Композиты общего назначения на основе термопластов

Извлечение энергии Из пластмассовых отходов

X. М. Барралес-Риенда

Возрастающие объемы производства и использования синтетических мате­риалов привели к росту доли этих материалов в потоке отходов человеческой деятельности [1] В большинстве случаев отходы, содержащие сгораемую фрак­цию, не рассматривались как топливо, а просто подвергались термической пере­работке (сжигались) в целях сокращения их огромного объема. Потоки отходов, которые не допускают какого-либо извлечения энергии, например, старые авто­мобили и строительный камень, мы здесь не рассматриваем. Оставшиеся отходы можно разделить на три части: бытовой мусор, случайные отходы (в основном из промышленности и больниц) и полужидкие отбросы; все это западные стра­ны производят в соотношении 100 : 60 : 200, хотя стоит отметить, что в полу­жидких отходах твердая фракция составляет лишь 5 %масс. в воде [2]. С точки зрения рекуперации энергии муниципальные отходы можно разделить на фрак­ции по принципу увеличения в них доли пластиков и полимеров: муниципаль­ные твердые отходы (МТО) —» топливо из бытовых отходов (ТБО) -> топливо из упаковочных материалов (ТУМ)—» отделенные пластмассы. В то время как объем этих фракций уменьшается в отношении 100 —> 40 —> 10 —> 1, их энергети­ческое содержание изменяется как 100 ->80 -» 35 -> 4 [3]. Отделенные пластмас­сы, однако, более подходят для вторичной переработки, чем для извлечения энер­гии. В тех случаях, когда главной целью термической переработки является

Извлечение из отходов энергии, необходима более значительная доля сгораемых веществ в отходах, чем при их простом сжигании. Фактически мусор должен до­водиться до уровня ТБО. На рис. 11.1 показана возможная схема рекуперации энергии и материалов из МТО [4].

Повышенный уровень полимерных материалов в отходах, в особенности пласт­массы и резины, ведет к ситуации, при которой высокая теплотворная способ­ность и состав топлива создают проблемы при обычном сжигании мусора [5, 6]. В то же время возврат энергии из отходов через эффективное и оптимизирован­ное сжигание во все большей степени заменяет традиционное сжигание, при ко­тором главной целью остается уменьшение объема отходов. Кроме того, посколь­ку биоразлагаемые отходы генерируют на свалках газы, вызывающие тепличный эффект, их сжигание рассматривается как получение нейтрального диоксида уг­лерода.

В 1997 г. рабочая встреча ШРАС (Международный союз теоретической и при­кладной химии) по вторичной переработке полимеров [7] рассматривала эту проблему как часть разумного использования и модификации продукции. При­емлемость в отношении вторичной переработки означает рассмотрение соответ-

Ствующих экологических, экономических и социальных аспектов. Экологиче­ские аспекты включают следующие моменты:

• сохранение ресурсов;

• уменьшение выбросов;

• ликвидация опасных веществ;

• уменьшение объема отходов.

Следует заметить, что термин «отходы» просто дает описание ценности мате­риала или изделия относительно конкретных потребностей человека. Многие типы отходов могут быть переработаны тем или иным способом в такие же изде­лия (например, бутылки) или в материал в той форме, которая служила сырьем для изготовления первичного продукта. Для тех фракций отходов, которые не пригодны для рекуперации (переработки) в экономически рентабельный мате­риал, извлечение энергии путем сжигания является единственной альтернати­вой захоронению. Это особенно справедливо для высокотеплотворных фракций, которые плохо подвергаются биоразложению, например, для пластиков.

Экологический, экономический и социальный аспекты должны быть сбалан­сированы. Рабочая встреча ШРАС рассматривала механическую переработку и переработку в сырье для промышленности как переработку материалов. Сжига­ние для получения тепла с контролем выбросов относится к рекуперации энер­гии (рис. 11.2). Одним словом, при механической переработке термопласты пере­плавляются и вновь используются в виде пластиковых объектов. При переработке в сырье (или при химической переработке) термопласты измельчаются или депо - лимеризуются и возвращаются в нефтехимические продукты или мономеры, ко­торые затем превращаются в пластик При извлечении энергии, то есть при сжи­гании, пластмасса ведет себя как топливо: 1 т пластмассы выделяет столько же энергии, сколько тонна сырой нефти.

Следует помнить о следующих фактах [8]:

• совместное сжигание пластмассы с МТО является самым дешевым реше­нием (после захоронения, но стоимость захоронения почти наверняка бу­дет продолжать расти);

• для бутылок наилучший энергетический баланс дает механическая пере­работка;

• для грязных пленок и некоторых видов упаковки переработка при любой ее цене может приводить к экономическим и экологическим несуразицам;

• энергетический баланс при сжигании очень близок к таковому при меха­нической переработке, если пар эффективно используется (городское теп­лоснабжение и генерация электроэнергии);

• переработка сырья (или химических реактивов) остается затратной при среднем энергетическом балансе;

• для бутылок из поливинилхлорида (ПВХ) (с низкой теплотворной спо­собностью и стоимостью, близкой к сжиганию) механическая переработка является наилучшим выбором.

При рассмотрении характеристик сгорания (газификации) горючих твердых материалов, следует иметь в виду, что топливо, помимо генерации инертного ос­таточного пепла, может давать горючий конденсированный остаток (обугливаю­щееся топливо) или необугливающееся топливо. В целом, синтетические тер­мопласты, реактопласты и резины не производят пепла и более летучи, чем природные полимеры, такие как биомасса и твердое ископаемое топливо. Одна­ко некоторые строительные материалы, например, напольные покрытия, могут содержать значительные количества неорганических наполнителей. Кроме того, процесс сгорания пластмасс высвобождает их скрытую теплотворную способ­ность, часто равную таковой у печного топлива, что делает их важным источни­ком энергии, помогающим гореть ТМО. Стоимость удаления пластиковых меш­ков из ТМО намного выше стоимости извлечения термоусадочной пленки из потребительского или промышленного мусора, или труб со стройки, или бампе­ров от старых автомобилей [8]. Если энергия, получаемая в процессе сжигания, используется для генерации энергии для бытовых или промышленных нужд, то имеет место экономия природного топлива. Это, как мы уже говорили, называет­ся рекуперацией энергии. Хотя пластмассы по весу составляют в ТМО лишь 7 % они дают 30 % энергии на перерабатывающих заводах. Это очень важный факт, о котором следует помнить. С другой стороны, ввиду их высокой теплотворной способности, рекуперация энергии из смешанных полимерных отходов явля­ется эффективной альтернативой ведения переработки потому, в частности, что она позволяет обрабатывать остаточные пластики как единый поток сырья [9].

Механическая повторная переработка полимеров должна использоваться в тех случаях, когда:

• энергия обработки, вложенная в исходный продукт может быть в значи­тельной степени сохранена с помощью разумных технических усилий;

• законы, санитарные нормы и правила техники безопасности, установлен­ные для применения пластмасс и резин имеют силу также для восстанов­ленных продуктов;

• применяемые (текущие и будущие) стандарты на пластмассы и резины не ухудшаются.

Экологический выигрыш тем выше, чем меньше технические усилия, затра­ченные на повторную переработку. Стоимость сбора и сортировки — с экологи­ческой точки зрения незначительные — экономически очень высоки и должны включаться в общую схему вторичной переработки. Механическая переработка, ведущая к замещению оригинальных полимеров, является предпочтительным выходом для однородных по составу и мало загрязненных отходов Из-за этих ограничений она часто применяется лишь для получения или обработки измель­ченного мусора. Механическая переработка смешанных пластиков, позволяю­щая дать замену цементу и дереву, сама по себе не может решить серьезную про­блему бытовых отходов (БО)

Рабочая встреча ШРЛС разработала рекомендации, согласно которым смешан­ные и загрязненные отходы должны перерабатываться не механически, а метода­ми переработки сырьевых потоков или рекуперацией энергии, как это показано в табл. 11.1. Здесь «смешанные пластмассы» — это типичные отработанные мате­риалы, то есть собранные и выделенные из бытовых отходов, перемешанные и грязные полимерные изделия; в основном — это использованная упаковка.

На рабочей встрече подчеркивалось, что пластмассы и резины имеют энерге­тическое содержание, фактически равное таковому сырой нефти, из которой они сделаны. Поэтому цикл утилизации будет замкнут тогда, когда эта энергия будет извлечена с помощью технологий рекуперации энергии.

Около 86 % ископаемого топлива сжигается для получения тепла (35 % идет на обогрев), электроэнергии (22 % потребляют электростанции) и для работы транспорта (29 % перевозок), тогда как нефтехимические приложения потреб­ляют 10 %, включая 6 %, приходящиеся на производство пластмасс (рис. 11.3). Вторичную переработку можно рассматривать с двух точек зрения — экономи­ческой или экологической [9]. Переработка с точки зрения экономической дея­тельности представляет собой восстановление ценности, присутствующей в про­дукте, который уже выполнил свое назначение. В зависимости от величины восстанавливаемой фракции, повторная переработка пластмасс делится на

Четыре категории. На рис. 11.3 показана дифференциация четырех циклов со­гласно Микаэли и Брейеру. В «первичном» цикле отходы производственного процесса превращаются непосредственно в повторно используемый материал. Обычно это называется заводской переработкой; в ней восстанавливается боль­шая часть ценного содержания. Типичный пример — переработка литников пос­ле литья под давлением. Они часто вновь измельчаются и снова вводятся в про­цесс переработки вместе с исходным полимером. Хотя некоторая деградация материала имеет место, полимер используется для замещения оригинального материала в том же самом приложении [13]. Во «вторичном» цикле потенциал отходов используется в новом или ином продукте или его части, то есть повтор­но переработанный материал задействован в менее требовательных приложе­ниях, чем при использовании оригинального продукта. Примером могут слу­жить автомобильные шины, которые сейчас используют в качестве ограждений; смешанный или загрязненный материал, применяемый для изготовления шпал; многократно перерабатываемые молочные бутылки. Восстановленные пластики часто конкурируют с другими материалами, такими как бетон и дерево [13]. «Тре­тичный цикл» или материальная (механическая) переработка включает произ­водство и использование продукции, а также подготовку (переработку) отходов для их использования в качестве вторичного материала. Оригинальное ценное содержание, добавленное в сырье, чтобы сделать из него полимер, утрачивается. Характерным примером является восстановление метилметакрилата термоли­зом полиметилметакрилата (ПММА). Химическая переработка сырьевых от­ходов и их использование как первичного (в случае химической переработки продукции из полиэтилентерефталата (ПЭТ)) или вторичного сырьевого мате­риала составляют «четвертичный цикл переработки» или «химический цикл». Восстанавливается только энергия (при сжигании пластмассовых отходов) [14].

Вейганд [11], исходя из результатов своего исследования свойств и областей применения повторно переработанных полиуретанов (ПУ), пришел к заключе­нию, что ПУ допускает вторичную переработку и она успешно производится. Эту посылку можно распространить на многие существующие полимерные материа­лы. Имеется ряд технологий, применимых к переработке ПУ различных типов,

Которые постоянно улучшаются и быстро внедряются в рынок. Идет поиск но­вых, будущих путей повторной переработки. Предстоит создать рыночную заин­тересованность во вторичном ПУ, и для этого есть хорошие шансы. Производи­тели сырья для получения ПУ, изделий из него и потребители вместе работают над этой проблемой.

Однако повторная переработка не должна замыкаться сама на себя [15, 16]. Она должна не только минимизировать отходы, но способствовать сохранению ресурсов и уменьшать загрязнение окружающей среды. В этих условиях объем повторной переработки не может увеличиваться до бесконечности; экологиче­ски существенный объем должен быть различным для различных приложений. Его величина, например, зависит от затрат энергии (и выброса загрязнений в сре­ду), требуемых для осуществления всех шагов переработки, и особенно сбора и транспортировки [15]. Именно на сбор и транспортировку затрачивается огром­ное количество энергии, когда сбор приходится распространять на малонаселен­ные регионы, поскольку в больших городах отходов становится недостаточно. Разумеется, есть также экономические ограничения: никакая рыночная эконо­мика не может позволить себе неразумные затраты на сбор, разделение и обра­ботку вторичных материалов. Пределы разумного или неразумного — это вопрос социальной политики, на которую накладывает отпечаток также международная конкуренция.

Повторная переработка ПУ, в частности, и отходов вообще требует сбаланси­рованного подхода, который включал бы в себя все возможности рекуперации и переработки. Сделаны некоторые интересные выводы, которые можно отнести ко всем полимерным материалам. Внимание привлекается, кроме всего прочего, к важности сжигания в целях сохранения энергии для нашего будущего [17]. Пластмассы представляют собой «разумно использованную нефть» [18] или «энергию, взятую взаймы» у сырой нефти. До тех пор пока ископаемое топливо используется для генерации энергии, нет причин чтобы для той же цели не ис­пользовать пластмассовые отходы. Социально-политический консенсус и кон­структивная кооперация всех заинтересованных сторон, включая потребите­лей и власти, необходимы для реализации концепции «управления обобщенными ресурсами» [16] по отношению ко всем отходам, производимым в индустриальном обществе.

Из-за сложности и многообразия природы пластмасс, а также вследствие того, что многие изделия невелики по размерам и легковесны, механическая пе­реработка может быть экологически и экономически оправдана (то есть она эко - эффективна) только для некоторой доли крупногабаритных изделий. Поэтому полимерная, упаковочная, автомобильная и т. д. индустрии работают совместно на европейском, национальном и двухсторонних уровнях вместе с другими парт­нерами над разработкой всего диапазона вспомогательных процедур восстанов­ления. Например, проведены экологические сопоставления различных способов переработки и восстановления для упаковочного сектора полимерного рынка. Результаты этих исследований [19, 20] показывают, что высокоэффективная ре­куперация энергии может быть с точки зрения воздействия на окружающую сре­ду идентична переработке материала, если реальный коэффициент замещения составляет 1,2-1,4 кг вторичного продукта на один кг оригинального материала. Дэннисон и Мэнникен [21] представили информативный обзор по переработке пластмасс в Европе, в котором рассмотрены механическая и химическая перера­ботка отходов, а также различные методы извлечения энергии.

Как хорошо известно, сюда входит восстановление материалов посредством механической и химической переработки, а также рекуперация энергии, то есть использование полимерных отходов в качестве топлива с высокой теплотворной способностью для генерации тепла или электроэнергии. Таким образом, заменя­ют ископаемые виды топлива, например, нефть, которая сначала используется как источник получения материалов. Так замыкается цикл. Ассоциация произ­водителей пластмасс в Европе (АРМЕ) провела несколько очень солидных ис­следований, в которых продемонстрировала, что сбалансированное сочетание различных способов вторичной переработки является оптимальным решением для утилизации пластмассовых отходов, если мы будем максимально стремить­ся избежать захоронения мусора.

В Европе усиливается тенденция к сокращению количества отходов, захоро­ненных в земле. В том, что касается пластмасс из потока МТО, повторное исполь­зование и вторичная переработка материалов часто имеют скорее политический приоритет, чем экономическую, экологическую или техническую целесообраз­ность.