Пиролиз — технологии, оборудование и описание процесса

Пиролиз

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.

Пиролиз – это горение, которое протекает под воздействием высоких температур, при отсутствии кислорода.

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.

Формула пиролиза
Формула, заложенная в основу процесса пиролиза.

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.

В установках также есть системы для генерации водяного пара. Они нужны для охлаждения твердого или жидкого остатка.

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.

Схема сухого пиролиза
Принцип работы сухого пиролиза.

В процессе используются дегидратирующие средства. Пиролизные установки работают на электричестве.

Сухой пиролиз может протекать при разных температурных режимах:

НазваниеТемпература
ПолукоксованиеДо 550 градусов
СреднетемпературныйОт 550 до 800 градусов
ВысокотемпературныйОт 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.

Окислительный пиролиз используется для утилизации отходов от работы промышленных предприятий, сточных вод, резины и мусора, который может содержать остатки нефтепродуктов.

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.
Современное решение по переработке мусора
Схема современного технического решения по переработке ТБО.

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.

Промышленные могут обрабатывать достаточно большие объемы отходов, однако, они крупные, требуют выделения отдельного участка для работы.

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.

Пиролиз мусора

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.

Пиролизный и твердотопливные котлы
Сравнение обычного твердотопливного котла и пиролизного.

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.

Пиролизная очистка духового шкафа

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.

Промышленная установка

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:

Процентное соотношениеСырьё
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:

  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.

Установка пиролизного горения
Пример схемы пиролизной установки.

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.

Пиролизная печь
Схема работы печи пиролиза.

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+.

Охлаждение газа
Способ охлаждения исходного газа.

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.

Деэтанизатор
Блок колонны деэтанизатора.

После этого смесь компонентов С2 разделяется в ректификационной колоне.

Депропанизатор

На этом этапе металацетилен превращается в пропилен.

Депропанизатор
Схематическое изображение работы блока депропанизатора.

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.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: