Утилизация энергопотенциала углеводородных отходов низкотемпературным пиролизом

УТИЛИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТЕНЦИАЛА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ОТХОДОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ПИРОЛИЗОМ

Ф.Н. Булатбаев, канд. техн. наук, доцент

М.А. Драганова, магистрант

Е.Г. Нешина, магистр, старший преподаватель

Карагандинский государственный технический университет

Б01: 10.24411/2500-1000-2019-11779

Аннотация. В данной статье рассматриваются методы утилизации углеводородных отходов, таких как технические бытовые отходы (ТБО), шины и пластмассовые изделия, а так же сельскохозяйственные отходы и отходы жизнедеятельности животноводства (биомассы) методом низкотемпературного пиролиза. Предоставлена индивидуальная разработка низкотемпературного пиролизного котла для переработки углеводородных отходов. Приведены преимущества пиролиза по сравнению с непосредственным сжиганием отходов, эффективности пиролизной переработки с точки зрения предотвращения загрязнения окружающей среды. Доказано, что это эффективное решение по переработке мусора, так как позволяет получать тепловую энергию, максимально извлекать из отходов ценные компоненты и уменьшать антропогенное давление на окружающую среду.

Ключевые слова: пиролиз, твердые коммунальные отходы, переработка отходов, экология, кипящий слой.

В настоящее время запасы органического топлива истощаются и его использование во все возрастающих объемах, ведет к загрязнению окружающей среды. В будущем неизбежно сокращение потребления органического топлива и его замена другими источниками энергии. Использование нетрадиционных источников энергии наиболее привлекательно, так как оно не нарушает естественного баланса энергии, получаемой нашей планетой.

В связи с быстрым темпом развития промышленной индустрии и общим техногенным развитием цивилизации, особенно явно встает проблема утилизации, переработки и вторичного использования накопленных отходов, как бытового, так и промышленного характера. Переработка технических бытовых отходов (ТБО) является весьма перспективным источником энергии, использование которого позволит решить ряд проблем, связанных с нехваткой тепло- и электроэнергии. Во всем цивилизованном мире переработка ТБО является прибыльным бизнесом. Это объясняется тем, что в более развитых странах научи-

лись перерабатывать бытовой мусор, получая из него ценные вещества и тепло.

В этой связи, проведение целенаправленных теоретических и технологических исследований использования ТБО в качестве источника энергии, является весьма актуальной проблемой, решение которой будет способствовать восполнению энергетических ресурсов, обеспечивать экологическую безопасность, связанную с сокращением выбросов СО2 в атмосферу [13].

Переработка шин и пластмассовых изделий - одна из наиболее актуальных проблем из числа поставленных мировым автомобилестроением перед человечеством. Дело в том, что резина, будучи термореактивным полимером, устойчива к воздействию высокой температуры, поэтому, такие изделия крайне проблематично использовать дважды.

Особый интерес представляет технология утилизации ТБО методом пиролиза. Это одно из наиболее эффективных решений по переработке мусора, так как позволяет получать тепловую энергию, максимально извлекать из отходов ценные ком-

поненты и уменьшать антропогенное давление на окружающую среду.

Анализ существующих методов

Переработка технических бытовых отходов является весьма перспективным источником энергии, использование которого позволит решить ряд проблем, связанных с нехваткой тепло- и электроэнергии. Во всем цивилизованном мире переработка ТБО является прибыльным бизнесом. Это объясняется тем, что в более развитых странах научились перерабатывать бытовой мусор, получая из него ценные вещества и тепло [4].

В этой связи, проведение целенаправленных теоретических и технологических исследований использования ТБО в качестве источника энергии, является весьма актуальной проблемой, решение которой будет способствовать восполнению энергетических ресурсов, обеспечивать экологическую безопасность, связанную с сокращением выбросов СО2 в атмосферу.

Что происходит с остальным сырьем? В основном резина просто скапливается на свалках, увеличивая их и без того зашкаливающий объем. Проблема утилизации бытового мусора на сегодняшний день является одной из наиболее острых проблем в мире. С увеличением числа населения земли растет и количество образующегося мусора. Неконтролируемое накопление отходов способно привести нас к глобальной катастрофе.

Однако, новые технологии утилизации мусора практически не применяются, и бытовой мусор, в лучшем случае, просто сжигается, а в худшем - накапливается на полигонах ТБО.

При сгорании шин образуется такие химические соединения, которые, попадая в атмосферный воздух, становятся источником повышенной опасности для человека это: бифенил; антрацен; флуорентан; пирен; бенз(а)пирен. Два соединения из перечисленных - бифенил и бенз(а)пирен, относится к сильнейшим канцерогенам. Выброшенные на свалки, либо закопанные шины разлагаются в естественных условиях не менее 100 лет. Контакт шин с дождевыми осадками и грунтовыми водами сопровождается вымыванием ряда токсич-

ных органических соединений: дифениламина, дибутилфталата, фенантрена и т.д. Все эти соединения попадают в почву. А резина, являющаяся высокомолекулярным материалом, относится к термореактивным полимерам, которые в отличие от термопластичных не могут перерабатываться при высокой температуре, что создает серьезные проблемы при вторичном использовании резиновых отходов.

Пиролизный метод переработки углеводородных отходов на данное время является наиболее актуальным в свете его эффективности с точки зрения предотвращения загрязнения окружающей среды. Преимущество пиролиза по сравнению с непосредственным сжиганием отходов заключается в его эффективности с точки зрения предотвращения загрязнения окружающей среды. С помощью пиролиза можно перерабатывать составляющие отходов, трудно поддающиеся утилизации, такие, как автопокрышки, пластмасса, отработанные масла, отстойные вещества [5].

Пиролизный метод бывает высоко- и низкотемпературный.

Высокотемпературный пиролиз протекает при температурах около 1000- 1400 градусов и характеризуется максимальным выходом газа. Высокотемпературный пиролиз - один лучших способов переработки твердых бытовых отходов, ТБО, как с точки зрения экологической безопасности, так и получения синтез-газа, шлака, металлов и других материалов, которые могут найти широкое применение в народном хозяйстве. Высокотемпературная газификация дает возможность технически просто перерабатывать твердые бытовые отходы без их предварительной подготовки, сортировки, сушки и т. д.

Под низкотемпературным пиролизом понимается процесс, при котором размельченный мусор подвергается термическому разложению (рис. 1). Данный процесс происходит при температурах от 400 до 850 °С. К преимуществам низкотемпературного пиролиза ТБО можно отнести:

- легкость хранения и транспортировки отходов пиролиза;

- существенное уменьшение объемов отходов;

Измельчение сортировка л размеру

♦ Т

Сушильная камера

Проведенный анализ жидкой фазы, образующихся продуктов разложения автомобильных шин, показал, что они могут служить ценным сырьем для дальнейшего их использования в народном хозяйстве.

Пиролиз кусков шин и резиновой крошки осуществляется в среде с недостатком кислорода, в вакууме, в атмосфере водорода в присутствии катализаторов и без них, в реакторах периодического и непрерывного действия, в псевдокипящем слое при различных температурах.

Применение низкотемпературного пиролиза для переработки углеводородных отходов в лабораторных условиях

Технология переработки автопокрышек в топливо основана на нагреве без доступа кислорода до температуры в 400°С (низкотемпературный пиролиз). Если покрышки просто нагревать на открытом воздухе, то они сначала будут тлеть, а затем загорятся.

Если же их нагревать без доступа кислорода, то не будет условий для горения, а соответственно под действием температуры будут происходить сложные химические процессы распада на основные ком-

- получение энергии, которую можно использовать для отопления и получения электричества.

поненты, из которого она была сделана, а это обычные нефтяные фракции.

Известно несколько основных технологий переработки и утилизации резиновых отходов и изношенных автошин. К ним относятся:

- измельчение резиновых отходов с извлечением крошки и порошка;

- сжигание отработанных шин с получением энергии;

- производство из резиновых отходов и автошин регенерированного материала;

- пиролиз резины, который является одним из наиболее перспективных направлений утилизации автомобильных шин, позволяющий получить продукты необходимые для народного хозяйства.

В процессе исследований была разработана и смонтирована технологическая установка низкотемпературного пиролиза шин и других углеводородных отходов (рис. 2).

К достоинствам разработанной установки можно отнести простоту и надежность конструкции, а также экологическую чистоту технологии.

Рис. 1. Схема пиролиза

Рис. 2. Лабораторная установка низкотемпературного пиролиза

Температура в аппарате поддерживается на уровне, который обеспечивает работу конденсатора жидких продуктов пиролиза без перегрузки.

Для начала процесса пиролиза исходное сырье, помещенное в камеру без доступа кислорода, необходимо довести до нужной температуры от 400 до 850 градусов Цельсия при помощи сжигания дров или угля. Для охлаждения холодильника - конденсатора предусмотрена замкнутая оборотная система водоснабжения с охлаждением на градирне.

Газовая фаза и твердый остаток используются в топках печей для создания температуры, а жидкая фракция, представляющая собой смесь углеводородов, по своим свойствам может быть доведена до различных товарных продуктов. Образующийся в процессе пиролиза газ можно использовать для продолжения горения и нагрева исходного материала в камере сжигания.

Газовая фаза используются в топке печи для создания температуры и продолжения горения в камере сжигания.

Имеется возможность направить образующийся газ в топку для продолжения горения, а также возможность слива жидкой фракции. Жидкие продукты пиролиза передаются в емкость хранения.

Твердый остаток автомобильных шин и других углеводородных отходов представляет собой относительно хрупкий, жирный на ощупь черный продукт, напо-

минающий нефть, который можно использовать как хорошее топливо. Твердый остаток - технический углерод - используют в дальнейшем для нанесения на различные продукты или даже для производства технических пластин и уплотнителей. Фракции, которые имеют более низкое качество, можно использовать в качестве добавок для различных строительных материалов, например бетона или тротуарной плитки.

Синтетическая нефть, которая образуется при переработке пиролизным методом, практически ничем не отличается от обычной нефти и может использоваться в той же сфере без ограничений.

Выводы. В результате лабораторных исследований получены данные в реальных условиях загрузки от 600 до 900 кг отработанных покрышек. Пиролизируе-мые шины не унифицированы, использовались как отечественные, так и импортные марки с метало- и текстильным кордом, поэтому представлены усредненные результаты.

Материальный баланс по стадиям процесса: газ пиролиза - 5%; жидкая фракция пиролиза - 50%; твердый остаток продуктов пиролиза с металлокордом - 45%. Из приведенного баланса следует, что из тонны переработанной резины может образоваться до 50 м3 газа. Его основными компонентами, определенными хроматогра-фически, являются (% об.): Водород -17,9; Метан - 30,4; Этан - 14,3; Пропан -

5,0; н - Бутан - 1,0; Изобутан - 2,1; Оксид углерода (2) - 4,2; Оксид углерода (4) -9,9.

Твердый остаток автомобильных шин представляет собой относительно хрупкий, жирный на ощупь черный продукт. Его характеристики в сравнении с антрацитом представлены ниже. Параметры твердого остатка пиролиза автошин (в скобках параметры антрацита):

- массовая доля влаги, в % - 13.0 (0,73);

- зольность, % - 13,2 (-);

- массовая доля серы, % - 2,31 (-);

- сера на сухое состояние, % - 2,36 (-);

- выход летучих веществ, % - 4,0 (-);

- углерод на сухое беззольное состояние, % - 95,5 (94-97);

Библиографический список

1. Оборудование для утилизации отходов, 2017. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://pirolizeco.ru (дата обращения 08.10.2018).

2. Утилизация твердых бытовых отходов пиролизным методом: м. у. к практической работе по курсу «Промышленная экология» / И. О. Коровин [и др.]. - Тюмень: РИСО ТюмГНГУ, 2002. - 21 с.

3. Утилизация и переработка твёрдых бытовых отходов: учеб. пособие / А.С. Клинков [и др.]. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2015. - 188 с.

4. Пиролиз-Экопром. - 2015. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://piroliz-ecoprom.ru (дата обращения 10.10.2018).

5. Исаев В.Л. Физико-химические основы и энерготехнологии переработки низкосортного топлива в опорных конспектах / В.Л. Исаев, М.А. Драганова // Произведение науки. Свидетельство о внесении сведений в государственный реестр прав на объекты, охраняемые авторским правом № 1382 от 18.01.2019 г. - 209 с.

DISPOSAL OF ENERGY POTENTIAL OF HYDROCARBON WASTE BY LOW-TEMPERATURE PYROLYSIS

F.N. Bulatbaev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

M.A. Draganova, Graduate Student

E.G. Neshina, Master, Senior Lecturer

Karaganda State Technical University

Abstract. This article discusses methods for the disposal of hydrocarbon waste, such as household technical waste (MSW), tires and plastic products, as well as agricultural waste and livestock waste (biomass) by low-temperature pyrolysis. Individual development of a low-temperature pyrolysis boiler for processing hydrocarbon waste is provided. The advantages of pyrolysis in comparison with direct burning of waste, the efficiency of pyrolysis processing in terms of preventing environmental pollution are given. It is proved that this is an effective solution for the processing of garbage, as it allows you to receive thermal energy, to extract valuable components from waste and reduce anthropogenic pressure on the environment.

Keywords: pyrolysis, municipal solid waste, waste processing, ecology, fluidized bed.

- высшая теплота сгорания (кДж/кг) -34131 (33520-35615).

Петрографические исследования показали, что форма осколков неправильная, остроугольная (типичная для антрацитов) как бы оплавленная, состоящая на 80-85% из черного сажистого материала, чаще окаймленного, иногда, как бы примыкающего. В образце наблюдается очень тонко рассеянный минерал сходный с пиритом (около 1% от состава угля или 0,1% от общей массы пробы). Для антрацита средний показатель отражения витринита находится в интервале 2,60-5,60. Следовательно, можно использовать твердые продукты пиролиза как хорошее топливо.