что такое пиролиз и его основные виды

Пиролиз — технологии, оборудование и описание процесса

Пиролиз – это процесс распада органических и ряда неорганических соединений на молекулярном уровне. Он протекает под воздействием высоких температур, при условии полного отсутствия кислорода.

Описание процесса

Чтобы описать процесс пиролиза, для начала нужно разобраться с горением. Горение – это процесс быстрого окисления вещества. При этом каждые 2 атома водорода сочетается с 1 молекулой кислорода, а 1 атом углерода – с 2 частицами кислорода.

В результате образуется углекислый газ и вода. Последняя испаряется, поскольку при горении выделяется много тепловой энергии.

Технологический процесс можно описать следующим образом:

Пиролиз используется для безопасной утилизации химических веществ, которые могут выделять токсичные соединения при горении.

Формула, заложенная в основу процесса пиролиза.

Большинство видов опасного мусора нельзя сжигать, поскольку они загрязняют атмосферу. Пиролиз – это фактически бездымное горение, поэтому он подходит для утилизации любого мусора.

Условия для проведения

Температура пиролиза – от 200 до 900 градусов. При меньшей температуре процесс не будет активироваться. В качестве теплоносителя допустимо использовать электроэнергию или пиролизный газ.

Методы пиролиза

Выделяют несколько методов пиролиза. Они отличаются по способу нагрева, а также по сырью, подходящему для утилизации таким способом.

Сухой

Сухой пиролиз – это горение, которое протекает при условии полного отсутствия кислорода. Это позволяет полностью предотвратить окисление.

Принцип работы сухого пиролиза.

В процессе используются дегидратирующие средства. Пиролизные установки работают на электричестве.

Сухой пиролиз может протекать при разных температурных режимах:

Сухой метод пиролиза подходит для переработки углеводородных отходов. Твердый остаток, получаемый в процессе, может использоваться в качестве вторсырья для химической промышленности.

Окислительный

Окислительный пиролиз – это самый экологически чистый метод. Сырье в установках нагревается до 900 градусов. Сжигание происходит под воздействием горячих дымовых газов, являющихся катализатором реакции.

Вещество начинает сгорать и выделять тепловую энергию. В результате твердый остаток нагревается до температуры в 16 тысяч градусов.

Современный подход

Помимо вышеописанных, в промышленности используется несколько современных методов утилизации.

Современные методы пиролиза эффективнее, экологически чище и приносят больше пользы.

Продукты пиролиза

Пиролизная смола активно используется в химической промышленности.

Продуктами пиролиза могут выступать:

Твердый остаток может использоваться в качестве вторсырья на перерабатывающих предприятиях. Пиролизный газ и тепловая энергия активно используется в промышленности, а также в быту, выступая заменой электрификации и газификации участка.

Типы установок

Установки, вырабатывающие пирогаз, делятся на бытовые и промышленные. Бытовые обладают сравнительно небольшими размерами.

Пиролизные установки различаются по следующим параметрам:

В быту используются небольшие и малогабаритные установки, однако даже они способны обеспечить тепловой энергией участок небольших размеров.

Виды по типу сжигаемого материала

Все установки также отличаются по типу перерабатываемого сырья. Где-то используется гидропиролиз, где-то – сухой метод.

Пиролиз ТБО

Безопасная переработка мусора, в процессе которой не выделяются вредные соединения, — одна из главных задач экологии. Пиролиз помогает значительно сократить агрессивное воздействие ТБО на окружающую среду. При этом в процессе утилизации появляется твердый остаток, который можно использовать в качестве вторсырья.

В установках можно перерабатывать отходы:

В процессе утилизации не образуется тяжелых металлов, только биоразлагаемые и безопасные материалы.

Пиролиз метана

Утилизация метана проходит на разных температурных режимах. Сначала под воздействием высоких температур газ распадается на ацетилен. Однако это бесполезно и не имеет никакого экономического оправдания.

После этого в установку добавляют активированный уголь, утилизация проходит на низких температурах. В результате начинается реакция тримеризации.

Пиролиз древесины

Другое название – древесный крекинг. Обработка проходит при температуре в 2 тысячи градусов. В результате вырабатывается большое количество оксида углерода, а также тепловая энергия.

После этого пиролизная установка разогревается до 5 тысяч градусов. В результате вырабатывается метанол, смола, ацетон и уксусная кислота. Помимо этого образовывается древесный уголь.

Использование в быту

Пиролиз углеводородов нашел широкое применение в быту. Установки используют для выработки дешевой тепловой энергии.

Пиролизные котлы

Пиролизные котлы с естественной подачей кислорода – это тепловые установки с высоким коэффициентом полезного действия. В качестве источника используется древесина, а также выделяемый в процессе древесный газ.

Сравнение обычного твердотопливного котла и пиролизного.

Бытовая установка состоит из двух камер сгорания. В первой древесина преобразуется в газ под воздействием высоких температур. Во второй камере оказываются трудно сгораемые остатки.

Они утилизируются при температуре свыше 1 тысячи градусов, вырабатывая тепловую энергию.

Очистка духового шкафа

Простые пиролизные установки используются в процессе самоочистки в современных шкафах.

Под воздействием высоких температур грязь и налипший жир карбонизируется. Процесс занимает до четырех часов.

После этого образовывается пепел, который легко стирается обычной тряпкой или губкой.

Получение древесного угля

Бытовые установки используются также для получения древесного угля. В специальных установках утилизируется древесина лиственных или хвойных пород. В процессе появляются уголь, смола и газ.

Переработка происходит в 2 этапа. Для начала при температуре в 300 градусов начинается выработка большого количества тепловой энергии. Затем, при 500 градусах, образуется твердый остаток – древесный уголь.

Промышленный пиролиз

Пиролизные установки активно применяются в промышленности.

Они могут использоваться для:

Технологическое оформление

Переработка сырья в промышленных пиролизных установках проходит на нескольких этапах.

Оборудование состоит из нескольких узлов:

Сырьевая база

Сырье пиролиза в европейских странах и в России отличается по составу.

Процентное соотношение в мире следующее:

В России сырьем также выступают легкие углеводороды широкой фракции, а керосино-газойлевое сырье не используется. При этом их доля постоянно увеличивается, в связи с растущими объемами добычи нефти.

Производство низших олефинов

Не так давно был опубликован рейтинг стран по производству низших олефинов.

Из этого можно сделать вывод, что пиролизные установки в промышленности России пока не получили должного распространения.

Технологическая схема

Пиролизное горение проходит по сложной технологической схеме.

Пример схемы пиролизной установки.

Предварительный подогрев

На этом этапе сырье нагревают, после чего смешивают с водяным паром, добиваясь концентрации в 0,5.

Наличие водяного пара позволяет избежать обратной реакции. После этого сырье подогревают до 500 градусов.

Печь пиролиза

Реакция происходит в змеевиках пиролизной печи на протяжении примерно 0,6 секунд.

Схема работы печи пиролиза.

Обработка происходит под воздействием высоких температур в 800 градусов, что позволяет увеличить выработку олефинов.

Блок захолаживания

Захолаживание происходит при помощи воды, а также жидкой части продукта С9+.

Способ охлаждения исходного газа.

Так называемый квенчинг подразумевает подачу охлажденного сырья в холодные продукты горения, благодаря чему реакция пиролиза моментально останавливается.

Блок фракционирования

Газ попадает в блок фракционирования. Тяжелые компоненты выходят из куба колоны.

Легкие охлаждаются, после чего разделяются на газ и жидкость. После этого газ сжижается, охлаждается и подается в деметанизатор.

Деметанизатор

На этом этапе из смеси выделяются углеводородные компоненты или бензин. Неконденсированный газ используется в качестве топлива, а также для захолаживания сырья.

Остальной газ подается в деэтанизатор.

Деэтанизатор

На этом этапе технологического процесса ацетилен превращается в этилен.

Блок колонны деэтанизатора.

После этого смесь компонентов С2 разделяется в ректификационной колоне.

Депропанизатор

На этом этапе металацетилен превращается в пропилен.

Схематическое изображение работы блока депропанизатора.

После этого он также подается в ректификационную колону.

Дебутанизатор

Дистилят смешивается с газами и используется в качестве топлива для печи. Тяжелые углеводороды отправляются на разделение.

Колонны разделения фракций

На последнем этапе тяжелые углеводороды разделяются на ароматические. Выделяется этилен, пропилен.

Перспективы применения

Пиролиз – это экологически чистый способ переработки мусора, в том числе промышленных отходов. При использовании пиролизных установок в атмосферу не выделяются токсические соединения.

Кроме того, в процессе образуется вторсырье, а также дешевая тепловая энергия.

Источник

По сути пиролиз – это распад материи на молекулярном уровне. Разложение органических и неорганических тканей при этом происходит благодаря сильному нагреву и полному отсутствию кислорода. В итоге сложные соединения распадаются на более простые, образуя новые элементы. Поэтому довольно часто данный процесс называют сухой перегонкой.

Описание процесса

Потребность в экологичном оборудовании для переработки химических отходов у нашего общества появилась уже давно. Первые пиролизные котлы стали запускать еще в конце позапрошлого века. А создание современных пиролизных агрегатов решило сразу несколько вопросов:

Впрочем, экономический аспект использования пиролиза рассчитан на перспективу. Пиролиз достаточно недешевое удовольствие. Он требует соответствующего оборудования и специально обученный кадровый состав.

Зато в работе пиролизные установки практически автономны. Агрегатам требуется электроэнергия только для запуска, дальнейшая работа котла осуществляется за счет производимых в процессе сжигания ресурсов. При этом избытки вырабатываемой энергии и пара можно использовать для бытовых целей, перенаправляя их коммунальные сети.

В России пиролиз только начинает набирать популярность, тогда как в Европе без установок для пиролиза не обходится ни одно крупное предприятие. Причин такой востребованности пиролиза довольно много:

Исходя из выбора сырья для переработки, пиролизная реакция может протекать при разных температурных режимах. Конечный результат при этом, также будет различаться по составу химических элементов.

В зависимости от температуры нагрева печи и дополнительным составляющим пиролиза, перегонку принято разделять на две разновидности: сухая и окислительная.

Окислительный пиролиз

Этот вид пиролиза можно назвать самым экологичным и продуктивным. Он применяется для обработки вторсырья. Реакция проходит при высоких температурах. Например, при пиролизе метана, он смешивается с кислородом, частичное сгорание вещества выделяет энергию, которая нагревает оставшееся сырье до температуры 16000 ºС.

Окислительный пиролиз используют для того, чтобы обезвредить промышленные отходы с повышенным содержанием нефти. А также для переработки пластика, резины и других материалов, не поддающихся естественному разложению в природной среде.

«Окислительный пиролиз позволяет перерабатывать сырье различных консистенций. В том числе материалов в жидком и газообразном состоянии».

Виды сухого пиролиза

Сухой пиролиз один из самых востребованных в промышленности. С его помощью получают топливо, различные химические соединения и обезвреживают вторсырье. Используя разные температурные режимы пиролиза получают газ, жидкие и твердые продукты сгорания.

Разогрев котла до максимальной температуры в 5500 ºС, считается низкотемпературным режимом. При таких температурах образования газов практически не происходит. Работа направлена на производство полукоксов (в промышленности их активно используют в качестве топлива) и смол, из которых в дальнейшем производят искусственный каучук.

Протекание пиролиза при температурах от 550 до 9000 ºС считается низкотемпературным, но фактически, учитывая технические возможности, принадлежит к среднему температурному режиму. Его использование целесообразно при необходимости производства пиролизного газа и твердых осадков. При этом исходное сырье может включать фракции неорганического происхождения.

Течение пиролиза при температуре выше 9000 ºС считают высокотемпературной реакцией. Работа котла при максимальной температуре в 9000 ºC позволяет получать твердые материалы (кокс, древесный уголь и другие) с низкой долей выделяемого газа.

Выгонка с использованием более высоких температурных режимов нужна для получения преимущественно газообразных веществ. Практическая польза от высокотемпературного режима заключается в том, что полученные газы можно использовать в качестве топлива.

«Высокотемпературный пиролиз не требователен к содержанию перерабатываемого сырья. При использовании низкотемпературного режима необходимо соблюдать все этапы подготовки, включая сушку и сортировку».

Пиролиз ТБО

Экологически чистая переработка мусора – одно из ключевых направлений использования пиролиза. Данные агрегаты позволяют в разы сократить негативное воздействие антропогенного фактора на окружающую среду.

В процессе пиролиза распадаются биоактивные вещества, не выплавляются тяжелые металлы. После термического распада в пиролизных котлах практически не остается невостребованных отходов, что позволяет значительно сократить площади, для их дальнейшего хранения.

Так, например, сжигая 1 тонну покрышек мы загрязняем атмосферу 300-ми кг сажи. Кроме того, в воздух поступает около 500 кг токсичных веществ. Переработка того же материала в пиролизных установках позволяет использовать резину в энергетических целях, получать вторсырье для дальнейшего производства и значительно сокращает вредные выбросы.

Снизить вредное воздействие на окружающую среду удается благодаря многоступенчатой системе переработки. В процессе пиролиза отходы проходят четыре этапа утилизации:

Пиролизные установки позволяют перерабатывать отходы:

Метод пиролиза успешно справляется с полимерами, отходами канализации и бытовым мусором. Нивелирует воздействие на природу нефтепродуктов. Отлично подходит для утилизации органических отходов.

Единственный минус пиролизных агрегатов обнаруживается при переработке сырья, содержащего хлор, серу, фосфор и другие ядовитые химикаты. Продукты полураспада этих элементов под действием температуры могут соединяться с другими веществами и образовывать токсичные сплавы.

Пиролиз метана

Пиролиз метана одна из самых сложных реакций, проходящих в разных температурных режимах. Проводя пиролиз на высокой температуре, можно получить ацетилен, из которого изготавливают каучук. Однако экономически эта процедура не оправдана.

Зато пиролизная переработка метана – отличный способ для его утилизации. К примеру, тримеризации, получаемого ацетилена, можно добиться добавив активированный уголь и запустив работу котла в низком температурном режиме.

Пиролиз древесины

Эту процедуру еще называют древесным крекингом, а зародилась она именно в России. Прообраз современного агрегата еще в незапамятных временах изобрели наши углежоги. Для получения древесного угля без доступа воздуха, они воспламеняли древесину под слоем земли.

Сегодня этот процесс гораздо совершеннее и проходит в несколько этапов. Начинается крекинг при разогреве до 2000 ºС. На этом этапе выделяется большое количество оксида углерода. Если продолжить его сжигание в атмосфере, то удастся получить огромное количество энергии.

Затем котел разогревается до 5000 ºС. В этом температурном режиме получают метанол, смолы, ацетон и уксусную кислоту. Кроме этого вырабатывается твердый углерод, больше известный, как древесный уголь.

Продукты пиролиза и перспективы его применения

Использование пиролизных агрегатов дает широкие возможности по изготовлению ценных сегодня продуктов химической промышленности. В их числе: бензин, дизтопливо, синтез-газ, древесный уголь. Но их выработка ставит перед российским обществом еще одну проблему – сортировка сырья.

Впрочем, на первых порах массового внедрения пиролизных установок, из них можно извлечь и другую пользу. Независимо от перерабатываемого сырья, пиролизные агрегаты способны вырабатывать электрическую и тепловую энергию.

Кроме того, благодаря наличию камер догорания и практически безотходному производству, пиролизные установки способны решить многие проблемы экологического характера.

Сегодня небольшие по размеру модели, такие как «Пиролиз 43», начинают пользоваться спросом в частной среде. Эти мини-печи с высоким уровнем КПД просто не заменимы для частных домовладений в пригороде и труднодоступных поселениях. Пиролизные установки легко решают проблему газификации и электрификации небольших сел и дачных кооперативов.

Установки для реализации пиролиза не до конца оценены современным обществом. Однако их бережное отношение к природе, способность производить необходимые цивилизованному обществу продукты из вторсырья еще завоюют внимание миллионов людей. Система пиролиза хороший способ сделать нашу планету чище, а отношение к ископаемым рациональней.

Источник

Пиролиз в бытовых твердотопливных котлах – мифы и реальность

Явление пиролиза всегда сопровождает горение твердого топлива в отопительных печах и котлах. Масштаб процесса зависит от двух факторов – режима сжигания и конструкции домашней теплосиловой установки. Предлагаем детально рассмотреть пиролиз древесины либо каменного угля, варианты его применения в промышленных и бытовых условиях. Цель — развеять мифы, придуманные продавцами и кустарными изготовителями дорогостоящего «пиролизного» оборудования, предназначенного для обогрева частных домов.

Что такое пиролиз — описание процесса

Теоретически можно сжечь любое вещество, включающее соединения углерода с водородом, например:

На выходе получите определенное количество тепловой энергии, зависящее от первоначальной влажности сжигаемой массы. Для описания процессов воспользуемся химической формулой:

Горение – это реакция быстрого окисления. В идеальных условиях каждый атом углерода соединяется с двумя частицами кислорода, а 2 атома водорода взаимодействует с 1 частицей кислорода. В результате образуются безвредные соединения – углекислый газ СО₂ и вода. Последняя испаряется при нагреве, отнимая часть выделяющейся теплоты.

Важный момент. В реальных условиях далеко не все атомы водорода и углерода находят себе пару из-за недостатка молекул кислорода. Поэтому в состав продуктов горения входит небольшая доля вредных горючих соединений – угарный газ (СО), свободный водород (Н₂) и углерод в виде сажи.

Пиролиз — это реакция разложения вещества, протекающая при нагреве и нехватке свободного кислорода. Указанный принцип используется в газогенераторных установках:

Справка. В условиях производства полученный синтез-газ направляется на подогрев той же емкости газогенератора.

Горение и пиролиз – 2 разных процесса, могущих протекать одновременно. Пример: во время интенсивного сжигания дров в топке котла образуется малый объем угарного газа, безвредного СО₂ значительно больше. И наоборот, в режиме тления дрова выделяют много водорода и угара, часть которого успевает превратиться в СО₂ — окислиться. То есть, все зависит от количества участвующего в реакции кислорода.

Влияние повышенной влажности

Большое содержание влаги в исходном материале одинаково пагубно влияет на реакции горения и пиролиза. Рассмотрим процессы на примере сжигания древесины:

Лучший показатель влажности для плодотворного сжигания либо разложения древесины в газогенераторе – 8…15%. В домашних условиях нереально добиться таких показателей, длительная сушка дров под навесом позволяет достичь 20—25% влагосодержания.

Справка. При изготовлении топливных пеллет и брикетов на заводе древесные опилки высушиваются до показателя 8—10%. Максимальная влажность готовых гранул – 15%.

Для чего используют термическое разложение

Сфера применения пиролитических процессов довольно широка:

Примечание. Здесь перечислены самые известные способы применения пиролитических реакций. В действительности вариантов использования гораздо больше. Википедия утверждает — процессы пиролиза до конца не изучены, многие проекты находятся на стадии разработки.

Для термического разложения в промышленности используются пиролизные печи и разнообразные реакторы. Выше на схеме показана газогенераторная установка, перерабатывающая деревянные отходы и опил в газообразное топливо. Главную роль здесь играет реактор прямого процесса сухой перегонки, где подготовленное сырье перерабатывается в синтез-газ путем медленного сжигания.

Важный нюанс. Перед загрузкой в пиролизную печку или газогенератор древесина всегда измельчается и просушивается до влажности 10% и менее.

В промышленной химии также используется технология быстрого пиролиза, когда реактор разогревается до температуры 700…900 °C в течение малого промежутка времени. Цель – увеличение производительности оборудования и ускорение переработки.

Применение в быту

На бытовом уровне пиролиз помогает решить следующие задачи:

Лучший метод вычистить сковороду – поместить ее в духовой шкаф, установить температуру 200…250 °C и выдержать в течение получаса. Без доступа кислорода произойдет деструкция отложений, останется лишь пепел, а пиролизные газы заберет кухонная вытяжка.

Справка. Существуют модели духовых шкафов со встроенной функцией пиролитической очистки. По окончании «прожарки» остается лишь протереть внутренние поверхности и выбросить образовавшуюся золу.

Древесные угли применяются для жарки барбекю, кузнечного дела и более экзотичных целей – заправки автомобильного газогенератора (как он работает, читаем в отдельном материале). Способ получения – выжигание древесных отходов внутри закрытой емкости, то есть, медленный пиролиз.

Целесообразность покупки и эксплуатации пиролизных котлов – вопрос довольно спорный. Что настораживает: даже продавцы, представляющие отопительное газогенераторное оборудование на известной выставке «Акватерм», неспособны толком разъяснить, что же такое пиролиз. Не верите – посмотрите видео:

Предлагаем подробно разобрать проблемы, связанные с пиролизными дровяными теплогенераторами.

Мифы о пиролизных ТТ-котлах

Главное конструктивное отличие газогенераторного отопителя от традиционного котла прямого горения – 2 камеры вместо одной. Между обеими топками устроена керамическая форсунка, воздух принудительно нагнетается вентилятором. Металлические стенки пиролизного агрегата защищены футеровкой из огнеупорного кирпича. Как он работает:

В действительности, образовавшийся синтез-газ начинает гореть еще в первичной топке, поскольку вентилятор подает избыточный воздух. Во вторую камеру направлен лишь факел пламени…и все. Дальше продукты горения движутся по жаровым трубам теплообменника, нагревают теплоноситель и улетают в дымоход.

Дополнение. Есть другая конструкция отопителей – без вентилятора, вторичная камера расположена вверху. С точки зрения пиролиза концепция неработоспособна, агрегат функционирует как обычный водогрейный котел на дровах, хотя стоит вдвое дороже классических аналогов.

Сторонники пиролизных теплогенераторов (к таковым относятся производители данного оборудования, продавцы и домашние мастера-умельцы) приписывают своим ТТ-котлам следующие преимущества:

Попытаемся разобраться в правдивости перечисленных утверждений. Момент первый: если топливник загружать сухими дровами (такие требуются согласно инструкции по эксплуатации отопителя), то после сжигания останется мелкий пепел. Создаваемый вентилятором и ускоряющийся в форсунке воздушный поток попросту выдует легкий остаток в дымоход.

Из-за принудительного нагнетания газов со стороны топки во вторичной камере остается лишь крупная фракция золы

Результат – практически пустой зольник, иллюзия полноты сгорания. Если заложить сухую древесину в классический ТТ-котел с турбонаддувом, получите аналогичный остаток – немного пепла на дне. То есть, полнота сжигания зависит от качества топлива, а не конструкции теплогенератора.

Замечание. Закладка сырых дров влажностью свыше 50% даст негативный результат в любом котле. Рассматривать подобные варианты бессмысленно.

Кратко дадим ответы на оставшиеся утверждения:

Вывод. Приобретение газогенераторной модели твердотопливного котла – затея весьма сомнительная. Агрегат втрое дороже обычных версий и вдвое тяжелее из-за футеровки. Самодельные теплогенераторы, как правило, надежнее и дешевле заводских, но чересчур громоздкие. По экономичности и другим характеристикам они не выигрывают у классических ТТ-котлов с турбиной либо цепным регулятором тяги.

Наше мнение подтвердит известный эксперт–практик в своем видеоролике:

Заключение

В целом пиролиз – явление довольно полезное, широко применяемое в промышленной химии. На бытовом же уровне пиролитические процессы используются нечасто, хотя генерация горючих газов происходит в любой дровяной печи или котле. Так что покупать дорогущие пиролизные модели бессмысленно.

Источник