Математическое моделирование процесса термического разложения отработанных деревянных шпал

УДК 691.115

Д. В. Тунцев, Р. Г. Сафин, М. Р. Хайруллина, Э. К. Хайруллина, А. С. Савельев

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ

ОТРАБОТАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ШПАЛ

Ключевые слова: деревянные шпалы, сушка, пиролиз, конденсация.

Представлена математическая модель стадии термического разложения утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза, которая позволяет рассчитать основные технологические параметры процесса и конструктивные характеристики реактора пиролиза.

Keywords: wooden sleepers, drying, pyrolysis, condensation.

A mathematical model of the stage of the thermal decomposition of waste recycling wooden sleepers by pyrolysis, which allows the calculation of basic process parameters and design characteristics of the pyrolysis reactor.

Ежегодно в процессе ремонта железнодорожных полотен и подъездных путей образуется около двух миллионов отработанных деревянных шпал (ОДШ), утилизация которых является сложной задачей, в связи с тем, что они относятся к 3 группе экологически опасных отходов, оказывающие вредное воздействие на здоровье людей и окружающую среду [1, 2]. При этом используемые на сегодняшний день методы утилизации являются малоэффективными и энергозатратными.

Одним из наиболее эффективных методов утилизации ОДШ является термохимический метод - пиролиз [3], который позволяет не просто ликвидировать и обезвреживать ОДШ, но и регенерировать энергию и получать новые материалы. Процесс пиролиза отработанных деревянных шпал сходен с термическим разложением древесины, однако имеет свои особенности [4]. Схема процесса утилизации пиролизом представлена на рис 1.

Процесс пиролиза ОДШ состоит из несколько технологических стадий:

- сушка;

- термическоое разложение;

- конденсации парогазовой смеси;

- сжигание неконденсирующихся газов [5].

Рис. 1 - Схема утилизации ОДШ пиролизом

Сушка перерабатываемого сырья осуществляется в сушильных камерах при температуре 50-80°С топочными газами. Затем высушенное сырье поступает в реактор пиролиза, где осуществляется

термическое разложение с образованием угля и парогазовой смеси (ПГС) [6]. Парогазовая смесь подвергается конденсации с образованием жидкого продукта, содержащим в своем составе компоненты каменноугольного масла. Неконденсируемая часть парогазовой смеси на выходе из конденсатора делится на два потока: часть газов направляется в теплогенератор для выработки тепловой энергии; другая же часть предварительно подогревается и направляется в реактор пиролиза [7] для интенсификации процесса термического разложения ОДШ.

Термическое разложение ОДШ начинается при температуре 150-170°С с распада наименее термостойких компонентов. При этом выделяется реакционная вода, углекислоты и некоторые другие продукты, а так же наблюдаются изменения химического и элементарного состава сырья. Увеличение температуры приводит к более сложным химическим процессам в сырье. При температуре более 250°С начинается бурный распад ОДШ с выделением тепла и образованием основной массы продуктов разложения. При этом тепло, переданное перерабатываемому сырью, способствует отщеплению углеродосодержащих групп и образованию новых веществ, с меньшим молекулярным весом [8]. Заканчивается процесс образования новых продуктов при 400-500°С.

Используемое как антисептическое средство каменноугольное масло практически не испаряется при постоянной скорости сушки (сотые доли процента по массе). При достижении сырья температуры 150-170°С начинают испаряться лёгкие фракции каменноугольного масла. С увеличением температуры сырья до 200-210°С испаряются фенольные фракции, до 230°С - нафталиновая фракция, при 300°С - поглотительная часть, до 360°С - антраценовая фракции. Воздействие высоких температур приводит к изменениям сложных циклических структур ароматических углеводородов, входящих в состав

каменноугольного масла, на молекулярном уровне, в результате образуются новые полициклические соединения - полиароматические углеводороды.

Реальная картина процесса утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза

довольно сложна. Для получения конструктивного математического описания стадии термического разложения, сохранив необходимую степень адекватности, принимаем следующие допущения:

- рассматриваем процесс пиролиза ОДШ как совокупнсть процессов термического разложения древесины и дистилляции каменноугольного масла;

- полагаем, что парогазовая смесь, образующаяся в результате термического разложения отработанных деревянных шпал, состоит из аддитивной смеси компонентов каменноугольного масла и продуктов пиролиза древесины;

- полагаем, что парогазовая смесь подчиняется законам идеальных газов, вследствие низкого давления и высокой температуры;

- вследствие многокомпонентности смеси и незначительной концентрации большинства компонентов считаем, что парогазовая смесь состоит из смеси нескольких основных химических компонентов;

- пренебрегаем тепловыми потерями, вследствие надежной теплоизоляции и герметичности реактора пиролиза.

Расчетная схема стадии термического разложения представлена на рис. 2. Рециркулирующие газы, нагретые в теплообменнике, проходят по всему объёму реактора, прогревая загруженное в него сырье [9, 10].

Рис. 2 - Расчетная схема стадии термического разложения ОДШ

Уравнение теплового баланса стадии термического разложения ОДШ, согласно рис. 2 представим следующим образом:

Яс+в г + &в л • ес = в уг + в „с

сумма тепла поступающего в реактор с предварительно прогретым и подсушенным сырьем, тепло неконденсируемого пиролизного газа, а также тепловой эффект реакций термического разложения количественно равно сумме тепла уходящих из реактора угля и парогазовой смеси.

Уравнение материального баланса стадии термического разложения ОДШ можно представить в виде:

Ос + О1с = О уг + О пгс ,

то есть сумарный расход сырья и газов, входящих в реактор, равна сумарному расходу уходящих из реактора угля и парогазовой смеси.

Тепло, необходимое для осуществления процесса термического разложения, запишем уравнением

в „ = в пгс " в

I 3

пгс

с г (Ттс - Т„гс ) О

в котором тепло неконденсируемого пиролизного газа определяется уравнением:

в4 = с Т О 7 +

х-'пгс у п с у V ^ пгс п пгс ' пгс У У ' с с с л-'п с )

Требуемая температура парогазовой смеси на входе в реактор Т4пгс определяется выражением: в 4

Т 4 _ пгс к '

О

4

пгс

При этом расход рециркулирующего газа из условий устойчивости зернового слоя определяется соотношением:

О!с =иг Я сеч Рг ^

Задавшись параметрами идеального газа для ПГС, теплоемкость смеси в уравнениях (3, 4) находим по уравнению

с = а1 + а2 • С + а3 • Н + а4 • О

В табл. 1 представлены коэффициенты уравнения (7) в зависимости от температуры [11].

Таблица 1 - Коэффициенты уравнения

Т, °К а: а2 аэ а4

300 4,86 9,04 5,69 11,4

400 0,864 12,6 7,37 13,9

500 -1,85 15,5 8,89 15,7

600 -4,61 17,5 10,5 17,5

800 -7,49 20,1 13,1 19,4

1000 -8,53 21,6 15,2 20,4

1500 -7,37 23,9 17,9 20,6

Теплота парообразования ПГС Гпгс в уравнении (4) определяется по правилу аддитивности согласно принятых допущений:

Гпгс = Е Г ^ У1

Определить теплоту парообразования при температуре Т можно по уравнению

38

Т.

где теплота парообразования при нормальных условиях г0, определяется из соотношения:

(1п(

р..

т

101 ,325

-) - 1)

0,930 - т ,

При этом приведенная температура кипения Тпк определяется уравнением:

Тпк=Тк/Ткрит.

Поток парогазовой смеси ]„;,с при пиролизе шпал рассчитывается как произведение массового расхода сырья в реакторе на долю образовавшейся парогазовой смеси:

рн • л - 7 )

J пгс

• (1 - 7у).

Т п Iуд

Продолжительность процесса пиролиза тп определяется по эмпирической формуле, полученной в результате исследования кинетики процесса термического разложения ОДШ.

крит

Г

Г

0 ,

0, = 1,093 ят .рит

г

Тп = 8,222 X 10 4 X Н °,52 X0'41 х ТП "1Д7 . (13) Массовая доля угля образующаяся при термическом разложении Уу определяется по эмпирическому уравнению:

1

7

Yy =-

-4,61 + 0,020285381 • Тп

Принимая производительность пиролизного реактора равной расходу сухого сырья: B=Gc, можно определить его объем:

V = т •

р .

Представленное математическое описание стадии термического разложения процесса утилизации ОДШ, позволяет определить основные конструктивные и технологические параметры реактора пиролиза.

Литература

1. Тимербаев, Н.Ф. Утилизация твердых отходов деревопереработки, содержащих токсичные вещества [Текст]/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Сатарова // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - №4. - С.79-84.

2. Сафин, Р.Г. Разработка композиционных материалов на основе древесных отходов [Текст]/ Р.Г. Сафин, Т.Д. Исхаков, А.А. Гайнуллина, Т.О. Степанова, А.Р. Хабибуллина // Деревообрабатывающая промышленность. - 2014. - №4. - С. 32-37.

3. Тунцев, Д.В. Современные направления переработки древесной биомассы [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, М.Р. Хайруллина, А.С. Савельев, И.С. Романчева // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2015. - Т. 3. - №2-1(13-1). - С. 464-468.

4. Тунцев, Д.В. Ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, Р.Г. Хисматов, М.Р. Хайруллина, Э.Е. Антипова, И. Ф. Гараева // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т. 18. - №5. -С. 248-250.

5. Хисматов, Р.Г. Установка переработки низкокачественной древесины в уголь [Текст]/ Р.Г. Хисматов, Е.В. Хисматова, Д.В. Тунцев, М.Р. Хайруллина, А.С. Савельев, И.С. Романчева // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - №22. - С. 297-300.

6. Грачев, А.Н. Технология быстрого пиролиза при энергетическом использовании низкокачественной древесины [Текст]/ А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, И.А. Валеев, Р.Г. Хисматов, А.А. Макаров, Д.В. Тунцев // Энергетика Татарстана. - 2008. - №4. - С. 16-20.

Исмагилова, Л.М. Математическое описание стадии пиролиза с кондуктивным подводом тепла при газификации древесного сырья [Текст]/ Л.М. Исмагилова, А.Р. Садртдинов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т. 2. - №5-4(10-4). - С. 115-119.

8. Грачев, А.Н. Исследование физико-химических свойств жидкого пиротоплива из отходов древесины и оценка возможности его энергетического использования [Текст]/ А.Н. Грачев, Р.А. Халитов, Ю.П. Семенов, Е.Ю. Разумов, Д.В. Тунцев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2009. - №4. - С. 24-26.

9. Тунцев, Д.В. Переработка низкокачественной древесины в уголь на установке «ПУ-10» [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, М.Р. Хайруллина, А.С. Савельев, И.С. Романчева // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2015. - Т. 3. - №2-1(13-1). - С. 459-463.

10. Тунцев, Д.В. Разработка комплексной технологии термохимической переработки древесных отходов [Текст]/ Д.В. Тунцев, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2014. - №4. - С.50-55.

11. Тунцев, Д.В. Математическая модель термического разложения древесины в условиях кипящего слоя и конденсации продуктов разложения [Текст]/ Д.В. Тунцев, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №14. - С. 94100.

Основные обозначения:

с - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); р - плотность, кг/ м3; Т - температура, К; V - объём, м3;

] - поток вещества, кг/(м2с ); т - время, сек;

г - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; У - мольная доля компонентов; Р - общее давление, Па; Р - парциальное давление, Па;

К - универсальная газовая постоянная, Дж/(КмольК); 8, Е - площадь, м2; / - удельн. поверхность, м2/м3; В - производительность топки, кг/с.

Индексы:

I - компонет;

с - сухое сырьё;

пгс - парогазовая смесь;

п - пиролиз;

у - уголь;

г - газ;

сеч - сечение;

крит - критический;

0 - при нормальных условиях;

пк - приведенная температура кипения;

уд - удельный;

н - начальный.

© Д. В. Тунцев - к.т.н. доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, tuncev_d@mail.ru; Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Переработки древесных материалов КНИТУ, Safin@kstu.ru; М. Р. Хайруллина -магистрант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, 09111991m@gmail.ru; Э. К. Хайруллина - магистрант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ; А. С. Савельев - студент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, sowells@ mail.ru.

© D. V. Tuntsev - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, tuncev_d@mail.ru; R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department Processing of wood materials KNRTU, Safin@kstu.ru; M. R. Khairullina - master of chair of processing of wood materials KNRTU, 09111991m@gmail.ru; E. K. Khairullina - master of chair of processing of wood materials KNRTU, 09111991m@gmail.ru; A. S. Savelyev - student of the processing of wood materials KNRTU, sowells@ mail.ru.