Исследования Рамез Абдалла1, Адель Джуайди1, Махмуд Асад1, Тарек Саламе

1
Рекуперация энергии из отработанных шин с использованием пиролиза: Палестина как пример
исследования
Рамез Абдалла
1
,
Адель Джуайди
1
,
Махмуд Асад
1
,
Тарек Саламе
2
и
Франсиско Манзано-Агульяро
3,*
1
Кафедра машиностроения, факультет инженерии и информационных технологий, Национальный университет Ан-
Наджа, А/я 7, Наблус 00970, Палестина
2
Департамент устойчивой и возобновляемой энергетики, Инженерный колледж, Университет Шарджи, Шарджа
27272, ОАЭ
3
Инженерный факультет, ceiA3, Университет Альмерии, 04120 Альмерия, Испания
*
Автор, которому следует адресовать корреспонденцию.
Энергии 2020, 13(7), 1817;
https://doi.org/10.3390/en13071817
Получена: 22 февраля 2020 / Пересмотрена: 19 марта 2020 / Принята: 3 апреля 2020 / Опубликована: 9 апреля
2020
(Данная статья относится к специальному выпуску «
Энергосбережение в городах
»)
Реферат
В Дженине, к северу от Западного берега в Палестине, была установлена первая промышленная установка пиролиза твердых шин для удаления огромных отходов твердых шин на севере Западного берега. Одноразовый процесс является экологически чистым процессом и превращает шины в полезные продукты, которые могли бы уменьшить топливный кризис в Палестине. Гравиметрический анализ продуктов пиролиза отходов шин с пиролизной установки, работающей в оптимальных условиях, составляет: шинное пиролизное масло (TPO): 45%, пиролизный углерод (PCB): 35%, пиролизный газ (Pyro-
Gas): 10% и стальная проволока: 10%. Эти результаты зависят от типа и размера шины. Установлено, что полученное пиролизное масло имеет высокую теплотворную способность (HHV) с диапазоном 42−43
(МДж/кг)42−43 (МДж/кг), что может сделать его полезным в качестве замены обычного жидкого топлива.
Основным недостатком использования TPO в качестве топлива является его сильный едкий запах и низкая температура вспышки по сравнению с другими обычными жидкими видами топлива. Производимый пиролизный технический углерод также имеет высокую теплотворную способность (HHV) около 29 (МДж
/ кг), что также может стимулировать его использование в качестве твердого топлива. Технический углерод также может использоваться в качестве активированного угля, чернил принтеров и т. Д. Пиролизный газ
(Pyro-Gas), получаемый из отработанных шин, в основном состоит из легких углеводородов.
Концентрация
H2
имеет диапазон от 30% до 40% в объеме и имеет высокую теплотворную способность
(приблизительно 31 МДж/м331 МДж/м3), которая может удовлетворить технологические потребности в энергии. С другой стороны, необходимо очистить газ перед процессом горения, чтобы удалить H
2
S из Pyro-
Gas и, следовательно, уменьшить проблему кислотных дождей. Однако для нынешней установки следует следовать некоторым рекомендациям для более комфортной эксплуатации и более безопасных условий труда в окружающей среде.
Ключевые слова:
пиролиз
;
твердые отходы шин
;
PCB
;
TPO
;
Пирогаз
;
промышленные масштабы
;
Палестина
1. Введение
Мир сталкивается с огромным энергетическим разрывом из-за увеличения численности населения и неожиданного роста промышленности по всему миру. В Палестине потребление энергии в последние годы значительно возросло. По данным Палестинского центрального статистического бюро, палестинцы потребляли от 30 до 40 тысяч баррелей нефти в день в 2017 году [
1
]. Однако Палестина страдает от нехватки природных ресурсов и минеральных богатств. Страдания палестинцев в основном связаны с нехваткой традиционных источников энергии, таких как нефть и газ, и, кроме того, с дорогой ценой на энергию, которая эквивалентна самым дорогим городам мира. Вдохновленные этими страданиями, палестинцы стремятся преодолеть эту дилемму и найти альтернативные источники для обычных видов топлива.
В настоящее время тенденция в технологии энергетики движется к альтернативным источникам и, главным образом, возобновляемым источникам энергии, чтобы преодолеть растущие потребности в энергии, которые необходимы в различных областях жизни. Существует множество источников альтернативных видов топлива, которые основаны на переработке промышленных и бытовых отходов. Эти отходы существуют в различных формах: жидкие отходы (например, растительное масло) и твердые отходы. Твердыми отходами являются любые виды мусора, шины, бумага, картон, пластик, дерево, стекло, металлические отходы и пепел.

2
Мир в целом, и Палестина в частности, сталкиваются с проблемой твердых отходов из-за сильно растущей численности населения и нехватки материальных ресурсов, необходимых для решения этой проблемы и снижения ее рисков. Поэтому твердые отходы случайным образом собираются и собираются на свалках, вопреки условиям гигиены окружающей среды, но это все еще не подходящее решение.
Процесс преобразования отходов в энергию представляет собой очень простую концепцию, предполагающую извлечение максимальной энергии из отходов с минимальным ущербом для окружающей среды различными тепловыми процессами, такими как процесс пиролиза [
2
]. С бурным развитием автомобильной промышленности «черное загрязнение» создается все большим количеством отработанных шин, которые теперь угрожают среде обитания человека.
Миллионы тонн отработанных шин производятся во всем мире: около 2,5 миллионов тонн генерируется в Северной Америке, Япония генерирует один миллион тонн, а Европейское сообщество генерирует более 2,5 миллионов тонн [
3
]. В Палестине в 2012 году было подсчитано, что из разных источников было произведено более 380 тысяч утильных шин [
4
]. Шины состоят из вулканизированных каучуков, которые включают натуральный каучук (NR), стиролбутадиен (SBR) и полибутадиен (BR), технический углерод, стальную проволоку, корды и добавки.
Избавление от небиоразлагаемых твердых отработанных шин является одной из важнейших экологических проблем в мире. Долговечность и устойчивость этих отходов к биологической деградации затрудняет удаление и повторную обработку [2,5]. В Палестине твердые шины случайным образом сбрасываются на свалки. Эти свалки обычно сталкиваются со случайными пожарами, которые производят чрезвычайно густой черный дым и токсичные выбросы. Такие выбросы вредны для здоровья и могут вызвать кислотные дожди [
5
]. Поэтому пиролиз биомассы является подходящим решением для переработки этих отработанных шин более экологически чистыми методами. Пиролиз считается дешевым способом получения альтернативного жидкого топлива. К 2050 году Международное энергетическое агентство ожидает, что 27% топлива, используемого в транспортной отрасли, может быть устойчиво произведено из биомассы и отходов [
6
].

3
Переработка шин - это преобразование лома резиновых шин в углеводороды для повторного использования в качестве масел и топлива, а извлечение стали и углерода является одним из наиболее желательных методов экономичного утилизации лома шин. Рециркуляция шин достигается процессом пиролиза, см.
Рисунок 1
Рисунок 1. Продукты процесса пиролиза шин.
Пиролиз – это термохимическое разложение шин при высоких температурах без кислорода. Пиролиз происходит при низком давлении и высоких температурах выше 420
°C. Практически пиролиз не может быть выполнен без кислорода, так как при ограниченном количестве кислорода, присутствующего в реакторе, окисление будет происходить в ограниченном количестве.
Пиролиз отработанных шин будет производить пиролиз черного углерода (PCB) (30–35 мас.%), сырого шинного пиролизного масла (TPO) (40–45 мас.%), металлолома (10–15 мас.%) и пиролизного газа (Pyro-
Gas) (10–15 мас.%) [
7
].
Технология пиролиза и энергетическая безопасность в Палестине
В последнее время растущее потребление энергии, высокая волатильность цен на ископаемое топливо, перерывы в импорте и экспорте энергии, изменение климата и загрязнение окружающей среды - это лишь некоторые из многих проблем энергетической безопасности в странах по всему миру [
8
].
Возобновляемые источники энергии и биоэнергетика играют существенную роль в экономике, социальной и экологической жизни [9,10], принося значительные выгоды развивающимся странам, в частности
Палестине. Кроме того, использование этих источников энергии позволяет избежать или устранить негативное воздействие на окружающую среду. Что касается политической ситуации в Палестине и во избежание весьма частых отключений электроэнергии, использование возобновляемых источников энергии и биоэнергии (таких как пиролиз) будет устойчивым решением, гарантирующим энергоснабжение в долгосрочной перспективе. Существенным драйвером пиролиза является также растущий интерес к экологической устойчивости [
11
]. Энергетическая безопасность является значимым фактором, позволяющим системе функционировать оптимально и устойчиво, без угроз и рисков [
12
]. Энергетическая безопасность гарантирует надежность энергоснабжения по доступной цене, а потому зависит от экономических, политических и технических условий [
13
].
Безопасность энергоснабжения и экологические вопросы считаются одними из основных проблем для большинства стран [
8
]. В то время как Палестина сильно зависит от импортной энергии, результаты показывают, что солнечная энергия и биоэнергия (пиролиз) являются наиболее перспективными возобновляемыми и устойчивыми источниками энергии. К преимуществам пиролиза можно отнести очень гибкую технологию, которая может обрабатывать широкий спектр сырья, состоящего из лесных остатков, пищевых отходов, шинных отходов и твердых коммунальных отходов [
11
]. Палестина является одним из наиболее перспективных мест для использования биоэнергии и возобновляемых источников энергии из-за географического положения этого района, который снабжает его большим количеством высокой солнечной радиации, и наличия источников биоэнергии. Кроме того, он сильно зависит от энергии, импортируемой из
Израиля [
9
].
Для достижения устойчивости этот проект включает в себя производство возобновляемого топлива из процесса пиролиза отработанных шин. Производство топлива в результате этого процесса сопряжено с меньшими затратами и меньшими выбросами парниковых газов и делает окружающую среду чище. Цели устойчивого развития этого проекта направлены на решение трех основных вопросов: экономических, экологических и социальных, для достижения энергетической безопасности и чистой окружающей среды в
Палестине.
Настоящее исследование направлено на решение технических проблем, связанных с отходами шин в
Палестине. Новизна этого исследования заключается в том, что оно добавляет устойчивость как аспект

4 энергетической безопасности в энергетических системах Палестины. Это делается путем внедрения первого коммерческого завода пиролиза шин в Палестине.
2. Обзор литературы
Утилизация отработанных шин считается основной экономической и экологической проблемой в области обращения с отходами. В настоящее время растет внимание к пиролизу из-за его способности производить продукты экономической ценности в различных фракциях путем изменения условий эксплуатации, таких как рабочие температуры и скорость нагрева [
14
]. Пиролиз также превращает отработанные шины в пиролизное масло для шин (TPO), пиролизный технический углерод (PCB) и пиролизный газ (Pyro-Gas), которые считаются высокоценными видами топлива и химическими веществами [
15,16
].
В таблице 1
ниже обобщены исследования пиролиза за период с 1980 по 2018 год.
Таблица 1. Исследования пиролиза для разных стран мира: репрезентативный список процессов пиролиза отработанных шин.
Год Страна
Описание/Модуль
Замечания
См.
1980 Япония
В 1979 году японская компания Sumitomo
Cement Co., Ltd. создала пиролизную установку с реактором в роторной печи мощностью 7000 тонн в год в городе
AΚO, префектура Хёго.
Опытно-масштабная установка была превращена в коммерческую установку с низкими затратами на извлечение мазута и технического углерода.
[
17
,
18
]
1996 Франция
Пилотный реактор был спроектирован и использовался для исследования влияния различных условий эксплуатации, таких как температура, соотношение топлива к воздуху и время реакции.
Было отмечено, что существует низкий процент выбросов SO
2
и NOx, хотя материалы относительно содержат материалы с высоким содержанием серы.
[
19
]
1997 Италия
Процесс пиролиза экспериментально исследуется с использованием пилотного реактора.
В добываемом газе был обнаружен ряд газов, таких как H
2
, O
2
, N
2
, CO и CH
4
[
20
]
2000 Китай
В этом обзоре обобщены исследования пиролиза отработанных шин в Китае, в основном посвященные механизму процесса пиролиза и конструкции пиролизного реактора.
Пиролизная промышленность в Китае имеет тенденцию к небольшому масштабу и низкой начальной стоимости пиролизной установки.
[
21
]
2004 Китай
Процесс пиролиза изучается с помощью пилотного реактора вращающейся печи.
Влияние рабочих температур исследуется в диапазоне от 450 до 650 °C.
Вращающаяся печь считается отличной альтернативой пиролизу отработанных шин.
[
22
]
2005 Испания
Проводится сравнение между лабораторными весами с фиксированным слоем и реактором с ротационной пилотной шкалой в одинаковых условиях эксплуатации для получения черного углерода, жидкого топлива и пирогаза в двух шкалах.
Существенных различий между пиролизом черного углерода, полученного из шин в двух масштабах, обнаружено не было.
[
23
]
2005 Китай
Отработанные шины подвергались процессу пиролиза с использованием пилотного реактора с вращающейся печью.
Сырой пиролизный черный уголь и активированный черный уголь обладают приемлемой способностью к адсорбции метилен- синего по сравнению с коммерческим черным углеродом.
[
24
]
2007 Бангладеш
Тяжелые автомобильные отработанные шины подвергались процессу пиролиза в реакторе с неподвижным слоем по параметрам деферентного процесса.
Полученное пиролизное шинное масло обладает топливными свойствами, которые делают его сопоставимым с жидким нефтяным топливом.
[
25
]
2008 Япония
Реактор с неподвижным слоем, который нагревался с помощью пожарной трубки, использовался для пиролиза отходов автомобильных шин в азотном состоянии
Максимальный выход жидкости получают при температуре 475 °C.
[
26
]

5
Год Страна
Описание/Модуль
Замечания
См.
и испытывался в различных условиях пиролиза.
2008 Бангладеш
Полученные пиролизные масла для шин подвергались элементному анализу, хроматографическому и спектроскопическому методам.
Пиролизное масло шин может быть использовано в качестве топлива с высокой теплотворной способностью 42 МДж/кг.
[
27
]
2008 Бангладеш
Велосипедные отработанные шины подвергались процессу пиролиза в реакторе с неподвижным слоем по нескольким технологическим параметрам.
Полученное пиролизное шинное масло может быть сопоставимо с производным топлива из сырой нефти, если пиролиз выполняется в подходящих условиях эксплуатации.
[
28
]
2009 Бангладеш
Отработанные шины подвергали термогравиметрическому анализу при температуре от 30 до 800 °C и скорости нагрева от 10 до 60 °C/мин.
На пиролиз отработанных шин существенно влияет скорость нагрева.
[
29
]
2010 Бангладеш
Технология пиролиза с использованием новой системы отопления для утилизации твердых отходов шины и рекуперации сжиженного топлива.
Процесс пиролиза считается экологически чистым решением проблемы отработанных шин.
[
30
]
2010 Италия
Результаты нескольких экспериментов были использованы для разработки численной модели с использованием коммерческого кода Chem CAD.
Объяснены результаты экспериментально- численного исследования газификации во вращающемся печном реакторе шин.
[
31
]
2011 Бангладеш
Выполнено технико-экономическое обоснование получения жидкого масла, черного углерода и пирогаза из отработанных шин
Технико-экономическое обоснование было выполнено в трех различных масштабах. Можно показать, что средний коммерческий масштаб является наиболее экономичным масштабом.
[
32
]
2012 Индия
Обзор пиролиза отработанных шин был сделан с акцентом на несколько условий эксплуатации.
Процесс пиролиза имеет три продукта, имеющих коммерческую ценность: черный углерод, жидкое топливо и пирогаз.
[
33
]
2013
ВЕЛИКО-
БРИТАНИЯ
В данном обзоре показано, что интерес к пиролизу отработанных шин для получения продукции, имеющей коммерческую ценность, растет.
Пирогаз, получаемый в результате пиролиза отработанных шин, состоит из углеводородов H
2
,
CO, CO
2
, H
2
S и C 1-C
4
. Этот обзор был сосредоточен на модернизации пиролиза черного угля до активированного черного углерода и черного углерода с лучшим качеством.
[
34
]
2013 Бангладеш
Небольшой пиролиз отработанных шин может уменьшить кризис жидкого топлива в отходах в Бангладеш.
Пирогаз, полученный в результате пиролиза отработанных шин, имеет высокую теплотворную способность 37 МДж/м
3
, что делает его достаточно высоким источником тепла, необходимым для завершения процесса пиролиза.
[
5
]
2013 Бангладеш
Пилотный реактор с фиксированным слоем использовался для получения пиролизного масла из отработанных шин
Свойства пиролизного масла были сопоставимы с коммерческим дизельным топливом.
[
35
]
2014 Франция
Топливо получали из пиролиза отработанных шин при оптимальных условиях по температуре, скорости нагрева и расходу инертного газа.
Без использования потока инертного газа оптимальная температура для процесса пиролиза составляет 465 °C.
[