Пиролиз — определение, виды, применение¶

Пиролиз — это термохимический процесс разложения органических веществ под действием высокой температуры (обычно 400–900 °C) в отсутствие кислорода или при его недостатке. В результате сложные молекулы распадаются на более простые: газообразные продукты (синтез-газ, углеводороды), жидкие фракции (пиролизное масло) и твёрдый остаток (уголь, кокс). Термин происходит от греческих слов «пир» (огонь) и «лизис» (разложение).

¶История

Пиролиз как явление был известен ещё в древности: при неполном сгорании дров человек получал уголь. Научное изучение процесса началось в XIX веке вместе с развитием химической промышленности. В 1830-х годах французские химики Жан-Батист Дюма и Михаил Лебедев (работавший во Франции) исследовали разложение органических соединений при нагреве. В России пионером в изучении пиролиза угля стал химик Дмитрий Менделеев, предложивший в 1880-х годах использовать получаемый при пиролизе газ для освещения.

Крупномасштабное промышленное применение пиролиз получил в XX веке. В 1930-е годы в Германии и СССР были построены первые установки пиролиза каменного угля для производства бензола и других ароматических углеводородов. В 1950-е годы в СССР развернулось производство пиролизного бензина — основы для получения этилена и пропилена, сырья для пластика.

¶Физико-химическая суть процесса

Пиролиз относится к реакциям крекинга и дегидрогенизации. При нагреве без доступа воздуха органические молекулы распадаются на радикалы, которые далее претерпевают цепные реакции. Основные продукты:

• Газы: водород, метан, оксид углерода, лёгкие углеводороды (этан, пропан, бутаны).
• Жидкости: смесь алифатических и ароматических углеводородов, фенолы, ацетон, уксусная кислота.
• Твёрдый остаток: уголь (при пиролизе древесины — древесный уголь), кокс.

Соотношение продуктов зависит от температуры, времени выдержки, скорости нагрева и состава исходного сырья. При 400–500 °C преобладает образование жидкостей, при 700–900 °C — газов.

¶Виды пиролиза

По температурному режиму различают:

По типу сырья выделяют пиролиз:

• Древесины — получение древесного угля, уксусной кислоты, метанола, смол.
• Угля — производство кокса, каменноугольного газа, бензола.
• Нефти и нефтепродуктов — основной промышленный способ получения этилена, пропилена, бутадиена.
• Пластмасс и резины — переработка отходов с получением топлива и мономеров.

¶Промышленное применение

¶Нефтехимия

Крупнейшая область применения — производство олефинов. Установки пиролиза нефтяного сырья (обычно этана, пропана, газового конденсата) работают при 750–870 °C. Выход этилена может достигать 30–40 % от массы сырья. В России крупнейшие предприятия такого рода — «Казаньоргсинтез», «Нижнекамскнефтехим», «Сибур».

¶Коксохимия

Пиролиз каменного угля при 900–1100 °C (коксование) даёт кокс для металлургии и побочные продукты: каменноугольную смолу, бензол, нафталин. В России коксовые батареи работают на металлургических заводах Урала и Сибири.

¶Древесный уголь

Производство древесного угля (пиролиза древесины) ведётся в кочевых и стационарных пиролизных печах. При 300–500 °C из древесины получают уголь с выходом 25–30 % от массы сырья, а также уксусную кислоту, метанол и смолы. В России производство древесного угля традиционно развито в Вологодской, Костромской и Свердловской областях.

¶Переработка отходов

Пиролиз отходов (Waste-to-Fuel) — направление, получившее развитие в 2000-е годы. Утилизируются шины, пластик, нефтешламы. Продукты — пиролизное топливо, сажа, сталь. Технология позволяет решать две задачи: утилизацию отходов и получение энергоносителей.

¶Бытовой пиролиз

В частном секторе пиролизные котлы и печи используются для отопления. Принцип: топливо сгорает в камере при недостатке кислорода, выделяющийся газ догорает во второй камере, что повышает КПД до 85–90 % и снижает выбросы. Пиролизные котлы работают на дровах, пеллетах, угле.

¶Экологические аспекты

При неполном контроле процесса пиролиз сопровождается выбросами вредных веществ: бензапиреном, фенолами, тяжёлыми металлами. В России деятельность по пиролизу отходов регулируется санитарными нормами (СанПиН) и требованиями промышленной безопасности. Неконтролируемый пиролиз шин и пластика является источником загрязнения атмосферы и подлежит запрету.

Источники:

• ГОСТ Р 54816-2011 «Топливо твёрдое. Методы определения выхода летучих веществ»
• Книга: Лебедев Н. Н. «Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза»
• Справочник: Дорофеев Ю. М. «Пиролиз и крекинг нефтяного сырья»
• Материалы журнала «Нефтехимия» (Институт нефтехимического синтеза РАН)