Исследование состава и свойств продуктов переработки древесной пометно - подстилочной массы термохимическим методом

А. Н. Грачев, Р. А. Халитов, А. З. Халитов,

Ю. Б. Грунин

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНОЙ ПОМЕТНО - ПОДСТИЛОЧНОЙ МАССЫ ТЕРМОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Ключевые слова: древесная пометно - подстилочная масса (ДППМ), термохимический метод.

В работе представлен материальный баланс продуктов термического разложения ДППМ, количественный химический анализ углистого остатка, хромато-масс-спектрометрический анализ парогазовой смеси.

Keywords: wood litter - covering weight (WLCW), a thermochemical method.

In article the material balance of products of thermal decomposition WLCW, the quantitative chemical analysis of the char, the hromato-mass spectrometer analysis of volatile mix is presented

Одной из существенных проблем птицефабрик является образование древесной пометно -подстилочной массы (ДППМ). Для каждого цыпленка в производственном цикле требуется 2,5 - 3 кг древесных отходов, что приводит к образованию 3,5 - 7,5 кг отходов 3 класса опасности в виде ДППМ. Растительные корма в организме животных в результате сложных биохимических процессов трансформируются в органическое вещество тела животного. Установлено, что в продукты животноводства при этом переходит 16,4% всей энергии кормов, 25,6% идет на переваривание и усвоение, а большая часть энергии, около 58%, превращается в навоз.

Сырой куриный помет представляет собой устойчивую коллоидную систему влажностью 80 - 90%, поэтому на птицефабриках для улучшения технологичности и условий выращивания птицы помет смешивают с древесными отходами. В состав помета входят различные химические вещества, например, кислоты, сульфиды, сераорганические соединения, бензопироллы, фенолы (в частности 2,6 -

дитретбутилфенол и его производные); 2,6 -

дитретбутилкрезол, бензохиноны, ароматические соединения, витамины (каротин, провитамины Д, Е, К; рибофлавин, пиридоксин; никотиновая кислота, В12 и т.д.), в пределах до 1,5% имеются все незаменимые аминокислоты [1].

Одним из наиболее перспективных способов переработки ДППМ, является термохимический метод, который представляет собой термическое разложение пометной массы в отсутствии окислителя при относительно низких температурах 450 - 550 °С и высокой скорости нагрева 500 - 1000 °С/сек. с незначительным временем пребывания продуктов в реакционном пространстве (до 2 - 3 с) [2]. В результате термического разложения ДППМ образуются углистый остаток и парогазовая смесь, которая в последствии разделяется на жидкие продукты и неконденсируемый газ.

Исследование процесса быстрого пиролиза ДППМ проводилось на экспериментальном стенде, схема которого представлена на рис. 1.

Экспериментальный стенд состоит из реактора 2 с

нагревателем 6, баллона с инертным газом 1, трансформатора 9 с регулятором мощности 10, газгольдера в виде мерного цилиндра 8, системы управления и обработки данных 12, видеокамеры 13.

Рис. 1 - Экспериментальный стенд для

исследования процесса термического разложения ДППМ

Блок продувки системы инертным газом состоит из баллона с азотом 1 и трехходового крана 7 для открытия и закрытия системы. Реактор представляет собой нагреватель, установленный внутри цилиндрического стального корпуса 2, который герметично закрывается с двух сторон резиновыми пробками 3. Нагреватель состоит из двух токоподводящих электродов 6, между которыми расположен нагревательный элемент -сетка из нержавеющей стали. Токоподводящие электроды выполнены в виде медных трубок с припаянными к концам медными зажимными пластинами для крепления сетки. Подача постоянного электрического тока осуществляется трансформатором 9. Сила тока, а соответственно скорость и температура нагрева регулируются регулятором мощности 10. Для измерения изменения температуры во время процесса к сетке вплотную крепится термопара 5. Показания термопары через АЦП записываются на компьютере с частотой 5 Гц. Выделяющиеся в процессе термического разложения газы собираются в мерном цилиндре 8 и фиксируются видеокамерой.

В результате проведенных исследований был определен материальный баланс процесса термического разложения ДІЛІМ, представленный в табл. 1.

Таблица 1 - Материальный баланс продуктов термического разложения ДППМ

Проба Углистый остаток, % Газ, % Пиролизная жидкость, %

1 33,3 22,9 43,8

2 33,4 24,4 42,2

3 36,2 31,3 32,5

Исследование процесса показало, что при термическом разложении ДППМ образуются жидкие, твердые и газообразные продукты почти в равных долях. Выход жидких продуктов в среднем составляет 39,5%, а выход углистого остатка составляет 34,3% от массы исходной сухой ДППМ.

Для оценки возможности использования углистого остатка проведен количественный химический анализ его состава. Анализ осуществлялся следующим образом. Углистый остаток полученный при исследовании подвергался прокаливанию в муфельной печи при температуре 900 °С в течении 1 часа и зольность при этом составила 46,18%. Дальнейший его анализ методом спектрометрии ICP -OES - OPTIMA 2000DV показал, что зола содержит следующие соединения, %, MnO - 0,15; CaO - 21,65; MgO

- 2,34; Na2O - 0,7; K2O - 1,25; P2O5 - 7,88. Содержание тяжелых металлов в минеральной части составляет, %: Co - 0,0009; Pb - 0,0006; Cd - <0,0005; As - 0,0002. Результаты анализа в целом показывают что минеральная часть углистого остатка может быть с успехом использоваться в сельском хозяйстве.

Также был проведен хромато-масс-

спектрометрический анализ парогазовой смеси который показал, что парогазовая смесь образующаяся в

процессе термического разложения ДППМ представляет собой многокомпонентную смесь, основным компонентом которой является бензол. Также были идентифицированы некоторые другие органические соединения, такие как С4Н2, С4Н4, С4Н6; фуран С4Н4О; циклопентадиен С5Н6; С6Н8;

диметилдисульфид; толуол.

Таким образом, в результате проведенных исследований были определены материальный баланс процесса термического разложения ДППМ, количественный химический анализ углистого остатка ДППМ, а также хромато-масс-спектрометрический анализ парогазовой смеси. Исследование продуктов образующихся в процессе термического разложения показало:

- углистый остаток обладает высокой зольностью 46,18%, содержит Р2О5, СаО, МдО К2О,

что позволяет его использовать в сельском хозяйстве;

- основным компонентом парогазовой смеси является бензол, который может сжигаться непосредственно для выработки тепловой и электроэнергии, а также использоваться как ценное химическое сырье для дальнейшей переработки.

Литература

1. Башкиров, В.Н. Исследование термохимического метода переработки куриного помета и определение материального баланса продуктов / В.Н. Башкиров, А.З. Халитов, А.Н. Грачев, Д.В. Тунцев, А.Т. Шаймуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. Т. 14, - №1. - С. 105.

2. Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы путем быстрого пиролиза. Часть 1 / / Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1999. - №2. - С. 3-30.

©А. Н. Грачев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, energolesprom@gmail.com; Р. А. Халитов - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования химических заводов КНИТУ; А. З. Халитов - асп. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, ajdar-khalitov@rambler.ru; Ю. Б. Грунин - д-р хим. наук, проф. каф. физики МарГТУ.