Извлечение энергии из пластмассовых отходов

Введение

  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 д -водиться до уровня ТБО. На рис. 11.1 показана возможная схема рекуперации энергии и материалов из МТО [4].

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 [5, 6]. 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.

В 1997 г. рабочая встреча IUРАС (Международный союз теоретической и прикладной химии) по вторичной переработке полимеров [7] рассматривала эту проблему как часть разумного использования и модификации продукции. 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.

Следует заметить, что термин отходы просто дает описание ценности материала или изделия относительно конкретных потребностей человека. Многие типы отходов могут быть переработаны тем или иным способом в такие же изделия (например, бутылки) или в материал в той форме, которая служила сырьем для изготовления первичного продукта. Для тех фракций отходов, которые не пригодны для рекуперации (переработки) в экономически рентабельный материал, извлечение энергии путем сжигания является единственной альтернативой захоронению. Это особенно справедливо для высокотеплотворных фракций, которые плохо подвергаются биоразложению, например, для пластиков.

Экологический, экономический и социальный аспекты должны быть сбалансированы. Рабочая встреча ШРАС рассматривала механическую переработку и переработку в сырье для промышленности как переработку материалов. Сжигание для получения тепла с контролем выбросов относится к рекуперации энергии (рис. 11.2). 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 депо-лимеризуются 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 [8]:

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.

При рассмотрении характеристик сгорания (газификации) горючих твердых материалов, следует иметь в виду, что топливо, помимо генерации инертного остаточного пепла, может давать горючий конденсированный остаток (обугливающееся топливо) или необугливающееся топливо. В целом, синтетические термопласты, реактопласты и резины не производят пепла и более летучи, чем природные полимеры, такие как биомасса и твердое ископаемое топливо. Однако некоторые строительные материалы, например, напольные покрытия, могут содержать значительные количества неорганических наполнителей. Кроме того, 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 [8]. Если энергия, получаемая в процессе сжигания, используется для генерации энергии для бытовых или промышленных нужд, то имеет место экономия природного топлива. Это, как мы уже говорили, называется рекуперацией энергии. Хотя пластмассы по весу составляют в ТМО лишь 7 % они дают 30 % энергии на перерабатывающих заводах. Это очень важный факт, о котором следует помнить. С другой стороны, ввиду их высокой теплотворной способности, рекуперация энергии из смешанных полимерных отходов является эффективной альтернативой ведения переработки потому, в частности, что она позволяет обрабатывать остаточные пластики как единый поток сырья [9]. Механическая повторная переработка полимеров должна использоваться в тех случаях, когда:

энергия обработки, вложенная в исходный продукт может быть в значительной степени сохранена с помощью разумных технических усилий;

законы, санитарные нормы и правила техники безопасности, установленные для применения пластмасс и резин имеют силу также для восстановленных продуктов;

применяемые (текущие и будущие) стандарты на пластмассы и резины не ухудшаются.

Экологический выигрыш тем выше, чем меньше технические усилия, затраченные на повторную переработку. Стоимость сбора и сортировки — с экологической точки зрения незначительные — экономически очень высоки и должны включаться в общую схему вторичной переработки. Механическая переработка, ведущая к замещению оригинальных полимеров, является предпочтительным выходом для однородных по составу и мало загрязненных отходов. Из-за этих ограничений она часто применяется лишь для получения или обработки измельченного мусора. Механическая переработка смешанных пластиков, позволяющая дать замену цементу и дереву, сама по себе не может решить серьезную проблему бытовых о гходов (БО).

Рабочая встреча IUРАС разработала рекомендации, согласно которым смешанные и загрязненные отходы должны перерабатываться не механически, а методами переработки сырьевых потоков или рекуперацией энергии, как это показано в табл. 11.1. Здесь смешанные пластмассы — это типичные отработанные материалы, то есть собранные и выделенные из бытовых отходов, перемешанные и грязные полимерные изделия; в основном — это использованная упаковка.

На рабочей встрече подчеркивалось, что пластмассы и резины имеют энергетическое содержание, фактически равное таковому сырой нефти, из которой они сделаны. Поэтому цикл утилизации будет замкнут тогда, когда эта энергия будет извлечена с помощью технологий рекуперации энергии.

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 (рис. 11.3). Вторичную переработку можно рассматривать с двух точек зрения — экономической или экологической [9]. Переработка с точки зрения экономической деятельности представляет собой восстановление ценности, присутствующей в продукте, который уже выполнил свое назначение. В зависимости от величины восстанавливаемой фракции, повторная переработка пластмасс делится на

четыре категории. На рис. 11.3 показана дифференциация четырех циклов согласно Микаэли и Брейеру. В первичном цикле отходы производственного процесса превращаются непосредственно в повторно используемый материал. Обычно это называется заводской переработкой; в ней восстанавливается большая часть ценного содержания. Типичный пример — переработка литников после литья под давлением. Они часто вновь измельчаются и снова вводятся в процесс переработки вместе с исходным полимером. Хотя некоторая деградация материала имеет место, полимер используется для замещения оригинального материала в том же самом приложении [13]. Во вторичном цикле потенциал отходов используется в новом или ином продукте или его части, то есть повторно переработанный материал задействован в менее требовательных приложениях, чем при использовании оригинального продукта. Примером могут служить автомобильные шины, которые сейчас используют в качестве ограждений; смешанный или загрязненный материал, применяемый для изготовления шпал; многократно перерабатываемые молочные бутылки. Восстановленные пластики часто конкурируют с другими материалами, такими как бетон и дерево [13]. Третичный цикл или материальная (механическая) переработка включает производство и использование продукции, а также подготовку (переработку) отходов для их использования в качестве вторичного материала. Оригинальное ценное содержание, добавленное в сырье, чтобы сделать из него полимер, утрачивается. Характерным примером является восстановление метилметакрилата термолизом полиметилметакрилата (ПММА). Химическая переработка сырьевых отходов и их использование как первичного (в случае химической переработки продукции из полиэтилентерефталата (ПЭТ)) или вторичного сырьевого материала составляют четвертичный цикл переработки или химический цикл. Восстанавливается только энергия (при сжигании пластмассовых отходов) [14]. Вейганд [11], исходя из результатов своего исследования свойств и областей применения повторно переработанных полиуретанов (ПУ), пришел к заключению, что ПУ допускает вторичную переработку и она успешно производится. Эту посылку можно распространить на многие существующие полимерные материалы. Имеется ряд технологий, применимых к переработке ПУ различных типов,

которые постоянно улучшаются и быстро внедряются в рынок. Идет поиск новых, будущих путей повторной переработки. Предстоит создать рыночную заинтересованность во вторичном ПУ, и для этого есть хорошие шансы. Производители сырья для получения ПУ, изделий из него и потребители вместе работают над этой проблемой.

Однако повторная переработка не должна замыкаться сама на себя [15, 16]. Она должна не только минимизировать отходы, но способствовать сохранению ресурсов и уменьшать загрязнение окружающей среды. В этих условиях объем повторной переработки не может увеличиваться до бесконечности; экологически существенный объем должен быть различным для различных приложений. Его величина, например, зависит от затрат энергии (и выброса загрязнений в среду), требуемых для осуществления всех шагов переработки, и особенно сбора и транспортировки [15]. Именно на сбор и транспортировку затрачивается огромное количество энергии, когда сбор приходится распространять на малонаселенные регионы, поскольку в больших городах отходов становится недостаточно. Разумеется, есть также экономические ограничения: никакая рыночная экономика не может позволить себе неразумные затраты на сбор, разделение и обработку вторичных материалов. Пределы разумного или неразумного — это вопрос социальной политики, на которую накладывает отпечаток также международная конкуренция.

Повторная переработка ПУ, в частности, и отходов вообще требует сбалансированного подхода, который включал бы в себя все возможности рекуперации и переработки. Сделаны некоторые интересные выводы, которые можно отнести ко всем полимерным материалам. Внимание привлекается, кроме всего прочего, к важности сжигания в целях сохранения энергии для нашего будущего [17]. Пластмассы представляют собой разумно использованную нефть [18] или энергию взятую взаймы у сырой нефти. До тех пор пока ископаемое топливо используется для генерации энергии, нет причин чтобы для той же цели не и пользовать пластмассовые отходы. Социально-политический консенсус и конструктивная кооперация всех заинтересованных сторон, включая потребителей и власти, необходимы для реализации концепции управления обобщенными ресурсами [ 16] по отношению ко всем отходам производимым в индустриальном обществе.

Из-за сложности и многообразия природы пластмасс, а также вследствие того, что многие изделия невелики по размерам и легковесны, механическая переработка может быть экологически и экономически оправдана (то есть она эко-эффективна) только для некоторой доли крупногабаритных изделий. Поэтому полимерная, упаковочная, автомобильная и т. д. индустрии работают совместно на европейском, национальном и двухсторонних уровнях вместе с другими партнерами над разработкой всего диапазона вспомогательных процедур восстановления. Например, проведены экологические сопоставления различных способов переработки и восстановления для упаковочного сектора полимерного рынка. Результаты этих исследований [19, 20] показывают, что высокоэффек ивная рекуперапия энергии может быть с точки зрения воздействия на окружающую среду идентична переработке материала, если реальный коэффициент замещения составляет 1,2—1,4 кг вторичного продукта на один кг оригинального материала. Дэнписон и Мэнникен [21] представили информативный обзор по переработке пластмасс в Европе, в котором рассмотрены механическая и химическая переработка отходов, а также различные методы извлечения энергии.

Как хорошо известно, сюда входит восстановление материалов посредством механической и химической переработки, а также рекуперация энергии, то есть использование полимерных отходов в качестве топлива с высокой теплотворной способностью для генерации тепла или электроэнергии. Таким образом, заменяют ископаемые виды топлива, например, нефть, которая сначала используется как источник получения материалов. Так замыкается цикл. Ассоциация производителей пластмасс в Европе (АРМЕ) провела несколько очень солидных исследований, в которых продемонстрировала, что сбалансированное сочетание различных способов вторичной переработки является оптимальным решением для утилизации пластмассовых отходов, если мы будем максимально стремиться избежать захоронения мусора.

В Европе усиливается тенденция к сокращению количества отходов, захороненных в земле. В том, что касается пластмасс из потока МТО, повторное использование и вторичная переработка материалов часто имеют скорее политический приоритет, чем экономическую, экологическую или техническую целесообразность.