有機廢棄物熱解炭化協同富氫低碳冶金技術

張立強 馬春元

山東大學 山東祥桓環境科技有限公司

1 我國有機固廢資源狀況

隨著我國工業經濟的快速發展，產生大量有機廢棄物：生物質、農林廢棄物、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。

據國家統計局《中國統計年鑒2020》的數據，2019年全年我國生活垃圾清運量2.42億噸，預估二氧化碳排放量：1.6億噸。2019年中國規模型企業塑料制品產量8184.2萬噸，廢塑料回收量1890萬噸，回收占比23%；每年生產的橡膠制品量約46萬噸，廢舊橡膠產生量約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 我國鋼鐵行業碳減排需求

鋼鐵冶金工業作為國民經濟重要的基礎原材料工業，為我國經濟高質量發展提供了重要支撐。鋼鐵工業屬于能源、水資源、礦石資源消耗大的資源密集型產業，生產過程中會產生大量的二氧化碳等污染物，是全球范圍內工業領域碳排放的重點行業，約占全球溫室氣體排放的7%。

中國國家統計局數據顯示，我國2020年粗鋼產量10.5億噸，較2019年增加5.2%，占全球粗鋼產量的57%。這是粗鋼產量連續增長的第五年，也是我國粗鋼產量首次超過10億噸。以煤、焦炭為主的高爐長流程工藝結構在中國鋼鐵工業發展中長期占主導地位。我國鋼鐵行業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個制造業門類中碳排放量最大的行業，也是我國第二大CO2排放產業。因此鋼鐵行業碳減排意義重大。

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耦合，一方面可實現有機廢棄物的有效處理和能源化利用，另一方面可實現低碳冶金，為鋼鐵行業碳減排做出貢獻。

3有機廢棄物熱解炭化用于鋼鐵冶煉燃料替代技術

有機廢物由于含水量高、預處理困難、經濟性差，難以直接應用于鋼鐵冶煉過程。因此需要開發一種新的與鋼鐵行業協同耦合性優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，該技術的核心是熱解炭化一體爐，有機固廢在熱解炭化一體爐內熱解產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，實現富氫冶金。

有機廢棄物熱解炭化協同低碳冶金技術：有機廢棄物首先進入熱解炭化爐進行熱解炭化，產生熱解炭和熱解氣，其中熱解氣溫度維持400℃以上，因此熱解油為氣態，并與熱解氣混合在一起。熱解炭可送入高爐和燒結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。利用該技術將有機廢棄物轉化為熱解氣和熱解炭，可與鋼鐵工序耦合，替代冶金煤實現低碳冶金，助力鋼鐵行業脫碳。

有機廢棄物熱解炭化富氫冶金技術：有機廢棄物首先進入熱解炭化爐進行熱解炭化，產生熱解炭、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，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、熱風爐、球團豎爐和石灰窯的氣體燃料，實現富氫冶金。

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

鋼鐵工業的主要工序為燒結、球團、煉鐵（高爐）、石灰窯等。燒結是鋼鐵的重要工序，所需要的能源主要有電力、煤炭、焦粉高爐煤氣、轉爐煤氣等。根據2016年中鋼協會員單位能耗統計，燒結工序能耗為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工序，可替代比例約為10.6%（能耗占比）；熱解炭可替代燒結用煤炭，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工序，可替代比例為87.7%（能耗占比）。

高爐煉鐵是鋼鐵行業的主要工序，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核心技術與裝備

5.1蓄熱球循環式熱解炭化技術與裝備

本單位在多年技術研發的基礎上開發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。該設備借助結合國內外熱解裝備特點，充分吸取了回轉窯和球磨機的結構設計優點，通過傳熱球循環，有效克服了物料輸送、粘結、破碎等問題，可適用于各種廢棄生物質（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、工業污泥等；）和工業有機廢物（橡膠、塑料等化工廢料）的處理，且具備自主知識產權。

熱解炭化裝備是一種載熱球循環內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：熱煙氣通過旋轉筒間接加熱，熱煙氣加熱循環球后對物料混合加熱。旋轉筒內螺旋與循環球協同推進物料；旋轉筒外螺旋是密封矩形槽道式，輸送循環球從出料端回到進料端。兩個螺旋旋轉反向循環球內筒外回送，與熱解產物分離簡單，回送過程被加熱，載熱循環。

5.2 U型兩段式氣化重整技術與裝備

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

高溫氣化爐：氣化原料為熱解炭，在此爐內主要發生熱解炭的氣化反應，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還原氣調質高溫合成氣溫度，熱解氣噴入高溫煤氣中，主要發生重整反應，氛圍中沒有氧氣，揮發分中的CH4氣體與合成氣中的部分CO2和H2O發生重整反應生成CO和H2。

6應用前景及減排效益

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