Процесс пиролиза: виды и необходимое оборудование

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.

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.

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

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.

Watch this video on YouTube

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.

Перспективы в развитии пиролиза

При использовании катализаторов процесс крекинга резко увеличивается и выход продуктов повышается. При этом затруднение вызывает возникающий процесс коксования самих катализаторов. Научные разработки в этом направлении ведутся.

Использование активаторов процесса или ингибиторов, тормозящих вторичные реакции тоже находится в стадии экспериментальных установок. Но и этот способ оптимизации процесса затрудняется в связи с загрязнением выходящего продукта. В настоящее время разрабатываются методы физического ускорения пиролиза применением электромагнитных полей.

В быту распространение получают обогревательные печи на основе крекинга, состоящие из двух камер, в первой из которых происходит возгонка крекингом, а во второй собственно горение.

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.

Перерабатываемые продукты

Использование пиролиза широко. Так, получение продуктов нефтехимии возможно только с применением данного метода. Используемый в металлургии кокс является продуктом пиролиза. Разработаны полигоны бытовых отходов, где их уничтожение происходит с помощью термического разложения. Метод хорош тем, что является безотходным, это в условиях загрязнённой атмосферы Земли актуально.

Получение продуктов нефтехимии

Когда органические сложные соединения разлагаются под воздействием температуры, то происходит получение простых углеводородов. При таком процессе получают этилен и пропилен, а из них разнообразные производные. На их основе получают впоследствии различные ВМС методом полимеризации и синтеза. Крекинг в нефтехимии идёт при 800–900 градусах.

Древесный крекинг

Издавна известна профессия углежогов, которые сжигали древесину без доступа воздуха под землёй и получали древесный уголь. При температуре в 5000 происходит сухая возгонка, при которой получаются ценные продукты – ацетон, смола, уксусная кислота и метанол. При этом углерод остаётся в твёрдом состоянии и называется древесным углём. Такой продукт в дальнейшем используется как высококалорийное топливо или активатор химических процессов.

Начинается пиролиз при температуре в 200 градусов с выделения оксидов углерода. Необходимо отметить и то, что если продукты разложения в дальнейшем сжигать в атмосфере воздуха, то суммарная калорийность их сгорания будет гораздо выше, чем энергия, потраченная на пиролиз.

Химия древесины – наука, которая развивалась первоначально только в России и первые опыты крекинга принадлежат русским учёным.

Уничтожение бытового мусора

Использование пиролиза для уничтожения бытовых отходов и получения за счёт этого энергии перспективно. Главным препятствием является содержание в отходах ядовитых летучих составляющих – хлора, фосфора и серы. Это активные элементы, которые могут связываться с другими продуктами пиролиза и создавать опасные соединения. Переработка шин и полимерных материалов позволяет получить вторичные продукты и экономически оправдана.

Во время пиролиза в аппарате продукт переработки проходит следующие стадии:

• процесс сушки;
• крекинг;
• дожёг остатка в атмосфере;
• очистка газа в поглотителях.

При этом мусоросжигательный завод имеет разные режимы и установки, рассчитанные на тот или иной процесс.

Для полной переработки отходов газовые продукты направляются в специальные поглотительные установки, где происходит их очистка от токсинов. Полученный в результате пиролиза шлам представляет собой ценный продукт, так как содержит редкие элементы, которые используются для дальнейшей переработки.

При этом на мусороперерабатывающем предприятии можно получить:

• тепловую энергию;
• электрическую энергию;
• продукты переработки шин и полимеров.

Экономичным станет производство по утилизации при сортировке мусора. Пока же на полигоны вывозится всё, попадают даже ртутные отходы.

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.

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).

Устройство газогенераторного отопителя в разрезе
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.

Из-за принудительного нагнетания газов со стороны топки во вторичной камере остается лишь крупная фракция золы

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.

Наше мнение подтвердит известный эксперт–практик в своем видеоролике:

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.