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:
- 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.
- Создание макета-демонстратора технологии утилизации отходов.
Ожидаемые результаты проекта:
- Разработать схемы высокотемпературного пиролиза полиэтилен- и каучуксодержащих отходов.
- Определить условия пиролиза, обеспечивающие максимальный выход водородосодержащих соединений.
- Разработать схемы использования газообразных продуктов пиролиза для снижения энергопотребления процесса переработки отходов.
- Разработать способ детонационной конверсии газообразных продуктов пиролиза и получения низкомолекулярных соединений.
- Разработать и изготовить макета-демонстратора технологии утилизации отходов.
- 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)
| № п/п | Наименование | Дата |
|---|---|---|
| 1. | Подписание соглашение о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий в соответствии с пунктом 4 статьи 78.1 Бюджетного кодекса Российской Федерации № 075-15-2019-1843 | 3 декабря 2019 |
| 2. | Участие в 6-ой национальной выставке технических и технологических достижений науки ВУЗПРОМЭКСПО 2019 (Москва, ЦВК «ЭКСПОЦЕНТР») | 11-12 декабря 2019 |
| 3. | Заключение договора №А9-13-9102/НИИСИ-2019 на выполнение составной части прикладных научных исследований с ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН | 16 декабря 2019 |
| 4. | Подписание акта изготовления лабораторного макета детонационной камеры для утилизации продуктов пиролиза | 23 декабря 2019 |
| 5. | Рассмотрение итогов 1 этапа на собрании НТС | 23 декабря 2019 |
Этап 2 (с 01.01.2020 по 30.09.2020)
| № п/п | Наименование | Дата |
|---|---|---|
| 1. | Изготовление макета-демонстратора технологии утилизации отходов | 28 сентября 2020 |
| 2. | Проведение экспериментальных исследований по повышению доли газовой фазы продуктов пиролиза и обеспечению повышенного выхода водородосодержащих соединений при варьировании температуры на экспериментальном лабораторном стенде для проведения высокотемпературного пиролиза отходов | 28 августа 2020 |
| 3. | Изготовление экспериментального лабораторного стенда для проведения высокотемпературного пиролиза отходов | 22 июля 2020 |
| 4. | Проведение экспериментальных исследований режимов детонации продуктов пиролиза, повышающих экологический уровень процесса на лабораторном макете детонационной камеры для утилизации продуктов пиролиза | 4 июля 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:
- разработан и изготовлен экспериментальный лабораторный стенд для проведения высокотемпературного пиролиза отходов;
- разработан и изготовлен макет-демонстратор технологии утилизации отходов;
- определена конфигурация детонационной камеры, обеспечивающая надежный переход горения в детонацию на расстоянии не более 2 м от места зажигания;
- разработана база данных по константам скорости ведущих реакций, определяющих кинетику окисления продуктов пиролиза полиэтилен содержащих отходов (ПСО) и каучук содержащих отходов (КСО).
- 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.
- 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. - 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).
- 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.
- экологическая эффективность детонационного режима сжигания подтверждена экспериментальным путем.
- 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.
- 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.
- 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.
