Современное состояние термической переработки органических отходов. Часть 1

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
Р. Г. Сафин, В. Г. Сотников 
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ 
ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ 
Часть 1 
Монография 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2023 

УДК 674.8.04 
ББК 37.13  
С21 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
канд. техн. наук Е. К. Воронин 
канд. техн. наук Е. Ю. Щелыванов 
С21 
Сафин Р. Г. 
Современное состояние термической переработки органических отходов : монография: в 2 ч. Ч. 1 / Р. Г. Сафин, В. Г. Сотников; Минобрнауки 
России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2023. – 96 с. 
ISBN 978-5-7882-3349-9 (общ.) 
ISBN 978-5-7882-3350-5 (ч. 1) 
Представлено современное состояние техники и технологии термохимической переработки органического сырья: рассмотрены структурные методы переработки биомассы, механизмы термического разложения органического сырья. 
Предназначена для инженерно-технических работников, бакалавров и магистров направлениий подготовки 35.03.02 (35.04.02) «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств», 15.03.02 (15.04.02) «Технологические машины и оборудование». 
Подготовлена на кафедре переработки древесного материала. 
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда 
№ 23-26-00036. 
УДК 674.8.04 
ББК 37.13 
ISBN 978-5-7882-3350-5 (ч. 1) 
ISBN 978-5-7882-3349-9 (общ.) 
© Сафин Р. Г., Сотников В. Г., 2023 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2023 
2

О Г Л А В Л Е Н И Е
Введение 
......................................................................................................................... 4 
1. СТРУКТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И ОСНОВЫ
ИХ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ 
...................................................................... 5 
1.1. Структурный состав природных полимеров 
.................................................... 5 
1.1.1. Целлюлоза 
...................................................................................................... 9 
1.1.2. Гемицеллюлоза ........................................................................................... 14 
1.1.3. Лигнин 
.......................................................................................................... 16 
1.2. Основы термической переработки органических отходов 
........................... 20 
1.3. Основные продукты термического разложения органических отходов 
..... 28 
1.3.1. Жидкости ..................................................................................................... 28 
1.3.2. Газы .............................................................................................................. 32 
1.3.3. Уголь ............................................................................................................ 33 
1.4. Влияние исходного сырья и условий эксплуатации на удельный 
выход и состав продуктов термического разложения ......................................... 36 
2. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ
ОТХОДОВ.................................................................................................................... 39 
2.1. Медленный пиролиз ......................................................................................... 40 
2.2. Химическая обработка органического сырья ................................................ 56 
2.3. Каталитический пиролиз 
.................................................................................. 58 
2.4. Активация карбонизатов и возможности применения активированных 
углей, полученных из органических отходов ....................................................... 70 
Заключение .................................................................................................................. 79 
Список литературы ..................................................................................................... 81 
3 

В В Е Д Е Н И Е
Значительная часть деятельности, которую осуществляет человечество, влечет за собой те или иные последствия для окружающего 
мира. Начиная с древнейших времен человек воздействовал на окружающую его среду с целью обеспечить себе средства к существованию, 
например вел сельскохозяйственные работы. Для того чтобы получить 
достаточное количество посевных площадей, требовалось вырубать 
или сжигать леса. В индустриальную эпоху нагативное влияние человека на окружающую среду достигло своего пика. В настоящий момент 
все большее количество людей соглашается с тем, что человечеству 
действительно следует минимизировать антропогенную нагрузку на 
окружающую среду, в связи с чем сформировались новые направления 
экономической мысли, новые экономические концепции.  
Современный подход к отходам, в частности к органическим, подразумевает, что они воспринимаются в качестве ресурсов, следовательно, требуют соответствующего отношения. Отходами необходимо 
управлять, как и остальными ресурсами, они не должны выводиться из 
производственного цикла путем захоронения на полигонах.  
Расширение сырьевой базы для получения востребованных в промышленности материалов – важная задача химической технологии. 
Особый интерес представляет использование возобновляемых растительных ресурсов, запасы которых постоянно пополняются, но практически не используются. 
Существуют эффективные технологии переработки углеродсодержащих отходов, одной из которых является пирогенетическое разложение отходов с получением древесного угля. С учетом этих фактов остро 
встает вопрос об эффективной переработке органических отходов.  
В данной работе на основе анализа современного состояния вопроса термической переработки органических отходов дана объективная оценка сложившейся в мире ситуации по вопросу рационального 
природопользования.  
4 

.  С Т Р У К Т У Р А  О Р Г А Н И Ч Е С К И Х  О Т Х О Д О В  
И  О С Н О В Ы  И Х  Т Е Р М И Ч Е С К О Г О  Р А З Л О Ж Е Н И Я
Отходы – это вещества или предметы, образованные в процессе 
производства, выполнения работ, оказания услуг или потребления, которые перерабатываются, утилизируются или подвергаются захоронению. 
По данным Счетной палаты, в 2022 году в РФ было образовано 
около 80 млн тонн твердых отходов, при этом более 30 % от этого объема приходится на отходы лесопромышленного комплекса, пищевые, 
текстильные, бытовые (бумага картон) отходы. Объединяет эти отходы 
их родственный химический состав. Соответственно, их можно определить как растительные отходы.  
Наиболее предпочтительным методом обращения с данными отходами служит их переработка, но ввиду отсутствия современных технологических процессов переработке подвергается не более 20 % данной группы отходов. Остальная часть утилизируется посредством сжигания или подвергается захоронению. И то и другое наносит вред как 
окружающей среде, так и экономике.  
В даной главе представлены данные по сруктурному и химическому составу оранических отходов. Приведены существующие механизмы термического разложения оранических отходов. Описаны основные продуты термической переработки. 
1 . 1 .  С т р у к т у р н ы й  с о с т а в  п р и р о д н ы х  п о л и м е р о в
Органическое сырье можно разделить на две большие группы. 
Первая группа представлена сырьем, полученным из рукотворных полимеров нефтяного происхождения. Вторая группа – это сырье, основу 
структуры которых составляет комплекс природных полимеров: целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. Отходы данной сырьевой группы 
называют растительными отходами. 
Растительные отходы – это группа отходов, основой состава которой является лигниноуглеводный комплекс целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина. 
5 

В табл. 1.1. представлен компонентный состав некоторых видов 
растительных отходов. 
Таблица 1.1 
Компонентный состав растительных отходов, % 
Растительное сырье 
Лигниноуглеводный комплекс 
Иные  
вещества 
Целлюлоза 
Гемицеллюлоза 
Лигнин 
Древесные отходы 
44 
22,4 
29 
4,6 
Лузга подсолнечника 
22,6 
30,7 
29,1 
17,6 
Косточки фруктов 
60 
8 
– 
32 
Льняная ткань 
71,2 
18,6 
2,2 
8 
Хлопковая ткань 
91,8 
– 
0,7 
7,5 
Скорлупа грецкого 
ореха 
30,4 
21,4 
48,2 
– 
Картон 
94 
– 
– 
6 
В свою очередь, лигниноуглеводный комплекс данных отходов образован такими химическими элементами, как углерод С (до 49,5 %), кислород O (до 44,1 %), водород Н (до 6,3 %) и азот N (~0,12 %). Данный химический состав открывает широкие возможности для их переработки. 
 
Рис. 1.1. Классификация растительных отходов 
Принадлежность отходов к растительной группе определяется их 
химическим составом. Но в целом, учитывая схожесть состава, классификацию отходов можно упростить и принять ее в том виде, как показано на рис. 1.1. Так, к группе растительных отходов можно целиком 
6 

отнести отходы лесоперерабатывающего комплекса и в целом любой 
вид древесины, отходы текстиля от натуральных тканей, а также пищевые отходы различных плодовоовощных и ягодных сельскохозяйственных культур. 
В различных литературных источниках описаны многочисленные 
способы получения активированного угля из сырья растительного происхождения [12]. 
Эффективным способом переработки растительных отходов является медленный пиролиз или карбонизация. Пирогенетическому разложению может быть подвергнуто любое растительное сырье. В соответствии с данной технологией сырье при необходимости предварительно: 
измельчают, перемешивают, сушат. Пиролиз проводят в герметичных 
камерах с подводом тепла от стенок или других конструктивных элементов аппаратурного оформления. Для удаления тяжелых вредных 
примесей производят активацию паром высокой температуры. 
Термическое разложение растительного сырья сопровождается 
большим количеством сложных реакций и имеет крайне сложное кинетическое описание, ввиду чего модели термического разложения древесины строятся на законах формальной химической кинетики. Для более 
ясного понимания и дальнейшей формализации процесса термохимического разложения растительного сырья необходимо детально рассмотреть каждый химический компонент, из которого состоят растительные отходы. Из табл. 1.1 видно, что основными компонентами являются целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. 
Целлюлоза (C6H10O5)n – это линейный полимер-полисахарид 
(рис. 1.2). Целлюлоза – химически стойкое вещество, нерастворимое 
в воде и в большинстве органических растворителей, температура разложения 260–270 °С. Является главной составной частью клеточных 
оболочек у высших растений.  
 
Рис. 1.2. Структурная формула молекулы целлюлозы 
7 

Гемицеллюлозы (полиозы или ГМЦ) – растительные гомо- и гетерополисахариды, состоящие из пяти нейтральных сахаров: глюкозы, 
маннозы, галактозы, ксилозы, арабинозы. Структурная формула молекулы гемицеллюлозы представлена на рис. 1.3. 
 
Рис. 1.3. Структурная формула молекулы гемицеллюлозы 
Механизм высокотемпературного разложения ГМЦ схож с механизмом разложения целлюлозы. 
Лигнин – природный биополимер ароматической природы. 
Наиболее термостабильный из всех трех основных компонентов растительного сырья. У лигнина отсутствует определенная структурная формула, так как для него характерна нерегулярность строения. 
В растительном сырье, помимо трех названных компонентов, 
также содержатся экстрактивные и минеральные вещества, составляющие неорганическую часть растительного сырья. В зависимости от вида 
сырья содержание данных веществ может достигать 20 %. Несмотря на 
довольно низкий процент содержания в сырье, эти вещества оказывают 
большое влияние на его термическое разложение. Посторонними для 
клеточных стенок являются различные соли, спирты, фенолы, альдегиды, эфиры, алифатические и ароматические углеводы, терпены, кетоны и хиноны и др. 
Полный компонентный состав растительного сырья приведен на 
рис. 1.4. 
8 

Рис. 1.4. Схема компонентного состава растительного сырья 
Высшие молекулярные соединения, представленные легниноуглеводным комплексом, составляют основу растительного сырья, образуя 
клеточную стенку. Неорганические вещества заполняют межклеточное 
пространство. Медленый пиролиз растительных отходов приводит 
к тому, что из клеточной стенки уносится большинство летучих соединений исходного сырья, оставляя в виде твердого остатка углерод 
и наиболее органические тяжелые примеси. Неорганическая часть отделяется от твердого остатка, образуя газ или конденсируясь смесью 
в виде дистиллята, а также остается в угле в виде золы.  
1 . 1 . 1 .  Ц е л л ю л о з а
В 1838 году французский химик Ансельм Пайен описал стойкое 
волокнистое твердое вещество, которое остается после обработки различных растительных тканей кислотами и аммиаком, а также после последующей экстракции водой, спиртом и эфиром. Он элементным анализом определил молекулярную формулу этого вещества как C6H10O5 
9 

и наблюдал изомерию с крахмалом. Термин «целлюлоза» для этого растительного компонента был впервые использован в 1839 году в докладе 
Французской академии о работе Пайена.  
За тысячи лет до открытия «сахара клеточной стенки растений» 
целлюлозу получали из древесины, хлопка и других растительных волокон, а затем использовали в качестве источника энергии, а также для 
изготовления строительных материалов и одежды. Начиная с египетских папирусов значительная часть человеческой культуры была сформирована целлюлозными материалами. 
В качестве химического сырья целлюлоза используется уже около 
150 лет. Компанией Hyatt Manufacturing Company получением нитрата 
целлюлозы при реакции с азотной кислотой впервые был осуществлен 
технический синтез первого термопластичного полимерного материала, 
называемого 
целлулоидом. 
Hyatt 
Manufacturing 
Company 
в 1870 году, продемонстрировала, что новые материалы могут быть получены в промышленных масштабах путем химической модификации 
целлюлозы. На основе данных наработок появились резличные методы 
использования синтетических волокон на основе древесной целлюлозы 
вместо нативных целлюлозных волокон для текстиля и технических изделий. Первым примером тому является получение регенерированных 
целлюлозных нитей из раствора целлюлозы в смеси гидроксида меди 
(II) и водного раствора аммиака. За ним следует самый важный в настоящее время крупномасштабный технический процесс в производстве 
волокна – вискозный процесс.  
С современной точки зрения целлюлоза является наиболее распространенным органическим полимером (общемировое производство 
около 150 млрд тонн в год) и считается практически неисчерпаемым 
источником сырья для растущего спроса на экологически чистые и биосовместимые продукты. Древесное сырье остается важнейшим источником для выработки целлюлозы, большая часть которой используется 
для производства бумаги и картона. Около 2 % (≈3,2 млн т) от всей биомассы задействовано для производства целлюлозных регенеративных 
волокон и пленок, а также для синтеза большого количества эфиров 
и эфиров целлюлозы. Такие производные целлюлозы, производимые 
в промышленных масштабах, применяются в производстве лакокрасочных покрытий, ламинатов, оптических пленок и сорбционных сред, 
а также добавок, повышающих свойства строительных материалов, 
фармацевтических и косметических препаратов, пищевых продуктов. 
В области синтетических волокон процесс производства лиоцелла 
10