РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИЧЕКОГО ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ НА ОСНОВЕ МНОГОКОНТУРНОГО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ПИРОЛИЗА
При влажности не более 8 % все высокомолекулярные органические отходы (ВОО) обладают высокоэнергетическими характеристиками и, подвергая их пиролизу, т.е. глубокой термической деструкции без доступа кислорода при температуре 400 - 900 оС, из них можно получить нетрадиционные энергоносители в виде жидких, твердых и газообразных топлив, которые будут использованы на процесс переработки отходов. Жидкое топливо является одним из основных и наиболее ценных продуктов (выход его составляет 45 - 85 % масс), поэтому необходимо, чтобы технология пиролиза обеспечивала получение его с характеристиками, близкими к характеристикам легких жидких фракций, молекулярная масса которых находится в пределах 100 - 200.
Одной из важнейших характеристик, объединяющих различные полимерные материалы является их молекулярная масса. Органические отходы имеют широкий диапазон молекулярных масс (103 - 106 и выше) [53]. При первичном пиролизе молекулярная масса полимера резко снижается, однако по существующим технологиям первичного пиролиза глубина деструкции не достаточна для получения товарных котельных топлив. В случае проведения многократного пиролиза ВОО наблюдается неравномерное разложение составляющих смеси, при этом отходы с небольшой молекулярной массой подвергаются пережогу, а отходы с большой молекулярной массой имеют недостаточную глубину деструкции. Это приводит к нестабильности характеристик выходных продуктов.
Обеспечение более глубокой деструкции для полимеров с большой молекулярной массой и получении устойчивых к воздействию внешних факторов составляющих жидких продуктов с минимальной молекулярной массой является важной задачей. Молекулярная масса является универсальным параметром, величина которого характеризует как глубину разложения высокомолекулярных составляющих полимеров, так и всей смеси отходов в целом.
2.1. Анализ физических процессов переработки органических отходов
на основе циркуляционного пиролиза
Процесс пиролиза - это сложная система параллельно - последовательных реакций с множеством промежуточных превращений одних типов углеводородов в другие и образованием большого количества различных соединений [72].
В работе впервые предлагается технологический процесс переработки отходов производить на основе многоконтурного циркуляционного пиролиза (МЦП). МЦП в целом есть совокупность большого количества различных реакций - расщепления, дегидрогенизации, полимеризации, конденсации и др. Наряду с параллельными реакциями, в которых одно и то же исходное вещество реагирует одновременно по разным направлениям, значительное число реакций носит последовательный характер, то есть исходная молекула распадается на осколки, которые в дальнейшем могут реагировать как с осколками других молекул, так и с исходным веществом [42, 45, 48, 74].
Процесс пиролиза характеризуется наличием конкурирующих реакций разложения на общем фоне реакций синтеза. Чрезмерное развитие первых приводит к повышенному газообразованию, наоборот, вторых - к накоплению тяжелых остаточных продуктов и кокса.
Для наиболее полного использования сырья, минимизации образования побочных и непрореагировавших продуктов перспективным является построение технологической схемы, предусматривающей возврат в реактор (рециркуляцию) непрореагировавших исходных и промежуточных реагентов, выделяемых из исходного сырья. Проведение пиролитических реакций с рециркуляцией позволяет также при небольшой степени превращения за один пропуск через многоконтурную циркуляционную систему (МЦС) путем многократного возврата тяжелой реакционной массы в реактор добиться полного превращения исходного разнородного высокомолекулярного сырья в жидкость легких фракций [113].
Теоретические основы и принципы метода МЦП базируются на основе теории рециркуляции, разработанной М.Ф. Нагиевым [66 - 70], а также на теоретических исследованиях рециркуляционных процессов В.В. Кафарова [41].
Физическая сущность МЦП проявляется в достижении глубокой степени деструкции всей смеси высокомолекулярных отходов за счет поэтапного разложения тяжелых фракций промежуточных продуктов, образовавшихся в процессе первичного пиролиза смеси отходов [91]. Технология МЦП является универсальным процессом, обеспечивающим селективность индивидуального воздействия на тяжелые составляющие каждого полимера, находящегося в составе парогазовой смеси, состоящей из множества ему подобных.
Применение принципа рециркуляции тяжелых жидких фракций при пиролизе ВОО является эффективным технологическим приемом, позволяющим интенсифицировать процесс глубокого термического превращения смеси ВОО, существенно отличающихся друг от друга как по химическим, так и по физическим характеристикам. Непрерывная рециркуляция повторяется многократно до тех пор, пока все количество непрореагировавшего сырья не превратится в конечные жидкие продукты легких фракций. За счет правильного подбора рабочего режима, возможно направить реакцию внутри реактора в сторону максимального выхода целевого продукта - легкой жидкой фракции.
При реализации системы "реактор - рециркуляционная система" наибольший интерес представляет режим, при котором достигается полное использование исходных и промежуточных продуктов [41]. Необходимым условием для такого режима является полная рециркуляция непрореагировавших исходных и промежуточных продуктов реакции
V0 c1 = VR ?ck\ k k = 1, ......., m (2.1)
где m - число исходных и промежуточных продуктов реакции.
Физический смысл рециркуляции показан на блок - схеме, изображенной на рис. 2.1. В случае если в рецикле присутствуют конечные продукты реакции, то для такого режима выполняется условие
.