Каталитическая установка по переработке жидких продуктов пиролиза полимерных отходов в синтетическое топливо смонтирована в лаборатории кафедры физической химии факультета естественных наук Новосибирского государственного университета (НГУ). За первые три недели ее работы ученые получили первые три литра керосина.
В настоящее время определяются оптимальные режимы работы капиллярного реактора, отрабатываются важные циклы регенерации катализатора, подбираются оптимальные параметры каталитического процесса, осуществляется подбор катализатора, отслеживаются важнейшие показатели работы установки и проводится анализ полученного продукта, сообщила пресс-служба НГУ.
Технология пиролиза отходов пластмасс
Разрабатываемая совместными усилиями технология состоит из нескольких стадий. Сначала трудноперерабатываемые пластмассы подвергаются пиролизу — термической деструкции без доступа кислорода при температуре от 400 до 600 °C. На выходе получается пиролизное масло — неоднородная жидкая смесь углеводородов, содержащая большое количество нежелательных примесей темно-желтого цвета с резким неприятным запахом. Затем производится разделение многокомпонентной смеси на фракции по температуре кипения.
Примять в качестве топлива пиролизное масло нельзя: из-за высокого содержания непредельных углеводородов эта субстанция может вывести из строя двигатели внутреннего сгорания. Преобразовать ее в пригодное для использования топливо можно посредством применения каталитической технологии.
Пилотная и лабораторная установки
Представители компании «Ониум плюс» обратились с просьбой к исследователям НГУ разработать технологию пиролиза, которые провели предварительные эксперименты с никель-молибденовыми катализаторами на алюмооксидном носителе. На трубчатых реакторах были получены первые положительные результаты — синтезирована прозрачная бесцветная жидкость с нерезким запахом керосина.
Однако до применения ее для двигателей внутреннего сгорания требуется не только разработать новый состав и способ синтеза катализатора, но и модифицировать установку по гидрированию, подобрать оптимальные параметры каталитического процесса, отработать все циклы автоматической регенерации катализатора. Для этого специалисты компании создали еще две каталитические установки — пилотную и лабораторную. Пилотная работает на предприятии, а лабораторная в конце мая поступила в распоряжение исследователей НГУ.
В настоящее время проводятся параллельные испытания каталитического процесса. Ученые НГУ подбирают составы катализаторов, условия протекания процесса, температурный режим, давление, скорость потоков, а специалисты компании проводят ресурсные испытания в увеличенных масштабах. Важное условие эксперимента — обе установки должны работать круглосуточно в непрерывном режиме.
«Жидкий продукт пиролиза пластиковых отходов, который в основном представляет собой средние и тяжелые фракции с большим количеством непредельных углеводородов, из сырьевой емкости с помощью жидкостного насоса высокого давления поступает в смеситель, где смешивается с водородом под давлением 40 атмосфер. Далее смесь порционно поступает в реактор, внутри которого происходит каталитическая реакция в условиях высокого давления и высокой температуры. В зависимости от состава катализатора происходят гидрирование, гидрокрекинг или гидроизомеризация. В настоящий момент это гидрокрекинг при давлении 40 атмосфер и температуре 360–400 °С, что считается нормой для данного процесса. Эти параметры подбираются в зависимости от того, какой продукт необходимо получить. В данном случае поставлена задача получить керосин», — рассказал об устройстве установки научный сотрудник кафедры физической химии факультета естественных наук Новосибирского государственного университета Антон Лысиков.
Из реактора по змеевику смесь продуктов попадает в сепаратор, где, остывая, разделяется на газ и жидкость. Газ уходит вверх, а жидкость постепенно конденсируется в накопителе. Когда вес жидкости достигает заданного значения, происходит ее сброс шлюзовым методом: включается первый клапан линии сброса, и жидкий продукт переливается в буферную емкость.
После фиксации уменьшения веса этот клапан закрывается и открывается второй, жидкость попадает в приемник, и в соответствии с показаниями весов проводится оценка выхода продуктов. Затем и второй клапан закрывается до следующего пробоотбора. Такая конструкция с автопереливом позволяет избежать существенного падения давления при выводе продуктов из процесса и стабильно накапливать их в течение длительных экспериментов.
Результаты работы обнадеживающие
«Наши первые попытки переработки жидкого продукта пиролиза полимерных отходов приводили к получению вещества, сходного с тем, что мы синтезируем сейчас, только температура его замерзания составляла около 0 °С. Этот показатель гораздо выше того, которого мы были намерены достичь. Поэтому пришлось подобрать такой состав катализаторов, который инициировал бы реакцию крекинга и изомеризации, приводящих к сильному понижению температуры замерзания. И сейчас она составляет уже —20 °С. За три недели непрерывной круглосуточной работы мы выделили из продукта пиролиза около 3 л качественного незамерзающего керосина, который можно использовать как добавку к топливу. Скорость выработки — 6 мл в час», — рассказала доцент кафедры физической химии ФЕН НГУ Екатерина Пархомчук.
Первые эксперименты ученые НГУ предложили начать с распространенных и известных систем — никель-молибденовых катализаторов на алюмооксидном носителе. На них удалось получить первые положительные результаты.
«Мы наработали первый опыт — определили активность данного катализатора, наблюдали за протеканием процесса, приобрели навык работы с необычным сырьем, определили основную проблему. Она заключается в том, что пиролизное масло сильно отличается от традиционной нефти. Чаще всего такое сырье содержит длинноцепочечные углеводороды и характеризуется большим содержанием C17+ углеводородов, обладающих высокими температурами застывания и кипения. Они накапливаются в холодных зонах реактора, образуя „восковые“ пробки, из-за которых могут возникать перепады давления. Столкнувшись с этой проблемой, мы стали подбирать катализаторы гидрокрекинга и гидроизомеризации, чтобы разорвать длинноцепочечные углеводороды на более мелкие молекулы, сделать их разветвленными. Это позволило решить проблему воскования реактора, а также снизить температуры застывания и помутнения продукта, и на выходе мы получили более качественные и горючие углеводороды», — объяснила аспирант кафедры физической химии факультета естественных наук НГУ Екатерина Воробьева.
Сначала был получен катализатор гидрирования, затем — катализатор гидроизомеризации и гидрокрекинга, на котором удалось достичь первые положительные результаты: начала значительно снижаться температура помутнения, по-другому стали гореть углеводороды. Сейчас ученые работают над катализатором с увеличенной активностью в гидрокрекинге и гидроизомеризации, при этом получая продукт с температурой помутнения ниже —20 °С.
Важно отметить, что это его стабильная работа на протяжении нескольких сотен часов. Но самое главное — были получены продукты, которые вспыхивают и горят так, как нужно, идут процессы гидрирования и гидрокрекинга, продукты содержат большое количество изомеров, что и требуется для получения синтетических моторных топлив и масел.
Установка с новым катализатором работает непрерывно уже почти четыре недели, при этом активность катализатора не теряется, не наблюдается перепадов давления, не происходит коксования.
«Главное — при отработке данной технологии мы продолжаем совершенствовать свои навыки работы с этим особенным сырьем, которое так сильно отличается от нефти. Для нас это очень интересная задача, поскольку пластиковых отходов действительно становится все больше. И далеко не все подлежат вторичной переработке. Захоронение их на свалках — не решение проблемы. Для меня с точки зрения науки интересно выявить особенности переработки данного сырья, а также требования к свойствам катализатора, которые позволят стабильно и долго получать качественные моторные топлива и масла из неперерабатываемых отходов в ценное топливо», — сказала Екатерина Воробьева.
Ученые оценивают результаты своей работы как обнадеживающие, а производство топлива из продуктов пиролиза — рентабельным, ведь только 5% исходного вещества превращается в газ, остальная масса становится качественным синтетическим топливом. В настоящий момент данную технологию можно считать практически готовой к внедрению, которое будет определяться только скоростью постройки каталитических установок.
Основное отличие производственных образцов от лабораторной установки заключается в количестве реакторов. В лабораторной установке реактор один, а в промышленных теоретически возможно установить сотни и даже тысячи. Тогда и производительность возрастет многократно.
«Каждый тип катализатора или новых параметров, до того как будет внедрен, требует тысяч часов пробега. Чем больше параллельных испытаний, тем быстрее идет оптимизация процесса и подтверждение успешности тех или иных решений. До конца года мы вводим в работу две дополнительные лабораторные установки для гидрирования, повысив количество одновременно запущенных процессов. Но самая интересная задача в зоне нашей ответственности, которую мы сейчас реализуем, — это создание пилотной установки с десятками микрореакторов одновременно. Этот модуль позволит вести процесс с производительностью литры в час. В нем будут интегрированы все системы как в „большом“ заводе. Он снабжена своим источником водорода, своим узлом очистки и рекомпрессии водорода и автоматической системой регенерации. Кроме подтверждения готовности каталитической системы к промышленному применению данное устройство подтвердит и экономические аспекты получения топлива. Будет очень точно определена себестоимость процесса, что необходимо для дальнейшего промышленного внедрения», — пояснил представитель компании ООО «Ониум плюс» Александр Климов.
Публикация о совместной работе ученых кафедры физической химии факультета естественных наук НГУ, Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН и представителей данной компании по созданию технологии преобразования трудно перерабатываемого пластика в синтетическое топливо была представлена в декабре 2023 года.
