Перспективы применения технологии термического обезвреживания/утилизации отходов пенополиуретана

Проблематика

Миллионы тонн пенополиуретановой продукции ежегодно производится по всему миру, и значительная часть представляет собой одноразовые изделия. Потребление полимеров начало возрастать с начала 60-х годов ХХ века и его среднегодовое потребление на душу населения продолжает расти. Например, в России этот показатель составляет около 1 кг, в Японии — 4 кг, в Северной Америке — 5 кг.

Рост потребления ППУ неизбежно ведёт к увеличению его отходов. Так, в нашей стране сбор и утилизация полимеротходов не превышает 13%. В Европе на долю строительного мусора приходится около 30% отходов полиуретана, однако и это лишь две сотых от общей нагрузки ПУ на окружающую среду.

Отходы пенополиуретана (ППУ) представляют собой значительную проблему для предприятий различных сфер промышленности, включая мебельную отрасль, автомобилестроение, производство строительных материалов и упаковку. Основной причиной возникновения отходов являются процессы резки, формовки, производства дефектных изделий, а также сопутствующие операции, такие как шлифовка и механическая обработка. Несмотря на растущие объемы образования подобных отходов, их переработка и утилизация сталкиваются со значительными трудностями технического, экономического и организационного характера.

Наиболее распространенными источниками формирования отходов ППУ являются:

• раскрой и резка: остатки и обрезки, появляющиеся при формировании заготовок для мягкой мебели, матрацев, элементов звукоизоляции и утепления зданий;
• производство брака: изделия, не соответствующие заданным техническим параметрам по качеству поверхности, плотности, геометрическим размерам или цветовому оттенку;
• механическая обработка: образование мелкой пыли и мелких фрагментов, возникающих при шлифовке и обработке готовых деталей из ППУ;
• формовочный остаток: полимерные материалы, оставшиеся в формах после окончания технологического цикла, которые невозможно повторно использовать в процессе производства.

Ключевой особенностью отходов ППУ является их химический состав. Пенополиуретаны состоят из сложной комбинации химических соединений, включающих полиолы и изоцианаты, которые придают им уникальные свойства прочности, эластичности и долговечности. Однако именно эта особенность значительно усложняет задачу утилизации данных отходов.

Среди основных сложностей можно выделить несколько.

Химическое разнообразие. Сложный многокомпонентный состав ППУ препятствует простой сортировке и разделению на составляющие элементы, делая невозможным простое включение отходов в обычные схемы переработки пластмасс.

Экономическая нерентабельность. Из-за легкой структуры и малого удельного веса транспортные расходы становятся слишком высокими относительно стоимости самого материала, что делает экономически неэффективным сбор и доставку отходов даже на небольшие расстояния.

Необходимость специализированного оборудования. Для переработки отходов ППУ требуется дорогостоящее специальное оборудование, способное справиться с химической структурой материала и обеспечить приемлемое качество конечного продукта.

Высокая стоимость переработки. Процесс переработки ППУ связан с большими затратами энергии и значительным износом техники, что негативно сказывается на экономике предприятия и ограничивает массовую реализацию процессов рециклинга.

Кроме того, существует ряд дополнительных факторов, усугубляющих ситуацию:

• отсутствие полноценной законодательной базы и нормативов регулирования утилизации ППУ в России;
• недостаточная доступность информации об эффективных методах переработки и недостаточное количество специалистов в данной сфере;
• низкий уровень заинтересованности производителей в инвестировании средств в разработку методов переработки ППУ ввиду высокой себестоимости конечной продукции.

Инженерные задачи

Оценка проблематики переработки отходов пенополиуретана и определение актуальности проводимого исследования; формирование методики проведения тестовых испытаний оборудования на экспериментальных образцах отходов; установление производительности инсинератора при сжигании экспериментального образца отхода; фиксирование значений рабочих температур в ГК и ВК; определение количества потребляемого топлива; проведение визуального производственный контроля качества выброса загрязняющих веществ на выходе из дымоотводной трубы; исследование класса опасности зольного остатка с привлечением аккредитованной лаборатории; оценка качества выброса загрязняющих веществ в атмосферный воздух без системы газоочистного оборудования по результатам инструментальных замеров и исследований аккредитованной лаборатории, при необходимости подбор эффективной системы газоочистного оборудования, формирование выводов по результатам исследования.

Результат работы по продукту

Определение состава отходов

Таблица 1. Расчетный элементный состав отходов

где C, H, O, N, S, Cl, W, А – содержание углерода, водорода, кислорода, азота, серы, хлора в отходе, влажность и зольность отхода;
Q – низшая теплота сгорания смеси отходов, ккал/кг
Ср – удельная теплоемкость отходов, Дж/(кгх°С)

Расчет рабочих параметров эксперимента

Результат расчета производительности для инсинератора роторного типа HURIKAN 200 R в Таблице 2.

Таблица 2. Результат расчета производительности для инсинератора роторного типа HURIKAN 200 R (при рабочей температуре в ГК до 1000 °С, в ВК до 1200 °С, коэффициенте избытка воздуха 1,49)

Таблица 3. Расчетные значения концентраций ЗВ и расхода сухого щелочного реагента (NaOH) для инсинератора HURIKAN 200 R

По результатам проведенного контрольного сжигания экспериментального образца отхода: отходы пенополиуретана при производстве изделий из него (ФККО 3 35 761 11 20 4), на установке HURIKAN 200 R определен рабочий температурный режим, обеспечивающий качественное сжигание исходного материала: 6000С и выше в главной камере.

В процессе тестового сжигания отхода горелочные устройства в главной камере кратковременно отключались в связи с самостоятельным горением отхода, обеспечивающим поддержание необходимых температур в отсутствие дежурного пламени. Во вторичной камере горелочные устройства работали непрерывно для поддержания требуемого температурного режима.

Расход дизельного топлива в процессе термического обезвреживания экспериментального образца отхода составил 26 л/час.

Зольный остаток от сжигания экспериментального образца по массе составил 7,1%.

Фото. Зольный остаток после сжигания экспериментального образца отхода

Результат исследования качества выбросов загрязняющих веществ. Класс опасности зольного остатка.

По данным расчета фактических параметров выбросов (Протокол испытаний, на котором основан расчёт: № 2024ФХО/ПВ345 от 19.11.2024) установлены следующие результаты:

Вывод: Исследование показало превышения параметров концентраций ЗВ в составе дымовых газов в сравнении с ИТС НДТ 9-2020 по взвешенным веществам и тяжелым металлам. Рекомендуемый состав ГОУ: батарейный циклон, рукавный фильтр, угольный адсорбер.

Характеристика зольного остатка.

В ходе биотестирования золы и остатков от сжигания отходов производства химических волокон с добавлением отходов потребления на производстве с использованием тест-организмов Daphnia magna Straus и Scenedesmus quadricauda выявлено острое токсическое действие водной вытяжки отхода.

В соответствии с приложением № 5 Приказа Минприроды России от 31.03.2025 № 158 «Об утверждении критериев отнесения отходов к I - V классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду» отход можно отнести к IV классу опасности для окружающей природной среды. Протокол № 2024ФХО/О4143 от 19 ноября 2024 г.