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:
- 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»)
- Способность построения непрерывного замкнутого технологического производственного процесса, что дает технологическую возможность создания высокопроизводительных непрерывных производств
- 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
- 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
- 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
- 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»
- 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:
- Необходимо измельчение частиц исходного вещества до как можно меньшей фракции
- 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:
- Высокая производительность и качество новых энергоносителей
- Отсутствие внутри реактора механических частей
- Стоимость абляционного реактора в 3-5 раз ниже, чем реакторы КС и ЦКС
- 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:
- Расход большого количества инертного газа, что приводит к дополнительным производственным расходам
- 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:
- Сложность и объемность оборудования
- 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:
- Солома, отходы зерновых, лузга, сор, растительная биомасса
- Древесина, щепа, биолоза, санитарные древесные отходы, мискантус, лигнин
- Дробина, барда, жом, помёт, навоз
- Торф, компост
- Уголь, угольный шлам, измельченный уголь, угольная пыль, золошлак, летучая зола
- Изделия из полиэтилена и резины, автомобильные и авиационные покрышки
- Отходы нефтедобычи, некондиционная загрязненная и обводненная нефть, масло
- Отходы полигонов ТБО (после сортировки)
- Иловые отложения, в том числе осадки сточных вод
- 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
Записи