Извлечение энергии из пластмассовых отходов
Бузова Ольга Васильевна, кандидат технических наук, старший преподаватель;
Айжарикова Анар Кареновна, старший преподаватель
Актюбинский региональный государственный университет имени К. Жубанова
Вторичная переработка бывших в употреблении пластмасс является важной проблемой для полимерной промышленности. Хотя содержание пластмассовых изделий в отходах относительно невелико (около 7–8 % по весу), низкий удельный вес делает эти отходы хорошо заметными (около 18–20 % по объему). Благодаря высокой стойкости к воздействию окружающей среды данные материалы сохраняются в естественных условиях в течение длительного времени. Однако с точки зрения влияния на окружающую среду утилизация полимерных отходов может рассматриваться как важный экономический фактор, поскольку энергия и материалы поступают в повторное использование. Это позволяет сократить использование естественных ресурсов, снизить выбросы в окружающую среду, уменьшить потребление энергии и, кроме того, дает экономическую выгоду, при этом необходимо, чтобы техника вторичной переработки позволяла получать чистый и дешевый продукт (энергию или материалы).
Утилизация пластиковых отходов является общемировой проблемой из-за воздействия мусора на окружающую среду и экологию планеты. Под прессом национальных законодательств и общественного протеста захоронение полимерных отходов на свалках становится все более непопулярным. Эти факторы, а также возрастающая экологическая грамотность привели к разработке программ по утилизации изделий из полимерных материалов. В настоящее время предложено несколько путей утилизации пластмассового мусора, среди которых можно назвать переработку биоразлагаемых полимеров, термопереработку, химическую переработку и вторичное использование полимерных материалов. Для вторичного использования утилизированных пластмасс достаточно стимулов: экологический аспект, спрос потребителей, требования законодательства и низкая стоимость.
Возрастающие объемы производства и использования синтетических материалов привели к росту доли этих материалов в потоке отходов человеческой деятельности [1]. В большинстве случаев отходы, содержащие сгораемую фракцию, не рассматривались как топливо, а просто подвергались термической переработке (сжигались) в целях сокращения их огромного объема.
С точки зрения рекуперации энергии муниципальные отходы можно разделить на фракции по принципу увеличения в них доли пластиков и полимеров: муниципальные твердые отходы (МТО) топливо из бытовых отходов (ТБО) топливо из упаковочных материалов (ТУМ) отделенные пластмассы.
Отделенные пластмассы, однако, более подходят для вторичной переработки, чем для извлечения энергии. В тех случаях, когда главной целью термической переработки является извлечение из отходов энергии, необходима более значительная доля сгораемых веществ в отходах, чем при их простом сжигании. Фактически мусор должен доводиться до уровня ТБО. На рис. 1 показана возможная схема рекуперации энергии и материалов из МТО [1,2].
Повышенный уровень полимерных материалов в отходах, в особенности пластмассы и резины, ведет к ситуации, при которой высокая теплотворная способность и состав топлива создают проблемы при обычном сжигании мусора. В то же время возврат энергии из отходов через эффективное и оптимизированное сжигание во все большей степени заменяет традиционное сжигание, при котором главной целью остается уменьшение объема отходов. Кроме того, поскольку биоразлагаемые отходы генерируют на свалках газы, вызывающие тепличный эффект, их сжигание рассматривается как получение нейтрального диоксида углерода [2].
Рис. 1. Схема рекуперации энергии и материалов для МТО
Приемлемость в отношении вторичной переработки означает рассмотрение соответствующих экологических, экономических и социальных аспектов. Экологические аспекты включают следующие моменты:
- сохранение ресурсов;
- уменьшение выбросов;
- ликвидация опасных веществ;
- уменьшение объема отходов.
Экологический, экономический и социальный аспекты должны быть сбалансированы. Сжигание для получения тепла с контролем выбросов относится к рекуперации энергии. Одним словом, при механической переработке термопласты переплавляются и вновь используются в виде пластиковых объектов. При переработке в сырье (или при химической переработке) термопласты измельчаются или деполимеризуются и возвращаются в нефтехимические продукты или мономеры, которые затем превращаются в пластик. При извлечении энергии, то есть при сжигании, пластмасса ведет себя как топливо: 1 т пластмассы выделяет столько же энергии, сколько тонна сырой нефти.
Следует помнить о следующих фактах [2]:
- совместное сжигание пластмассы с МТО является самым дешевым решением (после захоронения, но стоимость захоронения почти наверняка будет продолжать расти);
- для бутылок наилучший энергетический баланс дает механическая переработка;
- для грязных пленок и некоторых видов упаковки переработка при любой ее цене может приводить к экономическим и экологическим несуразицам;
- энергетический баланс при сжигании очень близок к таковому при механической переработке, если пар эффективно используется (городское теплоснабжение и генерация электроэнергии);
- переработка сырья (или химических реактивов) остается затратной при среднем энергетическом балансе;
- для бутылок из поливинилхлорида (ПВХ) (с низкой теплотворной способностью и стоимостью, близкой к сжиганию) механическая переработка является наилучшим выбором.
Процесс сгорания пластмасс высвобождает их скрытую теплотворную способность, часто равную таковой у печного топлива, что делает их важным источником энергии, помогающим гореть ТМО. Стоимость удаления пластиковых мешков из ТМО намного выше стоимости извлечения термоусадочной пленки из потребительского или промышленного мусора, или труб со стройки, или бамперов от старых автомобилей [2]. Если энергия, получаемая в процессе сжигания, используется для генерации энергии для бытовых или промышленных нужд, то имеет место экономия природного топлива.
Около 86 %ископаемого топлива сжигается для получения тепла (35 % идет на обогрев), электроэнергии (22 % потребляют электростанции) и для работы транспорта (29 % перевозок), тогда как нефтехимические приложения потребляют 10 %, включая 6 %, приходящиеся на производство пластмасс. Вторичную переработку можно рассматривать с двух точек зрения — экономической или экологической [3]. Переработка с точки зрения экономической деятельности представляет собой восстановление ценности, присутствующей в продукте, который уже выполнил свое назначение.
Полимерные материалы из МТО выделяют существенную энергию по сравнению с другими видами топлива. Извлечение энергии через сжигание, возможно, является наиболее приемлемым в настоящее время способом утилизации пластиков, которые невозможно переработать повторно.
В то время как вторичная переработка (если она возможна) является предпочтительным путем, и также имеет место естественное разложение, большая часть полимерных материалов в настоящее время по-прежнему закапывается в землю. Необходимо определить путь решения проблемы. Один способ — сжигание с извлечением энергии. Рекуперация энергии через сжигание сегодня, возможно, является наилучшим средством для утилизации тех пластмасс, которые слишком трудно перерабатывать повторно. В этом смысле это то же самое, что сжигать нефтяное сырье — предназначение для 80–90 % нефти сегодня.
Сжигание имеет плохую репутацию в среде защитников окружающей среды, поскольку результатом является токсичный дым и пепел.
Компоненты чистых полимеров не образуют пепел в условиях надлежащего сгорания. Пепел состоит, в основном, из компаундов, часто оксидов или металлов, которые не являются нормальными компонентами полимеров. Они происходят из других материалов, перемешанных с полимерами, или из остатков катализатора, стабилизаторов или пигментов.
Некоторые примеси могут быть желательными. Например, одним из путей утилизации отработанных шин является их сжигание в качестве топлива в печах для обжига цемента. Было пока сказано, что это можно делать экологически приемлемым способом, а железо, остающееся от корда шин, оказывается благоприятной добавкой в цементе [4,5].
Следует подчеркнуть, что полимеры, в целом, являются чистым, хорошим топливом. Их теплотворная способность высока и они горят также чисто, как большинство сортов нефти, и намного чище, чем уголь. Их сжигание возвращает большую часть энергии, заключенной в нефти, из которой полимеры были изготовлены.
Избыточное тепло, получаемое при сжигании отходов, возвращается в виде горячей воды, пара и электроэнергии. Муниципалитеты и промышленные предприятия, утилизирующие отходы посредством сжигания, получают выигрыш за счет сокращения объема мусора, нагревания воды и генерации электроэнергии. В современном мире, с его акцентом на экономические и экологические составляющие управленческой деятельности, извлечение энергии из отходов является более чем конкурентоспособным по сравнению с традиционной переработкой.
В некоторых очень плотно населенных странах, например, в Японии, большая часть МТО (75 %) сжигается. По всей Западной Европе и во многих регионах США значительная часть МТО также не закапывается, а сжигается.
Кроме того, существуют и другие способы извлечения из отходов энергии, и каждый имеет различный энергетический выход, измеряемый в МДж/кг. Один МДж теоретически эквивалентен энергии, необходимой для энергоснабжения 40-ваттной лампочки в течение 7 час. После удаления элементов, допускающих вторичную переработку, например, пластиковых бутылок, стекла и алюминиевых банок, мусор можно утилизировать различными способами: как МТО, ТБО, ТУМ или полимерное топливо, которое может сжигаться само по себе.
Извлечение энергии из отходов является огромным источником возобновляемой энергии, но все же остается относительно молодой технологией и нуждается в значительном увеличении объема фундаментальных знаний для получения максимальной эффективности выхода тепловой энергии при минимальном воздействии на окружающую среду. Поэтому на лабораторном уровне, на уровне опытных производств и промышленных установок необходимо проведение новых исследований по сгоранию, газификации и пиролизу полимерных фракций из отходов, а также необходимо развитие измерительной техники для поддержки этих усилий.
Литература:
- Садовникова Л. К., Огрлов Д. С., Лозановская И. Н., Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении.- М.:Высшая школа, 2006.–334с.
- Иванов Н. И. Инженерная экология и экологический менеджмент. М.: Логос, 2004. — 518с.
- Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник в 3-х томах. — Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2002.–968с.
- Дворецкий С. И., Кормилицын Г. С., Калинин В. Ф. Основы проектирования химических производств: Учебное пособие. М.: Издательство «Машиностроение-1», 2005.–280с.
