Пиролиз — термическое разложение веществ¶

Пиролиз (от др.-греч. πῦρ — «огонь» и λύσις — «разложение») — процесс термического разложения органических веществ при высокой температуре в отсутствие кислорода или при его недостатке. В отличие от горения, при пиролизе материал не сгорает, а распадается на более простые компоненты: газообразные продукты (синтез-газ, пары воды, лёгкие углеводороды), жидкие фракции (пирогенное масло) и твёрдый остаток (кокс, древесный уголь). Широко применяется в промышленности, энергетике и сельском хозяйстве.

¶Принцип процесса

При нагреве без доступа воздуха сложные органические молекулы — целлюлоза, лигнин, полимеры, нефтяные фракции — разрываются на фрагменты. Температура пиролиза обычно составляет 400–900 °C в зависимости от материала и желаемого результата. Процесс эндотермический: на разложение затрачивается энергия, поэтому печи необходимо подогревать извне.

Основные продукты пиролиза:

• Низкомолекулярные газы — водород, метан, окись углерода, этилен, пропилен. Суммарно образуют так называемый пирогаз (синтез-газ).
• Жидкие продукты — пирогенное масло (древесный уксус, био-масло), сложная смесь органических кислот, спиртов, фенолов, альдегидов.
• Твёрдый остаток — древесный уголь, биоуголь, кокс.

Соотношение фракций зависит от температуры, времени выдержки, влажности исходного сырья и типа реактора.

¶Классификация

По температурному режиму различают:

По способу подвода тепла пиролиз бывает:

• Прямой — нагрев сырья напрямую (в печи, реторте).
• Непрямой — через стенку реактора или с помощью теплоносителя (песок, расплавленные соли).
• Индукционный — с использованием электромагнитной индукции.

По виду сырья выделяют пиролиз древесины, полимеров, нефтепродуктов, сельскохозяйственных отходов, шин.

¶Пиролиз в промышленности

¶Нефтепереработка

Крекинг (пиролиз нефтяных фракций) — ключевая технология нефтехимии. При 750–900 °C тяжёлые углеводороды распадаются на лёгкие: этилен, пропилен, бензол, которые служат сырьём для производства полиэтилена, полипропилена, пластмасс, синтетических волокон. Крупнейшие установки крекинга работают на нефтеперерабатывающих заводах России, в том числе на «Киришском НПЗ», «Нижнекамскнефтехиме» и других предприятиях.

¶Производство кокса

При пиролизе каменного угля при 900–1100 °C в коксовых батареях получают металлургический кокс — незаменимый восстановитель в доменных печах. Россия входит в число крупнейших производителей кокса, основные заводы расположены в Кузбассе.

¶Переработка полимеров

Пиролиз отходных пластмасс и резиновых покрышек позволяет получить топливо и мономеры. Технология получила развитие в России в 2010-е годы как способ решения проблемы полигонов. Установки пиролиза работают, в частности, в Татарстане и Свердловской области, перерабатывая шины и полиэтилен.

¶Пиролиз в малых установках

В частном секторе и на малых предприятиях пиролизные печи используются для:

• Получения древесного угля — из брёвен, веток, скорлупы орехов. Печи-«шашлычницы» и ретортные установки популярны у владельцев дач и фермерских хозяйств.
• Утилизации отходов — пластика, резины, строительного мусора.
• Отопления — пирогаз может сжигаться для обогрева теплиц, гаражей, домов.

Простые бытовые установки работают по принципу вертикальной реторты: сырьё загружается в закрытый контейнер, нагревается снизу, продукты пиролиза отводятся через патрубок. При горении пирогаза в присутствии кислорода выделяется тепло, что позволяет сделать процесс частично автономным.

¶Пиролиз в природе

Природный пиролиз происходит при вулканических извержениях, подземных пожарах, ударах молнии. Именно так, по одной из гипотез, образовались первые залежи угля и нефти: остатки древних растений и организмов многократно подвергались нагреву без доступа воздуха на протяжении миллионов лет. Лабораторно этот процесс воспроизвёл в 1919 году русский химик Николай Зинин, а позже — Владимир Ипатьев, создавший установки высокотемпературного пиролиза.

¶Экологические аспекты

Пиролиз считается более экологичным способом утилизации отходов по сравнению с открытым сжиганием: продукты горения не выбрасываются в атмосферу, а собираются и перерабатываются. Однако при неполном сгорании пирогаза возможен выброс канцерогенных веществ — бензапирена, диоксинов, поэтому современные установки оснащаются системами очистки и катализаторами. В России требования к пиролизным установкам регулируются санитарными нормами и техническими регламентами ЕАЭС.

¶Историческая справка

Пиролиз известен с древности: обжиг древесины в закрытых ямах для получения угля практиковался ещё в античности. Научное изучение процесса началось в XVIII–XIX веках в связи с развитием газового освещения — из древесины получали так называемый «древесный газ». В XX веке пиролиз стал основой нефтехимической промышленности после разработки установок термического крекинга в 1910–1930-е годы.

¶Источники

• Большая советская энциклопедия, статья «Пиролиз»
• ГОСТ Р 55964-2014 «Уголь древесный. Технические условия»
• Википедия: «Пиролиз», «Крекинг», «Кокс»