Мар 29 2001

Новые экологические технологии в области утилизации органических отходов с получением нетрадиционных энергоносителей

Опубликовано в 11:38 в категории Утилизация отходов

Новые экологические технологии в области утилизации органических отходов с получением нетрадиционных энергоносителей

Н.В. Рудюк, В.П. Бабий1, Л.Н. Маркина2

1ПКФ «Теплоэлектронсервис», г. Николаев

2Украинский государственный морской

технический Университет, г. Николаев

К высокомолекулярным органическим твердым бытовым отходам (ТБО) и схожим с ними промышленным отходам относятся полимерные отходы, резина, текстиль, бумага, древесина, которые являются загрязнителями из-за перехода (миграции) вредных веществ в окружающую среду. Все органические отходы условно можно разделить на два класса: к первому классу относятся отходы, имеющие эмпирическую формулу [CxHy]n. Это синтетические полимеры, содержащие в своей основе углеводороды (все виды полимерных материалов и резина). Ко второму классу относятся отходы, характеризующиеся эмпирической формулой [C5 H10 O5]n - это природные полимеры, содержащие в основе целлюлозу [1], к ним относятся древесина, бумага, картон, текстиль.

При влажности не более 8 % все они обладают высокоэнергетическими характеристиками и подвергая их высокотемпературной глубокой деструкции без доступа кислорода (не более 0,5 %) (пиролизу) при 600 – 800° С из них можно получить нетрадиционные энергоносители в виде жидких, твердых и газообразных топлив. Жидкое топливо является одним из основных и наиболее ценных продуктов, (выход его составляет 45-80 %), поэтому целесообразно, чтобы технология обеспечивала получение его с характеристиками близкими к характеристикам легких бензиновых фракций.

Процесс пиролиза общеизвестен в химической промышленности для переработки углеводородного сырья [2]. В мировой практике также имеются примеры применения традиционной технологии нефтепереработки для утилизации органических отходов [3]. Однако при всех известных технологиях жидкий продукт получается с нестабильными ха-

рактеристиками, с высокой вязкостью и по характеристикам сопоставим с тяжелым мазутом. Твердые органические отходы имеют широкий диапазон молекулярных масс (от 1000 до 10х 105 и выше) [1]. При термической деструкции молекулярная масса полимера резко снижается, однако по существующим технологиям глубина деструкции одинакова для всего набора полимеров. Что приводит к нестабильности характеристик выходных продуктов, особенно это, касается жидкой фракции, используемой в последствии в качестве жидкого топлива.

При большом многообразии технологических решений, предложенных как отечественными, так и зарубежными специалистами, на данном этапе экономического положения в Украине, приоритетными способами утилизации органических отходов должны стать технологии, которые обеспечивают:

1. высокую экологическую безопасность предложенного технологического процесса;

2. утилизацию отходов непосредственно на месте их скопления;

3. унифицированную технологию для утилизации широкого диапазона отходов, имеющих различный химико-минералогический состав;

4. максимальную низкую энергоемкость самого процесса утилизации;

5. безотходный технологический процесс;

6. получение выходных продуктов, имеющих коммерческую ценность.

Всем указанным требованиям удовлетворяет разработанная и запатентованная фирмой «Теплоэлектронсервис» технология многоконтурного пиролиза. Утилизация органических отходов с получением нетрадиционных видов топлива по технологии многоконтурного пиролиза приобретает все больше и больше сторонников.

Проблема состоит в обеспечении более глубокой деструкции для полимеров с большой молекулярной массой и получении составляющих жидких продуктов с минимальной молекулярной массой не более 200 и устойчивых к воздействию внешних факторов.

Глубина деструкции, механизм и скорость прохождения реакции пиролиза являются очень важными характеристиками при оценке эффективности проведения самого процесса. С практической и научной точки зрения интересен весь процесс кинетики химических превращений с учетом промежуточных стадий, через которые отходы переходят в конечные продукты, скорость этих стадий и время достижения глубокой деструкции высокомолекулярных соединений.

Процесс пиролиза – это сложная система параллельно- последовательных реакций с множеством промежуточных превращений одних типов углеводородов в другие с образованием большого количества различных соединений. Обеспечение селективного воздействия на группы полимеров с разной молекулярной массой, находящихся в виде парогазовой смеси (ПГС), вызывает большие трудности в создании промышленной технологии. Однако было найдено оптимальное и простое решение: когда первичную ПГС пропускают через многоконтурную последовательно- параллельную циркуляционную систему с последовательным селективным отбором в каждом контуре тяжелых углеводородов с изменением их агрегатного состояния (ПГС – жидкость - газ) и возвратом жидкой фракции в заданную точку реактора [4].

В основу предложенной технологии пиролиза высокомолекулярных органических отходов, включающей первичный пиролиз без доступа кислорода в реакторе при температуре 600 – 800° С с образованием первичной многокомпонентной парогазовой смеси и твердого углеродистого остатка положен принцип селективной конденсации в каждом контуре более тяжелых углеводородов ПГС при более высоких температурах и подвергание их более глубокой многоциклической деструкции по замкнутому циклу в параллельных контурах. Компоненты ПГС в виде легких фракций, как с реактора, так и с каждого контура проходят непосредственно на выходной контур по последовательной цепи.

Схематически предлагаемый метод можно изобразить следующим образом:

 

где:

R – органические отходы;

Iст – IVст – ступени многоконтурного пиролиза;

V1,V2,V3 – объемы промежуточных ПГС содержащих легкие фракции;

V1i, V2i, V3i – объемы тяжелых жидких фракции конденсирующихся при соответствующих температурах ступеней 350, 250 и 150° С;

Vn – объем ПГС образующихся от тяжелых фракций, поступающих с n – го количества контуров (Vn= V1i+ V2i+V3i-Vc);

Vк – объем конечной ПГС;

Vг -объем выходной газовой фракции;

Vж- объем выходной жидкой фракции; С – пирокарбон;

Vс - объем пирокарбона, образующегося при глубокой деструкции тяжелых жидких фракции поступающих с многоконтурной системы V1i, V2i, V3i.

Органические отходы R, предварительно дробленные и высушенные до 8 % влажности, подвергаются пиролизу без доступа кислорода при температуре 600-800° С с образованием первичной парогазовой смеси V1, с молекулярной массой 1500, которая поступает на первый контур Iст многоконтурной циркуляционной системы с температурой первого контура 350° С. Тяжелые компоненты ПГС V1i, с молекулярной массой 700-1500 которые имеют температуру конденсации выше указанной, конденсируются и возвращаются в реактор, где они перемешиваются с отходами R. Более легкая фракция V2, которая имеет температуру конденсации ниже 350° С в виде ПГС поступает на второй контур IIст циркуляционной системы, имеющий температуру 250° С. Тяжелые компоненты V2i, с молекулярной массой 400-700 имеющие температуру конденсации выше 250° С конденсируются и также возвращаются в реактор. Более легкая фракция V3 с температурой конденсации ниже 250° С поступает на третий контур IIIст с температурой 150° С. Тяжелая фракция V3i с молекулярной массой 200-400 конденсируется и возвращается в реактор. Легкая выходная фракция ПГС Vк имеющая молекулярную массу менее 200 поступает на выходной контур IVст с температурой не выше 50° С, в котором происходит разделение пиролизного газа Vг и жидкой фракции Vж с заданной молекулярной массой.

Как показали исследования, последующее даже незначительное снижение молекулярной массы компонентов ПГС требует значительных энергозатрат, времени, специальной техники и оборудования. Предлагаемая многоконтурная циркуляционная система [4] позволяет решить указанную проблему с минимальными затратами и произвести селективную глубокую деструкцию отходов с широким диапазоном молекулярных масс.

Характерной особенностью многоконтурного пиролиза является снижение молекулярной массы жидкой фракции ниже 200. На представленном рисунке

указан график снижения молекулярной массы компонентов ПГС при трехконтурном пиролизе. Полученная на основе экспериментальных данных кривая, а характеризует процесс изменения молекулярной массы, начиная от 1500 характерный для первичного пиролиза. При этом максимально достигаемая минимальная молекулярная масса компонентов ПГС составляет около 1000. При проведении одноконтурного пиролиза процесс деструкции описывается кривой б, в. При этом молекулярная масса снижается до 440. При ограничении ведения процесса двухконтурной системой достигается снижение молекулярной массы до 300, кривая б, г. При работе трех контуров, жидкая фракция имеет на выходном контуре молекулярную массу ниже 200, кривая б. Следовательно, экспериментальные результаты подтверждают техническое решение, предложенное [4], которое позволяет увеличить глубину и степень разложения отдельных компонентов ПГС и соответственно увеличить выход легких фракций жидкого топлива.

Данная технология внедрена в конструкции малогабаритной установки утилизации инфицированных медицинских шприцев УПУ/МИО –10 по ТУ У 23044537.001-99. Установка прошла экологические испытания в институте «Экогигиены и токсикологии» им. Л.И. Медведя г. Киева, технические условия утверждены Министерством здравоохранения Украины №5.05.07-279/58/527 от 30.07.99 г. В настоящее время осваивается серийный выпуск установки УПУ/МИО-100, которая рекомендована для всех медицинских учреждений Украины. Установка работает на собственном топливе и не требует больших эксплуатационных расходов, что очень важно при существующих финансовых трудностях лечебных учреждений. Кроме того, установка может быть использована для утилизации всех больничных отходов.

Используя предложенную технологию, разработаны проекты заводов по утилизации твердых бытовых отходов, отходов резинотехнических изделий, в том числе изношенных автопокрышек, отходов полимерных материалов, нефтешламов, и др. Отрабатывается технология экологически чистой утилизации непригодных аккумуляторов вместе с пластмассовым корпусом с получением чернового свинца и других ценных продуктов.

Выбор технологических режимов экологически чистого обезвреживания во многом зависит от химического состава и физических свойств утилизируемых отходов и в отдельных случаях требует индивидуального подхода.

Такими образом, решение проблемы утилизации и обезвреживания опасных отходов является важным звеном в системе мероприятий по улучшению экологической обстановки в Украине. Учитывая энергетический кризис, немаловажное значение имеют и экономические аспекты утилизации с получением ценных продуктов при минимальной материалоемкости и энергоемкости предложенного технологического процесса. Срок окупаемости завода в зависимости от его мощности от1 до 3 лет.

Литература

1. Мадорский С. Термическое разложение органических полимеров. Пер. с англ./Под ред. Рафикова С.Р.- М. : Мир, 1967.- 328с.

2. Гориславец С.П., Тменов Д.Н., Майоров В.И. Пиролиз углеводородного сырья. -Киев : Наукова думка, 1977 .-295с.

3. Алексеев Г.М., Петров В.Н., Шпильфогель П.В. Индустриальные методы санитарной очистки городов – Л.: Стройиздат, 1983 . – 87 с.

4. Патент Украины № 99126630 МКИ4 F23G 5/027 от 7.12.99 г. Способ утилизации органических твердых бытовых отходов. Авторы: Рудюк Н.В., Бабий В.П.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.