Тема проекта: Разработка и экспериментальная оптимизация экологически безопасной технологии утилизации полимерных материалов, включая полиэтилен, и каучукосодержащих отходов посредством детонации продуктов их пиролиза.

Сроки проведения работ: 2019 - 2020

Соглашение № 075-15-2019-1843 от 03 декабря 2019.

Общий объем бюджетного финансирования: 60 млн руб

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI60719X0307

Цели и задачи проекта:

1. Разработка и экспериментальная апробация экологически безопасной технологии утилизации полимерных материалов, включая полиэтилен, и каучукосодержащих отходов, посредством объединения процессов оптимизированного на выход водородосодержащих соединений высокотемпературного пиролиза твердых отходов и детонационного сжигания полученной газообразной смеси для достижения более полной утилизации токсичных компонентов.
2. Создание макета-демонстратора технологии утилизации отходов.

Ожидаемые результаты проекта:

1. Разработать схемы высокотемпературного пиролиза полиэтилен- и каучуксодержащих отходов.
2. Определить условия пиролиза, обеспечивающие максимальный выход водородосодержащих соединений.
3. Разработать схемы использования газообразных продуктов пиролиза для снижения энергопотребления процесса переработки отходов.
4. Разработать способ детонационной конверсии газообразных продуктов пиролиза и получения низкомолекулярных соединений.
5. Разработать и изготовить макета-демонстратора технологии утилизации отходов.
6. Разработать рекомендации по дальнейшему использованию созданной технологии и ТЗ для будущих ОКР.

Перспективы практического использования

Успешная реализация данной технологии, не имеющей известных мировых аналогов, приведет в будущем к созданию промышленных установок утилизации полимерных материалов, заметно превосходящие мировые образцы, служащие той же цели. Таким образом, будет достигнуто импортозамещение закупаемых в настоящее время зарубежных установок по утилизации твердых полимерных отходов с возможным последующим выходом на международные рынки высокотехнологичной продукции.

Индустриальный партнер: АО «АВИАВТОМАТИКА» им. В.В. Тарасова (г. Курск)

Этап 1 (с 03.12.2019 по 31.12.2019)

Этап 2 (с 01.01.2020 по 30.09.2020)

Результаты, полученные на втором этапе темы, связаны с разработкой и экспериментальной апробацией экологически безопасной технологии утилизации полимерных материалов, включая полиэтилен и каучукосодержащие отходы, посредством объединения процессов высокотемпературного пиролиза твердых отходов и детонационной конверсии газообразных продуктов пиролиза с целью повышения экологического уровня утилизации твердых коммунальных отходов.

Полученные новые результаты преодолевают имеющиеся пробелы и научно обосновывают разработку опытно-промышленных установок для детонационной утилизации отходов. К основным результатам можно отнести:

1. разработан и изготовлен экспериментальный лабораторный стенд для проведения высокотемпературного пиролиза отходов;
2. разработан и изготовлен макет-демонстратор технологии утилизации отходов;
3. определена конфигурация детонационной камеры, обеспечивающая надежный переход горения в детонацию на расстоянии не более 2 м от места зажигания;
4. разработана база данных по константам скорости ведущих реакций, определяющих кинетику окисления продуктов пиролиза полиэтилен содержащих отходов (ПСО) и каучук содержащих отходов (КСО).
5. впервые показано, что, несмотря на разнообразие отходов продуктов нефтехимии, компоненты, составляющие их продукты пиролиза, практически совпадают и отличаются только по концентрационной или массовой доле. Установлено, что, несмотря на различный состав продуктов ПСО и КСО, их горючие смеси с воздухом имеют очень близкие характеристики перехода горения в детонацию. Впервые выполнен анализ ряда детальных кинетических механизмов с точки зрения наилучшего описания пиролиза продуктов утилизации каучук и полиэтилен содержащих отходов.
6. на основании результатов, полученных при экспериментальном исследовании термического разложения образцов полиэтилена низкого давления (высокой плотности) и бутадиенового каучука СКД сделан вывод о существенном воздействии температуры на скорость реакции.
   Повышение температуры приводит и к перераспределению продуктов реакции: уменьшению содержания водорода и увеличению содержания алканов C1 – C3 и олефинов C2 – C4.
7. основные продукты термического разложения полиэтилена низкого давления (высокой плотности): углеводороды C1 – C3 (алканы и олефины) и водород. Основные продукты термического разложения бутадиеновго каучука СКД: водород и углеводороды C1 – C4 (алканы и олефины).
8. проведенные экспериментальные исследования режимов детонации продуктов пиролиза на лабораторном макете детонационной камеры для утилизации продуктов пиролиза показали, что при детонационном сжигании углеводородов степень деструкции выше по сравнению с режимами дозвукового горения.
9. экологическая эффективность детонационного режима сжигания подтверждена экспериментальным путем.
10. впервые создана концепция детонационной конверсии газообразных продуктов пиролиза и получения низкомолекулярных соединений с экспериментальным подтверждением её работоспособность на лабораторном макете детонационной камеры для утилизации продуктов пиролиза ПСО и КСО. Анализ патентной и научно-технической литературы показывает, что разрабатываемые до настоящего времени камеры сгорания предназначались для использования в качестве части двигателя, ракетного или авиационного и задача увеличения экологичности процесса не ставилась. В расчетах и экспериментах показано, что детонационное сжигание, в отличие от различных режимов горения, приводит к более высокой температуре утилизации, что обеспечивает увеличение выхода воды и двуокиси углерода в продуктах детонации с одновременным уменьшением выхода углеводородных соединений. Для подтверждения этого вывода был проведен хроматографический анализ продуктов детонации и выполнено сравнение с продуктами различных режимов горения.
11. впервые обосновано, что при конструктивной отладке процесса перехода горения в детонацию целесообразно использовать пропан-воздушные смеси в качестве горючей смеси, моделирующей различные смеси пиролитических газов с воздухом. Обоснование получено как расчетным, так и экспериментальным путем в ходе опытов на созданном макете детонационной камеры со смесями пропан – воздух и смесями, моделирующими продукты пиролиза каучук и полимер содержащих отходов. Ранее данный подход не использовался и полученные результаты создают основу для проведения сравнения вновь создаваемых технологий и технических решений по утилизации отходов с применением детонации.
12. разработана и испытана конфигурация детонационной камеры сгорания, обеспечивающая лучшие условия для перехода горения в детонацию, чем описанные в литературе установки. Принципиальным отличием предложенного в ПНИЭР технического решения являются:
    • наличие каскадной мультипликационной форкамеры, принцип действия которой основан на последовательном прогрессивном увеличении поверхности и скорости распространения пламени;
    • последовательное расположение различных приспособлений для непрерывного усиления взрывного процесса и увеличения его скорости,
    • новая конструкция секции инициирования детонации П-образной формы, в которой осуществляется многократная фокусировка лидирующей ударной волны.