Утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза

А. Н. Грачев, Т. Д. Исхаков, В. Н. Башкиров,

Р. М. Иманаев

УТИЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ШПАЛ МЕТОДОМ ПИРОЛИЗА

Ключевые слова: утилизация, деревянная шпала, пиролиз.

Рассмотрена возможность утилизации отработанных деревянных шпал (ОДШ) методом пиролиза. Представлены результаты экспериментальных исследований кинетики пиролиза ОДШ, анализ жидких продуктов пиролиза, а так же исследования характеристик угля, полученного из отработанных деревянных шпал методом пиролиза. Проведенные исследования позволили сделать заключение о технологической возможности утилизации ОДШ методом пиролиза с получением товарных продуктов.

Ежегодно, на территории РФ образуется более 2 млн. штук отработанных деревянных шпал (ОДШ), которые необходимо утилизировать. В настоящее время существует ряд предложений по утилизации ОДШ (использование в композиционных материалах и строительстве, захоронение, газификация с последующим сжиганием, химическая нейтрализация и др.) [1]. Однако экономическая целесообразность и экологическая безопасность данных способов в большинстве случаев ставится под сомнение. Применение технологии пиролиза для утилизации отработанных шпал, на наш взгляд, является более приемлемым как с экономической, так и с экологической точек зрения. Кроме того, продукты, получаемые при пиролизе, можно повторно использовать в качестве промышленного сырья [2].

С целью оценки возможности утилизации ОДШ методом пиролиза и экспериментального исследования процесса пиролиза ОДШ была разработана экспериментальная установка, состоящая из камеры термического разложения с нагревателем и весоизмерительным устройством, конденсатора, сухого газгольдера, насоса, компрессора, запорно-регулирующей арматуры и системы сбора и обработки информации [3].

На данной экспериментальной установке 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 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.

Как видно из представленных на рис. 1 кинетических кривых, полученных при пиролизе образцов различного поперечного сечения влажностью 10% при температуре среды 450°С, продолжительность пиролиза увеличивается с увеличением размера образца.

Рис. 1 - Кинетические кривые изменения массы образцов в зависимости от их размера

Необходимо отметить также, что полученные кинетические зависимости процесса пиролиза отработанных деревянных шпал аналогичны зависимостям, полученным при пиролизе древесины, и имеют три характерных участка: прогрев, термическое разложение и прокалка. Обработка исходных кинетических кривых позволила построить зависимости продолжительности процесса пиролиза ОДШ от различных режимных параметров. Представленная на рис. 2 зависимость продолжительности пиролиза для образцов древесины сосны и ОДШ от температуры процесса, показывают снижение продолжительности пиролиза с увеличением температуры. Анализ результатов экспериментальных исследований процессов пиролиза древесины и отработанных деревянных шпал [3], также показали незначительное расхождение между ними, которое не превышает 9%, что позволяет применять, с допусти-

7. МИН

18

14

10

300

N < > ♦ с >тпт ос на

\ с о о

с <

400

>00 7;^

Рис. 2 - Зависимость продолжительности процесса пиролиза для образцов древесины сосны и ОДШ от температуры среды

мой для инженерной практики точностью, кинетические зависимости, процесса пиролиза древесины для моделирования процесса пиролиза отработанных деревянных шпал.

Обработка экспериментальных данных, представленных на рис. 3, позволила сделать вывод об увеличении выхода угля с уменьшением температуры пиролиза.

ч

ч

* / /

ч ч *

% ' ^

" ^Ч. '

400 440 4S0 Т аС

Рис. 3 - Зависимость массовой доли угля от температуры процесса пиролиза

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

1

У =-------------------- .

- 4,61 + 0,020285381

Кроме того, 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 - температуры среды:

т(h, w , t) = 8,222 • 10 4 • h 0,502 • w 0 41 • t-117

Отклонение результатов расчета от экспериментальных данных не превышает 10%.

Так же, был проведен анализ химического состава жидких продуктов пиролиза ОДШ. 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 термостатирова-ния. Результаты анализа проб образцов из поверхностной зоны со средним массовым содержанием каменноугольного масла в размере 80% показали высокое содержание фено-лов-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 70 °С, обнаружены в больших количествах ацетон 22%, и бутанол 12%. Результаты анали-

за 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 (250-450°С). 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 [4]. Активация угля осуществлялась при различных температурах. Проверка адсорбционной активности угля по йоду показала, что 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. Результаты сравнения адсорбционной активности угля из древесины и ОДШ представлены на рис. 4.

Рис. 4 - Зависимость сорбционной активности древесного угля и угля полученного при пиролизе ОДШ от температуры активации

Таким образом проведенные экспериментальные исследования процесса пиролиза ОДШ позволили сделать заключение о технологической возможности утилизации ОДШ методом пиролиза с получением древесного угля и рециклингом продуктов коксохимии.

Исследование кинетики процесса пиролиза показало возможность применения, с допустимой для инженерной практики точностью, кинетических зависимостей, полученных в условиях пиролиза древесины для моделирования процесса пиролиза ОДШ.

Эмпирические модели, полученные в результате обработки экспериментальных данных, позволяют с погрешностью не более 10% определить выход угля и продолжительность процесса пиролиза в зависимости от температуры среды, размеров и влажности образцов.

Проверка адсорбционной активности угля по йоду показала, что активность угля, полученного из ОДШ незначительно отличается от адсорбционной активности древесного угля, что позволяет говорить о возможности промышленного использования полученного угля в качестве сорбента.

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

Литература

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

2. Исхаков, Т.Д. Пирогенетическая утилизация шпал / Т.Д. Исхаков, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин // Тезисы докладов научной сессии КГТУ. - Казнь: изд-во КГТУ, 2007. - С. 29-30.

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

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

© А. Н. Грачев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ; Т. Д. Исхаков - асп. той же кафедры; В. Н. Башкиров - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.; Р. М. Има-наев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.