Пиролиз — технологии, оборудование и описание процесса

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.

Пиролиз – это горение, которое протекает под воздействием высоких температур, при отсутствии кислорода.

Технологический процесс можно описать следующим образом:

1. Топливо помещается в закрытый реактор.
2. Оно подогревается до температуры в 500 градусов.
3. Топливо распадается на углекислый газ, водород и твердый остаток.
4. Углекислый газ и водород выходят через специальный трубопровод, а остаток охлаждается.

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

Формула, заложенная в основу процесса пиролиза.

Преимущества:

• практически безотходный процесс;
• КПД около 90%;
• возможность переработки твердого остатка;
• создание невосполнимых ресурсов, в том числе, синтетической нефти;
• получение углеводородов и органических кислот;
• выработка большого количества тепловой энергии.

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

Материальный баланс

Продукты, получаемые в реакции, зависят от состава сырья, отношения углеводородов к пару, а также от температуры крекинга и времени пребывания в печи. Выход продуктов пиролиза в зависимости от типа сырья достаточно вариативен. Из легких углеводородов, таких как этан, пропан, бутан, СПГ или легкая нафта, получают набор продуктов, богатых легкими олефинами, включая этилен, пропилен и бутадиен. Тяжелые углеводороды, получаемые в процессе пиролиза богаты ароматическими углеводородами и углеводородами, подходящими для включения в бензин или мазут.

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.

Окислительный пиролиз используется для утилизации отходов от работы промышленных предприятий, сточных вод, резины и мусора, который может содержать остатки нефтепродуктов.

Современный подход

Помимо вышеописанных, в промышленности используется несколько современных методов утилизации.

А именно:

1. Каталитический низкотемпературный. Пиролиз происходит при воздействии низких температур – до 200 градусов. Реакция проходит под воздействием катализаторов. В результате сырье распадается на твердый остаток, который по эксплуатационным качествам превосходит вторсырье.
2. Инициированный. Используется для обработки углеводородов. В реакции используются так называемые «инициаторы». Благодаря этому количество твердого и жидкого остатка увеличивается.
3. Термоконтактный. Катализатором реакции выступает расплавленный металл, частички нагретого огнеупорного материала. В результате образуется большое количество тепловой энергии, появляется меньше кокса.
4. Гидропиролизный. Проводится под воздействием высоких температур в 900 градусов, а также воды, которая подается под давлением в 100 бар. Вместо кокса выделяется больше углеводородов и смолы.

Схема современного технического решения по переработке ТБО.
Современные методы пиролиза эффективнее, экологически чище и приносят больше пользы.

Достоинства и недостатки

Недостатки

• высокая стоимость капитальных затрат из-за наличия на установке крайне высоких и низких температур (от -160 до +900 °С)
• отложения кокса в змеевиках печи, охладителе паров пиролиза вследствие высоких температур

Достоинства

• высокий и постоянно растущий спрос на продукты пиролиза
• возможность проектирования установки под любые возможные типы сырья от газа до газойля для получения требуемой корзины нефтепродуктов.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Планово предупредительный ремонт (ППР)

Типы установок

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

Промышленные могут обрабатывать достаточно большие объемы отходов, однако, они крупные, требуют выделения отдельного участка для работы.

Пиролизные установки различаются по следующим параметрам:

1. производительность;
2. вес;
3. габариты;
4. мощность;
5. источник энергии;
6. количество уровней.

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:

• деревообрабатывающей промышленности;
• электротехники;
• автопрома;
• фармацептической промышленности.

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.

Производство древесного угля

Преимущество бизнеса, основанного на использовании очень дешёвого или бесплатного сырья, заключается в высокой рентабельности и быстрой окупаемости производства.

Природа в достаточном количестве «производит» древесину, поэтому предприятие по изготовлению угля может функционировать круглогодично и с полной загрузкой производственных мощностей.

К тому же, в отличие от деревообрабатывающей промышленности, качество сырья имеет небольшое значение, что позволяет использовать валежник и деревья, которые высохли и находятся в вертикальном положении.

В этой статье будет рассмотрен подробный план организации бизнеса на переработке древесного сырья в высококачественный уголь для шашлыка или для дальнейшего использования в медицинских целях.

Наша оценка бизнеса:

Стартовые инвестиции – от 300000 руб.

Насыщенность рынка – средняя.

Сложность открытия бизнеса – 5/10.

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:

• переработки отходов промышленности;
• переработки ТБО;
• получения углеводородов;
• переработки метана;
• получения древесного угля.

Технологическое оформление

Переработка сырья в промышленных пиролизных установках проходит на нескольких этапах.

Оборудование состоит из нескольких узлов:

1. Пиролиза. Состоит из нескольких печей, где и происходит непосредственная переработка.
2. Разделения продуктов. Продукты пиролиза делятся на воду, смолы и пиролизный газ.
3. Компримирования. Пирогаз сжимается под высоким давлением.
4. Осушки. Из продуктов пиролиза удаляется воды.
5. Глубокое охлаждение. Пирогаз охлаждается до низкой температуры.

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.

Ситуация следующая:

1. Америка – мощность в 27 тысяч в год.
2. Япония – 7 тысяч в год.
3. Саудовская Аравия – 5,6 тысяч в год.
4. Корея – 5,4 тысяч в год.
5. Германия – 5,4 тысячи в год.
6. Канада – 5,3 тысячи в год.
7. Китай – 4,9 тысяч в год.
8. Нидерланды – 3,9 тысяч в год.
9. Франция – 3,4 тысячи в год.
10. Россия – 2,8 тысяч в год.

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

Назначение

Пиролиз или паровой крекинг – это нефтехимический процесс, при котором насыщенные углеводороды распадаются на более мелкие, часто ненасыщенные, углеводороды. Это основной промышленный метод получения более легких олефинов, включая этилен и пропилен.

Этилен является одним из основных нефтехимических продуктов в мире, поскольку он является базой для синтеза многих химических веществ и продуктов. Мировое потребление этилена в 2022 году составило 164 млн тонн, а пропилена 106 млн тонн, бутадиена – 16 млн тонн. Согласно исследованиям, спрос на этилен будет расти на 3,3-3,4% ежегодно до 2025 года. В настоящее время паровой крекинг является преобладающей технологией производства этилена. Общая производственная мощность по всему миру составляет более 150 миллионов тонн в год.

Структура потребления продуктов пиролиза

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.

Запуск котла

Во время запуска пиролизного агрегата стоит принимать во внимание характерные черты, по которым он отличается от классических котлов. Работа прибора в режиме газогенератора выполняется благодаря двум камерам, которые снабжены шиберами (заслонками)

Но не все помнят, что такой отопительный агрегат вначале стоит прогреть.

Рис. 3
При достижении температуры в диапазоне +500-+800 градусов, можно приступить к погружению твердого топлива, и только потом приводить заслонку в пиролизный режим работы, а дымосос запустить. Пламя чистого желто-белого цвета (рис. 3) утверждает о верных настройках газогенератора, о том, что в дымовых смесях нет токсических продуктов сгорания.

Такая поочередность действий при запуске гарантирует сгорание топлива медленно и бескислородно, эффективное выделение и сгорание пиролизного газа (чистого), постоянную комфортную температуру помещения 24 часа.