Способы переработки пластика пиролиз

Пиролиз пластиков как способ получения топлива: сущность процесса, механизм и условия реализации, получаемые продукты

Пиролиз – это достаточно старый и детально освоенных процесс, применяющийся во многих процессах химической технологии.

Используется как для утилизации отходов, так и для получения ценных продуктов.

Пластиковые отходы, представляющие собой смесь органических соединений с высокомолекуярной структурой и различных добавок, отлично поддаются пиролизу.

На выходе можно получить:

Если отходы уже нельзя пустить на переработку, то их сжигают в пиролизных печах. В подавляющем большинстве в России такими установками оборудованы мусороперерабатывающие заводы.

Пиролизом также перерабатываются покрышки, опилки и множество других видов отходов и мусора.

Стоимость оборудования высокая и не окупается доходами от продукции, но при этом компенсируется дотациями от государства для такого рода компаний.

Тем не менее, переработка полимерных отходов пиролизом, в том числе в жидкое топливо, – тема перспективная, ее изучением и оптимизацией процесса занимаются институты во многих странах.

Как происходит процесс: основные понятия

Пиролиз – это цепочка химических реакций разложения, протекающих при высоких температурах в инертной атмосфере (без доступа кислорода). Полимеры разлагаются полностью при температурах порядка 650 °С.

В отличие от простого сжигания на воздухе, при деструкции не образуются газы (например, диоксин). Окружающая атмосфера не подвергается загрязнению.

Собственно сама технология разложения органики при высоких температурах применяется в промышленности с конца 19-го века. Таким способом получали горючее из нефтяной смолы, коксового угля и даже торфа.

Отходы полимеров – это ценный источник энергии. Ведь помимо экологического вопроса утилизации пластикового мусора, можно попутно добывать углеводородное сырье.

Механизм и условия протеканий реакций пиролиза полимеров

Первая стадия процесса — это нагрев сырья до температуры примерно 270-300 °С. Реакции на этой стадии протекают с большим выделением тепла. Происходит, собственно, термическая деструкция высокомолекулярного соединения. Основной продукт этого этапа — это газообразная органика и жидкие компоненты. Заканчивается процесс при 400°С.

Далее температура постепенно повышается до максимальной (зависит от вида сырья), обычно она составляет 650°С.

При достижении максимальных температурных показателей система переходит в автоклавный режим. В это время происходят процессы окончательного разложения в жидких компонентах и твердом коксовом остатке.

По завершении всех технологических операций происходит сбор всех продуктов реакций. В дальнейшем они передаются на очистку и разделение на фракции при необходимости.

Полезная информация о процессе в цифрах

Факты о пиролизной переработке пластмассовых отходов:

1. При соблюдении правильно подобранного температурного режима можно получить до 90 % горючей жидкости на выходе с очень высокой теплотворной способностью.
2. Переработав 1 тонну пластиковых отходов, удается собрать в среднем 10 % газообразного горючего, примерно 85% жидких компонентов и до 5% несжигаемой золы.
3. Количество выделяющегося тепла при переработке 2 тонн отходов пластика равно количеству тепла от 1 тонны нефти. Это очень высокий показатель.
4. В Европейских странах реализованы проекты по строительству и эксплуатации мини ТЭЦ, в которых в качестве 50% топлива используют отходы полимеров.
5. Регулировать состав продуктов деструкции полимера можно подбором температурного режима. Если основной процесс протекает до 600°С, то на выходе превалируют жидкие компоненты. Если температура выше 600 °С, то преимущественно получается газ.

Технология термического разложения

Для более глубокого понимания протекающих процессов при термодеструкции необходимо ознакомиться с конструкционными особенностями печи для пиролиза. Очень упрощенно печь можно разделить на 2 части.

В первой, так называемой радиантной, протекает основной процесс деструкции. Пластик разлагается на газообразные, жидкие и твердые продукты. Далее во второй части, или конвекционной, продукты разложения подвергаются дегидрированию и конденсации.

Установки оснащаются резервуарами большой ёмкости для сбора жидких и газообразных материалов. В системе есть разделительная колонка (для отделения жидкости и газа) и кожухотрубный теплообменник для конденсации легколетучих компонентов.

Технологический процесс пиролиза пластиковых отходов происходит следующим образом:

1. На первом этапе отходы проходят необходимую сортировку. Если основная задача – это получение качественных продуктов, то желательно провести разделение по видам пластика (ПЭ, ПП, ПС, ПЭТ и т.д.). Так процесс термического разложения будет стабильным, поскольку сырье максимально однородное. А готовые продукты меньше загрязнены посторонними включениями и примесями.
2. Далее пластиковые отходы моются и измельчаются на дробилках. Подача однородной измельченной крошки позволит интенсифицировать процесс и добиться максимального КПД установки. Мойка отходов избавит от ненужных примесей. Подробнее о таком оборудовании можно почитать здесь.
3. Дробленые куски подаются в печь. Под действием нагрева до температуры порядка 300°С масса расплавляется и становится жидкой. Далее от нее начинают отделяться газообразные продукты. Идут процессы термического разложения.
4. Когда установка переходит в режим поддержания постоянной температуры, протекают реакции отщепления водорода (дегидрирования) газообразных продуктов.
5. Смесь продуктов горения конденсируется на теплообменнике. Потом разделяется на фракции в газожидкостном разделителе. Жидкость поступает в накопитель и далее передается для очистки.
6. Полученный в результате пиролиза газ проходит многоступенчатую систему фильтрации и очистки. Сначала он подается на горелку печи. Очень интересна реализация системы с двумя печами, когда нет расхода топлива для старта. Газообразная горючая смесь может подаваться для розжига от одной установки к другой.
7. Твердые продукты пиролиза накапливаются в нижней части печи. Потом они выгружаются, брикетируются и используются как сухое топливо.

Конечные продукты

В основном на выходе можно получить:

1. Пиролизный газ. Его, как правило, не собирают для дальнейшего использования. Он сразу подается на печную горелку. В составе преимущественно присутствует смесь этилена, пропилена и водорода. Таким образом, установка почти автономна по потреблению топлива. Оно может пригодиться только на старте.
2. Горючее котельное. При очистке и ректификации жидких продуктов получается топливо, соответствующее по своему составу дизельному. По молекулярной массе и фракционному составу преимущественно присутствуют (от общей массы загрузки) до 25% масла и до 15% воска.
3. Сухой коксовый остаток. По своим свойствам — это химически инертный материал, не представляющий угрозы здоровью и экологии. Может быть утилизирован. Есть информация по его применению в газобетонных блоках, в строительстве, подсыпке грунта и т.д.
4. Тепло, выделяемое в процессе, идет на обогрев помещений.

Бензин из пластмассы

При пиролизе пластиковых отходов вполне реально получить бензин. Причем выход чисто бензиновой фракции может достигать до 80% от массы исходного сырья. Для сравнения степень конверсии нефти по бензину всего 55%.

Современные печи позволяют собрать с 1 кг загруженного сырья 1 литр жидких горючих компонентов. Естественно, что в чистом виде заправить автомобиль таким топливом не получится. Требуется дополнительная стадия очистки и перегонки.

Сравнительно недавно в Томском политехническом университете ученым удалось увеличить вход бензина до 90 %. Для этого были проведены работы по подбору катализатора (состав его не раскрывается), увеличению глубины вакуума и температуры в камере сгорания.

К сожалению, горючее, получаемое таким способом, даже при глубокой очистке далеко не идеально для применения. Неотгоняемые примеси выводят из строя систему подачи топлива и двигатель.

Конструкция мотора требует существенной модификации, поскольку фракционный состав пиролизного бензина существенно отличается от традиционного. Эти проблемы можно решить подбором каталитических систем. Такие фундаментальные исследования проводятся.

Как сделать топливо из отходов в домашних условиях?

Для того чтобы попытаться получить из отходов пластмассы бензин в домашних условиях, нужно максимально упростить процесс и попытаться собрать установку пиролиза.

Необходимые компоненты и последовательность действий:

1. Огнестойкая ёмкость с крышкой, оборудованная трубкой. Трубка соединяется со вторым резервуаром для сбора конденсата.
2. Бак конденсатора соединяется трубкой с небольшой бутылкой с плотной крышкой с еще одним патрубком. Это гидрозатвор.
3. Мелко измельченное пластиковое сырье загружается в резервуар печи горения, ее необходимо сильно разогреть.
4. Постепенно жидкие продукты разложения попадают в конденсатор и охлаждаются.
5. В чистом виде топливо из пластика не пригодно. Оно нуждается в очистке. Для этого можно использовать самогонный аппарат. Разделение топлива проводится визуально по изменению цвета и вязкости.
6. Зольный остаток можно выбросить.

Видео по теме

На видео представлен сюжет о красноярских умельцах, самостоятельно перерабатывающих пластиковые отходы в жидкое горючее:

Вывод

На основании приведенных данных можно утверждать, что пиролиз – перспективный процесс переработки пластиковых отходов. В настоящий момент он используется как метод утилизации.

Но развитие технологии и изучение фундаментальных основ процесса поможет оптимизировать его и сделать более доступным. Идеальным для российских условий вариантом была бы организация мини ТЭЦ на пластиковых отходах со сбором и очисткой продуктов пиролиза.

Источник

Пиролиз пластиков как способ получения топлива: сущность процесса, механизм и условия реализации, получаемые продукты

Мировое потребление пластиковой продукции увеличивается год от года. И вместе с ним неуклонно растет объем пластиковых отходов. Особенно сложно обстоит дело с пластиковыми пакетами, которые буквально заполонили города и природные зоны. Напомним, что, согласно подсчетам экспертов, в мире ежегодно производится свыше триллиона полиэтиленовых пакетов. Средний срок использования одного пакета — около 20 минут. Фактически это время, которого достаточно для того, чтобы дойти от магазина до дома, после чего пакет становится ненужным и выбрасывается. А период полного разложения полиэтилена в природе, как напоминают экологи, измеряется сотнями лет.

Что же делать с горами пластикового мусора? В качестве решения проблемы предлагается внедрять наиболее передовые и эффективные технологии переработки данного вида отходов.

Одним из таких методов является пиролиз. Под пиролизом понимается процесс разложения пластика под воздействием высоких температур и при отсутствии кислорода. Здесь следует сказать, что пиролиз — это далеко не новая технология. В ряде стран Европы, где нет своих нефтяных ресурсов, он применялся еще в тридцатых годах прошлого века для получения бензина. Так, например, в гитлеровской Германии посредством пиролиза производили бензин из каменного угля. Полученное таким образом топливо использовалось для заправки знаменитых немецких танков, весьма неплохо показавших себя на фронтах Второй мировой войны.

Как происходит процесс: основные понятия

Пиролиз – это цепочка химических реакций разложения, протекающих при высоких температурах в инертной атмосфере (без доступа кислорода). Полимеры разлагаются полностью при температурах порядка 650 °С.

В отличие от простого сжигания на воздухе, при горении не образуются газы (например, диоксин). Окружающая атмосфера не подвергается загрязнению.

Собственно сама технология разложения органики при высоких температурах применяется в промышленности с конца 19-го века. Таким способом получали горючее из нефтяной смолы, коксового угля и даже торфа.

Отходы полимеров – это ценный источник энергии. Ведь помимо экологического вопроса утилизации пластикового мусора, можно попутно добывать углеводородное сырье.

Механизм и условия протеканий реакций пиролиза полимеров

Первая стадия процесса — это нагрев сырья до температуры примерно 270-300 °С. Реакции на этой стадии протекают с большим выделением тепла. Происходит, собственно, термическая деструкция высокомолекулярного соединения. Основной продукт этого этапа — это газообразная органика и жидкие компоненты. Заканчивается процесс при 400°С.

Далее температура постепенно повышается до максимальной (зависит от вида сырья), обычно она составляет 650°С.

При достижении максимальных температурных показателей система переходит в автоклавный режим. В это время происходят процессы окончательного разложения в жидких компонентах и твердом коксовом остатке.

По завершении всех технологических операций происходит сбор всех продуктов реакций. В дальнейшем они передаются на очистку и разделение на фракции при необходимости.

Полезная информация о процессе в цифрах

Факты о пиролизной переработке пластмассовых отходов:

1. При соблюдении правильно подобранного температурного режима можно получить до 90 % горючей жидкости на выходе с очень высокой теплотворной способностью.
2. Переработав 1 тонну пластиковых отходов, удается собрать в среднем 10 % газообразного горючего, примерно 85% жидких компонентов и до 5% несжигаемой золы.
3. Количество выделяющегося тепла при сжигании 2 тонн отходов пластика равно количеству тепла от 1 тонны нефти. Это очень высокий показатель.
4. В Европейских странах реализованы проекты по строительству и эксплуатации мини ТЭЦ, в которых в качестве 50% топлива используют отходы полимеров.
5. Регулировать состав продуктов горения можно подбором температурного режима. Если основной процесс протекает до 600°С, то на выходе превалируют жидкие компоненты. Если температура горения выше 600 °С, то преимущественно получается газ.

Современные методы переработки отходов пластика

Цели, которые преследуются развитием технологии вторичной переработки отходов полимерных материалов, следующие:

• максимальное сокращение вывоза пластика на полигоны;
• снижение засорения пластиком окружающей среды;
• удешевление различных производственных процессов за счет использования пластика вторичной переработки;
• поиск новых сфер использования вторичного пластика (например – в качестве топлива, строительных материалов).

Сегодня в мировой практике вторичная переработка пластиков осуществляется различными способами. Наиболее распространенными являются 5 методов обращения с полимерными отходами.

Технология термического разложения

Для более глубокого понимания протекающих процессов при термодеструкции необходимо ознакомиться с конструкционными особенностями печи для пиролиза. Очень упрощенно печь можно разделить на 2 части.

В первой, так называемой радиантной, протекает основной процесс горения. Пластик разлагается на газообразные, жидкие и твердые продукты. Далее во второй части, или конвекционной, продукты разложения подвергаются дегидрированию и конденсации.

Установки оснащаются резервуарами большой ёмкости для сбора жидких и газообразных материалов. В системе есть разделительная колонка (для отделения жидкости и газа) и кожухотрубный теплообменник для конденсации легколетучих компонентов.

Технологический процесс пиролиза пластиковых отходов происходит следующим образом:

1. На первом этапе отходы проходят необходимую сортировку. Если основная задача – это получение качественных продуктов, то желательно провести разделение по видам пластика (ПЭ, ПП, ПС, ПЭТ и т.д.). Так процесс термического разложения будет стабильным, поскольку сырье максимально однородное. А готовые продукты меньше загрязнены посторонними включениями и примесями.
2. Далее пластиковые отходы моются и измельчаются на дробилках. Подача однородной измельченной крошки позволит интенсифицировать процесс и добиться максимального КПД установки. Мойка отходов избавит от ненужных примесей. Подробнее о таком оборудовании можно почитать здесь.
3. Дробленые куски подаются в печь. Под действием нагрева до температуры порядка 300°С масса расплавляется и становится жидкой. Далее от нее начинают отделяться газообразные продукты. Идут процессы термического разложения.
4. Когда установка переходит в режим поддержания постоянной температуры, протекают реакции отщепления водорода (дегидрирования) газообразных продуктов.
5. Смесь продуктов горения конденсируется на теплообменнике. Потом разделяется на фракции в газожидкостном разделителе. Жидкость поступает в накопитель и далее передается для очистки.
6. Полученный в результате пиролиза газ проходит многоступенчатую систему фильтрации и очистки. Сначала он подается на горелку печи. Очень интересна реализация системы с двумя печами, когда нет расхода топлива для старта. Газообразная горючая смесь может подаваться для розжига от одной установки к другой.
7. Твердые продукты пиролиза накапливаются в нижней части печи. Потом они выгружаются, брикетируются и используются как сухое топливо.

Воздействие полиэтилена на природу

Около 4% всей мировой нефти тратится на производство полиэтилена. Недостаток полимера в том, что срок разложения в окружающей среде от 500 до 1000 лет. Т.е. практически каждый кусок пластика, выпущенный когда-либо, существует до сих пор.

Полиэтилен не подвержен воздействию сильных кислот и щелочей. При гниении выделяет вредные вещества, загрязняющие почву и воду. Сгорает полимер с выделением токсичных диоксидов, которые накапливаются внутри тканей животных, отравляя их.

Невесомые пакеты ветром переносятся на большие расстояния, оседая на деревьях, полях, на воде. Комитет ООН по охране природы подсчитал, что от пластиковых отходов ежегодно гибнут около 1 млн. птиц, 100 тысяч морских животных и колоссальное количество рыб.

Всех их привлекает яркая окраска пластика, который они принимают за еду. Более 260 тысяч видов животных запутываются либо проглатывают пластик, что ведет к мучительной смерти. В 2000 году,например, умер кит-полосатик. Внутри желудка животного были найдены пакеты, листы пластмассы, мешки для мусора.

По общим оценкам на 2014 год на поверхности океана находится около 2,5 тысяч тонн пластика. В океане существует два участка, куда морскими течениями сносится большое количество подобного мусора. Их общая площадь больше размеров США. Мусор скоро станет угрозой всего тихоокеанского региона, а также России.

Доказано, что упаковка пищи полиэтиленом также вредна для человека, потому что:

• такие продукты быстрее портятся из-за обилия бактерий;
• при производстве пакетов используется свинец;
• при заморозке и при квашении в них продуктов из полиэтилена выделяются токсические вещества;
• разогрев еды внутри пакета сопровождается выделением формальдегида;
• соединение швов упаковки производится при помощи химического клея;
• хранение продуктов, упакованных таким образом, приводит к выделению мономерных фталатов, которые отравляют организм человека.

В начале 2000 годов в ряде стран (Сингапур, Тайвань, Бангладеш) произошли наводнения, виновниками которых стали пакеты, засорившие стоки рек и канализации. После чего данные государства ввели ограничение на использование прозрачных пакетов.

Всего 1% мирового пластика перерабатывается для повторного использования. Все это делает вполне реальной угрозу гибели живого под тоннами полиэтиленового мусора в ближайшем будущем.

Конечные продукты

В основном на выходе можно получить:

1. Пиролизный газ. Его, как правило, не собирают для дальнейшего использования. Он сразу подается на печную горелку. В составе преимущественно присутствует смесь этилена, пропилена и водорода. Таким образом, установка почти автономна по потреблению топлива. Оно может пригодиться только на старте.
2. Горючее котельное. При очистке и ректификации жидких продуктов получается топливо, соответствующее по своему составу дизельному. По молекулярной массе и фракционному составу преимущественно присутствуют (от общей массы загрузки) до 25% масла и до 15% воска.
3. Сухой коксовый остаток. По своим свойствам — это химически инертный материал, не представляющий угрозы здоровью и экологии. Может быть утилизирован. Есть информация по его применению в газобетонных блоках, в строительстве, подсыпке грунта и т.д.
4. Тепло, выделяемое в процессе, идет на обогрев помещений.

Метод гликолиза

Гликолиз является разновидностью метода гидролиза, а главными его особенностями является применение гликоля в процессе деполимеризации и наличие повышенных рабочих температур (до 300 градусов). Для сокращения времени химических реакций применяются различные катализаторы, которые также оказывают влияние на характеристики получаемого продукта.

К достоинствам метода относятся низкие требования к предварительной обработке отходов (очистка, сортировка пластмасс) и практически полная безотходность производства. Однако технологические особенности данного метода не позволяют использовать его для дальнейшего производства пищевого пластика.

Бензин из пластмассы

При пиролизе пластиковых отходов вполне реально получить бензин. Причем выход чисто бензиновой фракции может достигать до 80% от массы исходного сырья. Для сравнения степень конверсии нефти по бензину всего 55%.

Современные печи позволяют собрать с 1 кг загруженного сырья 1 литр жидких горючих компонентов. Естественно, что в чистом виде заправить автомобиль таким топливом не получится. Требуется дополнительная стадия очистки и перегонки.

Сравнительно недавно в Томском политехническом университете ученым удалось увеличить вход бензина до 90 %. Для этого были проведены работы по подбору катализатора (состав его не раскрывается), увеличению глубины вакуума и температуры в камере сгорания.

К сожалению, горючее, получаемое таким способом, даже при глубокой очистке далеко не идеально для применения. Неотгоняемые примеси выводят из строя систему подачи топлива и двигатель.

Конструкция мотора требует существенной модификации, поскольку фракционный состав пиролизного бензина существенно отличается от традиционного. Эти проблемы можно решить подбором каталитических систем. Такие фундаментальные исследования проводятся.

Стандартный цикл работы пиролизной установки.

№	Наименование	Загрузка материала час.	Работа машины час.	Остывание час	Разгрузка час.	Рабочий цикл час.
1	LL-2200-6000	2	7	2	2	13
2	LL-2200-6600	2	8	2	2	14
3	LL-2600-6000	2-3	10	2 — 3	2-3	18 — 19
4	LL-2600-6600	2-3	10	3	2-3	19 — 20
5	LL-2800-6000	3	12	4	3	22
6	LL-2800-6600	3	12	4	3	22
7	LL-2800-7500	4	12	4	4	24

Ориентировочный срок окупаемости установки LN 2200×5100 загрузка 5 тонны

Объем переработки шин 10 тонн в сутки.

Ежедневные расходы

• Пиролизное топливо для горелки — 90 литров х 10 =900 руб
• Электричество = 10 кВт * 3 руб./кВт. * 24 часов = 720 руб.
• Зарплата 5 рабочих с отчислениями — 45000*5/21=10800
• Катализатор — 300 руб.
• Арендная плата 250 м2 * (300 руб/мес. / 30)=2500 руб/день (взята цена для Подмосковья)
• Прочие: транспорт, продажи, -2000
• Ежедневные расходы = 900+720+10800+300+2000+2500 = 17220 руб

Доходы дневные

• Пиролизное масло — 6000 кг. * 10 = 60000 руб.
• Углерод 4000 кг*4 руб = 16000 руб.
• ДОХОДЫ = 40000+16000=56000 руб.

Прибыль за день — 56000- 17220 = 38780 руб.

Как сделать топливо из отходов в домашних условиях?

Для того чтобы попытаться получить из отходов пластмассы бензин в домашних условиях, нужно максимально упростить процесс и попытаться собрать установку пиролиза.

Необходимые компоненты и последовательность действий:

1. Огнестойкая ёмкость с крышкой, оборудованная трубкой. Трубка соединяется со вторым резервуаром для сбора конденсата.
2. Бак конденсатора соединяется трубкой с небольшой бутылкой с плотной крышкой с еще одним патрубком. Это гидрозатвор.
3. Мелко измельченное пластиковое сырье загружается в резервуар печи горения, ее необходимо сильно разогреть.
4. Постепенно жидкие продукты разложения попадают в конденсатор и охлаждаются.
5. В чистом виде топливо из пластика не пригодно. Оно нуждается в очистке. Для этого можно использовать самогонный аппарат. Разделение топлива проводится визуально по изменению цвета и вязкости.
6. Зольный остаток можно выбросить.

Метанолиз

Способ подразумевает расщепление отходов пластика метанолом. Процесс протекает в реакторе под давлением в условиях высоких температур. Метод метанолиза относится к процессам повышенной взрывной и химической опасности, вследствие чего применяется в основном в узкоспециализированных циклах производства полиэфиров. Метанолиз требует тщательной подготовки сырья, а также является затратным с точки зрения потребления энергоресурсов.

Источник