Пиролиз — это разложение соединений органического и искусственного происхождения под действием высоких температур. Он распространен в промышленности. Область его применения — обезвреживание твердых бытовых отходов (ТБО). Подробно об этом способе переработки в статье.
Суть метода
Утилизация органических веществ этим способом заключается в превращении тяжелых отходов в более легкие. Отсутствует доступ кислорода, возникает анаэробная реакция. Процесс пиролиза сопровождается ростом температуры до 200–400°С. Давление соответствует атмосферному.
Механизмы превращения веществ анаэробным нагреванием еще недостаточно изучены. Условно все реакции пиролиза делят на первичные и вторичные. Первый тип превращений заключается в снижении молекулярной массы соединений. Так расщепляются тяжелые вещества. Процесс сопровождается выделением большого количества газов.
Вторичная реакция — это преобразование низкомолекулярных соединений в тяжелые. Этот химический процесс характерен для последних этапов пиролиза. Выделение газов уменьшается. Два типа реакций происходят в одно и то же время, поэтому классификация условна.
В теории осуществляют пиролиз воды. В результате образуется гидроген и кислород. Но на практике такая задача неосуществима, так как необходимая температура нагрева составляет тысячи градусов. Это технически трудоемко и дорого.
Химики также допускают пиролиз газа. Сначала разрушаются менее устойчивые связи атомов карбона, потом распадаются мостики между этим микроэлементом и водородом. По формуле пиролиза последним разлагается метан.
Применение метода на территории РФ и в мире
Первые пиролитические предприятия в России открылись в последних декадах 19 века. Там перерабатывали керосин. Из получившихся продуктов делали газ для освещения. Первый патент на этот метод получил ученый из Санкт-Петербурга. Во времена первой мировой войны пиролитическим способом создавали толуол — сырье для взрывчатки тротила.
Пиролизные заводы по переработке мусора расположены по всему миру. Газ, как один из продуктов утилизации, является источником энергии для нагревания воды, отопления. С помощью высокотемпературной обработки добывают этилен, пропилен. Лидер по созданию продукта для получения этилового спирта на данном этапе — США. Они добывают более 27 000 тонн этого вещества за 1 год. В России получают 3 000 тонн.
Пиролиз в мире популярней, чем в странах СНГ. Это связано с высокой стоимостью установки, техническими трудностями эксплуатации. Новые предприятия не строятся, реконструируются старые, сохранившиеся с времен Советского Союза.
Пиролизное оборудование для переработки отходов можно без проблем приобрести в интернете. Цена на одну установку начинается от 10 млн рублей.
Метод высокотемпературной переработки давно вышел за пределы промышленной области. Можно найти духовые шкафы с функцией эко-пиролиза. Суть режима в том, что для одновременного приготовления большого количества еды требуется минимум энергии.
Классификация
Существует 2 основные классификации метода пиролиза. Первая основана на длительности процесса. Выделяют быстрый и медленный пиролиз. Первый похож на воду в горячем масле. В этом случае жидкость вскипает мгновенно. А медленная переработка напоминает нагревание воды в кастрюле. Она происходит постепенно.
У быстрого пиролиза выделяют ряд преимуществ в сравнении с медленным:
- так как продукты не осмоляются, на выходе они чище;
- переработка отходов нуждается в наименьшем количестве энергии;
- реакции выделения тепла превышают поглощение, в результате чего образуется энергия;
- отсутствует необходимость в прерывании технологического процесса.
Обработка отходов путем анаэробного сжигания делится в зависимости от уровня нагрева внутри установки. Таким образом выделяют низко- и высокотемпературный пиролиз. В первом случае достигается нагревание от 450 до 900°С, во втором — выше 900°С.
При низкотемпературной обработке газы выходят в малом количестве. Но остается много твердых отходов. Высокотемпературный метод сопровождается обильным синтезом газов, минимумом смол. Отличительная черта этого вида переработки — твердый остаток равен нулю.
В химии разграничивают окислительный и сухой пиролиз. Первый вид используют для утилизации мусора пастообразной консистенции, осадков, сырья в мазуте или золе. Сухой пиролиз отходов получил более широкое распространение. Его применяют для утилизации ТБО.
Продукты переработки
Объем и вид продуктов пиролиза бывает разным. Играет роль материал, который подвергался переработке, количество сырья, длительность и температура процесса. В результате сгорания образуются такие продукты пиролиза:
- пиролитическое масло;
- электрическая и тепловая энергия;
- дизельное топливо;
- пирогаз;
- пикарбон — твердый остаток, по сути являющийся древесным углем.
Пиролитическое масло используют в качестве топлива для печи. По сути это аналог мазута. Еще продукт используют в виде сырья для вторичной переработки.
Все эти продукты должны получатся в теории. Но на практике этого не всегда можно добиться. Чтобы получить дизельное топливо, необходимо тщательно разделить отходы. Извлечь сырье из несортированных остатков практически невозможно.
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.
Описание пиролизной установки
Устройство для переработки мусора высокими температурами является динамичным. Его можно передвигать в разные части помещения. Пиролизная установка по сжиганию отходов имеет такие составляющие:
- термический реактор;
- систему отвода газов пиролиза, в которую входят отстойник и конденсатор;
- совокупность устройств для отвода и очищения газов.
Основная составляющая в установке для пиролиза — это реактор и его компоненты (печь и швельшахта). Отходы поступают в верхнюю часть реактора, спускаясь в процессе сжигания, пока в итоге не окажутся в швельшахте. Высокотемпературное сжигание происходит в средней части реактора, а в верхних его слоях мусор просушивается.
Процесс сжигания состоит из двух этапов: коксование и температурное разложение. Газы, образующиеся в реакторе, не выходят мгновенно наружу. Для защиты экологической системы они должны пройти несколько этапов линии пиролиза. Первым на выходе из реакторов расположен котел-утилизатор. Далее газы попадают в сушилку и абсорбер. В последнем они обрабатываются известковым молоком. После этого газы выходят в окружающую среду.
В реакторе промышленных пиролизных печей для ТБО остается шлам — не превращенные в газ твердые бытовые отходы, смесь солей и золы. Он полностью безопасен. Его используют в сельском хозяйстве, промышленном производстве как топливо или сырье.
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.
Заключение
Пиролиз — высокотехнологичный метод переработки ТБО. Он обретает все большее распространение в мире, так как практически не влияет на окружающую среду.
Преимущество метода — возможность повторного использования продуктов, благодаря чему снижается потребность в первичном сырье.
