Оценка продуктов пиролиза пластика и каменного угля

Размещено на http://www.allbest.ru/

оценка продуктов пиролиза пластика и каменного угля

Япония, стремясь к построению общества с оборотным использованием ресурсов, в апреле 2000 г. ввела в действие в полном объеме закон об оборотном использовании пластмассовой тары и упаковки. Это стимулировало разработку технологий рециклинга бытовых пластмассовых отходов, строительство установок по переработке отходов и другие виды работ в этом направлении. В черной металлургии разработали и применили в промышленном масштабе технологию использования пластика в качестве восстановителя в доменной печи и метод химического рециклинга в коксовой печи Їполучение вторичного сырья из отходов пластмасс с использованием коксовых печей. Метод химического рециклинга в коксовой печи заключается в том, что отходы пластмассы вместе с угольной шихтой загружают в коксовую печь и подвергают коксованию, в результате чего без ухудшения качества кокса осуществляют превращения отходов пластика в продукты в виде кокса, масел и коксового газа..

Коксовый газ полностью используется в качестве топлива на металлургических заводах, качестве энергоносителя на электростанциях и в других производствах. В случаях нехватки коксового газа его приходится заменять другими ресурсами, такими как сжиженный природный газ и др. Теплотворная способность коксового газа имеет важное значение в технологии и влияет на производственные издержки. В связи с этим важно представлять влияние добавки отходов пластика в шихту для коксования на свойства коксового газа. рециклинг пиролиз пластмасса пластик

По пиролизу полиэтилена (РЕ), полипропилена (РР), полистирола (PS) и других пластмасс выполнено много исследований в интервале 300 - 600 ⁰C, между тем почти отсутствуют работы в области температур, характерных для коксовых печей (температура процесса коксования превышает 1000 ⁰C). Пластик в смеси с углем подвергается пиролизу при косвенном нагреве через кладку стен камеры коксования. Считают, что в этом случае происходит первичный пиролиз, а образующиеся газ и смола, как неразложившиеся компоненты, перемещаясь в высокотемпературном пространстве коксовой печи, подвергаются вторичному разложению. Имеются сведения о характеристике образующегося газа при пиролизе пластика с применением экспериментальных систем со вторичным нагревом, но при условиях отличных от процесса в коксовых печах.

Токийский университет естественных наук, г. Токио, Япония, и исследовательская лаборатория новейших технологий фирмы “Nippon Steel”, Япония, разработали экспериментальную систему с устройствами нагрева для первичного разложения и высокотемпературного нагрева для вторичного разложения, образующихся продуктов пиролиза. Авторы статьи, пользуясь этой системой, воспроизвели и проанализировали процесс пиролиза пластика, смеси пластика и каменного угля и на основе результатов выполненного анализа оценили влияние добавки в угольную шихту отходов пластика на образование и свойства коксового газа.

Экспериментальная система мониторинга газа, образующегося при пиролизе пластика, содержит следующие основные устройства: устройство подачи газа; устройство нагрева пробы и детектор (схема системы и методика работы на ней в реферате не приведены). Устройство нагрева пробы представляет собой сдвоенную трубчатую печь с электронагревателями, состоящую из печи первичного нагрева пробы до заданной температуры (максимальная температура 1000 ⁰С) и печи вторичного нагрева продуктов пиролиза после первичной печи до высоких температур для осуществления вторичного пиролиза. Продукты пиролиза, образующиеся в печи первичного нагрева, транспортировали в печь вторичного нагрева газом-носителем. В образующемся при пиролизе газе непрерывно анализировали СН₄, С₂Н₄, СО и СО₂ инфракрасным спектрометром FT-IR.. Предел обнаружения контролируемого газа ~ 0,01 об. %. В качестве газа-носителя и замещающего газа использовали смесь водорода и гелия H₂ : He = 1 : 1.

Исследования провели с образцами полиэтилена, полипропилена и полистирола производства фирмы MERCK в виде порошка массой 2 мг и спекающегося угля Р (битуминозный) массой 100 мг. Элементный состав и зольность угля Р. Долю пластика в смеси с углем установили равной 2 мас. %, что соответствует добавке пластика в шихту по технологии его переработки в коксовых печах. Испытуемая смесь содержала 100 мг угля и 2 мг пластика.

Определили и сравнили выход продуктов коксования (кокс, смола, газ) при пиролизе угля G в печи первичного нагрева, печи первичного + вторичного нагрева на экспериментальной установке и в промышленной коксовой печи.

Представлен выход продуктов пиролиза угля: А - в промышленной коксовой печи, В - в экспериментальной системе при пиролизе в печи первичного нагрева, С - в экспериментальной системе при пиролизе в печах первичного + вторичного нагрева, С - В - разность величин выхода. По сравнению с данными пиролиза в печи первичного нагрева (В) выход всех продуктов пиролиза: кокса, смолы, газа в системе печами первичного + вторичного нагрева (С) ближе к показателям промышленной коксовой печи. При пиролизе в системе печь первичного + вторичного нагрева выход смолы получается меньше, выход газа Ї больше. Это свидетельствует о том, что смола, образованная в печи первичного нагрева, подвергалась в печи вторичного нагрева дополнительному пиролизу, то есть газификации и коксованию.

В промышленной коксовой печи уголь и пластик нагреваются в условиях косвенного нагрева “через стенку“. Считают, что пиролиз состоит из следующих процессов: первичного пиролиза угля и пластика (реакция первичного разложения) и вторичного пиролиза (реакция вторичного разложения) образовавшихся газов, смолы и неразложившихся веществ при первичном пиролизе во время движения в высокотемпературном пространстве коксовой печи.

Провели сравнительный анализ газообразных продуктов, образованных при пиролизе полиэтилена, полипропилена и полистирола в экспериментах только в печи первичного нагрева и в печах первичного + вторичного нагрева и оценили эффект печи вторичного нагрева. Степень конверсии углерода пластиков в газообразные продукты. Основными газообразными продуктами газа вторичного разложения были СН₄ и С₂Н₄.

При пиролизе с первичным + вторичным нагревом объем газа, выделенного из всех проб, был больше. Это объясняют пиролизом и газификацией в печи вторичного нагрева неразложившихся компонентов и смолы, перенесенных газом-носителем из печи первичного нагрева.

Объемы, составы газов, полученных при пиролизе полиэтилена и полипропилена, имеют большое сходство, что объясняют химической структурой пластиков. Считают, что в обоих случаях протекают одинаковые реакции разложения.

В экспериментах с полистиролом регистрировали пик компонента, имеющего структуру с бензольными кольцами, но количественно определить бензол в этих экспериментах не удалось. При разложении полистирола происходит деполимеризация отдельных мономеров. Предполагают, что под действием тепла в печи вторичного нагрева к мономерам присоединяется водород, и через стирол и этилбензол происходит разложение до бензола, С₂Н₄ и СН₄.

Провели эксперименты образования газообразных продуктов пиролиза полиэтилена в печи вторичного нагрева при температуре 800, 850, 900 и 1000 ⁰C.

При 800 ⁰C степень конверсии пластика невысокая, а при 850 ⁰C и выше достигла почти 100 %. По мере повышения температуры в печи вторичного нагрева снижалось содержание С₂Н₄ и повышалось - СН₄. Это указывает на то, что при увеличенном теплоподводе к пластику к С₂Н₄ присоединяется водород и активизируется разложение до СН₄. Выяснили, что при более высоких температурах в печи вторичного нагрева образуется газ с меньшей молекулярной массой.

Определили состав газа, выделенного из пластиков в период повышения температуры в печи первичного нагрева. Пик количества газа, выделенного из полиэтилена, приходится на температуры, близкие к 450 ⁰C, у полипропилена -- около 440 ⁰C, а у полистирола -- около 390 ⁰C; газовыделение при пиролизе заканчивается в диапазоне температур ниже 500 ⁰C. Выделение газа при нагреве угля Р началось вблизи температуры 300 ⁰C и после достижения интервала температур размягчения и плавления (примерно 400 - 500 ⁰C) оно усиливалось с повышением температуры, а вблизи 500 ⁰C стала снижаться концентрация СН₄. Зарегистрированное повышение концентрации газа (СН₄) вблизи 700 ⁰C объясняют взаимодействием смолы и водорода в газе-носителе. В экспериментах убедились, что сконструированная система позволяет проконтролировать процесс пиролиза пластика и состав образующегося газа в функции температуры в реальном времени.

Установили, что при коксовании различных смесей угля с пластиком в отношении определения объема и состава образующихся газообразных продуктов действует принцип аддитивности. Следовательно, в отношении газа, образующегося при пиролизе смесей, возможна оценка на основе суммирования газов, образующихся только из пластика и только из угля. Установили также, что при пиролизе смешанных проб отсутствует взаимовлияние компонентов смеси, образуются газы, соответствующие отдельным компонентам. Можно предположить, что и для процесса в коксовой печи с поступлением в коксовый газ продуктов пиролиза пластика справедливо правило аддитивности.

Определили влияние добавки пластика на свойства коксового газа. Для этого сравнили объемы газа, выделяемого при пиролизе только угля и смеси угля и 2 мас.% отходов пластика типичного состава приведен состав типичных отходов пластмассы, подпадающих под действие закона о рециклинге пластмассовой тары и упаковки (PVC - поливинилхлорид; PVDC - поливинилиденхлорид; PET - полиэтилен терефталат) в Японии. Приведены содержание СН₄, С₂Н₄, СО и СО₂ в коксовом газе, полученном при пиролизе пластика, угля и угля с добавкой пластика в экспериментальной системе: А-выход газа из отходов пластика массой 2 мг; В - выход газа из 102 мг каменного угля Р; С - аддитивные величины газовыделения из 100 мг угля Р с добавкой 2 мг отходов пластика.

При добавке к углю 2 мас. % отходов пластика (проба С) по сравнению с одним углем (проба В) объем выделенного при пиролизе СН₄ увеличился приблизительно на 5,6%, а С₂Н₄ - на 20,4%. Добавка отходов пластика составляла 2 мас. %, а объем газа увеличился приблизительно на 5,6 %, что обусловлено высокой степенью газификации пластика, равной приблизительно 40 %. Увеличение выхода объема СН₄ и С₂Н₄ при добавке в уголь для коксования отходов пластика повышает теплотворную способность коксового газа ~ на 9,5% по сравнению с газом только из угля.

Таким образом, переработка отходов пластмассы в коксовых печах эффективна для их утилизации и повышает теплотворную способность коксового газа.

1. Пробы пластика в печи первичного нагрева подвергались разложению: происходил распад главных цепей полимера и образовывались газ и смола с высокой молекулярной массой. Затем в печи вторичного нагрева в результате подвода тепла к газу и смоле протекала реакция дальнейшего разложения: частично происходила углефикация, но основная часть превращалась в газ с низкой молекулярной массой. Таким образом в реакции вторичного разложения увеличивался объем газа, получаемого при пиролизе пластика.

2. По сравнению с коксованием только в печи первичного нагрева в экспериментальной системе авторов, включающей печи первичного и вторичного нагрева, увеличивался объем газа за счет реакции вторичного разложения. Несколько увеличивался и выход кокса. Вместе с тем выход смолы уменьшался соответственно увеличению выхода газа и кокса.

3. При температуре в печи вторичного нагрева 850⁰C и выше степень газификации пластика (полиэтилена) достигала почти 100%. По мере повышения температуры в печи вторичного нагрева активизировалось разложение с образованием СН₄ в реакции присоединения к С₂Н₄ водорода из газа-носителя. В результате образовывался газ с еще меньшей молекулярной массой. Следовательно, в высокотемпературной зоне коксовой печи тоже возможно присоединение водорода из состава угля к газообразному продукту пиролиза пластика и образование низкомолекулярного газа.

4. Установили, что при коксовании различных смесей угля с пластиком в отношении профилей образующихся газообразных продуктов, объемов и состава газов действует принцип аддитивности. Следовательно, в отношении газа, образующегося при пиролизе смесей, возможна оценка на основе суммирования газов, образующихся только с пластиком и только с углем. Установили также, что при пиролизе смешанных проб отсутствует взаимовлияние компонентов смеси, и образуются газы, соответствующие отдельным компонентам. Можно предположить, что и для процесса в коксовой печи с поступлением в коксовый газ продуктов пиролиза пластика справедливо правило аддитивности.

5. При пиролизе в экспериментальной системе угля с добавкой 2 масс.% отходов пластика достигли повышения теплотворной способности газообразного продукта приблизительно на 9,5%. Это указывает на повышение калорийности коксового газа и при методе химического рециклинга отходов пластика в коксовых печах. Эта технология позволяет рассчитывать на экономию энергии и снижение производственных издержек, и кроме того ее можно рассматривать как весьма эффективную с точки зрения переработки отходов пластмассы. Можно рассчитывать на ее крупный вклад в дело построения общества с оборотным использованием ресурсов и решение глобальных экологических проблем.

Размещено на Allbest.ru