Пиролиз — технологии, оборудование и описание процесса

Пиролиз – это процесс распада органических и ряда неорганических соединений на молекулярном уровне. Он протекает под воздействием высоких температур, при условии полного отсутствия кислорода.

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:

1. Топливо помещается в закрытый реактор.
2. Оно подогревается до температуры в 500 градусов.
3. Топливо распадается на углекислый газ, водород и твердый остаток.
4. 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:

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:

1. 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.
2. Инициированный. Используется для обработки углеводородов. В реакции используются так называемые «инициаторы». Благодаря этому количество твердого и жидкого остатка увеличивается.
3. Термоконтактный. Катализатором реакции выступает расплавленный металл, частички нагретого огнеупорного материала. В результате образуется большое количество тепловой энергии, появляется меньше кокса.
4. 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:

1. производительность;
2. вес;
3. габариты;
4. мощность;
5. источник энергии;
6. 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:

1. Пиролиза. Состоит из нескольких печей, где и происходит непосредственная переработка.
2. Разделения продуктов. Продукты пиролиза делятся на воду, смолы и пиролизный газ.
3. Компримирования. Пирогаз сжимается под высоким давлением.
4. Осушки. Из продуктов пиролиза удаляется воды.
5. 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:

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:

1. Америка – мощность в 27 тысяч в год.
2. Япония – 7 тысяч в год.
3. Саудовская Аравия – 5,6 тысяч в год.
4. Корея – 5,4 тысяч в год.
5. Германия – 5,4 тысячи в год.
6. Канада – 5,3 тысячи в год.
7. Китай – 4,9 тысяч в год.
8. Нидерланды – 3,9 тысяч в год.
9. Франция – 3,4 тысячи в год.
10. 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.