Пиролиз что это такое

Что такое пиролиз

Мало кто из домовладельцев хорошо понимает, что такое пиролиз и каким образом он происходит. Зато все наслышаны о пиролизных котлах, чьи невероятно высокие показатели нам неустанно рекламируют их производители и продавцы. Но рядовые пользователи уже стали привыкать к подобного рода рекламным кампаниям, сопровождающим практически любой товар, и относятся к ним с настороженностью. Цель данной статьи – объяснить, как на самом деле протекает процесс пиролиза, в каких сферах применяется, а также оценить его использование в твердотопливных котлах.

Пиролиз древесины

Как химический процесс это явление сопровождает горение любой биомассы. В этом нетрудно убедиться, если провести простой опыт: положить на раскаленную металлическую поверхность небольшой кусок сухой древесины. Многим из нас и так известно, что будет дальше, даже опыт проводить не нужно. Сначала дерево обуглится, станет дымиться, а потом может вспыхнуть и сгореть либо просто истлеет.

От воздействия высокой температуры происходит термическое разложение (деструкция) древесины, в результате которого выделяются различные горючие газы. Их количество зависит от температуры нагрева, вот почему лучина на горячей поверхности возгорается далеко не всегда. Когда температура не превышает 450 °С, газов выделяется немного, они не достигают нужной концентрации и не вспыхивают. Процесс разложения щепки затянется на длительное время и закончится горсткой пепла.

Оптимальная температура пиролиза древесины, при которой образуется большое количество горючих газов, лежит в диапазоне 600—900 °С. Если поверхность под щепкой разогрета до такой степени, то возгорание древесины неизбежно благодаря высокой концентрации газов. После вспышки процесс резко ускорится, поскольку теперь он подпитывает теплом сам себя и лучина быстро истлеет. Если же ограничить к ней доступ кислорода, то возгорания не произойдет, а разложение будет идти с прежней скоростью. Это дает возможность отвести образующиеся газы и использовать для разных целей.

Надо понимать, что дерево никогда не горит само по себе, возгораются образующиеся пиролизные газы, для чего нужна высокая температура. Вот почему от спички не удастся разжечь толстое полено, слишком мало подводится тепла. Для тонкой щепки его будет достаточно, реакция с выделением газа начнется быстро, что и приведет к появлению пламени.

Итак, пиролиз – это химическая реакция деструкции вещества, вызываемая воздействием высокой температуры. В естественных условиях она протекает совместно с горением. Последовательность хода процесса покажем на примере древесины:

  • нагрев вещества от внешнего источника тепла;
  • при температуре около 300 °С начинается процесс разложения вещества и выделения горючих углеводородов;
  • так как доступ кислорода не ограничивается, а тепло подводится в виде открытого пламени, при достижении 500 °С количество газов возрастает и происходит их возгорание;
  • реакция горения протекает самостоятельно, без внешнего источника тепла. Сжигаемые углеводороды обеспечивают нужное количество теплоты для дальнейшего термического разложения древесины.

Сфера применения пиролиза

В идеальном варианте пиролиз древесины происходит в закрытом пространстве без поступления кислорода и с постоянным подведением тепла извне. Чтобы не расходовать для этой цели дорогие энергоносители, для поддержания процесса используют часть конечного продукта – смесь горючих газов. В состав смеси входит метан, угарный газ (СО) и водород, из негорючих веществ в ней присутствуют углекислый газ и азот.

Получение газообразного горючего из различных отходов деревообработки – это и есть основная сфера применения пиролиза древесины в промышленности.

Основное оборудование для технологического процесса — это пиролизные печи (газогенераторы), блоки охладителей и фильтров. Сырье в виде опилок, щепы и прочих отходов загружается в печь и там сжигается при минимальной подаче воздуха. Поскольку производительность установки напрямую зависит от температуры, то в промышленности зачастую применяют так называемый быстрый пиролиз, когда сырье разогревается с высокой скоростью. Смесь газов проходит охлаждение и фильтрацию, после чего закачивается в резервуары для дальнейшей обработки.

С точки зрения получения полезных химических соединений дерево не так интересно, как уголь. Если последний подвергнуть обработке таким же способом, то можно получить множество ценных веществ. Правда, чтобы вызвать полноценный пиролиз угля, необходимо обеспечить более высокую температуру. Зато после проведения определенных технологических процессов вырабатываются следующие продукты:

  • кокс: незаменимый компонент, участвующий в плавке стали;
  • аммиак: необходим для производства удобрений;
  • толуол: исходный элемент для изготовления разных красителей, а еще – взрывчатки (тринитротолуола);
  • анилин: входит в состав красок и эмалей, изготавливаемых химическим путем.

Перечисленные продукты пиролиза угля – лишь малая часть списка, более полная картина показана на иллюстрации:

О пиролизных котлах

Эта группа твердотопливных агрегатов отличается от традиционных котлов прямого горения наличием двух камер вместо одной. По задумке, в первичной камере сжигания идет процесс газификации твердого топлива при подаче недостаточного количества кислорода, а во второй – дожигание выделяющихся пиролизных газов при добавлении вторичного воздуха. Но так ли это происходит технология сжигания на самом деле? Чтобы это понять, надо рассмотреть конструкцию теплогенератора.

На данный момент существует 2 вида пиролизных котлов, разберем устройство каждого подробнее. Самая популярная конструкция – когда первичная топка находится над вторичной. Между ними имеется форсунка прямоугольного сечения, сделанная из огнеупорного кирпича. А теперь внимание: воздух в главную топку нагнетается с помощью вентилятора, частично попадая и в нижнюю камеру для дожигания газов. То есть, принцип пиролиза нарушен изначально, так как вместо ограничения по кислороду вентилятор создает его избыток.

Что это дает? Полное и эффективное сжигание дров, так что и золы не остается. Но этому есть объяснение: сухое дерево не оставляет после себя золы, а только легкий пепел, половина которого просто выдувается вентилятором через форсунку в дымоход. По всем признакам данной конструкции можно присвоить название «котел верхнего дутья», поскольку вентилятор нагнетает воздух в верхнюю камеру. За счет этого возрастает температура горения, увеличивается выход газа, но он тут же сгорает, проходя через форсунку. Подобный алгоритм работы имеет мало общего с химической реакцией пиролиза.

Котел с естественной подачей кислорода

В другом типе теплогенераторов камеры расположены наоборот: главная топка снизу, вторичная – над ней. Форсунки нет, вместо нее устроен обычный газоход, соединяющий камеры между собой. Вентилятора здесь нет, воздух в обе топки подается естественным путем – за счет тяги дымохода. Причем подача осуществляется по раздельным каналам. Следует отметить, что в данном случае процесс пиролиза древесины организован лучше, горение в топливнике происходит с малым расходом воздуха, его поступление ограничено заслонкой.

Проблема здесь в другом: при закрытой воздушной заслонке падает и температура процесса, выход газа снижается. Воздуха для вторичной камеры тоже не хватает, так что она превращается в обычный газоход, где продукты горения отдают свое тепло стенкам водяной рубашки. Если же заслонку открыть, горючих газов образуется больше, но они станут гореть в основной топке, попадая во вторую лишь частично. Подобные пиролизные котлы больше напоминают агрегаты прямого горения, где дымовые газы делают несколько ходов для лучшей теплоотдачи. Да и по отзывам пользователей они не могут похвастать повышенной эффективностью.

Выводы

Химическая реакция термического распада углеводородов широко применяется в промышленности не только для получения газообразного топлива, но и с целью синтеза всяких полезных веществ. Организовать пиролиз древесины в домашних условиях вполне реально, но целесообразность этого мероприятия крайне низка. А вот дровяные котлы, называемые пиролизными, имеют к этому процессу весьма посредственное отношение, хотя стоят гораздо дороже обычных.

Пиролиз – что это, описание процесса пиролиза

По сути пиролиз – это распад материи на молекулярном уровне. Разложение органических и неорганических тканей при этом происходит благодаря сильному нагреву и полному отсутствию кислорода. В итоге сложные соединения распадаются на более простые, образуя новые элементы. Поэтому довольно часто данный процесс называют сухой перегонкой.

Описание процесса

Потребность в экологичном оборудовании для переработки химических отходов у нашего общества появилась уже давно. Первые пиролизные котлы стали запускать еще в конце позапрошлого века. А создание современных пиролизных агрегатов решило сразу несколько вопросов:

  • экологическая составляющая;
  • возможность накапливать результаты сжигания;
  • экономическая выгода.

Впрочем, экономический аспект использования пиролиза рассчитан на перспективу. Пиролиз достаточно недешевое удовольствие. Он требует соответствующего оборудования и специально обученный кадровый состав.

Зато в работе пиролизные установки практически автономны. Агрегатам требуется электроэнергия только для запуска, дальнейшая работа котла осуществляется за счет производимых в процессе сжигания ресурсов. При этом избытки вырабатываемой энергии и пара можно использовать для бытовых целей, перенаправляя их коммунальные сети.

В России пиролиз только начинает набирать популярность, тогда как в Европе без установок для пиролиза не обходится ни одно крупное предприятие. Причин такой востребованности пиролиза довольно много:

  • безотходный способ переработки мусора и всевозможных загрязнений промышленного характера;
  • уровень КПД от пиролиза составляет 90 %;
  • возможность получения новых соединений, вторсырья;
  • создание невосполнимых ресурсов, таких как синтетическая нефть;
  • получение углеводородов, органических кислот и других химических элементов;
  • источник теплоснабжения предприятий.

Исходя из выбора сырья для переработки, пиролизная реакция может протекать при разных температурных режимах. Конечный результат при этом, также будет различаться по составу химических элементов.

В зависимости от температуры нагрева печи и дополнительным составляющим пиролиза, перегонку принято разделять на две разновидности: сухая и окислительная.

Окислительный пиролиз

Этот вид пиролиза можно назвать самым экологичным и продуктивным. Он применяется для обработки вторсырья. Реакция проходит при высоких температурах. Например, при пиролизе метана, он смешивается с кислородом, частичное сгорание вещества выделяет энергию, которая нагревает оставшееся сырье до температуры 16000 ºС.

Окислительный пиролиз используют для того, чтобы обезвредить промышленные отходы с повышенным содержанием нефти. А также для переработки пластика, резины и других материалов, не поддающихся естественному разложению в природной среде.

«Окислительный пиролиз позволяет перерабатывать сырье различных консистенций. В том числе материалов в жидком и газообразном состоянии».

Виды сухого пиролиза

Сухой пиролиз один из самых востребованных в промышленности. С его помощью получают топливо, различные химические соединения и обезвреживают вторсырье. Используя разные температурные режимы пиролиза получают газ, жидкие и твердые продукты сгорания.

Разогрев котла до максимальной температуры в 5500 ºС, считается низкотемпературным режимом. При таких температурах образования газов практически не происходит. Работа направлена на производство полукоксов (в промышленности их активно используют в качестве топлива) и смол, из которых в дальнейшем производят искусственный каучук.

Протекание пиролиза при температурах от 550 до 9000 ºС считается низкотемпературным, но фактически, учитывая технические возможности, принадлежит к среднему температурному режиму. Его использование целесообразно при необходимости производства пиролизного газа и твердых осадков. При этом исходное сырье может включать фракции неорганического происхождения.

Течение пиролиза при температуре выше 9000 ºС считают высокотемпературной реакцией. Работа котла при максимальной температуре в 9000 ºC позволяет получать твердые материалы (кокс, древесный уголь и другие) с низкой долей выделяемого газа.

Читайте также:  Газогенераторные автомобили на дровах

Выгонка с использованием более высоких температурных режимов нужна для получения преимущественно газообразных веществ. Практическая польза от высокотемпературного режима заключается в том, что полученные газы можно использовать в качестве топлива.

«Высокотемпературный пиролиз не требователен к содержанию перерабатываемого сырья. При использовании низкотемпературного режима необходимо соблюдать все этапы подготовки, включая сушку и сортировку».

Пиролиз ТБО

Экологически чистая переработка мусора – одно из ключевых направлений использования пиролиза. Данные агрегаты позволяют в разы сократить негативное воздействие антропогенного фактора на окружающую среду.

В процессе пиролиза распадаются биоактивные вещества, не выплавляются тяжелые металлы. После термического распада в пиролизных котлах практически не остается невостребованных отходов, что позволяет значительно сократить площади, для их дальнейшего хранения.

Так, например, сжигая 1 тонну покрышек мы загрязняем атмосферу 300-ми кг сажи. Кроме того, в воздух поступает около 500 кг токсичных веществ. Переработка того же материала в пиролизных установках позволяет использовать резину в энергетических целях, получать вторсырье для дальнейшего производства и значительно сокращает вредные выбросы.

Снизить вредное воздействие на окружающую среду удается благодаря многоступенчатой системе переработки. В процессе пиролиза отходы проходят четыре этапа утилизации:

  • первоначальную сушку;
  • крекинг;
  • дожигание остатков переработки в атмосфере;
  • очистку полученных газообразных веществ в специальных поглотителях.

Пиролизные установки позволяют перерабатывать отходы:

  • деревоперерабатывающих предприятий;
  • фармацевтической отрасли;
  • автопрома;
  • электротехники.

Метод пиролиза успешно справляется с полимерами, отходами канализации и бытовым мусором. Нивелирует воздействие на природу нефтепродуктов. Отлично подходит для утилизации органических отходов.

Единственный минус пиролизных агрегатов обнаруживается при переработке сырья, содержащего хлор, серу, фосфор и другие ядовитые химикаты. Продукты полураспада этих элементов под действием температуры могут соединяться с другими веществами и образовывать токсичные сплавы.

Пиролиз метана

Пиролиз метана одна из самых сложных реакций, проходящих в разных температурных режимах. Проводя пиролиз на высокой температуре, можно получить ацетилен, из которого изготавливают каучук. Однако экономически эта процедура не оправдана.

Зато пиролизная переработка метана – отличный способ для его утилизации. К примеру, тримеризации, получаемого ацетилена, можно добиться добавив активированный уголь и запустив работу котла в низком температурном режиме.

Пиролиз древесины

Эту процедуру еще называют древесным крекингом, а зародилась она именно в России. Прообраз современного агрегата еще в незапамятных временах изобрели наши углежоги. Для получения древесного угля без доступа воздуха, они воспламеняли древесину под слоем земли.

Сегодня этот процесс гораздо совершеннее и проходит в несколько этапов. Начинается крекинг при разогреве до 2000 ºС. На этом этапе выделяется большое количество оксида углерода. Если продолжить его сжигание в атмосфере, то удастся получить огромное количество энергии.

Затем котел разогревается до 5000 ºС. В этом температурном режиме получают метанол, смолы, ацетон и уксусную кислоту. Кроме этого вырабатывается твердый углерод, больше известный, как древесный уголь.

Продукты пиролиза и перспективы его применения

Использование пиролизных агрегатов дает широкие возможности по изготовлению ценных сегодня продуктов химической промышленности. В их числе: бензин, дизтопливо, синтез-газ, древесный уголь. Но их выработка ставит перед российским обществом еще одну проблему – сортировка сырья.

Впрочем, на первых порах массового внедрения пиролизных установок, из них можно извлечь и другую пользу. Независимо от перерабатываемого сырья, пиролизные агрегаты способны вырабатывать электрическую и тепловую энергию.

Кроме того, благодаря наличию камер догорания и практически безотходному производству, пиролизные установки способны решить многие проблемы экологического характера.

Сегодня небольшие по размеру модели, такие как «Пиролиз 43», начинают пользоваться спросом в частной среде. Эти мини-печи с высоким уровнем КПД просто не заменимы для частных домовладений в пригороде и труднодоступных поселениях. Пиролизные установки легко решают проблему газификации и электрификации небольших сел и дачных кооперативов.

Установки для реализации пиролиза не до конца оценены современным обществом. Однако их бережное отношение к природе, способность производить необходимые цивилизованному обществу продукты из вторсырья еще завоюют внимание миллионов людей. Система пиролиза хороший способ сделать нашу планету чище, а отношение к ископаемым рациональней.

Пиролиз мусора и отходов: плюсы и минусы метода

Очищение планеты от мусора — основная задача. Пиролиз отходов — один из способов, применяемых для обработки и утилизации мусора. Процедура безопасна для окружающей среды. Это прибыльная отрасль для начинающих бизнесменов. Сырье – мусор, производимый человеком ежедневно.

Что такое пиролиз?

Пиролиз — процесс утилизации, обезвреживания и сжигания отходов. Для выполнения процедуры требуется соблюдение двух условий: наличие высокой температуры и закрытая камера без доступа кислорода. В процессе сжигания при таких условиях отходы распадаются на элементы с низкой молекулярной массой.

Плюсы и минусы пиролиза ТБО

Список отрицательных сторон пиролиза гораздо короче.

К минусам метода относят:

  • сложность системы;
  • цена на установки;
  • необходимость большого числа рабочих, которые будут следить за сжиганием мусора.

Технология пиролиза

Стандартно процедура производится в 3 этапа:

  1. Сырье помещается в сушильную камеру на продолжительное время.
    Этап считается самым долгим со значимыми энергозатратами.
  2. Пиролиз.
    Сначала разрушаются нестабильные компоненты (при 300 градусах). Вырабатывается уксусная кислота, двуокись углерода и угарный газ. При росте температуры сгорают оставшиеся ТБО.
  3. В завершающем этапе получают продукты сгорания.

Материал, который получается на выходе, зависит в основном от компонентов, помещенных в камеру.

Этот материал бывает в 3 состояниях:

  • пиролизный газ;
  • жидкое состояние представлено 2 вариантами: водой и маслом;
  • пикарбон.

Виды пиролиза

Рассматривая пиролиз, как процедуру обработки различных видов отходов, выделяют 3 классификации.

Сухой метод и окислительный пиролиз

Окислительный метод применяют для обработки жидких и газообразных отходов. Он эффективен при нейтрализации нефтесодержащих элементов, пластика, покрышек и иных веществ.

Сухой пиролиз эффективен при обработке твердых веществ. Его главное достоинство по сравнению со вторым методом пиролиза — грамотное применение природного ресурса.

Низко и высокотемпературный пиролиз ТБО

Низкотемпературный пиролиз предполагает обработку при поддержании температуры от 450 до 900 градусов. В процессе вырабатывается меньший объем газов, но остаток твердых веществ больше.

Второй характеризуется горением в камере с жаром свыше 900 градусов. При этом вырабатывается довольно большой объем газов с минимальным содержанием смол.

Быстрый и медленный пиролиз

Следующее разделение производится на основе продолжительности. Процедура быстрого пиролиза подобна воде в кипящем масле. Она закипает моментально. Технологии быстрого пиролиза отличаются способами передачи тепловой энергии от носителя к исходному веществу.

Процедура медленного пиролиза сравнима с нагреванием и закипанием.

Преимущества и недостатки разных видов пиролиза

Каждый вариант имеет плюсы и минусы.

Если сравнивать переработку при высоких и низких температурах, то второй вариант допускает проведение процедуры без предварительной сортировки. При этом выработка вредных окисей серы и азота будет минимальной.

Способ обладает минусами:

  • высокая стоимость оборудования;
  • сложность установки в сочетании с большими размерами;
  • для введения оборудования для переработки в действие потребуется много работников и финансовых вложений;
  • высокомолекулярные элементы не расщепляются.

Плюсы обработки сырья при высокой температуре:

  • Основной плюс высокотемпературного метода — остаток твердых отходов по мере завершения процедуры равен нулю;
  • вырабатываемый пиролизный газ подобен натуральному. Он применяется для вырабатывания тепло- и электроэнергии;
  • легкость при очистке;
  • исключена вероятность образования нежелательных диоксидов (процесс исключает поступление кислорода в камеру сгорания);
  • образованная жидкость перенаправляется для производства нефтепродуктов.

Сравнение быстрого и медленного пиролиза:

  • при быстром продукты для утилизации не осмоляются, а по мере завершения они чище, нежели при медленном. Небольшой расход энергии;
  • минус медленного — длительность, которая иногда вынуждает прерывать.

Какие отходы можно перерабатывать при помощи пиролиза?

К твердым отходам относят органические и неорганические компоненты. Процедуре подлежат органические массы.

Они разделяются на:

  • компостируемые (пищевой мусор, опилки, древесная кора и ветки, печатные издания, картон);
  • некомпостируемые (пластмассы, резина, кожа, провода, вязкие пасто- и кремообразные вещества (автомобильное масло), земля с каплями горюче-смазочных компонентов).

Пиролизное оборудование для переработки отходов

Установки последнего поколения дают возможность обрабатывать различный органический мусор. При этом в процессе используется собственная вырабатываемая энергия.

Основа установки — реактор. В нем сгораю отходы. В верхнем отсеке мусор просушивается. Для этого устанавливается температура в рамках от 100 до 200 градусов. В средней камере температура достигает от 1000 до 1200 градусов. Здесь органические элементы разлагаются и проходят процедуру коксования.

Выделяемый при горении углерод выделяет тепло, тем самым поддерживая требуемую температуру. Нижний отсек предназначен для охлаждения. Температура не превышает 100 градусов. В этой части реактора остатки догорают и преобразуются в золу. Заключительный этап предполагает выведение компонентов из реактора для складирования или дальнейшей обработки.

Варианты пиролизного оборудования:

  • для переработки шин;
  • для отходов деревообработки, навоза и помета;
  • универсальная. Она предназначается для переработки медицинских и пищевых отходов, продуктов дерево- и нефтепереработки, другого мусора.

Эти пиролизные установки большие. Если создать уменьшенную и упрощенную копию, то аппарат можно использовать в личных целях. Они позволят вырабатывать тепловую энергию и получать химические продукты.

Пиролизный завод

Рассмотреть пиролизный завод можно на примере завода ШАХ «ПОТРАМ — ТБО».

На этом предприятии применяются следующие основные зоны:

  • сортировка отходов, с последующим измельчением и компостированием. Размеры ее достигают 50 метров в длину, 30 метров в ширину, а высота — 12 метров;
  • полученный компост просушивается;
  • образования синтетического пиролизного масла;
  • получения дистиллятов из пиролизного масла;
  • очистки дистиллятов до уровня чистоты Евро-4.

Такое зонирование позволяет перерабатывать практически все виды твердых бытовых отходов.

Сначала отходы в обязательном порядке проходят радиационный контроль. Крупные куски измельчаются. Допустимый размер — 250 мм в диаметре.

Следующий этап — компостирование. Среднее содержание влаги в нем — 60-65%. Для ее удаления компост помещается в отсек для низкотемпературного пиролиза. Далее отходы перемещаются в зону для быстрого пиролиза.

В отсеке просушенный компост смешивается с золой твердых бытовых отходов. Температура золы достигает 850 градусов. Полученная смесь перемещается в медленно вращающийся реактор. В нем, без участия кислорода, смесь прогревается до 500 градусов. Под воздействием температур тяжелые органические молекулы разлагаются, образуя легкий углеводород.

Образованные пары и газы перемещаются в следующую зону. В нем пару углеводорода подвергаются конденсации. При этом получается жидкая пиролизная составляющая. В рассматриваемом процессе неорганические компоненты испаряются или направляются на другие химические заводы для последующей обработки. Необработанный газ поступает обратно в реактор, где он сгорает, поддерживая тепло.

Жидкая часть направляется в складское помещение для реализации в качестве исходного сырья в нефтеперерабатывающем заводе. Из него добывают топливо для машин и поездов, он заменяет мазут и топливо для печек и котельных.

Остатки твердых отходов перенаправляются в аэрофонтанную топку, в которой он догорает. Вырабатываемое тепло используют для прогревания золы. Она помещается в реактор, помогая процессу разложения органических веществ

Продукты пиролиза мусора

По мере завершения процесса пиролиза образуются следующие компоненты:

  • Из пластика вырабатывается мазут, газ и зола.
    Мазут направляется для дальнейшей переработки в синтетическое топливо, которое добывается при использовании более сложных установок. Полученное топливо применяется для функционирования двигателей внутреннего сгорания. Полученная при переработке зола используется в качестве топлива. Зола упаковывается в брикеты и не нуждается в дополнительной обработке.
  • Процесс переработки автомобильных шин характеризуется выработкой газов, технического углерода и синтетической нефти.
    Последняя, после прохождения дополнительной очистки, становится аналогом природного продукта. Углерод — вспомогательный элемент при производстве лакокрасочной продукции. Он отвечает за пигментацию. Углерод используют на заводах при производстве резины и отдельных строительных материалов.
  • Дизельное топливо.
  • Тепло и электроэнергия.
Читайте также:  Утепляем баню изнутри своими руками

Сложность получения того или иного вида материала состоит в том, что для выработки может потребоваться сортировка продуктов. Эта процедура дорогостоящая. Получить высококачественный материал из несортированных твердых отходов практически невозможно.

Применение пиролиза в России

Впервые о пиролитических предприятиях стало известно еще в 19 веке. Основная цель — добыча газа для освещения. Сырь – керосин. Способ запатентован ученым из Санкт-Петербурга.

Вторым знаменательным периодом в пиролизе стала первая мировая война. Целью стал толуол — вещество, используемое для подрыва тротила. Пиролизные заводы строятся и функционируют во многих странах. Лидер — США. Россия, хоть и отстает, продумывает стратегии развития.

Низкая распространенность объясняется стоимостью оборудования и сложностями при эксплуатации.

Распространение метода способствует очищению планеты от твердых отходов. Помимо спасения экологии следует дополнительно отметить выработку вторсырья и безвредность состава отходов для окружающей среды.

Пиролиз: что это такое, его виды, сферы применение, описание процесса

Пиролитическое разложение, или пиролиз — это термохимический процесс распада органических и ряда неорганических соединений. Под воздействием высоких температур связи в больших молекулах разрываются, и образуются молекулы меньшего размера. В отличие от газификации и горения процесс протекает при отсутствии кислорода. Однако при распаде соединений с высоким содержанием O2 происходят реакции с участием кислородных атомов.

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).

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 для проведения

Для протекания реакций необходима высокая температура (от 200 до 900 °C), поскольку пиролиз — эндотермический процесс. Для обеспечения прямого и непрямого нагрева используются разные теплоносители: электроэнергия или энергия процессов горения, пиролизный газ и т. д. Давление во время пиролитического разложения приближено к атмосферному.

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.

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.

Описание процесса переработки

Сырье загружают в емкости и помещают в печь, где оно нагревается горелками до нужной температуры. С началом реакции пиролиза установка полностью переходит на автономное обеспечение газовым топливом. После завершения пиролитического разложения конечные продукты остывают. Процесс охлаждения ускоряет перегретый водяной пар, поступающий в емкости из парогенераторов по трубопроводу.

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.

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:

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.

Перспективы применения

Разные методы пиролиза будут применяться все чаще, так как это экологически чистый способ утилизации мусора, получения ценного химического сырья, электрической и тепловой энергии. Климатологи обсуждают возможность их использования для пирогенного улавливания и хранения углерода (PyCCS) с целью преодоления климатического кризиса.

Пиролиз как метод переработки ТБО

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.

Читайте также:  Горелка бабингтона на отработанном масле своими руками

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.

Краткая история пиролиза

Содержание:

Пиролиз древесины

Пиролиз – это термическое разложение органических соединений при их нагревании до 950°С без доступа воздуха с образованием газообразных, жидких продуктов и твердого остатка. Пиролиз также можно назвать сухой перегонкой, а в качестве сырья могут быть сырая нефть, различные соединения, содержащие органические компоненты, такие как древесины, уголь, торф и т. д.

Пиролиз древесины – один из первых химических процессов, взятых на вооружение людьми. Начиная с 12 века, его широко использовали в России для выработки сосновой смолы (служит для просмолки деревянных судов и пропитки канатов), этот процесс назывался смолокурение.

Считается, что в Швеции в 16 веке впервые началось применение технологии пиролиза в промышленных масштабах. Шведы использовали технологию пропитки корабельной древесины дубильными сосновыми смолами, получаемыми в результате простейшего пиролиза. В медный чан закладывались поленья хвойных пород древесины, чан герметично закрывался, чем достигалось отсутствие доступа воздуха внутрь. Чаном на открытом пламени разогревали до температуры 400°С-500°С, и при этом на дне скапливались маслянистые смолы, которые сливались через отверстие в дне. С развитием металлургии возник другой промысел, основанный на технологии пиролиза древесины, – углежжение. При сжигании древесины без доступа воздуха получался древесный уголь.

Вернуться к содержанию

Российские химики Юлия Всеволодовна Лермонтова и Александр Александрович Летний впервые в истории химической науки обратили внимание на то, что каменный уголь дает светильный газ (смесь водорода, метана, окиси углерода и других горючих газов, получаемая при пиролизе каменного угля или нефти), худший по качеству, чем газ нефтяного происхождения. А уже в 1877 году эффект пиролиза углеводородов был запатентован Александром Александровичем Летним.

Ещё в 1875 он обнаружил, что при температуре выше 300° С тяжёлые нефтяные остатки частично разлагаются на более лёгкие продукты — бензин, керосин, газы. это В 1877 впервые выделил из нефти ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол, антрацен и др.); установил важные закономерности процесса пиролиза нефти. Практически в это же время были построены первые заводы в Киеве и Казани. Для получения газа для освещения, пиролизу подвергали керосин. Большой толчок к развитию промышленного применения технологии пиролиза дала Первая мировая война, когда возникла большая потребность в толуоле – сырье для производства тротила. В 20 веке существенный вклад в разработку новых направлений пиролиза древесины внес профессор Тищенко Д. В.

Вернуться к содержанию

В нашей стране на протяжении долгого времени (когда ещё не начали использовать природный газ) пиролиз твердого топлива был весьма важным направлением в энергетике. На многих предприятиях было установлено мощное газогенераторное оборудование, а автомобили оснащались двигателями, работающими на генерируемом в процессе пиролиза газе.

В 30-е годы XX века индустриализация в СССР проходила очень стремительно. Для обеспечения таких темпов требовался огромный парк автомобильной техники, для работы которого в свою очередь требовалось громадное количество углеводородного топлива – бензина и солярки. Нефтепродуктов постоянно не хватало.

Вернуться к содержанию

Для того чтобы решить эту проблему широко применялись мобильные газогенераторы, которые были изобретены еще во время первой мировой войны. Схема газогенераторной установки проста. Загруженное в газогенератор топливо поджигается через воздушный клапан при помощи факела. Воздух, необходимый для газификации, засасывается в камеру через фурменные отверстия благодаря разрежению, создаваемому всасывающим действием двигателя. Причем его количество должно быть недостаточно для полного сгорания топлива. При этом углерод топлива соединяется с кислородом воздуха, образуя углекислый газ (СО2) и окись углерода (СО). Далее они попадают в зону восстановления, где проходит через слой раскаленного угля, лежащего на колосниковой решетке.

Вернуться к содержанию

В результате негорючий СО2 превращается в горючий СО. Входящий в состав топлива водород частично соединяется с кислородом, образуя воду, которая присоединяется к влаге топлива, а остальной выделяется в чистом виде. Под влиянием высоких температур в камере газификации часть влаги соединяется с углеродом, образуя окись углерода и водород. Окись углерода, вместе с ранее образованной и полученной в результате восстановления углекислого газа, переходит в состав генераторного газа. Водород же, полученный в результате разложения воды, суммируется со свободным водородом, причем часть этого водорода переходит в состав генераторного газа, а другая часть вступает в химическую реакцию с углеродом топлива, образуя метан.

Вернуться к содержанию

Теоретически весь кислород воздуха должен израсходоваться при газификации, однако в действительности часть его сохраняется и переходит в состав генераторного газа. Вода, не разложившаяся при газификации, переходит в генераторный газ в виде пара. В слое топлива, находящегося непосредственно над зоной горения, происходит процесс пиролиза топлива (или сухой перегонки), то есть нагрев без доступа воздуха. Продуктами сухой перегонки являются древесный уголь или кокс, а также летучие вещества, смолы и влага, выходящие в газо- и парообразном состоянии. Все продукты сухой перегонки в описанном типе генератора целиком проходят через зону горения и восстановления, где подвергаются процессам газификации, несколько более сложным, чем описано, но дающим те же основные продукты. Над зоной сухой перегонки находится зона подсушки, где происходит высыхание топлива. При выходе из генератора газ имеет высокую температуру и засорен золой и частицами угля. В таком виде он не может использоваться в двигателе и перед поступлением в цилиндры должен быть очищен и охлажден.

Вернуться к содержанию

По всему миру пиролизный газ начинают использовать как альтернативный источник энергии, прежде всего тепловой. Во многих европейских странах пиролизный газ давно стал обычным топливом, на котором десятками лет вырабатывается электроэнергия, пар и горячая вода. В настоящее время процесс термического пиролиза углеводородного сырья является главным способом получения этилена и пропилена.

Ссылка на основную публикацию