Описание процесса
Потребность в экологичном оборудовании для переработки химических отходов у нашего общества появилась уже давно. Первые пиролизные котлы стали запускать еще в конце позапрошлого века. А создание современных пиролизных агрегатов решило сразу несколько вопросов:
- экологическая составляющая;
- возможность накапливать результаты сжигания;
- экономическая выгода.
Впрочем, экономический аспект использования пиролиза рассчитан на перспективу. Пиролиз достаточно недешевое удовольствие. Он требует соответствующего оборудования и специально обученный кадровый состав.
Зато в работе пиролизные установки практически автономны. Агрегатам требуется электроэнергия только для запуска, дальнейшая работа котла осуществляется за счет производимых в процессе сжигания ресурсов. При этом избытки вырабатываемой энергии и пара можно использовать для бытовых целей, перенаправляя их коммунальные сети.
В России пиролиз только начинает набирать популярность, тогда как в Европе без установок для пиролиза не обходится ни одно крупное предприятие. Причин такой востребованности пиролиза довольно много:
- безотходный способ переработки мусора и всевозможных загрязнений промышленного характера;
- уровень КПД от пиролиза составляет 90 %;
- возможность получения новых соединений, вторсырья;
- создание невосполнимых ресурсов, таких как синтетическая нефть;
- получение углеводородов, органических кислот и других химических элементов;
- источник теплоснабжения предприятий.
Исходя из выбора сырья для переработки, пиролизная реакция может протекать при разных температурных режимах. Конечный результат при этом, также будет различаться по составу химических элементов.
В зависимости от температуры нагрева печи и дополнительным составляющим пиролиза, перегонку принято разделять на две разновидности: сухая и окислительная.
Использование в быту
На бытовом уровне технологии пиролиза применяются для получения тепла и древесного угля, эффективной очистки духовок от трудно удаляемого нагара.
Пиролизные котлы для отопления
Благодаря особой конструкции у пиролизных котлов с естественной подачей кислорода высокий КПД. Сырьем служат древесина и древесный газ. При их сжигании образуется мало вредных для окружающей среды веществ. Количество производимого тепла зависит от качества топлива. Некоторые котлы рассчитаны на щепу, топливные гранулы, уголь, кокс.
Главная часть устройства — две камеры сгорания, у каждой из которых своя функция. В верхней сырье высушивается, превращается в древесный газ. Там же сгорают некоторые составляющие газа.
Трудно сжигаемые попадают в нижнюю камеру, где преобразуются в тепло при температуре выше 1000 °C.
Очистка духового шкафа
Большинство новых моделей духовок способны самоочищаться. Происходит это за счет высокой температуры. Грязь внутри духового шкафа карбонизируется, отпадает сама или легко удаляется. Этот процесс, занимающий около трех часов, относительно энергоемкий: расход электроэнергии в среднем составляет 3-4 кВт?ч. Пепел устраняется влажной губкой после охлаждения устройства. Перед пиролитическим самоочищением убирают решетки, кастрюли, противни.
Для получения древесного угля
При переработке древесины лиственных или хвойных пород образуются древесные:
- уголь,
- уксус,
- газы,
- смола.
В зависимости от температуры выделяют несколько фаз процесса. Когда она поднимается выше 280 °C, начинается сильная экзотермическая реакция, высвобождается много энергии. В последней фазе (t>500 °C) из дымовых газов при их прохождении через обугленные слои выделяются горючий монооксид углерода и водород. Твердый остаток — красный, черный или белый уголь.
Окислительный пиролиз
Этот вид пиролиза можно назвать самым экологичным и продуктивным. Он применяется для обработки вторсырья. Реакция проходит при высоких температурах. Например, при пиролизе метана, он смешивается с кислородом, частичное сгорание вещества выделяет энергию, которая нагревает оставшееся сырье до температуры 16000 ?С.
Окислительный пиролиз используют для того, чтобы обезвредить промышленные отходы с повышенным содержанием нефти. А также для переработки пластика, резины и других материалов, не поддающихся естественному разложению в природной среде.
«Окислительный пиролиз позволяет перерабатывать сырье различных консистенций. В том числе материалов в жидком и газообразном состоянии».
Внедрение метода на бытовом уровне
Жить в пригороде становится все более популярно. Однако далеко не все горожане готовы к заготовке дров, а газификация поселков и дачных участков решается довольно туго.
Альтернативой традиционным способам утепления жилых помещений выступают бытовые пиролизные котлы. Сегодня они не просто становятся источником энергии практически из мусора, но оснащены современной электроникой и принудительной вентиляцией. Бытовые котлы «Пиролиз 43» – одна из популярных моделей, представленная рынке подобных товаров. Оборудование имеет два котла сжигания, что гарантирует дожег образующих паров, газов, прочего. Это делает их использование преимущественным во всех отношениях: экономично, безопасно, эффективно.
Причем для использования данной модели котла также подходят дрова, но специалисты подчеркивают: топливо в котлах скорее тлеет, чем горит, плюс дополнительный дожег, – обеспечивают существенную экономию ресурсов.
Зола почти не образуется, а значит владельцам не придется долго думать над очисткой оборудования в процессе эксплуатации. Последнее, что важно для бытовых пользователей – это возможность выбирать котел подходящего дизайна (в том числе и его цвет).
Виды сухого пиролиза
Сухой пиролиз один из самых востребованных в промышленности. С его помощью получают топливо, различные химические соединения и обезвреживают вторсырье. Используя разные температурные режимы пиролиза получают газ, жидкие и твердые продукты сгорания.
Разогрев котла до максимальной температуры в 5500 ?С, считается низкотемпературным режимом. При таких температурах образования газов практически не происходит. Работа направлена на производство полукоксов (в промышленности их активно используют в качестве топлива) и смол, из которых в дальнейшем производят искусственный каучук.
Протекание пиролиза при температурах от 550 до 9000 ?С считается низкотемпературным, но фактически, учитывая технические возможности, принадлежит к среднему температурному режиму. Его использование целесообразно при необходимости производства пиролизного газа и твердых осадков. При этом исходное сырье может включать фракции неорганического происхождения.
Течение пиролиза при температуре выше 9000 ?С считают высокотемпературной реакцией. Работа котла при максимальной температуре в 9000 ?C позволяет получать твердые материалы (кокс, древесный уголь и другие) с низкой долей выделяемого газа.
Выгонка с использованием более высоких температурных режимов нужна для получения преимущественно газообразных веществ. Практическая польза от высокотемпературного режима заключается в том, что полученные газы можно использовать в качестве топлива.
«Высокотемпературный пиролиз не требователен к содержанию перерабатываемого сырья. При использовании низкотемпературного режима необходимо соблюдать все этапы подготовки, включая сушку и сортировку».
Пиролиз
ПИРОЛИЗ (от греч. pyr — огонь, жар и lysis — разложение, распад * а. pyrolysis; н. Pyrolise; ф. pyrolyse, thermolyse; и. pirylisis) — разложение веществ под действием высоких температур. Обычно термин используют в более узком смысле и определяют пиролиз как высокотемпературный процесс глубокого термического превращения органических соединений, например нефтяного и газового сырья при 700-900°С.
Промышленное значение имеет в основном пиролиз нефтяного и газового сырья. Применяется также пиролиз твёрдых топлив (древесины, каменных и бурых углей, торфа, сланца).
Первые заводы пиролиза построены в России (в Киеве и Казани) в 70-х гг. 19 века пиролизу подвергали преимущественно керосин с целью получения газа для освещения. Позднее была доказана возможность выделения из смолы, образующейся при пиролизе, ароматических углеводородов. Во время 1-й мировой войны 1914-18 пиролиз широко применялся в связи с получением толуола (сырья для производства сильного взрывчатого вещества — тротила).
Цель пиролиза нефтяного сырья — получение углеводородного газа с высоким содержанием непредельных углеводородов; сырьём для пиролиза являются также газообразные углеводороды (этан, пропан, бутан и их смеси). Продукты пиролиза — главным образом этилен, в некоторых случаях пропилен, бутилен и бутадиен. Побочные полезные продукты пиролиза — смолы, содержащие моно- и полициклические арены (бензол, толуол, ксилолы, нафталин, антрацен и др.). При пиролизе этана, пропана, бензина и газойля образуются этилен, водород, сухой газ (CH4+ С2Н6), а также дополнительно фракция С3 из пропана, бензина и газойля, фракция О из бензина и газойля, лёгкое и тяжёлое масло из бензина и газойля. Максимальный выход газа достигается при пиролизе газообразного сырья — этана, пропана, н-бутана. Из жидкого сырья предпочтителен парафинистый бензин с пониженной температурой конца кипения. С максимальным выходом этилен образуется из этана при 1000°С, времени контакта 0,01 с.
В промышленности распространён пиролиз бензина в трубчатых печах: смесь бензина с водяным паром нагревают до 840-850°С, а затем быстро охлаждают в «закалочном» аппарате для предотвращения пиролитического уплотнения непредельных углеводородов. Парогазовую смесь отделяют от тяжёлой смолы, воды, разделяют газ и лёгкое масло пиролиза. После перегонки жидких продуктов на установке пиролиза получают 4 фракции с температурами кипения: до 70°С, 70-130°С (бензольно-толуольная), 130-190°С (С8-С9) и выше 190°С (тяжёлая смола). Фракция Cs содержит более 50% непредельных углеводородов, в т.ч. циклопентадиен и изопрен. Фракцию 70-130°С гидрируют, из неё извлекают бензол и толуол. Фракция 130-190°С содержит ксилолы и этилбензол (10-12% по массе), стирол, инден, дициклопентадиен и другие соединения. Из тяжёлой смолы отгоняют фракцию 190-230°С с целью выделения нафталина. Тяжёлая часть смолы содержит смолисто-асфальтеновые компоненты и используется как сырьё для производства сажи или беззольного кокса. Выход жидких продуктов пиролиза составляет (% по массе): 2-3 из этана, 7-10 из пропана, 8-10 из н-бутана, 12-15 из пропан-пропиленовой фракции, 20-30 из бензина, 40-50 из керосино-газойлевой фракции. Мировое производство пиролизного этилена для получения полиэтилена, этанола, стирола, окиси этилена и других продуктов превышает 50 млн. т в год.
Пиролиз (коксование, карбонизация, дегазация) твёрдых топлив (угля, торфа, сланца, древесины) осуществляется при высоких до 900-1050°С, средних до 700°С и низких температурах до 500-550°С. Основная масса продуктов пиролиза образуется при температурах (°С): каменный уголь 300-500, бурый уголь 250-450, антрацит 400-550, торф и древесина 150-400. В продуктах пиролиза содержатся летучие, жидкие и твёрдые вещества: Н2, CO, CO2, CH4, С2Н4, Н2S, NH3, Н2О, бензол, (NH4)2SO4, каменноугольная смола, остаток — кокс или полукокс. Выход продуктов пиролиза на 1 т угля составляет: до 300 нм3 газа, до 10 кг сырого бензола, до 3 кг NH3 и Н2S, до 120 л подсмольной воды, до 90 л смолы, до 700 кг полукокса. Смола состоит из более 400 циклических углеводородов и гетероатомных соединений типа нафталина и его производных, антрацена, фенола, производных пиридина, хинолина, тионафтена и др. Ректификацией смолы получают фракции (°С): до 170 лёгкое масло, 170-210 фенольную, 210-230 нафталиновую, 230-270 поглотительное масло, 270-360 антраценовую, остаток — пек. Пиролиз используется при геохимических исследованиях нефтематеринских пород для оценки их генерационного потенциала.
Пиролиз ТБО
Экологически чистая переработка мусора – одно из ключевых направлений использования пиролиза. Данные агрегаты позволяют в разы сократить негативное воздействие антропогенного фактора на окружающую среду.
В процессе пиролиза распадаются биоактивные вещества, не выплавляются тяжелые металлы. После термического распада в пиролизных котлах практически не остается невостребованных отходов, что позволяет значительно сократить площади, для их дальнейшего хранения.
Так, например, сжигая 1 тонну покрышек мы загрязняем атмосферу 300-ми кг сажи. Кроме того, в воздух поступает около 500 кг токсичных веществ. Переработка того же материала в пиролизных установках позволяет использовать резину в энергетических целях, получать вторсырье для дальнейшего производства и значительно сокращает вредные выбросы.
Снизить вредное воздействие на окружающую среду удается благодаря многоступенчатой системе переработки. В процессе пиролиза отходы проходят четыре этапа утилизации:
- первоначальную сушку;
- крекинг;
- дожигание остатков переработки в атмосфере;
- очистку полученных газообразных веществ в специальных поглотителях.
Пиролизные установки позволяют перерабатывать отходы:
- деревоперерабатывающих предприятий;
- фармацевтической отрасли;
- автопрома;
- электротехники.
Метод пиролиза успешно справляется с полимерами, отходами канализации и бытовым мусором. Нивелирует воздействие на природу нефтепродуктов. Отлично подходит для утилизации органических отходов.
Единственный минус пиролизных агрегатов обнаруживается при переработке сырья, содержащего хлор, серу, фосфор и другие ядовитые химикаты. Продукты полураспада этих элементов под действием температуры могут соединяться с другими веществами и образовывать токсичные сплавы.
Необходимость в пиролизных установках
Главная проблема утилизации мусора и других отходов ТБО обсуждаемым методом, это найти эффективный и недорогостоящий способ для улавливания испарений, возникающих во время сжигания. При горении выделяются хлор, фосфор, сера. Более того, некоторые отдельно взятые случаи сжигания отличаются присутствием реакции взаимодействия хлора с другими продуктами сжигания, в результате чего могут образовываться просто ядовитые соединения.
Современные установки решают ряд описанных трудностей. Например, ограниченность доступа кислорода сокращает вероятность образования токсинов: фуран, бензапирен, прочих.
Возможность создания циклических комплексов переработки отходов ведет к почти безотходному производству. Достигается максимальная экономия энергетических ресурсов. Кроме того, образующийся в результате шлак идет на ремонт дорог, что дополнительно повышает экономическую значимость переработки.
Расширяется круг вероятных мест размещения заводов (даже на территории городов). Поскольку в идеале не должно быть выбросов в окружающую среду: отсутствие газообразных ядовитых испарений, исключение образования производственных стоков (все собирается и циклически перерабатывается).
Последнее преимущество, все перечисленные возможности выполняются на довольно компактном оборудовании, без огромных труб, высоких устрашающих зданий. Организовать производство вторичных отходов вполне реально в небольшом ангаре.
Видео – пиролизные установки для утилизации отходов:
Пиролиз древесины
Эту процедуру еще называют древесным крекингом, а зародилась она именно в России. Прообраз современного агрегата еще в незапамятных временах изобрели наши углежоги. Для получения древесного угля без доступа воздуха, они воспламеняли древесину под слоем земли.
Сегодня этот процесс гораздо совершеннее и проходит в несколько этапов. Начинается крекинг при разогреве до 2000 ?С. На этом этапе выделяется большое количество оксида углерода. Если продолжить его сжигание в атмосфере, то удастся получить огромное количество энергии.
Затем котел разогревается до 5000 ?С. В этом температурном режиме получают метанол, смолы, ацетон и уксусную кислоту. Кроме этого вырабатывается твердый углерод, больше известный, как древесный уголь.
