Тезисы выступления
Здравствуйте, меня зовут Прушинский Никита, я представляю проект Получение топлива из твёрдых бытовых отходов. Проблемы накопления мусора и поиска новых источников энергии требуют незамедлительного решения. Моя цель найти наиболее простой и эффективный способ переработки отходов в топливо. Задачи: изучить существующие способы переработки мусора в топливо, выбрать наиболее эффективные, провести опыты по получению горючих веществ из отходов и с помощью программы для 3D-моделирования создать свою схему установки для получения топлива из мусора. Предмет исследования: ТБО и способы их переработки в топливо. Методы работы: поиск информации, проведение опытов, использование программы для 3D-моделирования.
Во всём мире мусора становится всё больше, каждый из нас выбрасывает ежегодно в среднем от 400 до 500 кг мусора в год. Наверно, каждому знакома такая картина. В моем посёлке сейчас она выглядит так. Во всей России скопилось свыше 31 млрд тонн бытовых отходов, число которых увеличивается ежегодно на 60 млн тонн. Мусор загрязняет не только сушу, но и океаны, образуя, под действием морских течений целые острова. Их площадь иной раз достигает свыше 1,5 млн км2. В основном свалки состоят из отходов пищевой и бумажной промышленностей, пластика, текстиля, чёрного металлолома. 98% мусора складируется на полигонах, что требует огромных территорий и наносит вред экологии. Но ещё хуже, если мусор сжигается на мусоросжигательном заводе, так как это приводит к образованию опасных ядов: диоксинов, фуранов и бензапиренов, которые вызывают болезни дыхательных путей, иммунной системы, мутации и даже рак. Очистить дым от них крайне сложно и дорого, поскольку они могут быть опасны в самых ничтожных концентрациях. В результате, стоимость такого завода минимум 40 000 000 долларов. Во многих развитых странах имеются мусороперерабатывающие заводы. В России их очень мало. В Якутии ни одного. В настоящее время выделены огромные средства на строительство мусороперерабатывающего завода в г. Ленске. Изучая материалы по МПЗ и МСЗ в интернете, я пришел к мысли, что на территории Якутии такой завод будет не выгоден вследствие больших расстояний между населенными пунктами и отсутствием хороших дорог. Для переработки мусора в отдельных поселках Якутии можно обойтись более дешевыми установками.
В ходе исследования было найдено 3 способа переработки отходов в топливо: компостирование, низкотемпературный пиролиз и высокотемпературный пиролиз с синтезом 92-го бензина. Компостирование – это получение биогаза и компоста – эффективного удобрения. Вот общая схема установки: сюда загружается биомасса, приготовленная из 3 частей навоза и 7 частей растительных остатков, которая попадает в биореактор, где и происходит анаэробное компостирование. Для улучшения процесса биомассу следует перемешивать. Образующийся биогаз проходит через очистку от сернистых соединений и углекислого газа и затем может быть собран в баллоны либо использован для обогрева дома и приготовления пищи. Часть газа идёт на поддержание в биореакторе температуры 40 – 60 оС необходимой для непрерывного образования биогаза и компоста. Этот способ весьма эффективен, но перерабатывает далеко не все виды мусора. Другой способ получения топлива из отходов – низкотемпературный пиролиз. Это нагревание до температуры от 400 до 850 оС без доступа воздуха. При этом из мусора образуются древесный уголь, жидкие продукты и горючие газы. Он подходит для всех видов отходов, кроме строительных, металла и стекла. Но в ходе реакции образуются ядовитые вещества, что требует больших затрат на систему очистки. Самый рациональный и эффективный способ переработки отходов в топливо, на мой взгляд, высокотемпературный пиролиз с синтезом бензина. Данный процесс протекает при температуре свыше 1300 оС, что уничтожает все опасные яды, при частичном доступе воздуха. Из мусора образуются угарный газ и водород, которые, попав в ёмкость с катализатором, превращаются в диметиловый эфир, из которого, под действием другого катализатора на основе цеолита ZSM – 5, образуется качественный 92-ой бензин.
Практическая часть
Чтобы убедиться в том, что из мусора можно получить топливо я провел в лабораторных условиях 3 опыта по разложению мусора путём нагревания без доступа воздуха. Сначала я нагревал в пробирке обрезки пластиковой бутылки, сделанной из полиэтилентерефталата. Из пробирки начал выходить бесцветный газ с запахом, поменявший окраски перманганата калия и лакмуса, который приобрёл красноватый оттенок, и помутнивший известковую воду. Значит, данный газ представляет собой смесь углекислого газа, непредельных углеводородов и паров кислоты. Поджечь его не удалось, скорее всего, из-за углекислого газа. В пробирке образовалась маслянистая жидкость чёрного цвета, похожая на нефть, с запахом бензина, которая может быть использована как топливо, но при этом на стенках пробирки образовалось иглообразное вещество жёлтого цвета, очень похожее на бензапирен. При дальнейшем нагревании часть жидкости превратилась в газ, а часть – в это хрупкое твёрдое вещество с металлическим блеском, похожее на графит. Из данного опыта ясно, что из полиэтилентерефталата можно получить бензиноподобную жидкость. Но для того, чтобы разложить данный пластик полностью и без образования бензопирена, требуется высокотемпературный пиролиз. Во втором опыте я нагревал обрезки прозрачной пластмассовой тарелки. Образовался газ без цвета и запаха, который изменил окраску перманганата калия, но оставил без изменений лакмус и не помутнил известковую воду. Следовательно, данный газ не что иное как непредельный углеводород. На дне пробирки образовалось воскообразное вещество, способное гореть. В 3-ем опыте я проводил разложение белого непрозрачного одноразового стаканчика. Результаты опыта оказались идентичны предыдущему: образовался непредельный углеводород, изменивший окраску перманганата калия и воскообразное вещество. Выяснилось, что одноразовый стаканчик и пластмассовая тарелка были сделаны из одного вида пластика – полипропилена различной плотности. Вывод из этих опытов – при нагревании мусора без доступа воздуха можно получить углеводороды, которые можно в дальнейшем превратить в бензин и, таким образом, мусор получит вторую жизнь.
Рассмотрев некоторые варианты опытных установок по получению бензина из отходов, я решил создать свою модель установки для переработки отходов в 92-ой бензин и метанол. Метанол можно использовать как 10%-ную добавку к топливу для повышения мощности двигателя и уменьшения количества вредных выхлопов в атмосферу. Создать свою модель установки мне помогла программа 3D-моделирования. В моей установке сначала весь мусор без тщательной сортировки поступает в газогенератор, где он поджигается электрической искрой от дизель-генератора. Вентиляторы, расположенные по бокам, питаются от дизель-генератора, нагнетают воздух, поддерживая процесс. Нагнетание воздуха доводит температуру внутри газогенератора более чем до 1300 оС, в результате все выделяемые ядовитые вещества разрушаются. Отходы превращаются в синтез-газ, состоящий в основном из угарного газа, водорода и азота, который поступает в нижнюю камеру и затем проходит очистку от сернистых соединений и хлороводорода с помощью гидроксида железа (III), извести и воды. Заодно газ охлаждается, после чего он частично поступает в дизель-генератор для поддержания его работы. Оставшийся синтез-газ попадает в ёмкость, где находится мелкораздробленный катализатор из оксидов меди, цинка и алюминия, смешанный с железным порошком. Вокруг ёмкости намотаны 4 катушки, подсоединённые через диоды к дизель-генератору, вырабатывающему трёхфазный переменный ток. Под действием магнитного поля катушек, железный порошок поступательно сжимает катализатор, как насос втягивая и проталкивая синтез-газ с образующимися из него метанолом и диметиловым эфиром. Это намного увеличивает активность катализатора и выход конечных продуктов. Далее метанол и диметиловый эфир поступают в трубу, где метанол конденсируется и поступает в ёмкость слева, а диметиловый эфир попадает в ёмкость с катализатором на основе цеолита, где из него синтезируется 92-бензин. Я составил бизнес-план по этой установке. Её стоимость составила около 817 000 рублей. При продаже бензина и метанола по оптовым ценам можно заработать примерно 106 000 рублей, с учётом расходов на персонал, налоги, а окупается она всего за 8 месяцев.
Таким образом, цель работы достигнута. Мною проведены опыты, доказывающие, что ТБО можно превратить в топливо. Также в ходе работы предложены эффективные способы переработки мусора в топливо без строительства дорогостоящих заводов. Использование предложенной мною установки может приобрести практическую значимость именно для Якутии.
У кого-нибудь есть вопросы? Все вопросы? Тогда я хотел добавить, что в ходе работы я заинтересовался маркировками пластика; и сейчас хотел бы раздать их обозначения, чтобы вы могли определить: можно ли тот или иной пластик использовать повторно, пригоден ли он для хранения продуктов питания и чем может быть опасен.
