本发明主要属于生态环保和资源综合利用领域，具体涉及一种城市生活垃圾中薄膜废塑料预处理和用做铁矿石还原剂的方法，用于城市生活垃圾中薄膜废塑料的资源化利用。
背景技术：
垃圾问题，可以说是伴随着人类文明史的一个“世界难题”。随着我国新型城镇化进程的不断深入，城市的规模和数量都在爆发式增长。按2015年末市辖区户籍人口统计，人口规模100万以上的大城市已达134个。按每人每年排放约300公斤生活垃圾计，每年城市生活垃圾产生量近2亿吨，而且还在以10％的速度不断增长。中国有2/3的城市陷入垃圾的包围之中，“垃圾围城”已经成为制约许多城市发展、影响市民生活质量的重要因素之一。
城市生活垃圾中最难处理的当属废塑料类物质(主要是薄膜类包装材料)，其占比约10％左右。“限塑令”执行十年来，我国塑料袋的使用量从2007年的30亿个反而暴增至2017年的147亿个，所导致的环境压力可想而知。虽然我国城市生活垃圾治理和处置水平这几年有了显著提高，但是，目前我国城市垃圾中废塑料大约50％左右采用焚烧方式处理，能循环利用的很少，其余直接采用传统卫生填埋的方式进行处理，废塑料产生的污染比较严重(如污染水体、土壤以及释放CO2、CH4等温室气体等)。若要减少白色污染，除了要倡导居民遵循绿色的生活方式和使用可降解塑料外，开发更多高效环保的废塑料消纳技术显得更为重要。多措并举，减少其它处理方式的压力，同时提高总的废塑料垃圾处理能力。
现代钢铁制造流程系统已发展成包含资源及能源利用、质量控制、新品开发、环境保护等内容的工程技术大系统，并进一步向准连续化/连续化、紧凑化/简化、高效化和综合利用、环境友好的方向发展。钢铁冶炼过程具有物料处理能力大、反应温度高、部分工序还原势高等特点，适于废塑料的无害化处理，同时废塑料可为钢铁工序提供一定的还原剂或能量。基于此，废塑料的无害化处理和钢铁工业的节能减排实现了协同，具有较明显的社会效益和经济效益。因此，冶金法利用废塑料的技术是一个值得研究的方向。
现有技术中，冶金法利用废塑料的研究和应用主要集中在如下几个方向：废塑料-煤共焦化、高炉喷吹废塑料、废塑料用于电炉炼钢等。我国在上述三个技术方向均进行了基础研究、工业试验，甚至工业化应用。但是这三个技术在我国均没有得到大规模推广，原因是多方面的，如配比过高会对产品质量产生不利影响、废塑料预处理成本高、对含氯废塑料过于敏感、需要高品质的废塑料资源、难以避免二噁英生成等。对于我国而言，急需处置的是生活垃圾中的废塑料，该类废塑料以薄膜类包装材料为主，成分复杂、物性多变、品质低，可循环性差。因此，生活垃圾中的废塑料并不适合应用在上述三个工艺中。
在废塑料作直接还原还原剂的方法中，将废塑料替代部分煤粉或焦粉，起到一定的还原作用，同时实现废塑料的消纳。以低品位矿、复杂矿、冶金尘泥等为原料的直接还原工艺对用作还原剂的废塑料品质要求不高。但是，现有技术并没有从全流程的角度考虑应采用怎样的预处理方法将生活垃圾中的条件复杂的废塑料高效(即成本低、处理能力大、方法简单)制备成粒度和成分均一的原料再配料造球还原，而这是决定直接还原处理废塑料能否成功工业化实施的关键控制技术环节。为了进一步促进含碳球团直接还原处理城市生活垃圾废塑料工艺技术的实现，有必要研究如何将废塑料经预处理均一化、体积减量化(即致密化)后用于含碳球团还原的相关技术。
现有技术中，发明名称为“一种废塑料为碳源的铁基含碳球团及其制备方法”的中国专利(申请号：201410348368.7)，公开了一种以废塑料为碳源的铁基含碳球团及其制备方法，但是该专利仅采用几种废塑料的混合物做还原剂，且要求废塑料的粒度小于80目，塑性废塑料的破碎难度较大，该专利没有考虑如何经济高效地实现废塑料的破碎，特别是针对生活中大量产生的薄膜类废塑料该方法更难以适用。此外，大量试验证明单独用废塑料做含碳球团还原剂时由于塑料分解温度大大低于铁氧化物还原温度，因而难以获得较高的还原度。
申请号为201310578312.6的中国专利，公开了一种利用废旧塑料直接还原褐铁矿或赤铁矿生产铁的方法，该方法是采用废塑料和煤粉分别破碎后直接混合添加的方法进行配料造球的，由于混合物料的密度低且废塑料破碎后的粒度为1～3mm，必然会导致生球团的强度相对较低，且同样难以处理日常生活中大量产生的薄膜类塑性废塑料，此外，该专利的目的是利用废塑料替代煤粉作用还原剂生产生铁，该工艺中转底炉的反应温度高(达1370℃)，实现的难度较大，生产成本也高，而且该专利没有根据废塑料低温分解不能提供有效还原剂的特点进行配料，将废塑料中的有机挥发性碳等同为煤粉中的固定碳，必然会导致球团的金属化率偏低，渣铁熔分效果较差，最终金属铁颗粒较小，需要经过进一步破碎、磁选、压块等工序才能制得高品质生铁。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题包括：城市固废处理的关键在于其所含废塑料的清洁化利用，而城市固废废塑料中绝大部分是难以破碎的薄膜类废塑料，含碳球团直接还原虽然可以实现该类废塑料的资源化利用，但是该工艺工业化实施的关键是：如何成本低、高效率、大规模地实现薄膜类废塑料原料的预处理，获得粒度和成分满足铁矿石还原要求的还原剂。此外，考虑到废塑料的分解温度为450℃左右，显著低于铁氧化物还原成金属铁的温度(约710℃)，塑料绝大部分会在还原前球团预热阶段分解析出进入气相，因此从替代焦粉或煤粉作还原剂的角度看废塑料所起的还原作用很有限，必须将废塑料与固体碳质还原剂进行合理搭配使用，即以还原剂中所含固定碳作为碳氧比配料计算的依据，保证高固定碳含量的还原剂(焦粉或煤粉)的适宜配比，将废塑料引入的碳、氢元素视作额外的添加。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低温炭化-铁矿还原协同资源化利用城市固废中废塑料的方法，所述方法包括：
从城市固废中分离出的薄膜废塑料经干燥、剪切破碎后与碳质还原剂充分混合，然后进行低温炭化处理，在炭化温度保持一定时间，炭化产物冷却后排出，经破碎机破碎，制备获得成分和粒度均匀的混合还原剂；
将所述混合还原剂与含铁物料混匀后造块，制得含碳球团，运送至转底炉进行快速还原，得到金属化球团，能够在消耗废塑料的同时也降低煤粉的消耗，其中，铁元素对塑料热解(CHn＝C+n/2H2)、气化(C+CO2＝2CO)过程能够起到催化作用，废塑料热解生产的固体碳颗粒活性比焦粉或者煤粉高，且废塑料与焦粉或者煤粉混合炭化过程会得到孔隙率高的炭化产物或对固体还原剂发生加氢作用，孔隙率和芳香氢含量的提高可提高还原剂与CO2的反应性，因而本发明所得混合还原剂的反应性明显高于焦粉或煤粉，最终导致本发明中含碳球团的还原温度降低，还原速率加快，进一步降低了还原过程的能耗；
塑料绝大部分会在还原前球团预热阶段(450℃左右)分解析出，通过在炉膛加装空气喷嘴可将废塑料分解挥发进入气相中的CO、H2以及碳氢化合物燃尽为反应器炉膛补热，从而代替部分燃料；所得金属化球团用于炼铁或炼钢，废塑料中的金属和非金属物质分别进入生铁(或钢水)和炉渣，不存在飞灰的二次污染和处置成本。
进一步地，所述废塑料为热塑性薄膜废塑料，所述碳质还原剂为焦粉或无烟煤，煤粉中的挥发份为5～10％。
进一步地，经干燥、剪切破碎后废塑料的尺寸为10～30mm，所述碳质还原剂的粒度控制在0.2mm以下；废塑料占所述混合还原剂的质量比为5～30％。
进一步地，所述低温炭化处理的条件为：在连续可控气氛加热炭化炉中进行，炭化炉加热壁面的温度控制为400～550℃，炭化加热时间15～30min，炭化过程在惰性气氛下保护，炭化产物冷却至室温排出。本发明针对的是薄膜类热塑性废塑料，该类塑料在加热过程中会先熔化后分解，在接近分解温度时会释放出水分、HCl等组分使得熔融废塑料内部产生大量气泡，降低了其密度。由于塑料、煤、焦均含有有机大分子结构，熔融的发泡塑料与细粒固体碳质还原剂相互包裹渗透，细粒固体碳质还原剂在熔融塑料中达到较高的分散度，由于塑料是塑性而固体碳质还原剂是非塑性的，从而得到一种结构松散、处于塑性与非塑性之间的炭化产物，即获得所述混合还原剂。
进一步地，所述惰性气氛为氮气、二氧化碳或二者的混合气，加热的热源为转底炉的热废气，物料的运动方向与热废气的流动方向相反，物料与热废气不接触。
进一步地，冷却后的炭化产物采用冲击或剪切的方式进行破碎，混合还原剂的粒度控制在0.2mm以下。
进一步地，将所述混合还原剂所述含铁物料混匀制块时，控制碳原子与氧原子的摩尔比为0.8～1.0。
进一步地，将含碳球团在转底炉进行还原，温度为：1100～1200℃，还原时间：20～40min，球团还原温度高于二噁英的分解温度(850℃)，且球团内部为还原性气氛，无自由氧，且造球原料中一般含硫较高，而硫可抑制二噁英生成，因此含碳球团还原过程可充分抑制二噁英的产生。
进一步地，在所述转底炉的预热段加装针对挥发焦油组分和可燃逸出气体的辅助烧嘴，以消除焦油在炉膛和管道内壁的蓄积，防止损坏设备和污染环境，同时为炉膛补充热量，促进球团快速升温。
本发明的有益技术效果：
基于我国当前的城市固废现状和冶金法含碳球团直接还原处理废塑料工艺的关键瓶颈问题，本发明提出了薄膜类热塑性废塑料与固体碳质还原剂低温混合炭化预处理技术，炭化后废塑料熔化收缩从而实现了废塑料的体积减量化，获得了破碎难度适宜、成分均一的新型还原剂，且新型还原剂的应用效果要好于原始配加的固体碳质还原剂(新型还原剂反应性明显增强，含碳球团起始还原温度降低，还原速率加快)。本发明工艺易于实施和推广。众所周知，“含碳球团直接还原”具有原料要求简单、反应速度快、工艺灵活等特点，主要用于处理冶金粉尘，目前已被众多钢铁企业应用，该方法较适于处理生活垃圾废塑料这类低品质资源，即品质相匹配。还原反应温度低于现有转底炉直接还原工艺，产品为金属化球团，可用作炼铁或炼钢的炉料，废塑料中的金属和非金属物质分别进入生铁(或钢水)和炉渣，不存在飞灰的二次污染和处置成本；球团还原温度高于二噁英的分解温度(850℃)，且球团内部为还原性气氛，无自由氧，且造球原料中一般含硫较高，而硫可抑制二噁英生成，因此含碳球团还原过程可充分抑制二噁英的产生。即从化学反应的角度总体上实现了协同强化。
附图说明
图1为本发明实施例中低温炭化-铁矿还原协同资源化利用城市固废中废塑料的方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
按照图1所示，本发明提供一种低温炭化-铁矿还原协同资源化利用城市固废中废塑料的方法，以城市生活垃圾中废塑料的主要组分聚乙烯和聚氯乙烯薄膜废塑料为原料，将其破碎成边长10～20mm的碎片，二者按质量比1:1混合，与无烟煤粉(无烟煤成分参见表1)混合均匀，废塑料在混合还原剂中的配比为20％，煤粉粒度小于0.2mm，将混合物于450℃加热20min，冷却后排出，再破碎至0.2mm得到混合还原剂。
将含Nb2O53.18％的低铌含钛铌铁精矿矿粉(含钛铌铁精矿成分参见表2)、重量为铌铁精矿重量12％的混合还原剂(并设置以无烟煤煤粉为还原剂的对照组)、重量为铌铁精矿重量2％的粘结剂、经过皮带输送至混料机混匀，并调节混匀料水分至7％。将混合好的混匀料经皮带输送至对辊压球机制成含碳球团，压力为15MPa，球团尺寸为40×30×20mm枕状椭球。生球经干燥后单层铺在转底炉的碳质耐火材料上，事先在碳质耐火材料上铺一层10～20mm厚的镁质颗粒。转底炉内的温度为1100℃，还原阶段停留时间为20分钟，以无烟煤为还原剂的球团金属化率达到50％左右，而以混合还原剂为原料的球团金属化率达到85％左右，因此利用所述混合还原剂，能够使混合还原的反应性大大提高，可促进还原，所得高品质金属化球团可用于后续熔分提铌。
表1无烟煤成分分析
表2含钛铌铁精矿
实施例2
采用实施例1中的所述方法制得混合还原剂。将磷含量0.38％的高磷铁矿矿粉、重量为高磷铁矿(高磷铁矿成分参见表3)重量16％的混合还原剂(制备方法同实施例1，并设置以无烟煤煤粉为还原剂的对照组)、重量为高磷铁矿重量39％的CaCO3、重量为高磷铁矿重量5％的萤石、重量为高磷铁矿重量2％的粘结剂、经过皮带输送至混料机混匀，并调节混匀料水分至7％。将混合好的混匀料经皮带输送至对辊压球机制成含碳球团，压力为15MPa，球团尺寸为40×30×20mm枕状椭球。生球经干燥后单层铺在转底炉的碳质耐火材料上，事先在碳质耐火材料上铺一层10～20mm厚的碳质粉末。以无烟煤为还原剂时，转底炉内的温度为1100℃，还原阶段停留时间为30分钟，以无烟煤为还原剂的球团金属化率达到75％左右；而以混合还原剂为原料的球团，转底炉内的温度为1050℃，还原阶段停留时间为30分钟，金属化率达到80％左右；然后进入熔分阶段，熔分温度1400℃，熔分时间10分钟，实现渣铁原位快速分离。以无烟煤为还原剂的球团熔分所得珠铁中的P含量为0.065％，而以混合还原为原料的球团熔分所得珠铁中的P含量为0.025％。因此，混合还原剂在保证球团金属化率的同时，降低了球团还原温度，抑制了氟磷灰石的还原，使得较少的磷在熔分过程进入生铁，从而获得了高品质的珠铁，可用作炼钢原料。
表3高磷铁矿化学成分