Технологии за третиране на отпадъци от пластмаса

Икономическият растеж и изменящите се модели на потребление и производство водят до бързо увеличаване на количествата отпадъчна пластмаса в световен мащаб. Годишното потребление на пластмасови материали е нараснало от около 5 млн. тона през 50-те години на 20 век до близо 100 млн. тона, т. е. сега се произвежда 20 пъти повече пластмаса. Това от една страна означава, че се използват повече ресурси за посрещане на нуждите, а от друга – че се генерират и повече отпадъци.

След хранителните и хартиените материали, пластмасата е основен компонент на битовите и производствените отпадъци в градовете. Дори в населените места с нисък икономически ръст се образуват големи количества пластмасови отпадъци поради широката употреба на опаковки, торбички за пазаруване, PET бутилки и други пластмасови продукти.

Това увеличение е сериозно предизвикателство за местните власти, отговарящи за управлението на отпадъци. Често поради липсата на интегрирана система пластмасовите отпадъци не се събират и обезвреждат по подходящ начин, който да осигури предотвратяване на вредните въздействия върху околната среда и човешкото здраве.

Рециклирането на пластмасовите отпадъци предлага възможност за екологосъобразното им третиране и превръщането им в ресурс. В повечето случаи то е и икономически оправдано, защото се получават много търсени суровинни и енергийни ресурси.

Рециклирането на отпадъчна пластмаса до дизелово гориво например води освен до съхраняване на ресурс и до редуциране на емисиите на парникови газове. Това е от изключителна важност за регионите, в които бързата индустриализация и икономическо развитие оказват силен натиск върху околната среда и природните ресурси.

Отпадъчна пластмаса за получаване на горива
Пластмасовите отпадъци са един от най-обещаващите ресурси за производството на горива заради високата им топлина на изгаряне и непрекъснато увеличаващата им се наличност. За разлика от хартията и дървесината, пластмасата не абсорбира много влага и влагосъдържанието й е много по-ниско в сравнение с това на биомасата и кухненските отпадъци например.

Методите за превръщане на отпадъчната пластмаса в гориво се определят от вида на материала и свойствата на другите отпадъци, които могат да бъдат използвани в процеса. В допълнение, ефективната преработка изисква избор на подходяща технология, отговаряща на местните икономически, екологични, социални и технически условия.

Като цяло, за получаването на гориво от отпадъчна пластмаса са необходими неопасни и горими суровини, като за всяка отделна технология има определени подходящи материали. Съставът на потока пластмасови отпадъци варира в широки граници, като някои компоненти могат да съдържат нежелани вещества, например добавки като забавители на горенето, съдържащи бромни и антимонови съединения, или пластмаси, съдържащи азотни, халогенирани, серни и други опасни вещества, представляващи потенциален риск за хората и околната среда.

Изборът на технология, изискванията за предварително третиране, необходимата температура и съответно енергия, качеството на полученото гориво, съставът на отпадъчните газове, летливата и дънната пепел, както и потенциалът за химична корозия на оборудването, зависят от вида и състава на пластмасите.

Получаване на твърдо гориво
Могат да бъдат разграничени два вида гориво от отпадъци – RDF и RPF (гориво от вплътнени хартия и пластмаса). Първият вид се произвежда предимно от кухненски отпадъци, използвана хартия, отпадъчна дървесина и пластмаса. Заради наличието на кухненски отпадъци преди обработка се изисква процес на сушене за отстраняване на влагата, която възпрепятства втвърдяването на отпадъците в желаните форми и с необходимата плътност. Това се счита за недостатък поради големите количества енергия, нужни за сушенето.

RPF се получава от отпадъчна хартия, пластмаса и други сухи материали. Термопластите играят ключовата роля на свързващо вещество за другите компоненти като термореактивните пластмаси например, от които иначе не могат да бъдат оформени пелети или брикети. Минимум 15% термопласти се изискват за втвърдяване на горивото, но при повече от 50% могат да възникнат проблеми при пелетизирането.

Компонентите на RPF горивата обикновено се сепарират от производствени отпадъци, но понякога могат да бъдат извлечени и от разделно събрани битови отпадъци. И в двата случая съдържанието на пластмаса може да варира (в определени граници) спрямо нуждите на крайния потребител на горивото. Формата на горивото се определя от оборудването, като най-често за целта се използват шнекови екструдери, с помощта на които се получава цилиндрична форма с различен диаметър и дължина.

В случай че в потока отпадъчна пластмаса има и такава, съдържаща азот, халогени, сяра и други опасни вещества, вследствие на процеса може да се стигне до замърсяване на въздуха и почвите от отделящите се газове и пепел.

Методът се състои от два етапа – предварително третиране, включващо грубо шредиране и отстраняване на негоримите материали, и производство на пелети, което се състои от вторично шредиране и пелетизиране при <200°C. Извършването на първия етап не е необходимо, ако събраните отпадъци са с подходящите характеристики.
Калоричността на RDF и RPF варира в зависимост от използваните за производството им отпадъци.

При RDF измененията в калоричната стойност се дължат на различията в състава на битовите отпадъци и степента на изсушаването им по време на производствения процес. Калоричността на RPF може да бъде контролирана лесно, тъй като за него обикновено се използват сухи и разделно събрани пластмаса, хартия и други горими отпадъци. Полученото гориво от хартия и пластмаса в съотношение 1:1 е с калорична стойност приблизително 7000 kcal/kg.

Получаване на течно гориво
Само няколко вида термопласти могат да бъдат подложени на термично разлагане с цел получаване на течни въглеводороди за оползотворяване като гориво. За суровина се предпочитат предимно полиетилен, полипропилен и полистирен. Добавянето на термореактивни пластмаси, дървесина и хартия води до понижаване скоростта на процеса и добива на течни продукти. В зависимост от компонентите на използваната отпадъчна пластмаса, полученото течно гориво може да съдържа и замърсители като амини, алкохоли, восъчни въглеводороди и някои неорганични вещества.

Течните горива от пластмасови отпадъци могат да се използват като заместител на бензин, дизелово гориво и тежки масла. Към тях често се прибавят различни добавки, за да се подобрят работните характеристики на горелката или двигателя. Свойствата на тези горива, например вискозитет и пепелно съдържание, следва да отговарят на спецификациите на използваните горелки или двигатели.

Методът за получаване на течни горива се базира на пиролиза на отпадъчната пластмаса и последваща кондензация на отделените въглеводороди. Отпадъците се подават в реактор, където те се разлагат при температура между 450 и 550°C. В зависимост от условията на пиролизния процес и вида на пластмасата постепенно върху вътрешната повърхност на реактора се отлага въглероден материал, който трябва да бъде отстранен, за да се запази ефективността на топлопреноса.

Получената смес от въглеводороди (пиролизно масло) се подлага на непрекъсната дестилация веднага щом пластмасите в реактора са достатъчно разложени, че да се изпаряват при определена температура. Изпареното масло преминава процес на допълнителен крекинг с участието на катализатор.

След отдестилиране на въглеводородите от реактора, тези от тях с висока температура на кипене – дизел, керосин и бензин, кондензират в кондензатор с водно охлаждане. Така получените течни въглеводороди се съхраняват в приемен резервоар. Отделените в процеса газообразни въглеводороди, като метан, етан, пропилен и бутан, не могат да кондензират и затова се изгарят във факел.

В зависимост от вида и свойствата на отпадъците, те могат да бъдат подавани в реактора по различен начин. Меките материали като фолио и торбички често се подлагат на предварително шредиране и топене, защото в противен случай заемат голяма част от обема на реактора. За извършване на процеса се използват пещи и ротационни реактори. Въглеродните отлагания се отстраняват от стените на реактора посредством бъркалки и се отделят чрез винтов конвейер през долната част на съоръжението.

Получаване на газообразни горива
Газообразните горива, добивани от пластмасови отпадъци, са два вида – газообразни въглеводороди, които са газове при нормални температура и налягане (0°C, 1 atm.) и синтез газ, съдържащ водород и въглероден оксид. При процеса на превръщане на пластмасата в газообразно гориво отпадъците претърпяват термично разлагане в реактор, в резултат на което като основен продукт се отделя течно, а като страничен (около 20 тегловни %) – газообразно гориво.

Газообразните въглеводороди стават основен продукт след продължителен престой в реактора при определена температура и контролирани работни условия. При специфични условия те могат да бъдат използвани като суровина за получаване на метан и водород.

Технологията включва етапи на предварително третиране, газификация, пречистване на газа и съхранение. Полиетиленът и полипропиленът се разлагат термично при температури до около 700°C в инертна среда до смес от газообразни въглеводороди, метан, етан, етилен, пропан, пропилен и разнообразни изомери на бутан и бутен. Газификацията на останалите органични вещества води до получаване на синтез газ.

Газификацията се провежда при температури между 800 и 1000°C. В зависимост от вида на реактора и работните условия се формират и твърд въглероден материал и въглероден диоксид, а азотът от въздуха се улавя в газа продукт. Реакторите обикновено са с подвижен или флуидизиран слой.

Калоричната стойност на газообразните продукти варира в широки граници и се определя от вида на използваните отпадъци, съдържанието на азот от въздуха и други фактори. Установено е, че калоричността на синтез газа например е между тези на биогаз и втечнен природен газ.

Други методи
Често прилагана практика е отпадъчните пластмаси да бъдат използвани като гориво за доменните пещи в стоманената индустрия. Основно изискване е отпадъците да бъдат с постоянно качество и да не съдържат хлор и някои други вещества, които могат да влошат характеристиките на стоманата.

Шредирани пластмасови отпадъци могат да бъдат използвани и като гориво за пещите в циментовите заводи, като в този случай също е необходимо предварително третиране с цел отстраняване на хлор съдържащите компоненти. За някои специфични видове пластмаса може да се наложи и компактиране и намаляване на обема. При експандирания полистирен например това става чрез топене или разтваряне.

Алтернатива за оползотворяването на отпадъчната пластмаса е и изгарянето им в инсинератори за битови отпадъци с цел получаване на пара или топла вода. Трябва да се отбележи обаче, че в този случай генерираната енергия трябва да се използва веднага или за задоволяване на собствени нужди на съоръжението, или от намиращи се в близост до него потребители.