Пиролиз: что это, определение понятия, методы и их использование

Историческая справка

Пиролиз дерева — один из первых химических процессов, начавших активно использоваться людьми. В России, к примеру, такую реакцию еще в XII в широко применяли для выработки сосновой смолы. Последнюю далее использовали для пропитки канатов, а также для обработки речных и морских судов. В промышленных же масштабах применять пиролиз для пропитки древесины первыми начали шведы. В этой стране такая реакция также использовалась для получения пропиточной смолы.

В начале XX века в России сформировалось несколько лучших в мире школ по пиролизу древесины. Связано это было, конечно же, в первую очередь с тем, что на территории нашей страны растет множество лесов. До начала использования природного газа у нас в России на многих предприятиях было установлено мощное газогенераторное оборудование. Использовались такие установки до появления работающих на природном газе достаточно долго.

Конечно, в последующем такое оборудование было признано устаревшим. Газогенераторные установки с заводов убрали. И до настоящего момента, к сожалению, пиролиз как вид альтернативного экономичного вида топлива, в отличие от европейских стран, в РФ не получил широкого распространения. Однако этот вид топлива в России на данный момент признан достаточно перспективным. Поэтому, возможно, в скором времени пиролизный газ будет использоваться у нас в стране намного шире. Ведь применение такого топлива позволяет не столько сэкономить деньги, но и сохранить окружающую среду.

Что такое пиролиз — описание процесса

Теоретически можно сжечь любое вещество, включающее соединения углерода с водородом, например:

• уголь;
• природный газ (метан, пропан и так далее);
• биомасса – свежая, сухая;
• изделия из дерева, целлюлозы, обычные дрова;
• различные виды пластмасс;
• резина из натурального либо искусственного каучука;
• нефть, ее производные;
• прочие углеродосодержащие отходы.

На выходе получите определенное количество тепловой энергии, зависящее от первоначальной влажности сжигаемой массы. Для описания процессов воспользуемся химической формулой:

Горение – это реакция быстрого окисления. В идеальных условиях каждый атом углерода соединяется с двумя частицами кислорода, а 2 атома водорода взаимодействует с 1 частицей кислорода. В результате образуются безвредные соединения – углекислый газ СО2 и вода. Последняя испаряется при нагреве, отнимая часть выделяющейся теплоты.

Важный момент. В реальных условиях далеко не все атомы водорода и углерода находят себе пару из-за недостатка молекул кислорода. Поэтому в состав продуктов горения входит небольшая доля вредных горючих соединений – угарный газ (СО), свободный водород (Н2) и углерод в виде сажи.

Даже в костре выделяются пиролизные газы — они сгорают над основным пламенем, соединяясь со свободным кислородом

Пиролиз — это реакция разложения вещества, протекающая при нагреве и нехватке свободного кислорода. Указанный принцип используется в газогенераторных установках:

1. Топливо (в частности, дерево) помещают внутрь закрытого металлического сосуда – реактора.
2. Емкость подогревается извне до 500…900 градусов, сквозь специальные отверстия — фурмы подается дозированное количество воздуха.
3. Под воздействием высокой температуры вещество разлагается на 3 основных компонента – угарный газ (СО), водород (Н2) и твердый или жидкий углеродный остаток. Параллельно образуется небольшое количество углекислого газа и водяного пара.
4. Летучие продукты составляют пиролизный газ – горючую смесь водорода и окиси углерода, покидающую емкость через отдельный трубопровод. Выделенное газообразное топливо очищается, охлаждается, потом закачивается в резервуар.

Схема простейшей газогенераторной установки с водяным затвором

Справка. В условиях производства полученный синтез-газ направляется на подогрев той же емкости газогенератора.

Горение и пиролиз – 2 разных процесса, могущих протекать одновременно. Пример: во время интенсивного сжигания дров в топке котла образуется малый объем угарного газа, безвредного СО2 значительно больше. И наоборот, в режиме тления дрова выделяют много водорода и угара, часть которого успевает превратиться в СО2 — окислиться. То есть, все зависит от количества участвующего в реакции кислорода.

Схема пиролиза

Главным элементом в любой пиролизной установке является реактор, состоящий из швельшахты и шахтной печи.

В верхнюю часть данного реактора поступают твердые бытовые отходы, которые в процессе пиролиза спускаются ниже через швельшахту. В верхних слоях реактора происходит подсушивание сырья, которое поступает в реактор.

Затем сырье под действием собственного веса продвигается в среднюю часть реактора, где и происходит непосредственно сам процесс пиролиза.

Здесь, в бескислородной среде, происходит коксование мусора и его термическое разложение.

Для защиты атмосферного воздуха от загрязнения делается следующее — из пиролизного реактора дымовые газы проходят через котел-утилизатор, затем они направляются в распылительную сушилку и после этого попадают в абсорбер.

После очистки дымовых газов в абсорбере суспензией известкового молока, отработанная суспензия отправляется в распылительную сушилку, а газы выбрасываются в атмосферу.

Во время данного процесса происходит высокоэффективное обезвреживание твердых бытовых отходов, которые затем попадают в нижнюю часть реактора, и выводятся наружу.

Полученный в результате данного процесса шлам, представляющий собой смесь золы и солей, собирают в контейнеры и отправляют потребителю, либо направляют в специальный отвал для хранения.

Продукты пиролиза являются абсолютно безопасными с экологической точки зрения и впоследствии могут быть использованы в качестве топлива или ценного сырья для промышленности и народного хозяйства.

Методы пиролиза

Существует два основных метода: сухой и окислительный, которые используются для утилизации разных видов сырья и отличаются по способу нагрева.

Сухой метод

Пиролиз протекает без доступа кислорода, чтобы предотвратить горение или окисление. При необходимости добавляют дегидрирующие или дегидратирующие средства. Емкости с сырьем нагреваются снаружи. Лабораторные установки оборудованы системами электрического теплоснабжения.

Различают три температурных режима:

• низкотемпературный, или полукоксование (до 550 °C)
• среднетемпературный (550-800 °C);
• высокотемпературный, или коксование (выше 800 °C).

Сухой метод подходит для переработки и обезвреживания углеводородных отходов. Полученные продукты — сырье для химической промышленности.

Окислительный метод

Пиролизуемое сырье нагревается до 600-900 °C путем подачи в закрытый контейнер горячих дымовых газов или частично сжигается. Окислительный метод пиролиза применяется для уничтожения твердых отходов промышленных предприятий и сточных вод, переработки пластика, резины и других материалов, которые нельзя сжигать или газифицировать.

Современные методы

1. Каталитический низкотемпературный пиролиз. Новая технология переработки волокнистых композиционных материалов на основе смол, которую американская компания Adherent Technologies разрабатывает для получения углеродных волокон. Используется катализаторы и температура ниже 200 °C, поэтому вторичные волокна не распадаются и мало уступают по качеству первичным.
2. Инициированный пиролиз. Разработан для переработки углеводородного сырья. При использовании определенных веществ (инициаторов) увеличивается выход конечных продуктов. Например, участие в реакциях галогенсодержащих и пероксидных соединений приводит к образованию большего количества этилена и пропилена.
3. Термоконтактный пиролиз. Углеводороды сырья вступают в прямой контакт с катализатором — частицами нагретого огнеупорного материала, расплавленным металлом или другим теплоносителем. Основные преимущества метода — непрерывное устранение нежелательных накоплений кокса, возможность подвода тепловой энергии в любом количестве.
4. Гидропиролизный пиролиз. Соединения нагреваются до высоких температур в присутствии воды. Давление достигает 100 бар, температура — 900 °C. Вместо кокса, доля которого обычно составляет около 80%, выделяется больше газообразных углеводородов и около 20% смолы.

Условия проведения пиролиза и химические реакции

В промышленных условиях пиролиз углеводородов осуществляют при температурах 800—900 °C и при давлениях, близких к атмосферному (на входе в нагреваемый трубопровод — пирозмеевик

~0,3 МПа, на выходе из него — 0,1 МПа избыточного давления).

Время прохождения сырья через пирозмеевик составляет 0,1—0,5 сек.

Теория пиролиза недостаточно изучена. Большинство исследователей придерживаются теории цепного свободно-радикального механизма разложения при пиролизе в таких условиях.

Условно, все реакции при пиролизе можно разделить на первичные и вторичные. Первичные реакции протекают со снижением молекулярной массы продуктов пиролиза. Это, в основном, реакции расщепления высокомолекулярных парафинов и нафтеновых углеводородов с образованием углеводородов с меньшей молекулярной массой, что сопровождается увеличением объёма газообразной смеси.

Далее возможны вторичные реакции синтеза более тяжёлых молекул из низкомолекулярных непредельных углеводородов. Эти реакции протекают, преимущественно, на поздних стадиях пиролиза.

 

При увеличении молекулярной массы молекул в смеси продуктов реакции уменьшается объём газов реакционной массы.

В основном, реакции образования ароматических, конденсированных ароматических углеводородов типа нафталина, антрацена в результате реакции конденсации/поликонденсации ведут к синтезу термически стабильных ароматических углеводородов в том числе, по реакциям типа Дильса — Альдера.

Также, ко вторичным реакциям можно отнести реакции образования смеси различных пастообразных углеводородов, с низким удельным содержанием водорода в молекулах соединений, называемых в промышленности пёком

.

Пёк при обжиге при температурах свыше 1000 °С теряет водород в составе молекул легкокипящих углеводородов. Получаемый продукт, как правило, называют пиролитическим коксом. Но пиролитический кокс отличается по многим физическим свойствам, в частности, по абсорбционной способности, от каменоугольного кокса.

Деление реакций на первичные (разрушение тяжёлых молекул) и вторичные (синтез поликонденсированных ароматичеких углеводородов) условно, так как оба типа реакций происходят одновременно.

Для снижения скоростей вторичных реакций пиролиза — синтеза используют разбавление сырья пиролиза водяным паром. В результате парциальное давление пара углеводородов снижается и, согласно принципу Ле Шателье, снижение давления в зоне реакции будет способствовать протеканию реакций, идущих со снижением молекулярной массы, то есть с увеличением объёма, таким образом обеспечивается увеличение выхода продуктов расщепления — продуктов первичных реакций.

Концентрация водяного пара в процессе пиролиза выбирается в зависимости от целевого продукта. Так, для получения этилена, бутилена, бензина соотношение пара к сырью обычно составляет 0,3:1,0, 0,4:1,0, 0,5:1,0 соответственно.

Влияние повышенной влажности

Большое содержание влаги в исходном материале одинаково пагубно влияет на реакции горения и пиролиза. Рассмотрим процессы на примере сжигания древесины:

1. При горении выделяемая энергия тратится на испарение воды, содержащейся в дровах. Количество теплоты на выходе существенно уменьшается, топливо сжигается впустую.
2. Влага сильно замедляет термическое разложение вещества. Часть затрачиваемой на прогрев теплоты отнимает испаряющаяся вода, нужная температура (минимум 500 °C) не достигается. Пиролиз древесины, содержащей свыше 50% влаги, практически невозможен.

Лучший показатель влажности для плодотворного сжигания либо разложения древесины в газогенераторе – 8…15%. В домашних условиях нереально добиться таких показателей, длительная сушка дров под навесом позволяет достичь 20—25% влагосодержания.

Справка. При изготовлении топливных пеллет и брикетов на заводе древесные опилки высушиваются до показателя 8—10%. Максимальная влажность готовых гранул – 15%.

Виды установок

Пиролизные установки для переработки бытовых и промышленных отходов существуют давно. Они преобразуют твердые материалы в горючие газы. Наряду с крупными устройствами производительностью несколько тысяч тонн в год имеются небольшие, которые генерируют электроэнергию.

В 2000-е годы появились модели, предназначенные для получения биоугля.

Комплекс обращения с отходами, оборудованный пиролизной установкой, Канада

Технические комплексы собирают из разных модулей. Например, устройство, перерабатывающее пластмассы и резиновые изделия, может состоять из печи пиролиза, расположенной выше системы вытяжки отработанных газов, линии химосинтеза, вентилятора, дымососов, силовой части.

Промышленное применение

1. Переработка ТБО. Пиролиз твердых бытовых отходов — важная альтернатива сжиганию, так как в процессе разложения образуется гораздо меньше вредных веществ. При переработке не сортированного мусора виды и количество конечных продуктов зависят от его состава.
2. Утилизация промышленных отходов.Удается переработать не только твердые материалы (нефтешлам, отходы производства резин и пластмасс), но также ликвидировать сточные воды.
3. Получение углеводородов. На пиролиз приходится почти 100% мирового производства этилена, 67% — пропилена, 80% — бутадиена и 37% — бензола. Их источники — углеводороды и нефтепродукты.Из газового сырья и жидкостей получают полимеры, необходимые для изготовления синтетических материалов, включая пластмассы.
4. Получение ацетилена из метана. Этот углеводород сразу перерабатывается в другие продукты: пластмассы, синтетический каучук, растворители, этиловый спирт.
5. Переработка древесины.Процесс пиролиза — источник получения древесного угля.

Продукты пиролитического разложения

Конечные продукты — это газы, твердые продукты, жидкости. Их количество и состав зависят от вида пиролизуемого сырья, температуры, вспомогательных добавок, давления, продолжительности обработки. При разложении полимеров во многих случаях получается пиролитический газ, основную часть которого составляют мономеры. Дополнительно выделяется тепловая энергия.

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.

Особенности конструкции

Пиролизные котлы — один из видов твердотопливных котлов, который в последнее время пользуется повышенным спросом из-за постоянно растущих цен на газ и электроэнергию, их еще называют — газогенераторные котлы.

Основным топливом для пиролизного твердотопливного котла является:

• древесина;
• брикеты;
• щепа;
• древесные отходы.

Очень редко в качестве топлива используется каменный уголь или кокс. Пиролизные котлы комфортны в эксплуатации, отличаются надежностью и большим сроком эксплуатации. Прежде чем купить пиролизный котел нужно изучить возможность выполнения строгих требований по качеству используемого топлива.

В подавляющем большинстве разрешается применять древесину, влажностью не более 20 %. При использовании древесины с большим количеством влаги резко снижается эффективность.

Пиролизный котел работает по принципу сухой перегонки топлива.

При недостатке кислорода, под воздействием высокой температуры, сухая древесина разлагается на твердый остаток и летучую часть (пиролизный газ, который впоследствии смешивается с горячим воздухом).

Эта воздушно-газовая смесь, которая образовалась в процессе пиролиза, является топливом пиролизного котла. Процесс пиролизного сжигания является экзотермическим (сопровождается выделением теплоты).

Происходит он при температурах от 200 до 800 оС и обеспечивает подогрев поступающего в камеру сжигания воздуха. При этом происходит прогрев и подсушивание топлива в камере агрегата, за счет чего минимизируется выход сажи и золы.

Для пиролизного или газогенераторного котла характерным является более высокий КПД по сравнению с традиционной твердотопливной техникой.

При сжигании качественного топлива, КПД пиролизного котла находится на уровне пеллетных котлов и котлов длительного горения и достигает 90 %.

Пиролизные твердотопливные котлы используются как в частных домах и квартирах, так и для отопления производственных помещений.

Пиролизные котлы являются весьма рентабельным видом отопительной техники. Достаточно высокая цена на пиролизный котел покрывается за счет низкого потребления топлива.

В обычном твердотопливном агрегате длительного горения теплоноситель нагревается от тепла, выделяемого при горении топлива, то пиролизные котлы работают по-другому принципу.

При сжигании органического топлива (дров, пеллет, дровяных брикетов и даже угля) при температуре 400-800°С выделяется газ, сжигая который, можно получить намного больше тепла, чем при сжигании топлива.

Процесс газообразования из твердого топлива и последующее сжигание полученного газа называется пиролизом, а агрегаты, использующие такой принцип работы, называются пиролизными, или газогенераторными котлами.

В пиролизном котле присутствуют две камеры, и в обеих осуществляется горение:

• Камера сгорания – сжигаются (обугливаются) дрова или другое топливо.
• Камера дожига – сжигается газ, выделяемый топливом.

В камере сгорания располагается и поджигается топливо. В зону горения подается первичный воздух. При прогреве топлива до определенной температуры начинается газовыделение.

При помощи дымососа газ, вместе с вторичным воздухом, засасывается в камеру дожига (она расположена ниже уровня топлива) и сгорает там, выделяя тепло.

Продукты горения попадают в дымовой тракт (газоход) и поступают в дымоход, проходя через водяную рубашку агрегата и нагревая теплоноситель.

В результате, дрова превращаются в древесный уголь, сгорая практически полностью, а дым очищается от неприятных запахов и угарного газа.

Почему лучше выбирать пиролизный котел и основные правила его эксплуатации

1. Во-первых, во время сгорания дров нельзя достичь такой высокой температуры, как в процессе сгорания газа, полученного из них.
2. Во-вторых, чтобы поддерживать горение газа требуется меньше вторичного воздуха, чем для сжигания дров, соответственно, температура горения будет больше, а вместе с ней и эффективность.
3. В-третьих, процедурой сжигания пиролизного газа проще управлять, таким образом, функционирование газогенераторного котла автоматизирован также, как жидкотопливный или газовый.

В основе этого оборудования лежит технология пиролизного сжигания топлива. Его сущность состоит в том, что под воздействием повышенной температуры и в условиях нехватки кислорода древесина начинает разлагаться на твердый остаток и летучую часть — пиролизный газ.

Пиролиз происходит при температуре в пределах от 270 – 700 градусов. Этот процесс является экзотермическим, другими словами, он характеризуется выделением тепла, благодаря чему повышается подсушивание и прогрев топлива в котле.

В дальнейшем смешение кислорода с пиролизным газом при значительной температуре приводит к сгоранию последнего, который применяется с целью получения тепловой энергии.

Пиролизный газ активно взаимодействует с углеродом, за счет чего на выходе из котла дымовые газы почти не включают вредных примесей, считаясь, в большей мере, смесью водяного пара и углекислого газа.

Многочисленные исследования показали, что двуокись углерода будет выбрасываться в окружающую среду до трех раз меньше, чем от обыкновенного дровяного и, тем более, угольного котла.

Процедура пиролизного горения отличается формированием незначительного количества золы и сажи, именно поэтому это оборудование крайне редко требует очистки.

Преимущества пиролизных котлов длительного горения с водяным контуром – это экологичность.

Заявленная производителями эффективность лишь на 4 – 10% превышает производительность обычного твердотопливного котла. Очевидно, что выбор должен основываться на учете индивидуальных особенностей отопительной системы и предпочтений хозяев.

Основные признаки качественной модели которую стоит приобрести:

• Хорошие, аккуратные сварные швы и достаточная толщина материала (не менее 4 мм). Тонкий металл в дешевых котлах быстро прогорает и больше подвержен коррозии. Покупать подобные изделия — плохое решение!
• Керамическая форсунка и обшивка камеры сгорания газов (такая модель прослужит дольше). Этот материал обладает отличными огнеупорными свойствами. Следите за тем чтобы применялась именно керамика, как самый надежный материал для этих частей котла.
• Две рабочие камеры с возможностью плавной регулировки подачи воздуха. Две камеры – основной признак эффективной пиролизной модели! Если вам нужны высокопроизводительные и в то же время экономичные котлы длительного горения — выбирайте пиролизные котлы длительного горения с водяным контуром.
• Теплоноситель контактирует только с дымоходом и камерой сжигания газа. Если этот технический момент не соблюдён, котёл будет терять тепло, так как основная топочная камера имеет более низкую температуру (теплоноситель остывает при контакте).
• Наличие автоматического блока управления и соответствующей гарантии на него. Ремонт этого очень важного для регулировки подачи воздуха узла в некоторых случаях обходится до 50% от общей стоимости оборудования. Отнеситесь серьезно к данной части котла.

Еще несколько советов по выбору котла:

• Необходимую мощность можно рассчитать исходя из площади помещения и степени утепления. Примерно нужно брать 1 вКт на 10 м2, при этом набросить несколько кВт, учитывая еще и функции котла как бойлера. Так, если у вас площадь 80 м2, то подойдет вариант мощностью на 10 кВт, но если площадь 100 м2 и стены не утеплены, то 10 кВт будет мало;
• Размеры топки важны, если вы будете топить дровами, чем она больше, тем большие размеры дров можно будет туда поместить;
• Время горения без дозагрузки обычно указано с учетом топлива отменного качества, так что берите 2/3 от этих данных. Например, при заявлены 10 часах можно рассчитывать на 6;
• Энергонезависимость очень важна для выбора котла на дачу или отдаленное от электричества место, кроме того, это еще и экономия электричества.

Для нормальной работы оборудования необходимо соблюдать определенный диапазон температуры горения топлива. Это диапазон от 2000 до 8000 С.

Необходимо достаточно точно настраивать устройство. Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций при высокой температуре служит водяной контур агрегата.

Корпус играет роль теплообменника, между его стенками проходит вода. Эта особенность и встроенный змеевик в одной из стенок препятствует созданию запредельной температуры.

При недостаточной температуре воды, прекращается образование пиролизного газа, в топочную камеру подается воздух и котел работает как обычная печь на твердом топливе. Не допускается остывание воды ниже температуры ниже 600 С. В этом случае, процесс горения без кислорода прекращается в любом типе пиролизных котлов.

Для обеспечения малого водяного контура и перехода оборудования в рабочее состояние предусмотрена установка в водяном контуре дополнительной перемычки (байпаса). Регулировка байпаса производится вручную, для контроля над температурой предусмотрена установка датчиков температур.

Данный тип оборудования может работать на всех типах дров, брикетах, паллетах.

В реальности может применяться такой вид топливо, как уголь. Предусмотрена переработка горючих бытовых и промышленных отходов. Но это может вызвать неприятные последствия из-за содержания в них высокого содержания полимеров и резины.

Пиролизные котлы выпускаются только одноконтурными и не могут использоваться для подогрева воды. Но, в случае отсутствия природного газа, для создания в здании комфортных условий, данный вид оборудования является лучшим решением проблемы.

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.

Какие отходы можно перерабатывать при помощи пиролиза

Обратите внимание! ТБО – твердые бытовые отходы – разные субстанции, которые без обработки невозможно вторично использовать в бытовой деятельности человека. ТБО – это смесь веществ органического и неорганического происхождения, имеющих разные свойства

В России отходы не сортируются. Однако за рубежом, да и у нас в стране есть тенденция к снижению в мусоре доли пищеотходов и увеличению доли упаковочных материалов: пластика, картона, бумаги. Исследования показали, что примерно 30 процентов по весу и 50 процентов по объему ТБО приходится на долю упаковочного материала. А 13 процентов по весу и 30 процентов по объему упаковочного материала приходится на долю пластмассовых изделий, в подавляющем большинстве пластиковой посуды. Органическую составляющую мусора подразделяют на:

ТБО – это смесь веществ органического и неорганического происхождения, имеющих разные свойства. В России отходы не сортируются. Однако за рубежом, да и у нас в стране есть тенденция к снижению в мусоре доли пищеотходов и увеличению доли упаковочных материалов: пластика, картона, бумаги. Исследования показали, что примерно 30 процентов по весу и 50 процентов по объему ТБО приходится на долю упаковочного материала. А 13 процентов по весу и 30 процентов по объему упаковочного материала приходится на долю пластмассовых изделий, в подавляющем большинстве пластиковой посуды. Органическую составляющую мусора подразделяют на:

• компостируемую (кухонные отбросы, опил, кора и ветки деревьев, щепа, старые газеты, картон);
• некомпостируемую (пластмассы, резина, кожа, выброшенные старые шины, кабели, вязкие пастообразные отходы, такие как машинное масло, нефтешламы, почва, на которую попали горюче-смазочные материалы).

Пиролизу подвергается компостируемая и некомпостируемая составляющие мусора.

Этапы обработки мусора

Прежде чем сжечь отходы, их подготавливают: измельчают и высушивают. Сушка — это процесс, требующий наибольшее количество энергии. При переработке древесины ее высушивают до 15%. Помимо удаления воды из дерева, заменяются некоторые компоненты.

Только после предварительной подготовки приступают к пиролизу отходов. Сначала разлагаются самые нестабильные части мусора. Их расщепление наступает при температуре до 300°С. В это время выделяется уксусная кислота, двуокись углерода и угарный газ.

При росте температуры выше 300°С, разлагается большая часть твердых бытовых отходов.

Этот процесс является экзотермическим, то есть сопровождается обильным выделением тепла. Активно образуется метанол, углеводород, аммиак, эфиры.

На последних этапах пиролиза макулатуры и других древесных остатков происходит прокаливание оставшихся в установке веществ. В этот момент температура достигает 500°С и продолжает расти. Выделяется смола с большой молекулярной массой, летучие газы. К примеру, водород, углекислый и угарный газы. В итоге остается древесный уголь.

Способы борьбы с образованием и отложением кокса

Для уменьшения образования и отложения кокса в пиролизных реакторах применяются следующие технологические способы:

• снижение значения парциального давления перерабатываемого сырья с помощью разбавления его водяным паром;
• механическая обработка внутренних поверхностей труб печного змеевика с целью создания на них специальных защитных пленок;
• использование ингибиторов коксообразования.

Одним из основных факторов, которые оказывают влияние на скорость образования кокса, выступает химический состав материала, из которого изготовлен пиролизный реактор.

Например, снижению коксовых отложений способствуют такие материалы, как оксид хрома, кремниевые соединения, а также соединения титана, алюминия и ниобия. Если в составе материала реактора присутствуют значительные количества оксида хрома и кремниевых соединений, то это благоприятно влияет на защитные противококсовые свойства.

К примеру, 1-2 процента кремния в материале реактора на его внутренней поверхности образуется тонкая защитная пленка, химически описываемая формулой Fe2SiO4. Она образуется как результат предварительной парообработки или в процессе добавления водяного пара к пиролизному сырью.

Такая пленка может образовываться на основе такого металла, как висмут, с добавлением некоторых иных металлов, а также на основе свинца, который вводится в реактор с помощью специальных методик. В составе материала защитного (внутреннего) слоя, при изготовлении труб двухслойным способом, должны присутствовать:

• не более полутора процентов никеля;
• до сорока процентов хрома;
• от двух до пяти процентов кремния;
• до пяти процентов бора;
• не больше двух процентов марганца.

Владимир Хомутко

автору

Помимо создания защитного слоя на внутренней поверхности труб пирозмеевика, для борьбы с отложениями кокса в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности также используются так называемые ингибиторы коксоотложений, добавляемые в пиролизное сырье.

Наибольшее распространение получили ингибиторы на основе серосодержащих соединений, которые применяют в тех случаях, когда перерабатываемое сырьё не содержит серу (к примеру, переработка этана). В качестве таких ингибиторов могут быть использованы любые сернистые соединения, которые разлагаются при температуре реакции пиролиза, с последующим выделением элементарной серы или сероводорода.

Как происходит обслуживание нефтяных скважин?

К таким соединениям относятся:

• сульфиды;
• сульфоксилы;
• дисульфиды;
• меркаптаны и прочие соединения серы.

Тиофен для этих целей применять не рекомендуется, поскольку он обладает относительной стойкостью к термическому разложению.

Оптимальным объемом добавляемых в перерабатываемое пиролизом сырье сернистых добавок (соединений, содержащих серу), является значение в диапазоне от 0,01 до 0,10 процента (от общего объема сырья). Такого количества достаточно, чтобы снизить коксоотложение на стенках пирозмеевика в 4 – 20 раз. Применение таких ингибиторов, кроме образования защитной серосодержащей пленки на внутренних поверхностях труб, также препятствует возникновению нежелательных процессов конденсации и полимеризации промежуточных пиролизных продуктов, которые тоже способствуют коксообразованию.

На практике, при пиролизной переработке нефтяных фракций, которые либо совсем не содержат серу, либо её содержание в их составе незначительно (чаще всего – этанов), в качестве ингибиторов чаще всего используется либо этилмеркаптан, либо органический дисульфид. Оптимальным объемом таких добавок к общему количеству сырья считается значение от 0,01 до 0,02 процента.

Безопасное использование

Функционирование пиролизного котла подразумевает работу на максимально высоких температурах. Поэтому каждый производитель предъявляет высокие требования к монтажу и эксплуатации оборудования.

Установку проводит специалист, имеющий необходимую компетенцию. Котёл размещается в отдельном помещении с хорошей вентиляцией, на агрегат устанавливается дымоход.

Учитывают также следующие правила эксплуатации:

• При отсутствии достаточной тяги или необходимого теплоносителя котёл нельзя эксплуатировать.
• Загрузку и розжиг оборудования запрещено доверять детям или каким-либо посторонним лицам.
• Температура воды в системе труб, идущих через котёл, не должна превышать 95 °C. Если показатель превышен, пламя в камере агрегата на время ослабляют с помощью песка. Параллельно с этим открывают все возможные заслонки дымохода.
• Котёл сильно нагревается во время работы, поэтому возле него не должны находиться легковоспламеняющиеся материалы и предметы.
• Модифицировать конструкцию котла и использовать не по назначению категорически запрещено.

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.

Перспективность пиролиза

В случае введения в химическую реакцию определенных катализаторов, наблюдается существенное повышение выхода продуктов. Ученые работают над проблемой загрязнения катализаторов в ходе реакции. В экспериментальных установках апробируют эффективность ингибиторов и активаторов, способных снижать скорость протекания вторичного процесса пиролиза.

В последнее время особое внимание уделяется разработке метода физического ускорения пиролиза с помощью электромагнитного поля. В повседневной жизни востребованы печи на базе крекинга, которые состоят из двух камер

В одной части происходит возгонка топлива путем крекинга, а во второй камере осуществляется его непосредственное горение

В повседневной жизни востребованы печи на базе крекинга, которые состоят из двух камер. В одной части происходит возгонка топлива путем крекинга, а во второй камере осуществляется его непосредственное горение.

Химизм превращений основывается на явлении горения биомассы. Сначала наблюдается обугливание древесины, затем она дымится, потом вспыхивает, полностью превращается в газообразные продукты. Под действием высокой температуры осуществляется деструкция (термическое разложение) древесины, что приводит к выделению смеси горючих газообразных веществ. Их количественный показатель напрямую зависит от показателя температуры. Если она превышает 450 градусов, наблюдается образование незначительного количества газообразных веществ, они не вспыхивают. Оптимальный температурный режим для процесса древесного пиролиза – 900 градусов по Цельсию. При разогревании до этого показателя всей поверхности дерева наблюдается его возгорание.

При этом выделяется дополнительное количество энергии, в результате чего химический процесс существенно ускоряется. При ограничении доступа в реакционную смесь кислорода разложение осуществляется с первоначальной скоростью. Образующиеся газы отводят, применяют их для различных направлений химического производства.

В естественных условиях пиролиз осуществляется совместно с горением. Сначала наблюдается нагревание древесины от внешнего источника энергии, потом происходит процесс разложения. При ограничении доступа в реакционную смесь кислорода возможно возгорание. Особенность процесса в отсутствии необходимости использования дополнительного источника энергии.

Преимущества и недостатки разных видов пиролиза

Каждый из типов имеет свои плюсы и минусы. Низкотемпературный пиролиз обладает такими преимуществами:

• можно перерабатывать мусор без сортировки;
• минимальное выделение токсичных окисей серы и азота.

Но минусов у этого метода больше, чем плюсов. Среди них:

• высокая стоимость установок;
• большие габариты печей и сложная конструкция;
• для эксплуатации необходимо много средств и рабочей силы;
• не распадаются высокомолекулярные соединения.

Среди преимуществ высокотемпературного пиролиза можно выделить следующие:

• газ используют в качестве сырья для тепловой энергии;
• на выходе газ имеет минимальное количество примесей;
• жидкие продукты пиролиза (масло) используют как заменитель нефти;
• золу применяют в дорожном строительстве.

Высокотемпературная переработка более выгодна с экономической точки зрения. Она требует меньше затрат, а продукты пиролиза можно использовать повторно.

Мифы о пиролизных ТТ-котлах

Главное конструктивное отличие газогенераторного отопителя от традиционного котла прямого горения – 2 камеры вместо одной. Между обеими топками устроена керамическая форсунка, воздух принудительно нагнетается вентилятором. Металлические стенки пиролизного агрегата защищены футеровкой из огнеупорного кирпича. Как он работает:

1. Дрова либо уголь закладывается в верхнюю (первичную) камеру и поджигается.
2. Автоматика запускает вентилятор наддува.
3. Когда температура в топливнике повышается до 500 градусов, начинается выделение пиролизных газов.
4. Увлекаемые общим потоком продуктов горения, эти летучие соединения попадают в нижнюю вторичную камеру, где дожигаются в присутствии кислорода (якобы).

В действительности, образовавшийся синтез-газ начинает гореть еще в первичной топке, поскольку вентилятор подает избыточный воздух. Во вторую камеру направлен лишь факел пламени…и все. Дальше продукты горения движутся по жаровым трубам теплообменника, нагревают теплоноситель и улетают в дымоход.

Дополнение. Есть другая конструкция отопителей – без вентилятора, вторичная камера расположена вверху. С точки зрения пиролиза концепция неработоспособна, агрегат функционирует как обычный водогрейный котел на дровах, хотя стоит вдвое дороже классических аналогов.

Сторонники пиролизных теплогенераторов (к таковым относятся производители данного оборудования, продавцы и домашние мастера-умельцы) приписывают своим ТТ-котлам следующие преимущества:

• топливо сжигается полностью, остаток в зольнике практически нулевой;
• длительность горения – 10 часов и более;
• малый объем вредных выбросов в атмосферу;
• высокая экономичность за счет КПД 86…90% (показатели производителей) по сравнению с традиционными котлами эффективностью 75%.

Попытаемся разобраться в правдивости перечисленных утверждений. Момент первый: если топливник загружать сухими дровами (такие требуются согласно инструкции по эксплуатации отопителя), то после сжигания останется мелкий пепел. Создаваемый вентилятором и ускоряющийся в форсунке воздушный поток попросту выдует легкий остаток в дымоход.

Результат – практически пустой зольник, иллюзия полноты сгорания. Если заложить сухую древесину в классический ТТ-котел с турбонаддувом, получите аналогичный остаток – немного пепла на дне. То есть, полнота сжигания зависит от качества топлива, а не конструкции теплогенератора.

Замечание. Закладка сырых дров влажностью свыше 50% даст негативный результат в любом котле. Рассматривать подобные варианты бессмысленно.

Кратко дадим ответы на оставшиеся утверждения:

1. Продолжительность горения 10—12 часов соответствует действительности. Другое дело, что показатель достигается за счет размеров топливной камеры (100 литров и больше), куда помещается много дров. Пиролиз абсолютно ни при чем.
2. Заверения об экологичности котла правдивы. Вентилятор нагнетает воздух с избытком, токсичных газов образуется очень мало. В режиме ожидания кислород в топку не поступает, дрова медленно тлеют и количество вредных выделений увеличивается.
3. КПД котла 90% — сказки. В режиме активного горения принцип работы котла аналогичен турбированным версиям традиционных агрегатов, чья эффективность не превышает 75%. При отключении вентилятора пламя затухает, тлеющие угли выделяют мало теплоты.

Вывод. Приобретение газогенераторной модели твердотопливного котла – затея весьма сомнительная. Агрегат втрое дороже обычных версий и вдвое тяжелее из-за футеровки. Самодельные теплогенераторы, как правило, надежнее и дешевле заводских, но чересчур громоздкие. По экономичности и другим характеристикам они не выигрывают у классических ТТ-котлов с турбиной либо цепным регулятором тяги.

Заключение

Мировые запасы каменного угля достаточно велики. Они могут быть использованы в виде источника топлива в связи с существенным истощением нефти. Аналитики, занимающиеся нефтегазовой отраслью, убеждены, что именно путем пиролиза можно производить качественные углеводороды. Они отмечают, что получаемое топливо не только имеет более высокие экологические показатели по сравнению с нефтяным топливом, но и вполне приемлемо для потребителей по ценовому диапазону. В случае сочетания синтеза Фишера-Тропша и газификации биомассы можно вести речь о перспективном способе изготовления возобновляемого варианта автомобильного топлива.

Синтетическое сырье, получаемое путем пиролиза угля, является конкурентоспособным только при стоимости нефти больше 40 долларов за баррель. Для производства подобной смеси углеводородов необходимы инвестиции в диапазоне от семи до девяти миллиардов долларов за восемьдесят тысяч баррелей синтетического топлива. Технологии, связанные с процессом пиролиза, признаны у экологов одними из самых безопасных для окружающей среды

Именно поэтому в последнее время многие развитые страны уделяют большое внимание разработке новых способов получения углеводородного топлива, которое бы позволило им отойти от традиционного нефтяного сырья. Благодаря инновациям и совершенствованию технологической цепочки процесс пиролиза стал существенно дешевле и доступнее для получения качественных жидких углеводородов

Образованные продукты применяют не только в качестве топлива, но и для создания разнообразных органических веществ.

Как вам статья?