Единая экосистема управления полимерными отходами: создание и рекуперация нефтепродуктовой тары

yamal-media.ru

Введение

Экономика замкнутого цикла (циркулярная экономика) в части утилизации ПКМ – это переход от линейной модели «изготовил – использовал – выбросил» к модели, в которой пластик рассматривается как ценный ресурс, постоянно циркулирующий в экономике со своим максимально возможным уровнем ценности и позволяющий сократить потребление первичных ресурсов и образование отходов, а также снизить антропогенное воздействие на окружающую среду. Циркулярная экономика находится на стыке законодательства и технологического менеджмента, который ищет практические решения и внедряет их, позволяя при этом извлечь коммерческую выгоду. При этом законодательство выступает каркасом, создающим свод правил, и является внешним фактором, побуждающим заинтересованных субъектов любого правового статуса принимать соответствующее решение.

Утилизация – это комплексный процесс обработки мусора, целью которого является повторное применение отходов, в том числе по прямому назначению (рециклинг), а также путем возврата в производственный цикл после соответствующей подготовки (регенерация) или извлечения полезных компонентов для их повторного применения (рекуперация) (см. Федеральный закон от 29.12.2014 № 458-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об отходах производства и потребления»).

В данной статье предлагается комплексное научно-техническое решение, основанное на трансфере технологий из ракетно-космической сферы в сферы военного и гражданского назначения путем создания мобильной утилизационной системы (МУС). В первом случае – для снижения техногенного воздействия на окружающую среду в районах Арктики от результатов эксплуатации и хранения металлической тары для нефтепродуктов, во втором – для сокращения площади складирования мусора.

Этот комплексный проект ОмГТУ инициирован с целью разработки облегченной НПТ из термопластичного ПКМ на основе созданной в ОмГТУ модифицирующей добавки (МД) взамен металлической тары в соответствии с существующими эксплуатационными требованиями. Утилизация НПТ с помощью МУС представляется, по нашему видению, составляющей частью решения общей экологической проблемы утилизации отработавшей НПТ. Учитывая экологическую обстановку в Арктике и отсутствие источников энергоснабжения для решения экологических задач, нами предложено энергетически независимая МУС, работающая на продуктах пиролиза утилизируемой НПТ. До выхода на установившийся режим пиролиза используется газ метан из автономных источников, которые потом восполняются в процессе пиролиза. Данная разработка соответствует критическим технологиям и приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития России (утверждены Указом Президента РФ от 18.06.2024 г. № 529 «Об утверждении приоритетных направлений научно-технологического развития и перечня важнейших наукоемких технологий» в соответствии с Указом Президента РФ от 28.02.2024 № 145 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»), а также представляет интерес для Минобороны России (см. Указ Президента РФ от 05.03.202 № 164 «Об основах государственной политики РФ в Арктике на период до 2035 года»).

Комплексный подход позволяет снизить площади складирования мусора, а предлагаемые решения могут применяться в целях утилизации и переработки ТБО с получением ценного продукта в виде чистого углерода при утилизации полимерных материалов в полном соответствии со следующими правительственными документами:

• Федеральный закон «О внесении изменений в Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» от 29.12.2014 г. № 458-ФЗ;
• «Стратегия развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года», утвержденная распоряжением Правительства РФ от 25.01.2018 № 84-р;
• «Стратегия экологической безопасности РФ на период до 2025 года», утвержденная Указом Президента РФ от 19.04.2017 № 176.

1. Проблема, лежащая в основе концепции комплексного проекта

Скопление значительного количества металлических и ржавеющих бочек с остатками нефтепродуктов (от 3–5 % от начальной емкости и более) в Арктике представляет собой негативный фактор для окружающей среды, связанный с: разрушением стальной нефтепродуктовой тары, химическим и механическим загрязнениям почвы (рис. 1). Вывоз этой тары на материк для последующей утилизации представляет собой экономически затратную задачу, поэтому ее, как правило, оставляли в местах размещения эксплуатирующих организаций. В настоящее время количество использованной металлической нефтепродуктовой тары только в районах Арктики составляет несколько сотен тысяч штук.

Транспортировка же металлических бочек в условиях Арктики на перерабатывающие предприятия для их утилизации не только экономически нецелесообразна, но и опасна. Металлическая тара подвержена коррозии, требует специальных методов переработки, а ее транспортировка связана, помимо высоких затрат, с рисками экологических аварий. В связи с этим возникает необходимость в замене металлической тары на более экологичные и удобные в переработке аналоги, а также в создании МУС, способных работать в экстремальных условиях.

2. Описание проекта

Цель проекта – повышение эффективности снабжения войсковых частей и их подразделений в арктических районах дислокации с одновременным обеспечением экологической безопасности окружающей среды. Для достижения этой цели необходимо было в данной работе решить две взаимосвязанные задачи:

• повышение эффективности существующей и отработанной системы снабжения войсковых частей и их подразделений нефтепродуктами на основе создания облегченной НПТ из ПКМ, которая была бы на 20 % легче, чем стальная НПТ такого же объема, а также размещение на традиционном европоддоне нефтепродуктов различной номенклатуры и емкостей на 60 % больше (640 л против 400 л), что позволяет в оперативной обстановке осуществлять быструю заправку автобронетехники без стационарного оборудования;
• максимальное снижение техногенного воздействия на окружающую среду в процессе снабжения войсковых частей и их подразделений нефтепродуктами в тех же районах Арктики с замкнутым энергетическим циклом для утилизации НПТ в местах ее эксплуатации.

2.1. Разработка ПКМ и облегченной НПТ

Научный анализ показал принципиальную возможность создания такого ПКМ для промышленного изготовления НПТ на существующих линиях. Оптимальным решением стали разработка модифицирующей добавки (МД) и выбор матрицы в виде полиэтилена высокой плотности (ПЭВП).

Дело в том, что используемый в похожих целях, доступный и сравнительно недорогой ПЭВП в данном случае плохо подходил с точки зрения назначения НПТ и арктических условий ее эксплуатации. Необходимо было повысить его прочность, морозостойкость и обеспечить антистатические свойства во избежание накапливания статического электричества и негативных последствий в процессе транспортировки тары, заполненной нефтепродуктами. После определенного объема научно-экспериментальных работ решить эту задачу удалось путем наполнения ПЭВП небольшим количеством углеродных нанотрубок (УНТ) и графита. Но чтобы равномерно распределить эти добавки в объеме ПЭНП, потребовалось предварительно изготовить их гранулированный концентрат в том же базовом полимере на традиционном экструзионном грануляторе. Этот концентрат, который, собственно, и представлял собой МД, обеспечивающую необходимые эксплуатационные качества ПКМ, добавляли затем в заданном количестве (35 % мас. от ПКМ) к базовому ПЭНП непосредственно в экструдере выдувной машины, на которой изготавливали НПТ в виде канистр.

Таким образом, разрабатываемый ПКМ в качестве основных компонентов включает:

• базовый полимер (ПЭВП);
• УНТ (0,5–5,0 %);
• графит (2–3 %).

В результате проведения теоретико-экспериментальных исследований по оптимизации состава ПКМ (выбору матрицы и других компонентов), обеспечивающего заданные эксплуатационные требования, и заключительных испытаний были определены основные технические характеристики выбранного материала (табл. 1).

Таблица 1. Основные технические характеристики ПКМ (источник: ОмГТУ)

* По отношению к нефти, маслу, бензину и дизельному топливу.

Гранулы МД для изготовления морозостойкого токопроводящего ПКМ соответствуют технологии производства полимерной тары пластмассовых изделий на существующем оборудовании (см. ГОСТ Р 52620-2006 и ГОСТ Р 51760-2011) (рис. 2):

• цвет – черный;
• размер гранул – до 10 мм;
• ПТР (5 кгс, ^оС) – 0,40–0,65 г/10 мин;
• насыпная плотность – 0,65 г/см³.

НПТ, соответствующая заявленным эксплуатационным требованиям, может рассматриваться в качестве замены применяемой на сегодняшний день стальной тары. При этом полимерная тара будет обладать рядом преимуществ:

• меньшей до 20 % массой при той же емкости;
• возможностью измельчения по месту эксплуатации и транспортировки в виде измельченного сырья;
• возможностью повторного использования в виде вторичного материала, а также утилизации измельченного сырья может различными методами: сжиганием, пиролизом и пр.

Изготавливаемая облегченная морозостойкая токопроводящая НПТ из разрабатываемого ПКМ на основе ПЭВП имеет геометрические параметры, адаптированые под ГОСТы для полимерной тары (Р 52620-2006, Р 51760-2011), что обеспечивает возможность ее производства на имеющемся технологическом оборудовании без необходимости его модернизации и средств транспортировки и, кроме того, позволяет снизить высокие транспортные расходы за счет ее локальной утилизации непосредственно на месте использования без транспортировки в ближайший центр переработки. Применение этого ПКМ с заданной электропроводностью снижает риск накопления статического электричества при перекачке нефтепродуктов и транпортировке НПТ с нефтепродуктами, что критически важно для условий Арктики и Крайнего Севера. Кроме того, уменьшение массы НПТ на 20 % по сравнению с металлической эквивалентной емкостью позволяет увеличить количество транспортируемого топлива на единицу массы груза. Компактность и прочность тары из ПКМ обеспечивают возможность формирования оптимизированных транспортных модулей (например, европоддонов), используемых в стандартных военных логистических схемах.

Предлагаемые типоразмеры НПТ позволяют увеличить загрузку нефтепродуктами типового европоддона на 60 % больше по сравнению с загрузкой стандартной металлической 200-литровой бочки за счет штабелирования до 4 уровней НПТ объемом 5, 10 и 20 л и толщиной стенки 2–5 мм (рис. 3).

На рис. 4 представлен демонстрационный образец НПТ, соответствующий требованиям ГОСТ Р 52620-2006 и ГОСТ Р 51760-2011 и имеющий следующие характеристики:

• форма НПТ – канистра;
• объем – 10 л;
• масса нетто – до 700 г;
• цвет – черный.

Основные преимущества разрабатываемой НПТ в сравнении с традиционной металлической тарой по ключевым показателям, характеризующим основные свойства сравниваемых образцов, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Сравнительная характеристика традиционной металлической тары (стальная бочка емкостью 200 л) и НПТ из ПКМ

* От массы тары с нефтепродуктами.

Таким образом, разрабатываемый ПКМ с МД позволяет создавать надежную и безопасную НПТ различных типоразмеров. Однако, следуя принципам экономики замкнутого цикла и экологической ответственности, следует заметить, что это – решение лишь одной из поставленных в работе задач. Возникает следующий закономерный вопрос: что происходит с тарой после окончания ее срока службы, особенно если она используется в удаленных или труднодоступных регионах, где нет доступа к централизованной инфраструктуре переработки? Ответом на этот вопрос является вторая часть описываемого проекта, заключающаяся в разработке мобильной утилизационной системы (МУС).

2.2. Разработка МУС

За счет выбора состава ПКМ, обеспечивающего не только эксплуатационные требования, предъявляемые к НПТ, но и приемлемые параметры процесса утилизации с использованием разрабатываемой МУС, реализован принцип «утилизация на месте использования». Технология пиролиза позволяет решать проблему утилизации полимерной НПТ непосредственно на месте ее применения с получением горючих газов и жидких фракций, пригодных для повторного использования в энергетических целях, и тем самым отказаться от затратных обратных логистических потоков для удаленных регионов с холодным климатом.

Выбор проектно-конструкторского облика МУС обусловливает основные ее преимущества:

• выполнение по технологии модульной системы с размещением на европоддонах, что позволяет перемещать ее в зависимости от региона деятельности и объемов исходного сырья, в то время как мусоросжигающие стационарные заводы и отдельные пиролизные установки привязаны к стационарному месту расположения;
• модульность, которая предоставляет возможность вводить в эксплуатацию последовательно каждый модуль, не прибегая к высоким разовым капиталовложениям;
• автономность энергетического обеспечения;
• возможность использования двухстадийного этапа пиролиза;
• использование газопоршневой двигательной установки, работающей на продуктах пиролиза (до получения продуктов пиролиза в необходимых количествах пиролизная установка функционирует за счет использования автономного запаса газа пропана и дизельного топлива);
• масштабирование суммарной мощности утилизации отходов, которое происходит за счет ввода в эксплуатацию дополнительных МУС;
• возможность быстрого монтажа МУС, в том числе в труднодоступных регионах;
• возможность работы МУС в условиях отсутствия электрической энергии;
• Сравнительно низкая стоимость утилизации;
• высокая скорость окупаемости МУС;
• все компоненты МУС производятся на территории РФ.

Важно отметить, что в настоящее время известны различные традиционные подходы к утилизации различных типов сырья, реализованные в стационарных условиях и позволяющие обеспечить извлечение из ПКМ для вторичного использования отдельные компоненты материала, а также получить дополнительное количество полезных продуктов для различных отраслей промышленности без повторного загрязнения окружающей среды. Технология такой утилизации предполагает использование измельченных отходов ПКМ в качестве сырья для производства новых материалов и в виде источника энергии в цементных печах, а также альтернативной замены ископаемых видов топлива (уголь, нефть, газ). Особую сложность при этом представляет собой утилизация ПКМ, армированных непрерывными волокнистыми наполнителями, как из-за их высоких прочностных характеристик, так и из-за проблем вторичного использования утилизированных отходов. Все рассмотренные установки представляют собой стационарные установки, требующие значительных затрат энергетики.

Альтернативные системы, существующие на сегодняшний день как в России, так и за рубежом, имеют стоимость от 10,5 млн руб. и выше, тогда как предварительная расчетная стоимость МУС в зависимости от планируемых объемов перерабатываемого сырья составит от 6 до 7 млн руб. При этом МУС с учетом ее некоторых уникальных характеристик является конкурентноспособной и может занять свою нишу как на внутреннем российском рынке, так и на рынках зарубежных стран.

В предлагаемой технологии утилизации ПКМ используется процесс на основе пиролиза, состоящий из двух стадий:

• стадия 1 – индукционный пиролиз;
• стадия 2 – микроволновый риформинг.

Ключевое преимущество двухстадийного процесса пиролиза перед одностадийным заключается в возможности оптимизации результатов каждой стадии под требуемые задачи:

• пиролиз утилизируемого материала и получение парогазовой смеси (стадия 1);
• повышение выхода водорода, что соответствует повышению энергетической составляющей синтез-газа (стадия 2);
• минимизация или полное исключение образования жидких фракций (стадии 1, 2).

В состав предлагаемой МУС, функционирующей на основе двухстадийного процесса, входят следующие узлы и компоненты (рис. 5): 1, 3, 14 – гермозатворы с электроприводами; 2 – шлюзовое загрузочное устройство; 4 – электропривод шнека цилиндрического пиролизного реактора (ЦПР); 5 – шнек подачи измельченного утилизируемого материала в ЦПР; 6 – магистраль дымовых газов в загрузочное устройство; 7 – ЦПР; 8 – индуктор; 9 – индукционный генератор; 10 – медное экранирование; 11 – контейнер для выгрузки твердых остатков пиролиза; 12 – парогазовая магистраль; 13 – узел выгрузки твердых остатков; 15 – теплообменник дымовых газов; 16 – магнетроны; 17 – магистраль дымовых газов в микроволновом реакторе (МВР); 18 – МВР; 19 – силовая оболочка теплообменного элемента (ТЭ), которых может быть несколько (выполнена из керамического материала, например оксида алюминия, обладающего высокой термостойкостью и проницаемостью для СВЧ-излучения); 20 – внутренний теплогенерирующий элемент, выполненный из карбида кремния (SiC), обладающего способностью поглощать микроволны и преобразовывать их в тепловую энергию (покрытый изнутри катализатором, например никелем); 21 – выпускной газовый коллектор МВР; 22 – впускной газовый коллектор МВР; 23 – магистраль обогащенного синтез-газа; 24 – теплообменник для подготовки синтез-газа и воздуха для газопоршневого агрегата (ГПА); 25 – газопоршневой двигатель ГПА; 26 – коллектор дымовых газов ГПА; 27 – электрогенератор ГПА.

В экстремальных климатических и логистических условиях автономная работа систем утилизации на удаленных территориях, включая возможность выработки энергии из самих продуктов пиролиза, снижает зависимость от внешних источников топлива и электроэнергии для собственной работы МУС. При этом даже в условиях частичной потери инфраструктуры модульная система может быть быстро восстановлена или заменена.

Заключение

На сегодняшний день проект находится на уровне технологической готовности TRL 4, что означает переход от чистой науки (доказанная в эксперименте концепция) к решению инженерных задач (создание проектного облика реального изделия) и к стадии опытно-конструкторских работ. Проект находится в точке, где его потенциалдля реализации принципов циркулярной экономики уже ясен, однако требуются проработка технических решений, в том числе актуализация технико-экономического обоснования проекта, и привлечение производственного партнера.

Предлагаемые полимерная НПТ и МУС решают острую проблему удаленного, распределенного и труднодоступного источника отходов, что создает нишу, не покрытую крупными стационарными перерабатывающими заводами.

Двойное назначение результатов проекта предполагает их использование и в гражданских сферах. Примерами потребителей могут быть следующие организации и компании:

• геологоразведочные организации;
• крупные компании по добыче полезных ископаемых в районах Крайнего Севера и Арктики, потребляющие ГСМ с последующей утилизацией использованной НПТ;
• авиационные и железнодорожные подразделения, а также судоходные компании, занимающиеся грузоперевозками;
• подразделения Росводоканала, чистящие стоки от ТБО;
• малые предприятия, в том числе сельскохозяйственного назначения, имеющие полимерные отходы;
• предприятия животноводства и птицеводства, утилизирующие продукты жизнедеятельности крупнорогатого скота, свиней и птицы.

Указанные потребители – это не абстрактный список, а четкие адресаты с понятными экономическими и экологическими проблемами, которые решает МУС.

Unified Ecosystem of Polymer Waste Management: Creation and Recovery of Petroleum Product Containers

V. I. Trushlyakov, G. S. Russkikh, D. Y. Davydovich, K. A. Brazhnikova, D. E. Ilts

The article presents a comprehensive project that includes the development of a polymer composite material for petroleum product containers and the creation of a mobile recycling system with a closed energy cycle for the disposal of these containers. The relationship between the composition of the material and the technology of its processing is shown. The joint implementation of these solutions makes it possible to implement the principles of circular economy, reduce the environmental footprint and create an economically profitable model of polymer waste management for remote regions.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 3 (322) 2026 г., с. 25-31.