Топливо и энергия

Различные виды топлива — это природные материалы, которые при сжигании на воздухе или в кислороде производят потенциально полезную тепловую энергию, так как реакция между топливом и кислородом экзотермическая. Хотя можно рассчитать энергию, высвобождаемую в результате реакции, если известен химический состав реагентов, большая часть коммерческого топлива представляет собой смесь углеводородов, и их точный состав редко известен. В результате энергия, выделяемая при сгорании, обычно выражается в экспериментально определенной величине теплотворной способности. Теплотворная способность определяется как тепловая энергия, выделяемая при сгорании единицы количества топлива. Па практике могут определяться два типа теплотворной способности:

Общая теплотворная способность (или высшая теплота сгорания) — выделенное тепло после охлаждения всех продуктов сгорания до температуры атмосферы при атмосферном давлении как в калориметрической бомбе. Поэтому полная теплотворная способность включает в себя скрытую теплоту испарения и теплоемкость воды в продуктах сгорания.

Чистая теплотворная способность, или низшая теплота сгорания — это теплота, выделенная после охлаждения продуктов сгорания до такой степени, что вода остается в газообразном состоянии. Поэтому она равна полной теплотворной способности за вычетом скрытой теплоты испарения воды. Эта разность составляет 2,45 МДж/кг конденсированной воды.

Сравнение полной и чистой теплотворных способностей для некоторых видов топлива приведено табл. 11.2. Полимерные материалы из МТО выделяют существенную энергию по сравнению с другими видами топлива (табл. 11.3). Легко видеть, что некоторые распространенные полимеры имеют величины энергии, выделяющейся при сжигании, почти в три раза большие, чем таковые для бумаги и дерева. Одна из главных целей этой главы — показать, что извлечение энергии через сжигание, возможно, является наиболее приемлемым в настоящее время способом утилизации пластиков, которые невозможно переработать повторно.

Извлечение энергии посредством сжигания

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 [23]. С термодинамической точки зрения энтропия возрастает, а величина энтальпии материала восстанавливается.

В этом смысле это то же самое, что сжигать нефтяное сырье — предназначение для 80-90 % нефти сегодня. Но имеется выигрыш в том, что мы временно использовали ресурс в виде полимера — полимер был эффективно одолжен для этой цели.

Сжигание имеет плохую репутацию в среде защитников окружающей среды, поскольку результатом является токсичный дым и пепел. Этот образ возникает в первую очередь из-за того, что большинство используемых сжигательных установок — старой конструкции, в которой не предусмотрена минимизация загрязнения воздуха. Конструируя сжигательные установки на базе хорошо известных химико-технологических принципов, можно добиться практически полного сгорания, так что компоненты полимеров С, Н и О почти полностью превратятся в СО и Н20. (Деструкция неизбежно приведет к тем же самым продуктам, но без извлеченной энергии.) Генерация низкомолекулярных органических веществ с токсическими или канцерогенными свойствами совершенно незначительна. Другие элементы, которые иногда содержатся в полимерах, такие как С1 и N. могут приводить к образованию НС1, СЮ2 и N0.,, являющихся нежелательными компонентами выбрасываемых газов. Их можно удалить из дыма посредством промывания газа, или же их присутствие в полимерном сырье можно свести до минимума с помощью грубой сортировки.

Следует отдавать себе отчет в том, что компоненты чистых полимеров не образ гют 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. Промышленность предпринимает меры, чтобы максимально уменьшить их содержание в полимерах. Грубая сортировка сырья, поступающего в мусоросжигательную печь, извлечение таких фрагментов, как батарейки, может снизить содержание в пепле тяжелых металлов. Также можно добавлять в сжигаемое сырье такие вещества, как известь, которая образует с пеплом стабильные, плохо растворимые соединения.

Если металлосодержащие примеси в мусоре не сжигать, то они затем поступят на свалку или на предприятия, выпускающие компост и продолжат свой путь в экологическом цикле неконтролируемым путем. Если же они концентрируются в пепле печи, то их можно удалять в небольшом объеме и приемлемым для окружающей среды способом.

Некоторые примеси могут быть желательными. Например, одним из путей утилизации отработанных шин является их сжигание в качестве топлива в печах для обжига цемента. Было показано, что это можно делать экологически приемлемым способом, а железо, остающееся от корда шин, оказывается благоприятной добавкой в цементе.

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.

Хотя сжигание можно проводить чисто, часто этого не делается [24] из-за нежелания государства выделять достаточные средства для строительства современных сжигательных установок с надлежащим контролем и газоочисткой, которые могут быть весьма дорогими. Однако в долгосрочной перспективе эти установки могут представлять собой более экономичный и экологичный выход, чем продолжение захоронений, которые, могут стать даже еще более затратными.

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. В табл. 11.4 показана схема организации удаления отходов МТО, действовавшая в начале 1990-х гг. в Европе [25].