng)計，燒結(jié)工序能耗為48.36kce/t，其中煤炭約占27.7%，高爐煤氣約占10.6%。因此熱解氣可替代高爐煤氣用于燒結(jié)工序，可替代比例約為10.6%（能耗占比）；熱解炭可替代燒結(jié)用煤炭，可替代比例為27.7%。

球團所需要的主要能源為電力和高爐煤氣，球團工序能耗為26.78kce/t，其中高爐煤氣約占87.7%。因此熱解氣可用替代高爐煤氣用于燒結(jié)工序，可替代比例為87.7%（能耗占比）。

高爐煉鐵是鋼鐵行業(yè)的主要工序，也是能源消耗的主要工序。其主要能源包括電力、焦炭、混煤、高爐煤氣等。高爐工序能耗為391.11kce/t，其中混煤約占17.5%，高爐煤氣約占13.6%。因此熱解氣可替代高爐煤氣用于煉鐵工序的熱風爐，替代量為13.6%；熱解炭可用于高爐噴吹用煤，替代量為17.5%。

5核心技術(shù)與裝備

5.1蓄熱球循環(huán)式熱解炭化技術(shù)與裝備

本單位在多年技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了全新一代高效的有機物料干燥熱解破碎一體化炭化裝備。該設(shè)備借助結(jié)合國內(nèi)外熱解裝備特點，充分吸取了回轉(zhuǎn)窯和球磨機的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)點，通過傳熱球循環(huán)，有效克服了物料輸送、粘結(jié)、破碎等問題，可適用于各種廢棄生物質(zhì)（秸稈、稻殼、木屑、樹枝、椰殼、核桃殼等）、垃圾和污泥（生活垃圾、紙廠垃圾、市政污泥、河道污泥、工業(yè)污泥等；）和工業(yè)有機廢物（橡膠、塑料等化工廢料）的處理，且具備自主知識產(chǎn)權(quán)。

熱解炭化裝備是一種載熱球循環(huán)內(nèi)外雙螺旋筒物料加熱裝置。熱解裝置對物料加熱有兩種途徑：熱煙氣通過旋轉(zhuǎn)筒間接加熱，熱煙氣加熱循環(huán)球后對物料混合加熱。旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)螺旋與循環(huán)球協(xié)同推進物料；旋轉(zhuǎn)筒外螺旋是密封矩形槽道式，輸送循環(huán)球從出料端回到進料端。兩個螺旋旋轉(zhuǎn)反向循環(huán)球內(nèi)筒外回送，與熱解產(chǎn)物分離簡單，回送過程被加熱，載熱循環(huán)。

5.2 U型兩段式氣化重整技術(shù)與裝備

U型兩段制氣工藝是將有機廢棄物的氣化反應(yīng)過程進行了解耦，將熱解炭氣化和熱解氣重整兩個主要反應(yīng)階段分別在兩段爐體內(nèi)進行，高溫氣化爐內(nèi)進行熱解炭氣化反應(yīng)產(chǎn)生H2，低溫的氣化重整爐內(nèi)進行熱解氣重整反應(yīng)，既保留了高溫段產(chǎn)生的H2又加入了熱解氣和焦油重整反應(yīng)產(chǎn)生的H2，從而最大限度的提高H2含量和產(chǎn)氫率。U型兩段制氣工藝在富氫方面有獨特優(yōu)勢：

高溫氣化爐：氣化原料為熱解炭，在此爐內(nèi)主要發(fā)生熱解炭的氣化反應(yīng)，通過空氣/氧氣和水蒸氣的合理配給，可以制備高溫合成氣，進入氣化重整爐。

氣化重整爐：在氣化重整爐底部通入冷卻循環(huán)還原氣調(diào)質(zhì)高溫合成氣溫度，熱解氣噴入高溫煤氣中，主要發(fā)生重整反應(yīng)，氛圍中沒有氧氣，揮發(fā)分中的CH4氣體與合成氣中的部分CO2和H2O發(fā)生重整反應(yīng)生成CO和H2。

6應(yīng)用前景及減排效益

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