Окисление как способ переработки отходов в сырье

Одним из процессов уничтожения и переработки отходов в сырье является их окисление (горение или сжигание).

Сжигание отходов – это метод очистки, основанный на сжигании отходов и очистке стоков. Стоки и возникающие пары могут быть вредными (содержать тяжелые металлы, диоксины, пыль, CO, HCl, HF, SO2, NO, NO2 …), поэтому должны быть проверены и очищены, прежде чем выбросить в атмосферу. Для этого применяют очистку дымовых газов. Другие твердые отходы состоят из шлака (который может служить сырьем в строительстве, например). Тепло, получаемое при сжигании,  можно использовать для обогрева и получения электричества.

Перевод отходов в сырье возможен в процессе пиролиза. Пиролиз является эндотермическим разложением отходов в восстановительной атмосфере (менее 2% O2) под действием тепла. Этот процесс позволяет разложить твердые органические вещества на три вида: твердые (пиролизный кокс), жидкие (состоящие из тяжелых конденсатов — пиролизные масла или смолы) и газообразные (CO, H 2, CO 2, CH 4, C 2 H 4, C 2 H 6). Скорость пиролитического разложения вещества зависит от типа отходов, распределения продуктов этой реакции, температуры, скорости нагрева (° C / с), подводимого внешним нагревом, времени пребывания материала в реакторе.

Методом пиролиза можно производить переработку отходов в сырье и получать биотопливо или биодизель. На практике, часть газообразных и жидких продуктов пиролиза используется в самом процессе, чтобы обеспечить энергию, необходимую для его поддержания. Пиролиз может быть интересным процессом с целью получения сырья из отходов, таких как отходы сельского хозяйства (солома и початки кукурузы, жмых, кора, древесные отходы, скорлупа кокосовых орехов, кешью, арахиса и т.д.).

Еще одним способом получения сырья из отходов является газификация, представляющая собой эндотермические реакции, при которых из твердого топлива (биомасса, отходы) может быть получен горючий газ (синтез-газ). Она включает в себя процессы термохимической обработки (сушка, удаление летучих веществ, крекинг, реформинг газа), в том числе реакции газификации полукокса. В общем, предполагается, что этот процесс проводят в два этапа (пиролиза и газификации).

Газификация, кажется, реальная альтернатива сжиганию, потому что общая эффективность преобразования в цепи газификация / газовая турбина все равно гораздо лучше (45% -55%), чем в цепи Сжигание / котел / паровые турбины. Этот процесс также позволяет уменьшить отношение CO 2 / кВт-ч, что помогает установить новые каналы термической переработки отходов в контексте устойчивого развития.
Учитывая преимущества пиролиза и газификации по сравнению со сжиганием, и особенно в развивающихся странах, мы говорим здесь, что эти два способа позволяют производить переработку отходов в энергию с более высокими коэффициентами по сравнению с обычными мусоросжигательными заводами.

Пиролизные реакторы представляют собой герметичные печи, которые поддерживаются под небольшим избыточным давлением. Все устройства для введения отходов или извлечения получаемых материалов должны быть разработаны с учетом минимизации паразитных отверстий, особенно в случае непрерывных процессов).

Оборудование для газификации производится из термостойких материалов (> 1000 ° С) и может находиться под давлением или работать при атмосферном давлении (нержавеющая сталь, инконелем, и т.д..). Есть несколько технологий, разработанных в соответствии с динамикой сырья в реакторе (неподвижный слой, псевдоожиженный слой, слоистые реакторы). В большинстве этих технологий, включая реактор с неподвижным слоем, присутствует зона сушки/пиролиза отходов (без газифицирующего агента) и зона газификации (сжигание летучих веществ и выделение кокса), в которую вводится газифицирующий агент (воздух, O2, CO2, H2O). Преимущество реакторов с неподвижным слоем заключается в их простоте и легкости реализации. Эти типы реакторов могут быть легко установлены в теплых местностях.

Теплоизоляция и герметизация реакторов являются важными пунктами при конструировании оборудования.

Даже в тех случаях, где пиролиз отходов применяется не как первый этап газификация, имеет ряд преимуществ перед горением или сжиганием:

Пиролиз позволяет переводить отходы в сырье: в кокс (медленный пиролиз) или в пиролизные масла (быстрый пиролиз). Это упрощает хранение материалов (уже как топливо, а не как отходы) и транспортировку для  использования в другом месте. В этом случае имеется преимущество в процессе переработки отходов в сырье, касающееся стоимости перевозки.

Пиролиз отходов производит меньше дыма (в реакции образуется меньше загрязняющих веществ, требующих очистки дыма) и дает возможность сэкономить на технологическом оборудовании.

Тем не менее, пиролиз отходов не обходится без своих недостатков:

1. Необходимость предварительной обработки отходов (сушка, измельчение).
2. Кокс из отходов получается относительно менее энергоемким по сравнению коксом, получаемым из угля.
3. В зависимости от качества перерабатываемых отходов, загрязняющие вещества, такие как тяжелые металлы и хлорированные продукты, сосредоточены в коксе. Для получения кокса, пиролиз отходов требует дополнительных инвестиций для соответствующей очистки.

Газификация в процессе получения сырья из отходов сегодня имеет явные преимущества перед сжиганием:

1. Преобразование продуктов сгорания осуществляется непосредственно в синтез-газ (СО + Н2), тогда как объем продукта сжигания производит намного больше выбрасываемых в атмосферу газов.
2. Электрическая энергия может быть получена от двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин, которые значительно дешевле и более эффективны, чем паровой цикл (цикл Ранкина), используемый на мусоросжигательных заводах. Это облегчает осуществление процесса в развивающихся странах.
3. Синтез-газ можно использовать в качестве топлива для синтеза (процесс Фишера-Тропша) или для производства топливных элементов в соответствии с качеством газов.

В результате теплового процесса становится возможным стеклование золы с тяжелыми металлами, что позволяет получить химически стойкие продукты, не выделяющие вредные вещества во внешнюю среду.

С точки зрения экологии, пиролиз и газификация могут производить электроэнергию с более низким отношением CO 2 / кВтч по сравнению со сжиганием.

Процессы газификации по-прежнему сталкивается с некоторыми трудностями. Имеются технологические препятствия, которые еще предстоит преодолеть. Нужно добиваться приемлемого баланса энергии в плане выработки электроэнергии, особенно в отношении газификации отходов. Коэффициент конверсии синтез-газа в электрическую энергию уменьшается высоким потреблением энергии для предварительной обработки отходов, затратами на производство газификации (кислород, водяной пар).

Качество очищенных сточных вод вызывает необходимость частой очистки реакторов (таким образом, временное прерывание процесса).

По сравнению с другими биологическими или биохимическими путями получения энергии и сырья из отходов, термохимические процессы обладают преимуществом очистки небиоразлагаемых отходов.  Тех, которые не могут быть превращены в компост или метан, например, изношенных шин, пластмасс, отходов дерева, некоторые сельскохозяйственные отходы и т.д. Термохимические процессы полностью разрушают твердые отходы, превращая их в газ (единственно остающиеся остатки: потенциально извлекаемые золы).