CC BY
23
УДК 582.4/9.02
https://doi.org/10.24412/2310-8266-2022-4-14-18
Модернизация установки пиролиза твердых бытовых отходов. Анализ физико-химических свойств продуктов пиролиза
Суханов О.И.1, Жагфаров Ф.Г.2, Тремаскин Д.Ю.3
1 ППК «Российский экологический оператор», 125993, Москва, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9846-4572, E-mail: suhanovbox@mail.ru
2 Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина,119991, Москва, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7344-015X, E-mail: firdaus_jak@mail.ru
3 Филиал «Оренбургский гелиевый завод» ООО «Газпром переработка», 460539, Оренбургская обл., Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5214-2850, E-mail: dima.tremaskin97@gmail.com
Резюме: В работе представлена модернизация установки процесса пиролиза твердых бытовых отходов. Проведены физико-химические исследования полученных веществ. Произведен анализ продуктов и выявлены пути их дальнейшей переработки.
Ключевые слова: пиролиз твердых бытовых отходов, синтез-газ, карбонизат, низкотемпературный пиролиз, высокотемпературный пиролиз.
Для цитирования: Суханов О.И., Жагфаров Ф.Г., Тремаскин Д.Ю. Модернизация установки пиролиза твердых бытовых отходов. Анализ физико-химических свойств полученных продуктов // НефтеГазоХимия. 2022. № 4. С. 14-18.
D0I:10.24412/2310-8266-2022-4-14-18
MODERNIZATION OF THE SOLID WASTE PYROLYSIS UNIT. ANALYSIS OF THE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF PYROLYSIS PRODUCTS
Sukhanov Oleg I.1, Zhagfarov Firdaves G.2, Tremaskin Dmitriy YU.3
1 Russian Ecological Operator, 125993, Moscow, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9846-4572, E-mail: suhanovbox@mail.ru
2 Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University), 119991, Moscow, Russia
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7344-015X, E-mail: firdaus_jak@mail.ru
3 Branch Orenburg Helium Plant LLC Gazprom Pererabotka, 460539, Orenburg Region, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5214-2850, E-mail: dima.tremaskin97@gmail.com
Abstract: The paper presents the modernization of the unit for the pyrolysis of solid household waste. Physicochemical studies of the obtained substances have been carried out. The analysis of the products was carried out and the ways of their further processing were identified.
Keywords: pyrolysis of municipal solid waste, synthesis gas, carbonizate, low-temperature pyrolysis, high temperature pyrolysis.
For citation: Sukhanov O.I., Zhagfarov F.G., Tremaskin D.YU. MODERNIZATION OF THE SOLID WASTE PYROLYSIS UNIT. ANALYSIS OF THE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF PYROLYSIS PRODUCTS. Oil & Gas Chemistry. 2022, no. 4, pp. 14-18. DOI:10.24412/2310-8266-2022-4-14-18
Введение
Очищение планеты от мусора - одна из основных задач, которая стоит перед нашим поколением. Каждый день в мире образуется более 4 млн т отходов и их количество лишь увеличивается. Пиролиз твердых бытовых отходов (ТБО) - один из способов, применяемых для обработки и утилизации накопленных ТБО. Данный процесс представляет собой разложение тяжелых органических веществ (ТБО состоят в основном из них, например резина) на более легкие при нагревании и в отсутствие кислорода.
Современное оборудование пиролиза может работать с применением сырья, полученного почти из любых видов органических отходов с использованием собственной энергии. Обязательной составной частью системы аппаратов для данного процесса является реактор.
Пиролиз отходов поможет очистить окружающую среду от мусора и уменьшить нагрузку на нефтеперерабатывающую промышленность. Это производство, которое может дать ощутимый доход заинтересованным лицам, ведь сырьем служит дешевый мусор, которого только по России за год образуется 3,5 млрд т. Помимо спасения экологии, процесс пиролиза наращивает выработку вторсырья, а также обладает безвредностью состава отходов для окружающей среды.
Для создания крупнотоннажной установки пиролиза отходов необходимо было провести полное исследование процесса, включающее в себя сравнительный анализ существующих технологий, разработку модернизированного процесса пиролиза, моделирование данного процесса в среде ASPEN PLUS, а также конструирова-
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
£
ние пилотной установки и сравнение полученных данных с теоретическими значениями.
Описание технологической схемы процесса пиролиза отходов
В зависимости от температуры распада неорганических соединений различают низкотемпературный и высокотемпературный пиролиз. Низкотемпературный пиролиз, или полукоксование (при температуре 450-900 °С) - физико-химический процесс, при котором максимален выход жидких продуктов, твердого остатка и минимален выход пиролизного газа. К преимуществам низкотемпературного пиролиза можно отнести: легкость хранения и транспортировки отходов пиролиза; существенное уменьшение объемов отходов; получение энергии, которую можно использовать для отопления и получения электроэнергии [1, 2]. Высокотемпературный пиролиз, или коксование (при температуре свыше 900 °С) - физико-химический процесс, при котором минимален выход жидких продуктов, твердого остатка и максимален выход пиролизного газа. Составной частью процесса высокотемпературного пиролиза являются твердые продукты в виде шлака, то есть непиролизуе-мые остатки [3].
Установки высокотемпературного пиролиза, в свою очередь, разделяются на несколько подвидов по способу передачи энергии.
Абляционный - передача тепловой энергии к исходному веществу, происходит посредством газ - твердое тело или твердое тело - твердое тело, последнее наиболее эффективно и предпочтительно. Недостатком, данного способа передачи тепловой энергии является ограничение по производительности, которое можно решить инженерно-техническими способами. Главные достоинства абляционного реактора: отсутствие внутри реактора механических частей и относительно низкая стоимость, в 3-5 раз ниже, чем реакторы с кипящим слоем и циркулирующим кипящим слоем (КС и ЦКС). Примерами могут служить реакторы фирм ВТО (Нидерланды, производительность до 8 т биомассы в сутки) и Ensyn (Канада, Великобритания, США) -15 тыс. т сухой древесины в год.
Кипящий слой (КС) - агентом-носителем тепловой энергии является разогретый инертный газ, подаваемый в реактор воздуходувками. При этом передача тепловой энергии происходит по системе «газ - исходное вещество». Примерами могут служить реакторы Университета Ватерлоо (Канада, производительность 200 кг/ч) и фирмы Ensyn
(США, производительность 2,5 т/ч). Основным недостатком реакторов данного типа является расход большого количества инертного газа, что приводит к производственным сверхрасходам, а также создает дополнительные трудности с дальнейшим разделением агента-носителя (инертного газа) и пиролизного газа.
Циркулирующий кипящий слой (ЦКС) - агент-носитель. После передачи тепловой энергии исходному веществу выводится из реактора для последующего разогрева и очистки, затем снова вводится в реактор. Агентом-носителем тепловой энергии в этом случае может служить речной или морской песок. Компания Red Arrow (США) на базе двух реакторов ЦКС запустила технологию RTR c газотурбинным двигателем мощностью 2,5 МВт, перерабатывая 60 т древесных отходов в сутки. Основными недостатками установок с реакторами ЦКС (RTR технология) являются сложность и объемность оборудования, а также высокая стоимость построения технологии, в пять раз превосходящая стоимость абляционной технологии.
Технико-экономические расчеты показывают, что для выработки тепловой энергии мощностью до 10 МВт наиболее целесообразно применять абляционные технологии.
Объектом исследования послужила инновационная технология процесса пиролиза ТБО. Блок-схема установки, работающей по данной технологии, представлена на рис. 1.
Сырье загружается в бункер, оснащенный шнеком подачи сырья в реактор. По его поступлении в реактор в результате процесса пиролиза происходит деструкции исходного сырья. Полученные продукты поступают в узел отделения технического углерода. Отделившись от твердого остатка, полученный синтез-газ проходит последовательно блоки конденсации, сепарации и фильтрации, где происходит образование и выделение жидкой фазы. Часть жидкого топлива поступает в генератор для выработки электрической энергии, обеспечивающей работу установки, остальная часть выводится с установки как товарный продукт. Сконденсированный синтез-газ через циркуляционный насос поступает в топку для поддержания температуры процесса. Излишнее количество газа выводится с установки как товарный продукт.
Таким образом, данная технология является универсальной и применима как для низкотемпературного, так и для высокотемпературного пиролиза. Это позволяет коррелировать тип и объем получаемых продуктов в зависимости от их спроса на рынке.
Рис. 1
Блок-схема установки пиролиза твердых бытовых отходов
Жидкое М—
топливо
9
Горелки
WV
НефтеГазоХимия 15
Анализ продуктов, полученных в результате работы установки пиролиза отходов
В результате работы пилотной установки были получены следующие продукты:
- синтез-газ;
- жидкий остаток;
- карбонизат.
Нами были произведены физико-химические исследования полученных продуктов для определения их состава и качества. Рассмотрим каждый из них подробнее.
Синтез-газ
В результате газохроматографического анализа был определен состав газа, полученного в результате работы установки пиролиза ТБО. Данные представлены в табл. 1. Помимо этого, определен компонентный состав углеводородной составляющей газа при Т = 560 °С (табл. 2).
В результате определения фракционного состава выявили эффективность данной технологии. Переработав ТБО, нам удалось выделить газ с количеством метана около 50%. При дальнейшей очистке, он может быть отправлен на конверсию для получения синтез-газа или использоваться как товарный продукт, в том числе для нужд нашего производства.
Эффективность процесса также оценивается по высоким показателям компонентов С2-С3. В газе присутствует значительное количество этилена и пропилена, являющихся целевыми продуктами процесса пиролиза. Помимо ал-кенов, газ содержит ценнейший продукт - этан. Спрос на этан в качестве сырья пиролиза будет расти в ближайшее время как в Российской Федерации, так и во всем мире, при этом к 2030 году доля этана возрастет с 14 до 19%, в то же время доля нафты и сжиженных углеводородных газов, напротив, снизится на 5 и 1% соответственно. В России в структуре спроса на сырье пиролиза произойдет рост использования этана с 12 до 18% (рис. 2). В связи с приведенными данными очевидна целесообразность наращивания мощностей производства данного продукта.
В результате проведенного анализа делаем вывод, что полученный нами газ представляет собой многофункциональный сырьевой ресурс, который может использоваться в различных отраслях нефтехимии, что на сегодняшний день для России является одной из важнейших задач в вопросе увеличения темпов развития вторичной переработки газа.
Компонентный состав газа, вышедшего из реактора
Название компонента Содержание, % об.
Водород 14,4
Азот 3,05
Кислород 0,74
Метан 12,91
Окись углерода 24,56
Двуокись углерода 28,03
Сумма С2 5,46
Сумма С3 1,42
Сумма С4 0,75
Сумма С5 0,19
Сумма С6 и выше 1,89
Вода 6,6
Итого 100,0
Компонентный состав углеводородной составляющей газа при Т = 560 С
Название компонента Содержание, % об.
Метан 46,58
Этан 11,19
Этилен 22,60
Пропан 1,8
Пропилен 10,65
Изобутан 0,16
Н-бутан 0,14
Циклобутан 0,1
Сумма С4 (бутилен) 3,57
Сумма С5 (изопентан+пентан) 1,4
1,3-бутадиен (дивинил) 0,16
Сумма С5 (пентены) 0,67
Сумма С6 0,98
Итого 100,0
Жидкий остаток
Физико-химические показатели жидкого пиролизного топлива приведены в табл. 3.
Исследования показали, что жидкий остаток в основном содержит бензиновую и дизельную фракции. Мазутная фракция составляет 5% от общего объема.
В ходе разгонки жидкого остатка на узкие фракции были получены кривые истинных температур кипения (ИТК) бензиновой и широкой дизельной фракций по ГОСТ 2177 (рис. 3).
Физико-химические показатели узких фракций приведены в табл. 4.
Анализ фракционного состава показал, что жидкое топливо не содержит серосодержащих соединений, водорастворимых
Обеспеченность сырьем и мощность пиролизов ключевых стран - производителей нефтехимии
Рис. 2
■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
Таблица 3
Физико-химические показатели жидкого пиролизного топлива
Наименование показателя Значение Метод испытания
Цвет от бесцветного до черного визуально
Фракционный состав, %: - бензиновая фракция (перегоняется при температуре 110-220 °С); - дизельная фракция (перегоняется при температуре 220-310 °С); - мазутная фракция (перегоняется при температуре свыше 310 °С) 35 60 5 ГОСТ 2177, ГОСТ Р ЕН ИСО 3405
Плотность при 20°С, кг/м3 Не нормируется (определение обязательно) ГОСТ 3900, ГОСТ 6370
Вязкость при 80°С, не более: или кинематическая, мм2/с (сСт) 60 ГОСТ 33
Температура застывания°С, не выше -15 ГОСТ 20287
Температура вспышки в закрытом тигле°С, не ниже 0 ГОСТ 6356
Массовая доля воды, %, не более 1,0 ГОСТ 2477
Массовая доля серы, %, не более 2 ГОСТ 19121, ГОСТ 32139, ГОСТ Р ЕН ИСО14596
Зольность, %, не более 0,14 ГОСТ 1461
Массовая доля механических примесей, %, не более 1,0 ГОСТ 6370
Содержание водорастворимых кислот и щелочей Отсутствие ГОСТ 6307
Сероводород Отсутствие ГОСТ Р 53716
Испытание на медной пластинке Отсутствие коррозии ГОСТ 6321
кислот и щелочей. Следовательно, с экологической точки зрения топливо является безопасным.
В связи с чем делаем вывод, что данный жидкий продукт может быть использован как составляющая бензинов и дизельных топлив. Помимо основного назначения, жидкий остаток применяется в качестве топлива для генераторов энергии, что обеспечивает работоспособность самой установки, а также может быть использован как топливо для котельных.
По полученным показателям дизельной фракции 180— 350 °С резюмируем, что она соответствует требованиям стандарта ГОСТ 1667-68 на среднеоборотные и малооборотные дизели марки ДТ. А также возможно использование данной фракции в качестве печного бытового топлива по ТУ 38.101656-87.
Остаток выше 350 °С может быть востребован как компонент судового высоковязкого топлива по ТУ 38.1011314-90, так как подходит по всем предъявляемым требованиям.
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
Физико-химические показатели узких фракций разгонки жидкого остатка
№ п/п Показатели Значение Метод испытания
Бензиновая фракция НК-180
1 Массовая доля серы, % 0,3 ГОСТР51947
2 Плотность при 20, кг/м3 821 ГОСТ 3900
3 Йодное число, г йода/100 г продукта 24 ГОСТ 2070
Широкая дизельная фракция 180-350
4 Вязкость кинематическая при 20, мм2/с 7,7 ГОСТ 33-2000
5 Массовая доля серы, % 0,8 ГОСТР51947
6 Температура вспышки в закрытом тигле, °С 89 ГОСТ 6356
7 Температура застывания, °С -39 ГОСТ 20287
Фракция выше 350 (310)
8 Массовая доля серы, % 0,85 ГОСТР51947
9 Температура вспышки в открытом тигле, °С 151 ГОСТ 6356
10 Содержание механических примесей, % масс. 0,07 ГОСТ 6370
11 Вязкость кинематическая при 50, мм2/с 72 ГОСТ 33-2000
12 Вязкость кинематическая при 80, мм2/с 18,2 ГОСТ 33-2000
13 Зольность, % масс. 0,09 ГОСТ 1461
Рис. 3
Кривые истинных температур кипения бензиновой и дизельной фракций
Карбонизат
По методике 2420/20-99 был проведен анализ содержания металлов в твердом остатке пиролиза (табл. 5).
По технологии парогазовой активации получен активный уголь из карбонизата ТБО.
Показатели качества приведены в табл. 6.
Как следует из данных, приведенных в табл. 6, активный уголь имеет приемлемые показатели пористой структуры и адсорбционной активности.
НефтеГазоХимия 17
Таблица Б
Показатели анализа карбонизата на содержание металлов
Концентрация компонента Значение, ppm
Свинец 13,1
Цинк 12754,0
Никель 20,8
Железо 265,4
Марганец 8,2
Ванадий 6,6
Показатели качества активного угля
Наименование показателя Результат
Насыпная плотность, г/дм3 151
Суммарный объем пор, см3/г 1,99
Адсорбционная активность по йоду, % 43
Адсорбционная активность по метиленовому голубому, мг/г 71
рН 8,3
Массовая доля воды, % 1,25
Массовая доля золы (общая), % 38,2
Такой активный уголь может с успехом применяться в технологии «Агросорб» для детоксикации почв, сельскохозяйственных угодий, загрязненных пестицидами а также реабилитации грунтов, загрязненных нефтепродуктами, ксенобиотиками и другими органическими примесями.
Возможно также использование полученного активного угля для очистки сточных вод от органических загрязнителей.
Заключение
Целью нашей работы являлось создание модифицированного процесса пиролиза твердых бытовых отходов. Для достижения данной цели был произведен сравнительный анализ существующих технологий, была создана рабочая модель установки в программном обеспечении ASPEN
PLUS. После успешного моделирования удалось спрогнозировать результаты работы установки. Для подтверждения теоретических данных была сконструирована пилотная установка процесса пиролиза ТБО. В результате работы установки был получен ряд продуктов, включающий широкий спектр ценных компонентов.
В ходе физико-химических исследований, был выявлен ряд преимуществ целевых продуктов. В первую очередь стоит обратить внимание на качество, полученных веществ. С экологической точки зрения продукты, полученные в результате работы установки, отвечают всем существующим требованиям. Во-вторых, из-за многочисленного объема веществ, содержащихся в данных продуктах, открывается множество путей их переработки, что, безусловно, положительно скажется на уровне развития нефтегазохимии в нашей стране.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коровин И.О., Медведев А.В., Багабиев Р.Р. Утилизация твердых бытовых отходов пиролизным методом: практикум. Тюмень: ТюмГНГУ, 2002. 21 с.
2. Клинков А.С., Беляев П.С., Однолько В.Г. и др. Утилизация и переработка твердых бытовых отходов: учеб. пособие. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2015. 188 с.
3. Штриплинг Л.О., Туренко Ф.П. Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов: учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. 192 с.
4. Мишустин О.А., Желтобрюхов В.Ф., Грачева Н.В., Хантимирова С.Б. Обзор развития и применения технологии пиролиза для переработки отходов // Молодой ученый. 2018. № 45 (231). С. 42-45.
REFERENCES
1. Korovin I.O., Medvedev A.V., Bagabiyev R.R. Utilizatsiya tverdykh bytovykh otkhodovpiroliznym metodom: praktikum [Utilization of municipal solid waste by the pyrolysis method: workshop]. Tyumen, TyumGNGU Publ., 2002. 21 p.
2. Klinkov A.S., Belyayev P.S., Odnol'ko V.G. Utilizatsiya ipererabotka tverdykh bytovykh otkhodov [Utilization and processing of solid household waste]. Tambov, TGTU Publ., 2015. 188 p.
3. Shtripling L.O., Turenko F.P. Osnovy ochistkistochnykh vodipererabotki tverdykh otkhodov [Fundamentals of wastewater treatment and solid waste processing]. Omsk, OmGTU Publ., 2005. 192 p.
4. Mishustin O.A., Zheltobryukhov V.F., Gracheva N.V., Khantimirova S.B. Overview of the development and application of pyrolysis technology for waste processing. Molodoy uchenyy, 2018, no. 45 (231), pp. 42-45 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ / INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Суханов Олег Иванович, эксперт научно-технического совета, ППК «Российский экологический оператор».
Жагфаров Фирдавес Гаптелфартович, д.т.н., проф., завкафедрой газохимии, РГУ нефти и газа (национальный исследовательский университет) им. И.М. Губкина.
Тремаскин Дмитрий Юрьевич, инженер-технолог I категории, Филиал «Оренбургский гелиевый завод» ООО «Газпром переработка».
Oleg I. Sukhanov, Expert of the Scientific and Technical Council, Russian Ecological Operator.
Firdaves G. Zhagfarov, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Acting Head of the Department of Gaschemistry, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University).
Dmitriy YU. Tremaskin, Engineer-technologist of the 1st category, Branch Orenburg Helium Plant LLC Gazprom Pererabotka.
