Исследование процессов термокондуктивного разложения отработанных деревянных шпал

УДК 691.115

Д. В. Тунцев, М. Р. Хайруллина, А. Р. Садртдинов, Э. К. Хайруллина, И. С. Романчева

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕРМОКОНДУКТИВНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ

ОТРАБОТАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ШПАЛ

Ключевые слова: железнодорожная отрасль, деревянные шпалы, термокондуктивный пиролиз, экологически чистые

технологии.

В работе рассмотрен процесс термокондуктивного пиролиза как метод утилизации отработанных деревянных шпал. Представлена установка термокондуктивного пиролиза отработанных деревянных шпал, разработанная на кафедре «Переработки древесных материалов».

Keywords: railway industry, wooden sleepers, termokonduktivny pyrolysis, green technology.

The paper considers the process termokonduktivnogo pyrolysis as a method of disposal of used wooden sleepers. Presented installation termokonduktivnogo pyrolysis of waste wood sleepers developed at the chair of "Processing of wood materials".

Ежегодно после ремонта железнодорожных путей скапливается огромное количество отслуживших свой срок деревянных шпал. Применение различных антисептиков против гниения в качестве пропитки, загрязнения нефтепродуктами при эксплуатации, присутствие металлических включений, не извлеченных при демонтаже, делают отработанные деревянные шпалы (ОДШ) экологически опасными отходами. По токсичности их относят к 3 классу опасных отходов. Изъятые из пути шпалы должны быть захоронены на региональных полигонах промышленных отходов. Но из-за переполненности полигонов, отработанные шпалы складируют на территории предприятий путевого хозяйства или оставляют разбросанными вдоль железнодорожных путей [1]. Законодательство Российской Федерации за несанкционированно размещенные отходы, в местах, не предусмотренных для их хранения, предусматривает строгую административную ответственность и огромные размеры штрафных санкций, которые постоянно ужесточаются.

В документе «Экологическая стратегия ОАО "РЖД" на период до 2017 года и перспективу до 2030 года» (от 12 мая 2014 г. N 1143р) главной целью указано сохранение благоприятной окружающей среды и обеспечение экологической безопасности.

Приоритетными целевыми ориентирами Экологической стратегии на среднесрочную перспективу до 2017 года в рамках «оптимистичного», «консервативного» и «пессимистичного» сценариев развития в области обращения с отходами являются повышение уровня использования и обезвреживания отходов: на 8 % в случае реализации «оптимистичного» сценария, на 6 % в случае реализации «консервативного» сценария и на 4 % в случае реализации «пессимистичного» сценария развития

природоохранной деятельности относительно уровня использования и обезвреживания отходов 2012 года (рис. 1).

Приоритетными целевыми ориентирами Экологической стратегии на перспективу до 2030

года в рамках трех сценариев развития в области обращения с отходами являются повышение уровня использования и обезвреживания отходов: на 16 % в случае реализации «оптимистичного» сценария, на 12 % в случае реализации «консервативного» сценария и на 8 % в случае реализации «пессимистичного» сценария развития

природоохранной деятельности относительно уровня использования и обезвреживания отходов 2012 года (рис. 1) [2].

Использование отходов, %

S22 J

|, .......^ ТГ? — ++,i

40,2

U -4---

Л Л ч> Л Л Л А Л -Л rvV ,п> гЬ Л гЛ & ¡Л А _

^ AV ^У ф -isv ф' ф ф ф ф ф Год

^^»Оггтмигтичимй с i >ен^шй

Кпнгернгтжый сцгаарий ^"Пмсимнстнчшлй сисиарий

Рис. 1 - Прогноз повышения уровня использования и обезвреживания отходов подразделений филиалов ОАО «РЖД» на период до 2030 года в соответствии с «оптимистичным», «консервативным» и «пессимистичным» сценариями развития природоохранной деятельности в ОАО «РЖД»

В связи с этим все больше на передний план выступает проблема завершения жизненного цикла отработанных деревянных шпал, а именно эффективная и экономически целесообразная утилизация данного вида отхода.

Официально разрешенные методы утилизации отработанных деревянных шпал: захоронение, использование в композиционных и строительных материалах, физико-химические и термические методы [4, 5]. К термическим методам относятся сжигание, газификация и пиролиз.

Термические методы являются наиболее распространенными промышленными способами утилизации твердых органических отходов, при этом наибольший интерес представляет утилизация методом пиролиза. Правильная организация технологического процесса данного метода утилизации позволяет покрыть энергетические потребности процесса, более того избытки вырабатываемого тепла можно использовать в технических или бытовых нуждах [6, 7]. Повышать экономическую эффективность можно реализацией жидких и твердых продуктов. С экологической точки зрения пиролиз является более интересным и перспективным методом для утилизации, так как осуществляется он в герметичных условиях и количество образуемых при этом газов намного меньше, чем при сжигании и газификации.

На базе кафедры «Переработки древесных материалов» была разработана технологическая схема утилизации отработанных деревянных шпал методом термокондуктивного пиролиза.

Термокондуктивный пиролиз - это одна из развивающихся направлений термохимической переработки различного вида сырья. Целесообразно такой вид пиролиза используют для получения жидких продуктов с высоким выходом [8, 9].

Существенными условиями процесса термокондуктивного разложения являются:

- очень высокие потоки тепла (для интенсивной теплопередачи требуется измельченное сырье и механоактивация процесса);

- тщательный контроль температуры (500 -550°С) и время пребывания парогазовой смеси в реакторе (не более 1с);

- быстрое охлаждение парогазовой смеси [10].

На рис. 2 представлена схема процесса

утилизации отработанных деревянных шпал методом термокондуктивного пиролиза.

Рис. 2 - Схема процесса термокондуктивного пиролиза ОДШ: 1 - приемный бункер сырья; 2 -загрузочное устройство; 3 - реактор; 4 -приемник твердых остатков; 5 - теплообменник; 6 - приемный резервуар

Предварительно измельченное сырье из приемного бункера подается в загрузочное устройство, откуда поступает в реактор термокондуктивного пиролиза, где при Т=500-550°С происходит его полное разложение. Уголь, полученный в результате разложения отработанных

деревянных шпал, собирается в приемник твердых остатков, парогазовая смесь проходит через теплообменник, где происходит её конденсация, откуда жидкая часть направляется в приемный резервуар для жидких продуктов, а неконденсированные газы сжигаются на факеле.

В основе технологии термокондуктивного пиролиза лежит процесс передачи энергии от рабочей нагретой металлической поверхности [11] на частицу ОДШ при непосредственном их контакте, при этом температура пиролиза определяется температурой металла.

Эффективность процесса определяется,

температурой поверхности металла и длительностью контакта металла с частицей.

Выход жидких продуктов при пиролизе прямо пропорционально зависит от скорости химических превращений и обратно пропорционально - от времени пребывания продуктов в реакционной зоне.

Общий вид лабораторной установки термокондуктивного пиролиза ОДШ представлен на рис. 3.

Рис. 3 - Общий вид лабораторной установки термокондуктивного пиролиза ОДШ: 1 -приемный бункер сырья; 2 - загрузочное устройство; 3 - реактор пиролиза; 4 - приемный бункер угля; 5 - теплообменник; 6 - панель управления

Технические характеристики лабораторной установки приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Технические характеристики установки термокондуктивного пиролиза ОДШ

Параметр, единица измерения Величина

Производительность, кг/ч 5

Средний размер перерабатываемого сырья, мм 6

Рабочая температура, °С 450-600

Время пребывания частиц материала в реакторе, сек 0,7-6,0

Габаритные размеры, мм: - ДхШхВ 721x717x2187

Данная установка позволяет исследовать кинетику процесса термокондуктивного пиролиза ОДШ, получить материальный баланс процесса,

исследовать свойства продуктов разложения ОДШ при данных условиях и оценить возможности их дальнейшего использования.

Представленные результаты получены в рамках реализации гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых российских ученых на тему МК-3434.2015.8 «Разработка теоретических основ, технологии и оборудования комплексной термохимической переработки древесных отходов и растительной биомассы в сырье для химического синтеза и компоненты моторных топлив» (договор № 14.256.15.3434-МК от 16.02.2015 г.).

Литература

1. 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.

2. 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.

3. Экологическая стратегия ОАО "РЖД" на период до 2017 года и перспективу до 2030 года [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://doc.rzd.ru.

4. 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.

5. Сафин, Р. Г. Современные строительные композиционные материалы на основе древесных отходов [Текст]/ Р.Г. Сафин, В.В. Степанов, Э.Р. Хайруллина, А.А. Гайнуллина, Т.О. Степанова // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - Т.17. - №20. - С.123-128.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Тунцев, Д.В. Схема контактного пиролиза отходов лесозаготовки [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, А.М. Касимов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т. 2. - №2-3(7-3). - С. 146-149.

© Д. В. Тунцев - к.т.н. доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, tuncev_d@mail.ru; М. Р. Хайруллина -магистрант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, 09111991m@gmail.ru; А.Р. Садртдинов - к.т.н. доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, dog_hom@list.ru; Э. К. Хайруллина - магистрант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ; И. С. Романчева - студент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ.

© D. V. Tuntsev - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, tuncev_d@mail.ru; M.R. Khairullina - master of chair of processing of wood materials KNRTU, 09111991m@gmail.ru; A. R. Sadrtdinov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, dog_hom@list.ru; E. K. Khairullina - master of chair of processing of wood materials KNRTU, 09111991m@gmail.ru; I. S. Romancheva - student of the processing of wood materials KNRTU.