Пиролиз: что это, определение понятия, методы и их использование

Что такое пиролиз — описание процесса

Теоретически можно сжечь любое вещество, в состав которого входят соединения углерода с водородом, например:

• уголь;
• природный газ (метан, пропан и др);
• биомасса — свежая, сухая;
• изделия из дерева; целлюлоза; обычные дрова;
• различные виды пластика;
• каучук из натурального или искусственного каучука;
• нефть, ее производные;
• другие углеродсодержащие отходы.

Горение – это быстрая реакция окисления. В идеальных условиях каждый атом углерода соединяется с двумя частицами кислорода, а 2 атома водорода взаимодействуют с 1 частицей кислорода. В результате образуются безвредные соединения – углекислый газ СО2 и вода. Последний испаряется при нагревании и забирает часть выделяющегося тепла.

Важный момент. В реальных условиях не все атомы водорода и углерода находят партнера из-за недостатка молекул кислорода. Поэтому в состав продуктов горения входит небольшая доля вредных горючих соединений — оксида углерода (СО), свободного водорода (Н2) и углерода в виде сажи.

Даже при пожаре выделяются пиролизные газы — они догорают над основным пламенем, в сочетании со свободным кислородом

Пиролиз – это реакция разложения вещества, происходящая при его нагревании и недостатке свободного кислорода. Этот принцип используется в газогенераторных установках:

1. Топливо (особенно дрова) помещается внутрь закрытого металлического контейнера — реактора.
2. Контейнер нагревается снаружи до 500…900 градусов, через специальные отверстия — фурмы подается дозированное количество воздуха.
3. Под воздействием высокой температуры вещество распадается на 3 основных компонента – окись углерода (СО), водород (Н2) и твердые или жидкие углеродные остатки. Параллельно образуется небольшое количество углекислого газа и водяного пара.
4. Летучие продукты составляют пиролизный газ — горючая смесь водорода и угарного газа, выходящая из бака по отдельному трубопроводу. Отделенное газообразное топливо очищается, охлаждается и затем закачивается в бак.

Направления. В производственных условиях полученный синтез-газ направляют на нагрев той же мощности газогенератора.

Горение и пиролиз — два разных процесса, которые могут происходить одновременно. Пример: при интенсивном горении дров в котле-печке образуется небольшое количество угарного газа, значительно больше безвредного СО2. И наоборот, в режиме тления древесина выделяет много водорода и отходов, часть из которых успевает превратиться в СО2 — окислиться. То есть все зависит от количества кислорода, участвующего в реакции.

Для чего используют термическое разложение

Область применения пиролитических процессов достаточно широка:

1. Производство пропилена и этилена для химической промышленности путем переработки жидкого углеводородного сырья (нефти).
2. Получение древесного угля методом бескислородного разложения отходов деревообработки.
3. Тот же технологический процесс, но с ограниченной подачей воздуха, позволяет производить из древесины горючий синтез-газ – смесь метана, водорода, оксида углерода и нейтрального азота.
4. Пиролиз угля – бурого и каменного – это целое технологическое направление. Образующимися соединениями являются синтетический бензин, кокс, аммиак, каменноугольная смола. Из последних выделяют толуол, бензол, нафталин и различные фенолы, используемые в химической промышленности.
5. Новые разработки — коммерческая утилизация твердых бытовых отходов, автомобильных покрышек, пластика, органики.

Примечание. Здесь перечислены наиболее известные применения пиролитических реакций. На самом деле вариантов использования гораздо больше. Википедия утверждает, что процессы пиролиза до конца не изучены, многие проекты находятся в стадии разработки.

Пиролизные печи и различные реакторы используются для термического разложения в промышленности. На приведенной выше схеме показан завод по производству газа, который перерабатывает древесные отходы и опилки в газообразное топливо. Основную роль здесь играет реактор прямого процесса сухой перегонки, где подготовленное сырье перерабатывается в синтез-газ путем медленного сжигания.

Важный нюанс. Перед загрузкой в ​​печь пиролиза или газогенератор древесину всегда измельчают и сушат до влажности 10% и менее.

В промышленной химии также используется технология быстрого пиролиза, когда реактор кратковременно нагревается до температуры 700…900 °С. Цель состоит в том, чтобы повысить производительность оборудования и ускорить обработку.

Читайте также: Модульное покрытие для садовых дорожек на даче: пластиковая, полимерная плитка, мягкое резиновое рулонное покрытие — 21 фото

Влияние повышенной влажности

Высокое содержание влаги в исходном материале одинаково негативно влияет на реакции при горении и пиролизе. Рассмотрим процессы на примере сжигания древесины:

1. При сгорании выделяющаяся энергия используется для испарения воды в древесине. Количество тепла на выходе значительно снижается, топливо сжигается напрасно.
2. Влага сильно замедляет термическое разложение вещества. Часть тепла, идущего на обогрев, отбирается испаряющейся водой, требуемая температура (минимум 500°С) не достигается. Пиролиз древесины, содержащей более 50% влаги, практически невозможен.

Наилучший показатель влажности для плодотворного горения или разложения древесины в газогенераторе составляет 8…15 %. В домашних условиях добиться таких показателей нереально; длительная сушка дров под навесом позволяет добиться 20-25% влажности.

Направления. При производстве топливных пеллет и брикетов на заводе опилки высушивают до показателя 8-10%. Максимальное содержание влаги в готовых гранулах составляет 15%.

Сырая древесина плохо горит и сильно дымит, так как при нагреве выделяются водяной пар и сажа

Методы пиролиза

Существует два основных метода: сухой и окислительный, которые применяются для утилизации разных видов сырья и различаются способом нагрева.

Сухой метод

Пиролиз происходит без доступа кислорода, чтобы предотвратить возгорание или окисление. При необходимости добавляют обезвоживающие или обезвоживающие агенты. Контейнеры с сырьем обогреваются снаружи. Лабораторные установки оборудованы системами электротеплоснабжения.

Предусмотрено три температурных режима:

• низкотемпературный или полукоксующий (до 550 °C)
• среднетемпературный (550-800°С);
• высокая температура, или коксование (выше 800 °С).

Сухой метод подходит для обработки и обезвреживания углеводородных отходов. Полученные продукты являются сырьем для химической промышленности.

Окислительный метод

Сырье для пиролиза нагревают до 600-900°С путем подачи горячих дымовых газов в закрытую емкость или частично сжигают. Метод окислительного пиролиза применяется для уничтожения твердых промышленных отходов и сточных вод, обработки пластмасс, резины и других материалов, которые нельзя сжигать или газифицировать.

Современные методы

1. Каталитический низкотемпературный пиролиз. Новая технология переработки волокнистых композиционных материалов на основе смолы, которую разрабатывает американская компания Adherent Technologies для производства углеродных волокон. Используются катализаторы и температура ниже 200°С, чтобы вторичные волокна не гнили и по качеству были ненамного хуже первичных.
2. Начат пиролиз. Предназначен для переработки углеводородного сырья. При использовании определенных веществ (инициаторов) увеличивается выход конечных продуктов. Например, участие в реакциях галогенсодержащих и перекисных соединений приводит к образованию большего количества этилена и пропилена.
3. Термический контактный пиролиз. С катализатором вступают в непосредственный контакт сырые углеводороды – частицы нагретого тугоплавкого материала, расплавленного металла или другого теплоносителя. Основными преимуществами метода являются непрерывное устранение нежелательных скоплений кокса, возможность подвода тепловой энергии в любом количестве.
4. Гидропиролизный пиролиз. Соединения нагревают до высоких температур в присутствии воды. Давление достигает 100 бар, температура 900 °С. Вместо кокса, который обычно составляет ок. 80%, выделяется больше газообразных углеводородов и ок. 20% смолы.

Условия для проведения

Реакции требуют высокой температуры (от 200 до 900 ° C), поскольку пиролиз является эндотермическим процессом. Для обеспечения прямого и косвенного нагрева используются различные теплоносители: электричество или энергия процессов горения, пиролизный газ и др. давление при пиролитическом разложении близко к атмосферному.

Для снижения скорости реакции сырье обрабатывают паром.

Виды установок

Пиролизные установки по переработке бытовых и промышленных отходов существуют давно. Они превращают твердые материалы в легковоспламеняющиеся газы. Наряду с крупными установками мощностью несколько тысяч тонн в год существуют малые, вырабатывающие электроэнергию.

В 2000-х появились модели, предназначенные для производства биоугля

Комплекс обращения с отходами с установкой пиролиза, Канада

Технические комплексы собираются из разных модулей. Например, установка по переработке пластмасс и резинотехнических изделий может состоять из печи пиролиза, системы верхнего отвода дымовых газов, линии химического синтеза, вентилятора, дымоудаления и энергоблока.

Описание процесса переработки

Сырье загружают в контейнеры и помещают в печь, где нагревают горелками до нужной температуры. С началом реакции пиролиза установка полностью переходит на автономное газоснабжение. После завершения пиролитического разложения конечные продукты охлаждают. Процесс охлаждения ускоряется за счет перегретого водяного пара, поступающего в баки от парогенераторов по трубопроводу.

Промышленное применение

1. Обработка ТБО. Пиролиз твердых бытовых отходов является важной альтернативой сжиганию, так как в процессе разложения образуется гораздо меньше вредных веществ. При переработке несортированных отходов виды и количество конечных продуктов зависят от их состава.
2. Утилизация промышленных отходов. Возможна переработка не только твердых материалов (нефтешламы, отходы производства резины и пластика), но и устранение сточных вод.
3. Получает углеводороды. На долю пиролиза приходится почти 100 % мирового производства этилена, 67 % пропилена, 80 % бутадиена и 37 % бензола. Их источниками являются углеводороды и нефтепродукты. Из газообразного сырья и жидкостей получают полимеры, необходимые для производства синтетических материалов, в том числе пластмасс.
4. Производство ацетилена из метана. Этот углеводород тут же перерабатывается в другие продукты: пластмассы, синтетический каучук, растворители, этиловый спирт.
5. Обработка древесины. Процесс пиролиза является источником древесного угля.

Технологическое оформление

Переработка сырья на промышленных пиролизных установках происходит в несколько этапов.

Оборудование состоит из нескольких узлов:

1. Пиролиз. Он состоит из нескольких печей, где происходит непосредственная обработка.
2. Разделение продуктов. Продукты пиролиза делятся на воду, смолу и пиролизный газ.
3. Сжатие. Пирогаз сжимается под высоким давлением.
4. Сушка. Из продуктов пиролиза удаляют воду.
5. Глубокое охлаждение. Пирогаз охлаждают до низкой температуры.

Сырьевая база

Сырье для пиролиза в странах Европы и в России различается по составу.

Процент в мире таков:

В России сырьем также служат легкие углеводороды широкой фракции, а парафиновое нефтяное сырье не используют. При этом их доля постоянно увеличивается за счет увеличения объемов добычи нефти.

Производство низших олефинов

Не так давно был опубликован рейтинг стран по производству низших олефинов.

Ситуация следующая:

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

Из этого можно сделать вывод, что пиролизные установки в промышленности России еще не получили должного распространения.