Пиролиз – это процесс распада органических и ряда неорганических соединений на молекулярном уровне. Он протекает под воздействием высоких температур, при условии полного отсутствия кислорода.
Содержание
Описание процесса
Чтобы описать процесс пиролиза, для начала нужно разобраться с горением. Горение – это процесс быстрого окисления вещества. При этом каждые 2 атома водорода сочетается с 1 молекулой кислорода, а 1 атом углерода – с 2 частицами кислорода.
В результате образуется углекислый газ и вода. Последняя испаряется, поскольку при горении выделяется много тепловой энергии.
Технологический процесс можно описать следующим образом:
- Топливо помещается в закрытый реактор.
- Оно подогревается до температуры в 500 градусов.
- Топливо распадается на углекислый газ, водород и твердый остаток.
- Углекислый газ и водород выходят через специальный трубопровод, а остаток охлаждается.
Пиролиз используется для безопасной утилизации химических веществ, которые могут выделять токсичные соединения при горении.
Преимущества:
- практически безотходный процесс;
- КПД около 90%;
- возможность переработки твердого остатка;
- создание невосполнимых ресурсов, в том числе, синтетической нефти;
- получение углеводородов и органических кислот;
- выработка большого количества тепловой энергии.
Большинство видов опасного мусора нельзя сжигать, поскольку они загрязняют атмосферу. Пиролиз – это фактически бездымное горение, поэтому он подходит для утилизации любого мусора.
Условия для проведения
Температура пиролиза – от 200 до 900 градусов. При меньшей температуре процесс не будет активироваться. В качестве теплоносителя допустимо использовать электроэнергию или пиролизный газ.
Методы пиролиза
Выделяют несколько методов пиролиза. Они отличаются по способу нагрева, а также по сырью, подходящему для утилизации таким способом.
Сухой
Сухой пиролиз – это горение, которое протекает при условии полного отсутствия кислорода. Это позволяет полностью предотвратить окисление.
В процессе используются дегидратирующие средства. Пиролизные установки работают на электричестве.
Сухой пиролиз может протекать при разных температурных режимах:
| Название | Температура |
|---|---|
| Полукоксование | До 550 градусов |
| Среднетемпературный | От 550 до 800 градусов |
| Высокотемпературный | От 800 градусов |
Сухой метод пиролиза подходит для переработки углеводородных отходов. Твердый остаток, получаемый в процессе, может использоваться в качестве вторсырья для химической промышленности.
Окислительный
Окислительный пиролиз – это самый экологически чистый метод. Сырье в установках нагревается до 900 градусов. Сжигание происходит под воздействием горячих дымовых газов, являющихся катализатором реакции.
Вещество начинает сгорать и выделять тепловую энергию. В результате твердый остаток нагревается до температуры в 16 тысяч градусов.
Современный подход
Помимо вышеописанных, в промышленности используется несколько современных методов утилизации.
А именно:
- Каталитический низкотемпературный. Пиролиз происходит при воздействии низких температур – до 200 градусов. Реакция проходит под воздействием катализаторов. В результате сырье распадается на твердый остаток, который по эксплуатационным качествам превосходит вторсырье.
- Инициированный. Используется для обработки углеводородов. В реакции используются так называемые «инициаторы». Благодаря этому количество твердого и жидкого остатка увеличивается.
- Термоконтактный. Катализатором реакции выступает расплавленный металл, частички нагретого огнеупорного материала. В результате образуется большое количество тепловой энергии, появляется меньше кокса.
- Гидропиролизный. Проводится под воздействием высоких температур в 900 градусов, а также воды, которая подается под давлением в 100 бар. Вместо кокса выделяется больше углеводородов и смолы.
Современные методы пиролиза эффективнее, экологически чище и приносят больше пользы.
Продукты пиролиза
Пиролизная смола активно используется в химической промышленности.
Продуктами пиролиза могут выступать:
- бензин;
- дизельное топливо;
- синтетический газ;
- древесный уголь.
Твердый остаток может использоваться в качестве вторсырья на перерабатывающих предприятиях. Пиролизный газ и тепловая энергия активно используется в промышленности, а также в быту, выступая заменой электрификации и газификации участка.
Типы установок
Установки, вырабатывающие пирогаз, делятся на бытовые и промышленные. Бытовые обладают сравнительно небольшими размерами.
Пиролизные установки различаются по следующим параметрам:
- производительность;
- вес;
- габариты;
- мощность;
- источник энергии;
- количество уровней.
В быту используются небольшие и малогабаритные установки, однако даже они способны обеспечить тепловой энергией участок небольших размеров.
Виды по типу сжигаемого материала
Все установки также отличаются по типу перерабатываемого сырья. Где-то используется гидропиролиз, где-то – сухой метод.
Пиролиз ТБО
Безопасная переработка мусора, в процессе которой не выделяются вредные соединения, — одна из главных задач экологии. Пиролиз помогает значительно сократить агрессивное воздействие ТБО на окружающую среду. При этом в процессе утилизации появляется твердый остаток, который можно использовать в качестве вторсырья.
В установках можно перерабатывать отходы:
- деревообрабатывающей промышленности;
- электротехники;
- автопрома;
- фармацептической промышленности.
В процессе утилизации не образуется тяжелых металлов, только биоразлагаемые и безопасные материалы.
Пиролиз метана
Утилизация метана проходит на разных температурных режимах. Сначала под воздействием высоких температур газ распадается на ацетилен. Однако это бесполезно и не имеет никакого экономического оправдания.
После этого в установку добавляют активированный уголь, утилизация проходит на низких температурах. В результате начинается реакция тримеризации.
Пиролиз древесины
Другое название – древесный крекинг. Обработка проходит при температуре в 2 тысячи градусов. В результате вырабатывается большое количество оксида углерода, а также тепловая энергия.
После этого пиролизная установка разогревается до 5 тысяч градусов. В результате вырабатывается метанол, смола, ацетон и уксусная кислота. Помимо этого образовывается древесный уголь.
Использование в быту
Пиролиз углеводородов нашел широкое применение в быту. Установки используют для выработки дешевой тепловой энергии.
Пиролизные котлы
Пиролизные котлы с естественной подачей кислорода – это тепловые установки с высоким коэффициентом полезного действия. В качестве источника используется древесина, а также выделяемый в процессе древесный газ.
Бытовая установка состоит из двух камер сгорания. В первой древесина преобразуется в газ под воздействием высоких температур. Во второй камере оказываются трудно сгораемые остатки.
Они утилизируются при температуре свыше 1 тысячи градусов, вырабатывая тепловую энергию.
Очистка духового шкафа
Простые пиролизные установки используются в процессе самоочистки в современных шкафах.
Под воздействием высоких температур грязь и налипший жир карбонизируется. Процесс занимает до четырех часов.
После этого образовывается пепел, который легко стирается обычной тряпкой или губкой.
Получение древесного угля
Бытовые установки используются также для получения древесного угля. В специальных установках утилизируется древесина лиственных или хвойных пород. В процессе появляются уголь, смола и газ.
Переработка происходит в 2 этапа. Для начала при температуре в 300 градусов начинается выработка большого количества тепловой энергии. Затем, при 500 градусах, образуется твердый остаток – древесный уголь.
Промышленный пиролиз
Пиролизные установки активно применяются в промышленности.
Они могут использоваться для:
- переработки отходов промышленности;
- переработки ТБО;
- получения углеводородов;
- переработки метана;
- получения древесного угля.
Технологическое оформление
Переработка сырья в промышленных пиролизных установках проходит на нескольких этапах.
Оборудование состоит из нескольких узлов:
- Пиролиза. Состоит из нескольких печей, где и происходит непосредственная переработка.
- Разделения продуктов. Продукты пиролиза делятся на воду, смолы и пиролизный газ.
- Компримирования. Пирогаз сжимается под высоким давлением.
- Осушки. Из продуктов пиролиза удаляется воды.
- Глубокое охлаждение. Пирогаз охлаждается до низкой температуры.
Сырьевая база
Сырье пиролиза в европейских странах и в России отличается по составу.
Процентное соотношение в мире следующее:
| Процентное соотношение | Сырьё |
|---|---|
| 27% | Этан |
| 14% | Бутан |
| 53% | Нафта |
| 5% | Керосино-газойлевые фракции |
В России сырьем также выступают легкие углеводороды широкой фракции, а керосино-газойлевое сырье не используется. При этом их доля постоянно увеличивается, в связи с растущими объемами добычи нефти.
Производство низших олефинов
Не так давно был опубликован рейтинг стран по производству низших олефинов.
Ситуация следующая:
- Америка – мощность в 27 тысяч в год.
- Япония – 7 тысяч в год.
- Саудовская Аравия – 5,6 тысяч в год.
- Корея – 5,4 тысяч в год.
- Германия – 5,4 тысячи в год.
- Канада – 5,3 тысячи в год.
- Китай – 4,9 тысяч в год.
- Нидерланды – 3,9 тысяч в год.
- Франция – 3,4 тысячи в год.
- Россия – 2,8 тысяч в год.
Из этого можно сделать вывод, что пиролизные установки в промышленности России пока не получили должного распространения.
Технологическая схема
Пиролизное горение проходит по сложной технологической схеме.
Предварительный подогрев
На этом этапе сырье нагревают, после чего смешивают с водяным паром, добиваясь концентрации в 0,5.
Наличие водяного пара позволяет избежать обратной реакции. После этого сырье подогревают до 500 градусов.
Печь пиролиза
Реакция происходит в змеевиках пиролизной печи на протяжении примерно 0,6 секунд.
Обработка происходит под воздействием высоких температур в 800 градусов, что позволяет увеличить выработку олефинов.
Блок захолаживания
Захолаживание происходит при помощи воды, а также жидкой части продукта С9+.
Так называемый квенчинг подразумевает подачу охлажденного сырья в холодные продукты горения, благодаря чему реакция пиролиза моментально останавливается.
Блок фракционирования
Газ попадает в блок фракционирования. Тяжелые компоненты выходят из куба колоны.
Легкие охлаждаются, после чего разделяются на газ и жидкость. После этого газ сжижается, охлаждается и подается в деметанизатор.
Деметанизатор
На этом этапе из смеси выделяются углеводородные компоненты или бензин. Неконденсированный газ используется в качестве топлива, а также для захолаживания сырья.
Остальной газ подается в деэтанизатор.
Деэтанизатор
На этом этапе технологического процесса ацетилен превращается в этилен.
После этого смесь компонентов С2 разделяется в ректификационной колоне.
Депропанизатор
На этом этапе металацетилен превращается в пропилен.
После этого он также подается в ректификационную колону.
Дебутанизатор
Дистилят смешивается с газами и используется в качестве топлива для печи. Тяжелые углеводороды отправляются на разделение.
Колонны разделения фракций
На последнем этапе тяжелые углеводороды разделяются на ароматические. Выделяется этилен, пропилен.
Перспективы применения
Пиролиз – это экологически чистый способ переработки мусора, в том числе промышленных отходов. При использовании пиролизных установок в атмосферу не выделяются токсические соединения.
Кроме того, в процессе образуется вторсырье, а также дешевая тепловая энергия.
