CC BY
62
УДК 665.622.43.
А. Х. Тазмеев, С. В. Фридланд, М. Н. Мифтахов СОДЕРЖАНИЕ ОКСИДА УГЛЕРОДА И УГЛЕВОДОРОДОВ В СИНТЕЗ-ГАЗЕ ПРИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ
Представлены результаты плазмохимической переработки полимерных отходов - полиэтилена и полиэтилентерефталата в двухкамерной установке. Представлен анализ влияния температуры и времени пребывания в реакционной зоне на соотношение получаемого оксида углерода и углеводородов в объёме газовой фазы.
Одной из проблем современности является утилизация и переработка отходов. Широкое распространение получили огневые методы переработки с использованием различных печей: камерных, шахтных, с псевдоожиженным слоем и др. [1]. Однако в ряде случаев огневая переработка отходов приводит к новым экологическим проблемам. Например, при сжигании хлорсодержаших отходов образуются вредные вещества - диоксины. Продукты неполного сгорания углеводородов также являются вредными и отравляют окружающую среду. В связи с этим в последние годы идет переход к плазменным методам, которые позволяют устранить недостатки огневой переработки [2-3].
Нами исследован способ переработки полимерных отходов в потоке плазмы, генерируемой газовым разрядом между жидким электролитным катодом и металлическим анодом. В качестве электролита были использованы слабо концентрированные растворы солей натрия в дистиллированной воде, удельная электрическая проводимость которых на-
-3 -1
ходилась в пределах (0.9т2.5)40~ (Ом-см)" .
В настоящей работе приведены некоторые результаты исследований конверсии отходов из полиэтилена (ПЭ) и полиэтилентерефталата (ПЭТ) в синтез-газ.
Процесс конверсии проводился в два этапа: первый - термическое разложение при температурах порядка 720 т 770 К, второй - газификация в плазменном потоке в интервале температур Т от 1470 до 1670 К. Для этого использовались два генератора плазмы и две реакционные камеры [4].
Поскольку поток плазмы практически полностью формировался из паров воды, конверсия полимерных отходов осуществлялась перегретым водяным паром. Наличие активных частиц, таких как ион водорода, гидроксил ОН, по-видимому, активизировали этот процесс. Избыток пара конденсировался в закалочной камере, которая представляла собой многосекционный теплообменник с последовательным соединением секций.
Количество полученного «сухого газа» измерялось счетчиком газа СГК-2.5, а его состав контролировался газоанализатором «Автотест». Показания газоанализатора использовались для установления режимов процесса конверсии. Количественное определение состава «сухого газа» производилось методом хроматографии. Пробы газа были отобраны в стеклянные пипетки и исследовались хроматографом «Кристалл 2000М». Объемные содержания метана и оксида углерода измерялись с использованием детектора по теплопроводности - ката-рометра, а концентрации этана, ацетилена, этилена, пропилена, бензола, толуола и других углеводородов определялись при помощи пламенно-ионизационного детектора.
На рис. 1 - 2 представлены в виде диаграмм объемные содержания отдельных компонентов в «сухом газе». Здесь Ат - время пребывания газовой фазы продуктов термиче-
ского разложения сырья во второй реакционной камере. За это время принято отношение объема реакционной камеры к объемной скорости образования парогазовой смеси (с учетом соответствующего значения Т). Как видно из рис.1а, с повышением температуры Т во второй реакционной камере существенно возрастает объемное содержание СО, причем из ПЭТ-сырья выход СО растет быстрее. Рост температуры Т приводит к уменьшению газообразных и летучих углеводородов в объеме газовой фазы конечных продуктов (рис.1б и 1в).
Рис. 1 - Содержание оксида углерода и углеводородов в синтез-газе из ПЭ- и ПЭТ -сырья в зависимости от температуры во второй реакционной камере. Т = 1420 К; Т2=1520 К (СО ПЭ, СН4 ПЭ); 1570 К (СО ПЭТ, СН4 ПЭТ); Т2=1670 К; а) СН4 ПЭТ левый столб - Ат=0,029 с, правый - 0,017 с
в
Интенсификация процесса, рост температуры, также вызывает увеличение объемного содержания полезного продукта СО и уменьшение балластного (с точки зрения перспективности для химических технологий) компонента - метана (рис.2 а).
Рис. 2 - Содержание оксида углерода и углеводородов в синтез-газе из ПЭ- и ПЭТ -сырья в зависимости от времени пребывания во второй реакционной камере:
а) ДТ1 =0,091 с и АТ2=0,018 с (СО ПЭ); 0,090 с и 0,017 с (СО ПЭТ); 0,092 с и 0,029 с (СН4 ПЭ); 0,090 с и 0,019 с (СН4 ПЭТ); СО ПЭ левый столб - Т=1700К, правый Т=1520 К;
б) Ат =0,092 с (С2Н2 ПЭ); 0,090 с (С2Н2 ПЭТ, СеНе ПЭТ); 0,091 с (СеНе ПЭ);
Ат2=0,019 с;
в) Дт1 =0,092 с (толуол ПЭ); 0,090 (толуол ПЭТ, О-содерж. ПЭТ); 0,091 (О-содерж. ПЭ); Ат2=0,017 с (О-содерж. ПЭТ) и 0,019 с (остальные)
Чем быстрее осуществлялся процесс, тем больше становится выход тяжелых углеводородов (рис.2б и 2в). Таким образом, рост температуры в реакционной зоне и сокраще-
ние времени пребывания продуктов термического разложения сырья в этой зоне являются взаимно конкурирующими факторами при образовании тяжелых углеводородов. Для того чтобы снизить количество таких компонентов необходимо увеличить и температуру, и время пребывания парогазовой смеси во второй реакционной камере; а для их прибавления, наоборот, нужно снизить температуру и ускорить протекание процесса.
При образовании СО и СН4 указанные выше два фактора усиливают друг друга. Однако, при некоторых их сочетаниях отсутствует положительный эффект, т.е. не увеличивается выход СО и не уменьшается образование СН4. Это видно из сравнения последних двух столбиков диаграммы на рис.1а и первых двух - диаграммы на рис.2а. В первом случае (рис.1а) временной фактор преобладает над температурным, т.е. несмотря на повышение температуры из-за ускорения процесса выход СН4 не уменьшается. Во втором случае, наоборот, температурный фактор доминирует над временным, поэтому, невзирая на уменьшение времени пребывания парогазовой смеси во второй реакционной камере из-за невысокой температуры объемное содержание СО не повышается.
Выводы
Среди основных параметров плазмохимического процесса переработки полимерных отходов наиболее значимыми являются температура в зоне реакции и время пребывания газообразных продуктов разложения сырья в этой зоне. Г лавным образом от этих двух параметров зависит образование конечных продуктов и степень завершенности процесса.
Увеличить выход полезного компонента СО можно двумя способами: либо повышая температуру в реакционной зоне, либо ускоряя процесс. Первый из этих способов является предпочтительным, т.к. он ведет к сокращению выхода углеводородных соединений, т.е. способствует уменьшению примесей.
Литература
1. Бернадинер М.Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М.: Химия, 1990. 304 с.
2. Амору Дж., Морван Д., Кавадиас С. Контроль загрязнения окружающей среды и процессы очистки плазменными методами // Журнал технической физики. 2005. Т.75, Вып. №5. С.73-82.
3. Ващенко С.П., Багрянцев Г.И., Пак Х.С., Лукашов В.П., Плазмотермическая переработка твердых отходов // Экология и промышленность России. 2005. №11. С.4-9.
4. Тазмеев А.Х., Фридланд С.В., Мифтахов М.Н., Тазмеев Х.К. О возможности переработки твердых отходов генераторами плазмы с жидкими электродами // Современные аспекты экологии и экологического образования: Материалы Всерос. науч. конф. 19-23 сентября 2005г. Казань, КГУ. С.483-485.
© С. В. Фридланд - д-р хим. наук, проф., зав.каф. инженерной экологии КГТУ; А. Х. Тазмеев -асп. той же кафедры; М. А. Мифтахов - канд. хим. наук, доц. каф. общей химии Камской государственной экономической академии.
