Паровой удар: как из старых шин получают экотопливо и материал для дорог

Ежегодно около одного миллиона тонн автопокрышек становятся отходами. Утилизировать такие материалы сложно. При разложении шины выделяют токсичные соединения, а при горении — канцерогены. Перспективное решение предложили ученые Томского политехнического университета (ТПУ). Разработанная специалистами технология позволяет превращать резиновые отходы в экологичное топливо, которое можно использовать в том числе в условиях Крайнего Севера.

Как работает новый метод и какие еще направления в топливной энергетике наиболее перспективны? Об этом порталу Наука.рф рассказал автор проекта, доцент Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова ТПУ, кандидат технических наук Кирилл Ларионов.

 — Кирилл, ваша технология позволяет получать из достаточно сложных отходов — шин и покрышек — экологическое топливо. Как родилась идея об этой разработке?

 — После защиты диссертации, которая была связана с другой тематикой, мне хотелось чего-то нового. Сегодня ужесточаются требования к регулированию отходов, в частности, повышается утилизационный сбор. Мне показалось это перспективным направлением. Для него имеется интерес со стороны промышленности. Я начал изучать эту проблему и увидел ее масштаб.

 — Как выглядит процесс переработки?

 — Сначала мусор (в нашем случае резиновые промышленные отходы) проходит сортировку — это неотъемлемая часть переработки. Затем объекты измельчаются до резиновой крошки и отправляются в реактор для термического разложения.

Главная особенность нашей технологии заключается в применении парового пиролиза. В отличие от стандартного термического разложения*, которое используют для утилизации отходов, в качестве дополнительного агента мы подводим в реактор перегретый водяной пар с температурой 500 градусов Цельсия и под давлением порядка шести атмосфер. Он напрямую контактирует с сырьем и нейтрализует вредные вещества, образующиеся в результате классического пиролиза.

Применение перегретого пара делает нашу технологию более эффективной и безопасной. Пар усиливает тепло- и массообмен, повышает скорость конверсии органического сырья, обеспечивает устойчивость технологического режима и делает весь процесс взрывобезопасным. При таком подходе вероятность образования нежелательных побочных соединений достаточно низкая, а скорость термического преобразования увеличивается в среднем на 30% за счет усиления процесса теплообмена.

 — Что образуется в результате этого процесса?

 — Далее образуется газ, который направляется в конденсатор и там распадается на компоненты, в том числе жидкий углеводород — улучшенный аналог мазута. Это и есть экологическое топливо. Его можно использовать в нефтехимии как промежуточное сырье для дальнейшего производства полезного продукта, либо напрямую — сжигать на тепловых электростанциях, чтобы получать тепло или электроэнергию.

Помимо этого на выходе мы получаем еще и твердый продукт — углерод в виде мелкодисперсного порошка. Его можно повторно применять в промышленности, в соответствии с принципами циркуляционной экономики. То есть, мы можем вовлекать вторичное сырье в первичные технологические процессы. Например, из переработанных шин выделить материалы, чтобы использовать их для производства новых шин. Или использовать этот порошок в качестве материала для дорожных покрытий.

 — Обычно в конструкцию шин входят металлические элементы. Что с ними происходит?

 — В данном случае эти элементы являются металлоломом для металлургической промышленности. От него можно легко удалить образующийся углеродный остаток, например методом электромагнитной сепарации. Этот подход мы также испытали в ходе нашего цикла исследовательских работ.

 — В чем особенности такого топлива? Где его можно использовать?

 — Жидкое топливо, полученное из шин, представляет интерес для энергетики и нефтехимической промышленности. В нем содержится в два раза меньше серы, соединения которой являются одними из основных загрязнителей атмосферы. При этом у него низкая температура застывания: она составляет около -50 °С. Степень сгорания сопоставима с классическим мазутом. Такое топливо можно назвать арктическим: оно подходит для использования в условиях Крайнего Севера, например, для генерации тепловой энергии. Для сравнения, обычный мазут замерзает в диапазоне от +10 до -10°С.

 — Сколько топлива удается получить из таких отходов?

 — По нашим опытным работам удавалось получить до 56 массовой доли жидкого топлива. То есть, из одного килограмма отходов можно получить 560 граммов жидкого топлива. Хотя для этой технологии нужны дополнительные энергетические затраты, энергобалансовое соотношение получаемых продуктов перекрывает эту потребность.

 — На какой стадии сейчас находится ваш проект?

 — Наша технология уже прошла комплексную лабораторную апробацию и запатентована. Мы получили полезные продукты, провели их аналитическую оценку и ряд испытаний, в том числе промышленных. Подготовили эскизный проект аппаратного исполнения и технико-экономическое обоснование. Сейчас ищем партнера для ее масштабирования.

 — Возможно ли внедрить эту технологию в промышленность в ближайшем будущем?

 — Безусловно, потенциал практического внедрения технологии весьма высок, но требуется еще пройти ряд этапов для ее масштабирования.

 — Какие есть трудности?

 — Прежде всего, трудности связаны с прохождением экологических экспертиз, сертификации и определением технологического потребителя получаемых продуктов. Фактически это и есть потенциальный потребитель.

 — Какими еще исследованиями вы занимаетесь в настоящее время?

 — Сейчас мы работаем над повышением качества получаемых продуктов. Кроме того, разрабатываем принципиально новый подход к газификации и пиролизу отходов, который, не побоюсь этого слова, является новым поколением в предметной области. Это решение позволит нам обеспечить очень высокий КПД и компактность аппаратов. Для этого мы существенно усилим процесс теплообмена реакционной зоны реактора: вместо конвекции (когда тепло передается через поток горячего газа) используем инфракрасный поток тепла. В настоящий момент мы с коллегами из Томского научного центра занимаемся созданием демонстрационного стенда.

 — В одном из интервью вы говорили о перспективах водородной энергетики. Сейчас много внимания уделяют разработкам в этой области. Насколько современные технологии готовы к их внедрению?

 — Безусловно, потенциал у этих энергоносителей есть. Промышленность понимает, как генерировать и использовать такой вид топлива. Однако предстоит решить ряд вопросов с его транспортировкой и хранением. Этим как раз сейчас занимаются наши коллеги-материаловеды. В целом отрасль определенно готова, как была готова и много лет назад, когда строился, а затем успешно взлетел и приземлился наш Буран. Напомню, в его системе в качестве компонента топлива использовался жидкий водород. На второй ступени ракеты-носителя размещались четыре кислородно-водородных двигателя РД-0120.

 — Существуют ли уже безопасные способы добычи и транспортировки водорода?

 — Я занимаюсь в большей степени генерацией водородосодержащего синтез-газа*, в том числе обогащенного этим соединением энергоносителя.

Что касается эффективного извлечения и хранения водорода — над этим сейчас активно работают наши коллеги из Томского политехнического университета. Они разрабатывают мембранные технологии на основе металлических и композитных материалов. Эти емкости представляют собой сетки, с помощью которых можно выделить водород, например, из того же синтез-газа. Решить вопрос с транспортировкой водорода коллеги предлагают с помощью специальных баллонов, предназначенных для хранения топлива под высоким давлением.

 — Какие еще направления в области топливной энергетики вам кажутся наиболее перспективными?

 — Начну с того, что лучшей энергосистемой считается та, которая является разнообразной. Такая система позволяет использовать как органическое, альтернативное и ядерное топливо, так и возобновляемые источники энергии. Россия как раз относится к числу стран, где формируется мощная традиционная, ядерная и возобновляемая энергетика за счет использования гидроэлектростанций и солнечных станций, развиваемых на юге.

Также, к потенциально перспективным направлениям я бы отнес вовлечение отходов, в частности, сортированного мусора, в топливно-энергетический комплекс для обеспечения циркуляционной экономики. Это позволяет решить две ключевые задачи: снизить накопление отходов и получить энергию, косвенно снижая углеродный след.

Но достичь успехов в этой области возможно только за счет создания специализированных полигонов для сортировки мусора. Поскольку универсального устройства для термической переработки отходов пока не существует. Если говорить конкретно про такие технологии, то это газификация отходов с получением генераторного или синтез-газа, который можно использовать в качестве энергоносителя на ТЭЦ или котельных.

 — Что нужно сделать, чтобы реализовать такие технологии?

 — Прежде всего и самое главное: нужны более гибкие условия к требованиям и стандартам. В том числе к использованию вторичных материалов в асфальтовой промышленности. Или в таких высокотехнологичных видах деятельности, как производство автомобильных шин и полимерных материалов.

Конечно, это вовсе не значит, что мы все подряд будем засыпать в составы рецептур. Все должно проходить предварительные испытания. Но, думаю, можно начать с пилотных проектов. Например, сделать какой-нибудь участок дороги с использованием углеродного остатка переработки автомобильных шин как добавки к асфальту. Подобные решения позволили бы активнее развивать это направление и в конечном счете выйти на новый уровень экологической и энергетической безопасности.

Беседовала Анна Шиховец