Энерго- и ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза

ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ШПАЛ МЕТОДОМ ПИРОЛИЗА

Т.Д. ИСХАКОВ, В.Н. БАШКИРОВ, А.Н. ГРАЧЕВ, Р.Г. САФИН Казанский государственный технологический университет

В статье рассмотрена возможность утилизации отработанных деревянных шпал (ОДШ) методом пиролиза. Представлены результаты экспериментальных исследований кинетики пиролиза ОДШ, анализ жидких продуктов пиролиза, а также исследования характеристик угля, полученного из отработанных деревянных шпал методом пиролиза. Проведенные исследования позволили сделать заключение о технологической возможности утилизации ОДШ методом пиролиза с высокой энергетической и экономической эффективностью.

Проблема с утилизацией отработанных деревянных шпал, ежегодно образующихся на территории РФ в количестве более 2 млн. штук, стала настолько актуальной, что различные подразделения ОАО «РЖД» приступили к реализации программы по решению данной проблемы. В связи с ужесточением экологического законодательства наиболее часто используемые методы утилизации ( использование в качестве строительного материала или утилизация сжиганием) не могут быть использованы для переработки отработанных деревянных шпал. Каменноугольное масло, до некоторого времени применявшееся в качестве антисептика для деревянных шпал повсеместно, а теперь уже в меньшей степени, по степени воздействия на организм относится к первому (чрезвычайно опасное вещество) или второму ( высокоопасное вещество) классу в зависимости от массовой доли токсичных веществ в возгонах каменноугольных смол. Вредное воздействие каменноугольного масла обусловлено действием токсичных компонентов, входящих в его состав, наиболее опасным из которых является бенз(а)пирен, классифицирующийся как вероятно канцерогенный для человека и как канцероген при воздействии на животных. Захоронение отработанных деревянных шпал должно осуществляться на специально оборудованных площадках и полигонах, что ведет к большим финансовым затратам. Экономическая и экологическая целесообразность существующих в настоящее время предложений по утилизации отработанных деревянных шпал (использование в композиционных материалах и строительстве, газификация с последующим сжиганием, химическая нейтрализация и др.)[1] в большинстве случаев ставится под сомнение, т.к. процесс пиролиза осуществляется в герметичных условиях, что исключает какие либо выбросы. Сами же продукты пиролиза: жидкие, газообразные и твердые, а также тепловая энергия могут быть использованы после соответствующей доработки как товарные продукты[2].

С целью оценки возможности утилизации ОДШ методом пиролиза и экспериментального исследования процесса пиролиза ОДШ была разработана экспериментальная установка[3], на которой были проведены исследования кинетики пиролиза ОДШ и получены пробы продуктов пиролиза при различных условиях процесса и массовых содержаниях каменноугольного масла в древесине.

Эксперимент осуществлялся следующим образом. Образец прямоугольной формы, вырезанный из пропитанной части отработанной шпалы, устанавливался внутрь камеры пиролиза и подвергался нагреву. Образовавшаяся в процессе

© Т.Д. Исхаков, В.Н. Башкиров, А.Н. Грачев, Р. Г. Сафин Проблемы энергетики, 2008, № 11-12

термического разложения парогазовая смесь конденсировалась в конденсаторе, а неконденсирующиеся газы отводились в газгольдер. Изменение веса образца фиксировалось непрерывно в течение всего процесса пиролиза системой сбора и обработки информации на основе тензометрического датчика с частотой 100 Гц. Эксперимент прекращался после того, как масса образца достигала постоянной величины, что свидетельствовало об окончании выделения летучих веществ.

В ходе проведенных экспериментов было выявлено влияние размеров и влажности образцов, а также температуры среды на характер кинетических кривых и продолжительность процесса пиролиза [3].

Проведенные исследования показали, что полученные кинетические зависимости процесса пиролиза отработанных деревянных шпал аналогичны зависимостям, полученным при пиролизе древесины. Обработка исходных кинетических кривых позволила построить зависимости продолжительности процесса пиролиза ОДШ от различных режимных параметров. Представленная на рис. 1 зависимость продолжительности пиролиза для образцов древесины сосны и ОДШ от температуры процесса показывают снижение продолжительности пиролиза с увеличением температуры. Анализ результатов экспериментальных исследований процесса пиролиза древесины и отработанных деревянных шпал [3] показал незначительное расхождение между ними, которое не превышает 9 %, что позволяет применять, с допустимой для инженерной практики точностью, кинетические зависимости процесса пиролиза древесины для моделирования процесса пиролиза отработанных деревянных шпал.

24

22

20

18

16

14

12

10

\ к Г* о ДШ

\ г 3 о С оспа

573 623 673 723 773 Т, К

Рис. 1. Зависимость продолжительности процесса пиролиза для образцов древесины сосны и ОДШ от температуры среды

В результате обработки полученных данных по продолжительности пиролиза ОДШ разработана трехфакторная модель пиролиза, позволяющая рассчитать продолжительность процесса в зависимости от размеров и влажности образца, а также от температуры среды:

т = 8,222х 104 • к°’502 • °’41 • г-1’17.

Отклонение результатов расчета от экспериментальных данных не превышает 10 %.

© Проблемы энергетики, 2008, № 11-12

у, кг/кг

0,28

0,26

0,24

0,22

0,2

0.18

0,16

0,14

ч

ч ч V

ч ч

ч ч : ч

N

Г, К

673 693 713 733 753 773

Рис. 2. Зависимость массовой доли угля от температуры процесса пиролиза

Обработка экспериментальных данных, представленных на рис. 2,

позволила сделать вывод об увеличении выхода угля с уменьшением температуры пиролиза.

По этим данным в программной среде «Regress» была получена эмпирическая зависимость выхода угля в зависимости от температуры:

1

У =----------------------.

- 4,61 + 0,020285381•t

Также был проведен анализ химического состава жидких продуктов пиролиза ОДШ[4]. Анализ осуществлялся на хромато-масс-спектрометре «TurboMass Gold» фирмы «Perkin Elmer» с использованием капиллярной колонки «Elite 5ms» длиной 30 м и внутренним диаметром 0,2 мм с предварительной подготовкой проб методом термостатирования. Результаты анализа проб образцов из поверхностной зоны со средним массовым содержанием каменноугольного масла в размере 80 % показали высокое содержание фенолов-20,1 %, фенантренов-17,2 %, пиренов-16,9 % и некоторых других соединений, характерных для состава каменноугольного масла. Однако следует отметить и наличие легких фракций. При анализе паровой фракции пробы, полученной путем термостатирования при 343 К, обнаружены в больших количествах ацетон 22 %, и бутанол 12 %. Результаты анализа проб, полученных при пиролизе образцов со средним массовым содержанием каменноугольного масла в размере 12,9 %, что соответствует общему массовому содержанию пропиточного состава в деревянных шпалах, показали преобладание лесохимических продуктов: уксусной кислоты 31,1 %, фурфураля 11,4 %, метилацетата 14,6 % с незначительной долей компонентов каменноугольного масла. В целом, результаты аналитических исследований позволяют подтвердить гипотезу аддитивности химического состава жидких продуктов, полученных при пиролизе ОДШ, в зависимости от массовой доли каменноугольного масла. Очевидно, это вызвано тем, что основные соединения каменноугольного масла термодинамически устойчивы в температурных режимах пиролиза древесины (523-723 К). Это позволяет в первом приближении рассматривать процесс пиролиза ОДШ как совокупность процессов пиролиза древесины и дистилляции каменноугольного масла.

С целью определения возможности промышленного использования угля, полученного при пиролизе ОДШ, была разработана экспериментальная установка для активации угля [5]. Активация угля осуществлялась при различных температурах. Проверка адсорбционной активности угля по йоду показала, что © Проблемы энергетики, 2008, № 11-12

активность угля, полученного из ОДШ, незначительно, в среднем на 5 %, отличается от адсорбционной активности древесного угля, что делает возможным его применение в технических целях на производстве.

В результате обобщения всех полученных результатов была разработана опытно- промышленная установка для пиролиза отработанных деревянных шпал. Полученные в ходе пуско-наладочных работ результаты показали, что разработанная методика расчетов с достаточной долей достоверности позволяет рассчитать конструктивные параметры основных стадий утилизации.

Классически принято рассматривать процесс пиролиза как эндотермический, т.е. процесс пиролиза является энергетически, а следовательно, и экономически затратным. Однако проведенные исследования показали, что утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза может быть организована с высокой энергетической и экономической эффективностью. Образующегося при сжигании неконденсирующихся газов тепла достаточно как для покрытия энергетических затрат процесса пиролиза, так и для каких-либо технических или бытовых нужд.

Кроме того, данная технология позволяет получить коммерческие продукты в виде смеси компонентов каменноугольного масла и угля.

Анализ химического состава конденсированного продукта пиролиза показал возможность его вторичного использования в качестве антисептика для изделий из древесины.

Проверка адсорбционной активности угля по йоду показала возможность промышленного использования полученного угля в качестве сорбента.

Summary

In article the opportunity of utilization of waste wooden cross ties by a method of pyrolysis is considered. Results of experimental researches of pyrolysis kinetics of waste cross ties, analysis of liquid products and characteristics of char obtained in the result of pyrolysis are presented. Researches allowed to make the conclusion about the technological possibility of utilization of waste cross ties by the method of pyrolysis with high energetical and economical efficiency.

Литература

1. Титова Т. С. Технология утилизации отработанных деревянных шпал // «Безопасность жизнедеятельности». - 2005. - №10. - C.31-34.

2. Грачев А.Н., Валеев И.А, Сафин Р.Г. Пиролиз отходов деревообрабатывающих предприятий // Изв. вузов. Химия и химическая технология. -2006. - Т. 49. - Вып. 10. - С. 104-108.

3. Исхаков Т.Д. Грачев А.Н., Сафин Р.Г. Пирогенетическая переработка отработанных деревянных шпал // Жить в XXI веке: Материалы VII Республиканской школы студентов и аспирантов. - Казань, 2007. - C. 87-88.

4. Исхаков Т.Д., Грачев А.Н., Сафин Р.Г. Исследование химического состава продуктов, образующихся при пиролизе отработанных деревянных шпал. 4-я Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития лесного комплекса». - Вологда, 2007. - С.112-113.

5. Исхаков Т.Д., Урусов А.В., Грачев А.Н. Установка для исследования сорбционной активности угля из отработанных деревянных шпал // Тезисы докладов научной сессии КГТУ. - Казань, 2008. - С.29-30.

Поступила 28.10.2008

© Проблемы энергетики, 2008, № 11-12