Изучался пиролизный метод переработки органических отходов с реализацией на действующем оборудовании предприятий металлургического комплекса. Разработана технология переработки полимерных отходов.
К л ю ч е в ы е с л о в а: органические отходы, полимерные материалы, пиролиз.
Постановка проблемы.
Определяющей особенностью формирования экологической обстановки в регионах Украины является наличие большого количества накопленных за многие годы как промышленных, так и твердых бытовых отходов (ТБО). В связи с этим, требуется неотложное решение проблемы отходов при обеспечении экономически и экологически эффективной их переработки и использования полученной товарной продукции.
Ежегодно в населенных пунктах нашей страны накапливается более 50 млн. м3 твердых бытовых отходов, в том числе, на территории Харьковской области – более 1,6 млн. м3. Тенденция последних лет в изменении морфологического состава ТБО городов Украины, подтверждающаяся опытом зарубежных развитых стран, показывает, что объем пластмассовых изделий (посуда одноразового использования, ПЭТ-бутылки, уплотнители, упаковочные материалы) продолжает увеличиваться.
Анализ состояния изучения проблемы.
Анализ продуктов санитарной очистки показывает, что в составе бытовых отходов доля полимерных материалов возрастает и в густонаселенных регионах достигает 8-12 %. При этом необходимо учитывать, что твердые углеродистые промышленные и бытовые отходы, – это вторичное сырье, объемы которого очень значительны и обладают большим энергохимическим потенциалом. Классификация полимерных материалов, входящих в состав органических отходов представлена на рис. 1.
Указанные полимерные материалы состоят из мономерных органических соединений, как правило, ароматического, циклического или полициклического классов, в состав которых входят до 10 % элементарных серы, азота, хлора (S, N, Cl).
 |
Рисунок 1 – Классификация полимерных материалов,
входящих в состав органических отходов
Применяемые на практике и рекомендуемые в настоящее время методы обезвреживания органических отходов предполагают их обработку химическими реагентами либо термическую деструкцию (сжигание). Термическое окисление осуществляется, как правило, при высоких температурах (до 1200 ºС), при которых образующиеся в процессе горения оксиды серы, азота и другие газы представляют собой высокоагрессивные смеси. В связи с этим, реализация различных вариантов термоокисления даже с использованием соответствующих катализаторов нежелательна, так как она сопряжена со сложностью технологических процессов и вредным техногенным воздействием на окружающую среду (неизбежным увеличением выбросов вредных веществ в атмосферу и образованием отхода в виде золы).
Целью данной работы является изучение пиролизного метода переработки отходов органического происхождения.
Был проведен ряд исследований по пиролизной обработке органических отходов, в результате которых была разработана экологически безопасная и экономически целесообразная технология переработки полимерных отходов.
Предлагаемый способ отличается от общепринятых тем, что он предусматривает не полное или частичное сжигание, а пиролиз отходов (т.е. их термическую деструкцию без доступа кислорода воздуха на всех стадиях процесса). Конечные продукты пиролиза представляют собой ценное сырье или товарные химические вещества. Поэтому процесс пиролиза не требует никаких затрат на создание системы очистки отходящих газов, неизбежно образующихся при традиционном сжигании органических соединений. По предлагаемому способу вообще не предусматривается наличие выбросов в атмосферу.
Режим пиролиза (температура, долевое соотношение ее компонентов и др.) определяется в каждом конкретном случае в зависимости от состава смеси отходов. В результате использования пиролиза соединения сложной органи-ческой структуры, из которых состоят полимерные материалы, преобразуются в более простые нетоксичные соединения парафинового (метанового), олефинового, циклического, ароматического и гетероциклического классов, смесь которых подвергается дальнейшей переработке (разгонке, ректификации и др.) с получением товарной продукции (табл. 1).
При определенной дозировке смеси или индивидуальных (после предварительной сортировки) органических отходов и предлагаемом режиме пиролиза процесс их переработки можно реализовать на действующем оборудовании предприятий металлургического комплекса практически без дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат.
Основной материал исследований.
Наиболее подготовленным к переработке отходов органического происхождения технологическим процессом является коксохимическое производство, где коксование угля происходит в закрытых камерах при высоких температурах и, что наиболее важно, без доступа воздуха. Кроме этого, технологический процесс предусматривает схемы улавливания из образующегося газа смолистых и ароматических соединений, аммиака, сероводорода, цианидов, бензольных углеводородов, нафталина и других продуктов коксования (т.е. всех тех ингредиентов, которые образуются при пиролизе органических отходов).
Таблица 1 – Особенности и продукты деструкции полимерных материалов
| Поли-мер | Структурная формула | tпл., ºС | tдестр., ºС | Особенности и продукты деструкции |
| ПЭНП | 
| 108-110 | 260-290 | Выше tпл. разлагается с образованием воскоподобных продуктов меньшей молекулярной массы и летучих. |
| ЛПЭНП | 110-160 | |||
| ПЭВП | ||||
| ПП |
( )n
СН3
| 165-175 | 200-300 | Углерод-углеродные связи непрочные, так как каждый второй углеродный атом в его основной цепи – третичный и водород при нем отличается повышен-ной реакционной способностью. |
| ПС | 
| Продукты деструкции – летучие соединения – мономерный стирол, его димер и тример. Основные продукты деструкции – этан и бензол, количество мономера невелико – не более 1 %. | ||
| ПЭТФ | 
| 250-280 | >80 | Типичный состав газообразных продук-тов термической деструкции, в %, имеет вид: СО – 8,0; СО2 – 8,7; Н2О – 0,8; СН3СНО – 80,0; С2Н2 – 2,0; др. – 1,2. |
| ПВХ | 
| 120-150 | >160 200-250 >400 | Начинается разложение. Выход летучих продуктов составляет 100 %. Термическая неустойчивость объясняется процессом дегидрохлори-рования (отщепл. Cl с выделением НCl). Происходит разрушение основной цепи, в продуктах деструкции появляются алканы, алкены, алкадиены и ароматические соединения |
| ПА | содержат амидную группу (-СОNH-) | >250 | При деструкции выделяются вода, двуокись углерода и небольшое количество аммиака. |
По предлагаемой схеме предусматривается введение органических отходов в угольную шихту, т.е. исходную точку всей технологической цепочки процесса коксования. Их количество определяется в каждом конкретном случае в зависимости от состава органических отходов и особенностей основного технологического процесса (отделений улавливания и схемы использования очищенного газа). Как правило, очищенный газ содержит 59 % водорода и 26 % метана и является высококалорийным экологически «чистым» энергоносителем.
Результаты исследований.
В процессе коксования образуются следующие продукты:
· кокс – товарная продукция;
· каменноугольная смола – товарная продукция;
· коксовый газ – товарная продукция (энергоноситель для собственных нужд после улавливания из него ценных химических продуктов коксования и последующей его очистки в соответствующих цехах);
· сточная фенольная вода, которая после очистки от фенолов, роданид-ионов и других загрязнителей органической структуры на существующих биохимических установках используется в качестве умягченной воды для технологических нужд завода.
Органическая часть отходов по предлагаемой технологии распределяется следующим образом. Основная ее доля в виде углерода остается в структуре кокса (тем самым, увеличивая его выход) за счет пиролизного разложения сложных органических структур, составляющих активную часть отходов. Также увеличивается выход смолы и ценных продуктов в процессе улавливания их из образующегося газа, в частности, бензола, толуола, ксилолов, карбазола и других соединений.
Распределение минеральных компонентов органических отходов в продуктах коксования не изменит нормативный состав последних и не окажет влияние на их дальнейшую переработку и использование по существующим технологиям.
Выводы.
Пиролиз является одним из самых перспективных направлений переработки органических отходов с точки зрения, прежде всего, экологической безопасности, а также получения вторичных полезных продуктов, улавливаемых из газа-энергоносителя, которые широкое применяются в народном хозяйстве.
литература
1. А.А. Агроскин, Н.П. Чижевский. Коксование. – М.: «Металлургиздат», 1948 г. – 375 с.
2. Л.В. Мейксон, С.А. Шварц. Производство кокса. – Х.: «Металлургиздат», 1955 г. – 396 с.
3. Нестеренко Л.Л., Бирюков Ю.В., Лебедев В.А. Основы химии и физики горючих ископаемых.– К.: Вища шк., 1987. – 359 с.