Быстрый пиролиз: основы и различия

24 Май

Производственные и бытовые отходы должны превращаться в доходы путём преобразования отходов в новые, альтернативные, возобновляемые, дешёвые, экологически безопасные источники энергии.

Дальше краткий аналитический обзор современных технологий получения альтернативных энергетических ресурсов методом пиролиза.

Себестоимость любой продукции напрямую зависит от стоимости энергоносителей, затраченных в процессе производства. Истощение мировых запасов традиционных энергоносителей и постоянный рост цен на получаемую из них энергию заставляет мировое сообщество искать новые альтернативные возможности получения энергии.

Ежегодно на планете увеличивается количество производственных и бытовых отходов жизнедеятельности человека, до 70% из которых имеет органическую природу. Ужесточаются экологические требования, инициируются различные программы утилизации отходов, но проблемы переработки остаются нерешёнными. В настоящий момент правительства и общественность многих стран мира занялись разработкой и внедрением новых технологий позволяющих эффективно утилизировать органическое сырьё, с получением в результате переработки новых материалов и энергии.

Одной из наиболее перспективных технологий переработки органических отходов является Быстрый Пиролиз (разложение органики на газовую и твёрдую фракции).

Пиролиз — термическая деструкция исходного вещества, физические процессы разрушения нормальной структуры вещества посредством высокой температуры, без доступа кислорода.

Различают два вида пиролиза:

Медленный пиролиз (МП)термическая деструкция исходного вещества, без доступа кислорода, где скорость нагрева исходного вещества составляет градусы в мин., в час. МП — условно подобен процессу доведения воды до состояния закипания.

Быстрый пиролиз (БП) термическая деструкция исходного вещества без, доступа кислорода, где скорость нагрева исходного вещества составляет сотни, тысячи градусов в доли, единицы секунды. БП — условно подобен процессу попадания капли воды в раскаленное масло. Его можно еще обозначить как «взрывное вскипание».

Таким образом, при БП происходит разрушение на молекулярном уровне измельченных до миллиметров и предварительно подсушенных частиц любых органических веществ. Подвод тепловой энергии к исходному веществу производится с высокой скоростью и без доступа кислорода. Подвергнутое БП вещество мгновенно переходит в первобытную стадию своего существования, которая делится на два состояния твердое и газообразное.

Попадая в Реактор Быстрого Пиролиза (РБП), органические частицы при очень высокой скорости нагрева (доли секунды), без доступа кислорода, переходят из одного состояния вещества в другое состояние, испытывая при этом энтропийный взрыв (разрыв межмолекулярных и внутримолекулярных связей), сопровождающийся экзотермией (выделением большого количества тепловой энергии).

Освободившиеся атомы движутся и объединяются по цепочкам углерод-углерод и углерод-водород в молекулы новых синтетических веществ, отличных по своим свойствам от свойств исходного сырья.

Продукты переработки углеродосодержащих исходных веществ

Для процесса Медленного Пиролиза:

  • «Пиролизная жидкость» — 50-60% от количества исходного вещества (средняя теплота сгорания составляет 18 Мдж/кг, у природной нефти — 45 Мдж/кг)
  •  «Твердое Углистое Вещество» (ТУВ) — 10-25% от количества исходного вещества полукокс (средняя теплота сгорания 20 Мдж/кг, у кокса — 30 Мдж/кг)
  • «Пиролизный газ»20-30% от количества исходного вещества, в состав которого входят водяной и генераторный газы, а также небольшое количество метана, (средняя теплота сгорания составляет 20 Мдж/м3).

Для процесса Быстрого Пиролиза:

  • «Синтетический газ» — 30-90% от количества исходного вещества, в состав которого входят смесь газов от метана и выше, водород, кислород, азот, небольшое количество оксида углерода, (средняя теплота сгорания составляет 30-65 Мдж/м3)
  • «Высокоуглеродистый материал» (ВУМ, пирокарбон) — 10-20% от количества исходного вещества (средняя теплота сгорания составляет 35-45 Мдж/кг)
  • «Синтетическая нефть» — 10-70% от количества исходного вещества (средняя теплота сгорания составляет 30-50 Мдж/кг)
  • «Тепловая энергия»в большом количестве выделяющаяся при распаде молекул. Количество выделяемой тепловой энергии зависит от вида исходного вещества.

Основные преимущества БП по отношению к МП:

  1. Минимальное содержание угарного газа (СО), при практическом отсутствии углекислого газа (СО2), окиси азота (NOX) и относительная «чистота» выходных продуктов пиролиза, из-за отсутствия процесса бертинирования («осмоления»)
  2. Способность построения непрерывного замкнутого технологического производственного процесса, что дает технологическую возможность создания высокопроизводительных непрерывных производств
  3. Минимальная энергоемкость процесса, по сравнению с другими видами пиролиза, что дает возможность создания энергетически самообеспечивающих систем, что снижает производственные затраты, как минимум, на 30%, а следовательно приводит к снижению себестоимости продуктов переработки
  4. Малое время нахождения исходного вещества, в зоне термической деструкции, не допускает процессов вторичного крекинга (вторичной термической деструкции), что позволяет получать более чистые, по своему химическому составу (практическое отсутствие гудроновых и мазутных составляющих), продукты пиролиза. Так синтетический газ, полученный при БП, имеет теплоту сгорания на 50-90% больше, чем при МП
  5. Процесс сопровождается выделением большого количества тепловой энергии (экзотермические реакции превосходят эндотермические), что дает возможность использования энергии «энтропийных взрывов», и позволяет, дополнительно к продуктам БП, получать значительное количество тепловой энергии
  6. Возможность регулирования рабочих температурных режимов, без технологических и конструктивных изменений оборудования, что дает управляемость температурными режимами процесса, с возможностью (при определенных условиях) построения «управляемого синтеза углеводородов»
  7. Возможность переработки различных исходных продуктов на одном и том же оборудовании, без принципиальных технологических и конструктивных изменений.

Недостатками процесса БП является требование тщательной подготовки сырья:

  1. Необходимо измельчение частиц исходного вещества до как можно меньшей фракции
  2. Необходима предварительная сушка исходного вещества (эндотермия) до относительной влажности 0-5%.

Однако,  получаемый экономический эффект с лихвой окупает затраты на подготовку сырья, его измельчение и процесс сушки.

Новые энергоносители имеют более чистый состав, чем добываемые природные углеводороды.

По энергетическим характеристикам (средней теплоте сгорания) новые энергоносители, получаемые в результате БП большинства органических отходов, не уступают традиционным энергетическим ресурсам: углям, нефти, природному газу.

Состав продуктов получаемых в результате БП

«Синтетический газ» (СГ) — представляет собой очищенную и осушенную газовую смесь (метан, пропан, бутан, водород, оксид углерода (СО)). СГ готов к применению и является отличным сырьем-заменителем добываемого природного газа для: использования в отопительных энергетических системах (ТЭЦ, ТЭС);  производства с  потреблением газа; инфракрасного газового обогрева производственных и коммунальных объектов; генерации электроэнергии на газовых электростанциях, использования в системе ЖКХ, в том числе на «плите хозяйки».

«Высоко Углеродистый Материал» (ВУМ) — представляет собой порошкообразное твердое вещество, с содержанием чистого углерода С ≈ 80-95%. ВУМ, готовый  полукокс, является отличным сырьем — заменителем ископаемого угля для: металлургии, химии, энергетики и систем ЖКХ (как высококалорийное топливо), парфюмерии, фармацевтики, производства РТИ, применения в качестве удобрения и сорбента.

«Синтетическая нефть» (СН) представляет собой подобие природной нефти. В состав входят бензиновые, дизельные, масляные фракции, ароматические углеводороды, гидроксильные соединения, спирты и эфиры, при отсутствии серы и хлора. Путем дальнейшей возгонки можно получить до 80% (от объема синтетической нефти) светлых топливных фракций. СН является отличным сырьем-заменителем ископаемой нефти для: органического синтеза, нефтепереработки, производства моторных топлив, использования в системах ТЭЦ и котельных, других производств.

 «Тепловая энергия» (ТЭ) высвобождаемая в процессе быстрого пиролиза в виде перегретого пара, горячего воздуха, горячей воды направляется для дальнейшего использования в локальных энергетических системах предприятий, ЖКХ и других хозяйствующих субъектов, а также в целях генерации электроэнергии.

Существующие технологии быстрого пиролиза

Анализ мирового практического опыта, в области быстрого пиролиза, позволяет выделить основные технологии быстрого пиролиза, которые различаются способами передачи тепловой энергии от агента-носителя к исходному веществу:

Абляционный реактор (РБП),  быстрый абляционный пиролиз, где передача тепловой энергии исходному веществу происходит посредством газ — твердое тело или твердое тело — твердое тело, последнее наиболее эффективно и предпочтительно.

Единственным недостатком данного способа передачи тепловой энергии является ограничение по производительности, которое можно решить инженерно-техническими способами (кластерами).

Главные достоинства абляционного реактора:

  1. Высокая производительность и качество новых энергоносителей
  2. Отсутствие внутри реактора механических частей
  3. Стоимость абляционного реактора в 3-5 раз ниже, чем реакторы КС и ЦКС
  4. Пятно застройки минимальное

Примерами могут служить абляционные реакторы, построенные фирмами: BTG (Нидерланды, производительностью до 8 тонн опилок в сутки) и Ensyn (Канада, Великобритания, США перерабатывающий 15 000 тонн сухой древесины в год — получено 11 000 тонн пиротоплива для когенерации). Также, разработки абляционных реакторов можно увидеть в  Италии, Франции, Германии, Южной Корее, Японии, России, Сербии, Украине.

Кипящий слой (КС), быстрый пиролиз, где агентом-носителем тепловой энергии является разогретый инертный газ, подаваемый в реактор воздуходувками, при этом передача тепловой энергии происходит по системе газ — исходное вещество. Примерами таких реакторов, могут служить реактор Университета Ватерлоо (Канада, производительностью 200 кг/ч) и Ensyn (США, производительностью 2,5 т/ч).

Основными недостатками  реакторов данного типа являются:

  1. Расход большого количества инертного газа, что приводит к дополнительным производственным расходам
  2. Дополнительные трудности с дальнейшим разделением агента-носителя (инертного газа) и пиролизного газа.

Циркулирующий кипящий слой (ЦКС), быстрый пиролиз, где агент-носитель, после передачи тепловой энергии исходному веществу, выводится из реактора, для последующего разогрева и очистки, и снова вводится в реактор. Агентом-носителем тепловой энергии, в этом случае, может служить речной (морской) песок. Компания Red Arrow (США) на базе двух реакторов ЦКС запустила технологию RTR c газотурбинным двигателем мощностью 2,5 Мвт, перерабатывая 60т древесных отходов в сутки.

Основными недостатками установок с реакторами ЦКС (RTR технология) являются:

  1. Сложность и объемность оборудования
  2. Стоимость построения технологии в пять раз превосходит абляционную технологию.

Анализ применения дорогостоящих технологий быстрого пиролиза РБП, КС и ЦКС, разработанных и реализованных  в США, Канаде, ЕС, Украине выявил существенный недостаток — все они ориентированы на максимальное получение жидкого пиролизного топлива и совершенно игнорировался режим синтетического газа.

Применение технологии быстрого пиролиза для утилизации бытовых и производственных отходов

Новейшие разработки по технологии быстрого абляционного пиролиза, реализованные в промышленных установках, в процессе НИОКР апробированы на различных видах углеродосодержащего органического, в том числе ископаемого, сырья, получены лабораторные анализы продуктов БП. Ведутся подготовительные и практические работы по переработке, путём физического разложения в режиме экзотермии, следующих видов производственных и бытовых отходов:

  1. Солома, отходы зерновых,  лузга,  сор,  растительная биомасса
  2. Древесина, щепа, биолоза, санитарные древесные отходы, мискантус, лигнин
  3. Дробина, барда, жом, помёт,  навоз
  4. Торф, компост
  5. Уголь, угольный шлам, измельченный уголь, угольная пыль, золошлак, летучая зола
  6. Изделия из полиэтилена и резины, автомобильные и авиационные покрышки
  7. Отходы нефтедобычи, некондиционная загрязненная и обводненная нефть, масло
  8. Отходы полигонов ТБО (после сортировки)
  9. Иловые отложения, в том числе осадки сточных вод
  10. Топливные гранулы (пелле́ты) из вышеперечисленного сырья.

Для практической реализации технологии быстрого абляционного пиролиза, при переработке отходов животноводства и птицеводства, необходима предварительная подготовка исходного материала, которая заключается в смешивании в определенных пропорциях отходов животноводства и птицеводства с, более богатыми на углеводороды, отходами растениеводства (солома, лузга, жмых и пр.). Также отходы животноводства и птицеводства можно обогащать отходами деревообрабатывающего или торфодобывающего производства.

Автор: Павел Селиванов

Продолжение следует. В следующей статье мы рассмотрим основные принципы переработки углеродосодержащей органики на основе теории фазовых переходов, технические характеристики установок быстрого абляционного пиролиза, характеристики и результаты применения новых энергоносителей