Пиролиз дает надежду на решение пластикового кризиса

Изображения пластиковых гор на свалках и островов плавающего пластика в наших океанах наглядно показывают, что мы живем в эпоху огромного потребления. По данным Организации экономического сотрудничества, рост населения во всем мире в сочетании с растущим спросом на товары означает, что мировое производство пластика в ближайшие десятилетия увеличится почти в три раза: с примерно 460 миллионов метрических тонн в 2019 году до 1,231 миллиона метрических тонн в 2060 году. (данные ОЭСР).

Несмотря на обеспокоенность международного сообщества тем, что увеличение количества образующихся отходов означает больший вред окружающей среде, проблема продолжает обостряться. Кроме того, поскольку все большие объемы пластика попадают в пищевую цепочку через животных и рыб, питающихся выброшенными материалами, угроза здоровью населения возрастает. Короче говоря, мы находимся в разгаре пластикового кризиса.

Были приняты или предложены различные международные меры политики, направленные на решение этих проблем, в том числе проект Национальной стратегии по предотвращению пластикового загрязнения Агентства по охране окружающей среды США (EPA) , запрет Европейской комиссии на одноразовые пластмассы и ее обязательство обеспечить, чтобы 55 процентов пластика было переработано к 2030 году в соответствии с Директивой об упаковке и упаковочных отходах. Правительство Великобритании недавно увеличило налог на пластиковую упаковку, который взимается с компонентов, в которых менее 30 процентов переработанного пластика производятся или импортируются в Великобританию.

Однако мы должны рассмотреть вопрос о том, адекватно ли эти меры решают проблемы. Одним из основных факторов является то, что перерабатывается менее одной пятой пластика. Домохозяйства и предприятия старательно сдают свои отходы на переработку, но если большая часть этого материала не будет преобразована в новые продукты, проблемы окружающей среды и здоровья будут возрастать в геометрической прогрессии.

Механическая переработка, безусловно, оказалась полезной как распространенный механизм, используемый муниципальными властями для управления пластиком в последние годы. Однако технологии механической переработки сталкиваются с проблемами при переработке потоков пластика, что ограничивает их возможности. Напротив, технологии химической переработки могут иметь более высокие допуски для обработки потоков загрязненных и сложных смешанных пластиков. Эти сильно загрязненные смешанные потоки пластика пока не перерабатываются из-за ограничений современных технологий механической переработки.

Хорошая химия

Химическая переработка посредством пиролиза (часто называемая «усовершенствованной переработкой») набирает обороты в качестве альтернативы механической переработке и сжиганию из-за более широкого спектра того, что может быть переработано. Пиролиз включает нагрев смешанных пластиков до температур от 400 до 600 C в отсутствие кислорода, с катализатором или без него, для превращения полимеров в смесь жидких углеводородов.

Начальные этапы аналогичны механической переработке с сортировкой, предварительной обработкой (промывкой кислотой) и измельчением перед отправкой материала в реактор для плавления. Высокие температуры заставляют сложные углеводородные цепи распадаться на более мелкие молекулы. Полученная нефтегазовая смесь поступает в конденсатор для охлаждения в пиролизное масло. Это масло можно дополнительно переработать, чтобы получить примерно 80 процентов жидкости, 15 процентов газа и 5 процентов технического углерода (золы).

Полученные продукты пиролиза можно использовать разными способами. Газ можно подавать обратно в систему для нагрева печи реактора, а углеродную сажу можно использовать для различных целей, таких как производство резиновых изделий, автомобильных деталей и покрытий, аккумуляторов, кабелей и чернил для принтеров.

Нефть, являющаяся основным продуктом по объему, может быть использована в качестве сырья для химической и нефтехимической промышленности для производства новых пластмасс, имеющих ту же химическую структуру, что и пластмассы первого поколения с первичным качеством. Более того, исследования Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США показывают, что производство пластика с использованием всего лишь 5 процентов пиролизного масла снижает выбросы парниковых газов на 23 процента по сравнению с пластиком, изготовленным с использованием сырой нефти.

Преодоление проблем загрязнения

Однако процесс пиролиза не лишен проблем. В зависимости от технологии и используемого пластикового сырья концентрация последующих загрязнений и их характер могут существенно различаться. Многочисленные виды пластмасс и неполимерных источников объединяются в смешанное пластиковое сырье. Это сырье содержит крупные и мелкие частицы (например, наполнитель, антипирены и т. д.) и другие материалы, которые обнаруживаются в масле, полученном в процессе пиролиза (например, кокс). Помимо твердых частиц, в пиролизном масле можно обнаружить множество дополнительных примесей, таких как органические гели, растворенные металлы и диспергированные жидкости. Эту сложную смесь примесей необходимо извлечь из масла.

Соответствующие фильтрующие материалы и коалесцентные технологии играют ключевую роль на различных стадиях процесса удаления частиц и отделения воды от пиролизного масла или жидкостей от газа. Удержание и отделение загрязнений не только очищает масло и газ, делая их более пригодными для последующей переработки, но также помогает предотвратить загрязнение оборудования и ненужные простои для технического обслуживания.

Создание желаемого продукта

Чтобы дополнительно очистить пиролизное масло для использования в качестве топлива или сырья для производства пластмасс, его необходимо передать в установку парового крекинга для преобразования масла в более легкие олефины. Присутствие частиц и металлических примесей в сырых пиролизных маслах может оказать существенное негативное воздействие на печь парового крекинга и секцию регенерации, например, на сокращение длины печи из-за увеличения коксования.

Однако использование глубинной фильтрации может быть эффективным методом удаления вредных примесей и снижения загрязнения пиролизных масел до пороговых значений, принятых для подачи сырой нафты в установки парового крекинга. Это эффективный и экономичный способ удаления частиц из масел.

Недавно опубликованная работа Кевина М. ван Гима (и др., включая меня) подчеркивает, что, когда отфильтрованные пиролизные масла подвергались паровому крекингу, образование радиационного змеевика снижалось на 40–60 процентов по сравнению с нефильтрованным маслом. Кроме того, это снижение произошло без каких-либо изменений в селективности продукта, что подтверждает значительное влияние загрязнения частицами на образование кокса во время парового крекинга.

Этот этап фильтрации может происходить на участке производства пластичного масла, в отдельной установке облагораживания масла или непосредственно в установке парового крекинга перед смешиванием масла с нафтой. Эта технология позволяет использовать различные степени фильтрации, чтобы смягчить потенциальное выделение пиролизного масла с увеличением твердых загрязнений, которые могут возникнуть в результате разложения и полимеризации.

В поисках устойчивости

Мы знаем, что нам необходимо свести к минимуму использование природных ресурсов Земли и сократить количество образующихся отходов, чтобы предотвратить ущерб окружающей среде. Переработка смешанных пластиков посредством пиролиза и последующего парового крекинга с получением легких олефинов является многообещающим решением постоянно растущего кризиса пластиковых отходов. Его можно понимать как заменитель сырой ископаемой нефти.

Чем больше пластика и других предметов подвергается химической переработке, тем меньше загрязнения будет в водных путях и океанах. Следовательно, это должно снизить вред дикой природе и свести к минимуму объем микропластика, попадающего в пищевую цепочку и представляющего угрозу для здоровья человека.

Универсальный сбор, сортировка, предварительная обработка и проектирование пластиковых изделий для переработки являются ключом к использованию методов механической переработки как наиболее признанной технологии в промышленности. Однако многие виды пластика с истекшим сроком эксплуатации остаются непригодными для механической переработки. Чтобы обеспечить цикличность в увеличении доли отработанного пластика, необходимо увеличить масштабы химической переработки.

Взгляды международных правительств на роль технологии химической переработки должны быть рассмотрены и признаны как имеющие решающее значение для улучшения кругооборота пластика и уровня переработки. Исследования и разработки поставщиков пиролиза также должны прояснить роль, производительность и использование этих технологий в промышленном масштабе.

Если эти элементы будут реализованы, цена на производство пиролизной нефти может снизиться. Если она упадет до уровня, равного стоимости текущего жидкого ископаемого сырья, стимулов для создания пластиков первого поколения из ископаемого топлива будет меньше. Таким образом, химическая переработка может стать вариантом по умолчанию в цепочке создания стоимости пластмасс, отходы и загрязнение будут сокращены, и мы все будем жить в более устойчивом мире.

Эммануэль Биади — эксперт по нефтехимии и переработке отходов

Источник: https://www.recyclingtoday.com/news/pyrolysis-offers-hope-to-tackle-plastics-crisis/