Экологическая оценка термической утилизации отработанных шпал

УДК 504.05/06

Г. И. Павлов, С. Ю. Гармонов, Р. Н. Исмаилова, М. В. Стремоухова, А. И. Галимова, Р. В. Кондукторов

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕРМИЧЕСКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ШПАЛ

Ключевые слова: термическая утилизация, отработанные шпалы, экологичность обезвреживания.

Приведены результаты исследований состава газов, образующихся как при горении отработанных шпал, так и при их разложении в окружающей среде. Создана модельная установка, позволяющая сжигать отработанные железнодорожные шпалы при разных схемах подачи воздуха в зоны топочного пространства, расположенные друг над другом путем нагнетания воздушного потока в виде струй, направленных по касательной, хордально и радиально. Экологическая оценка газового состава на выходе из газогенераторной части топки проводилось методом сорбции органических продуктов сгорания с последующим хромато-масс спектрометрическим определением. Предложен подход по термической утилизации отработанных шпал при использовании топок-сателлитов.

Keywords: thermal utilization, waste railway ties, ecological importance, neutralization.

Results are presented for the study of the composition of gases emitted from the combustion of waste railway ties, as well as, their decomposition in the environment. A model setup was installed for burning waste railway ties under different air supply schemes in the flue space zone, located one above the other by forcing air flow in form ofjets directed tangentially, chordal and radially. Ecological assessment of the composition of gases emitted from the gas-generation portion of the furnaces was carried out, using a method of sorption of organic products of combustion with subsequent chromato-mass spectrometric identification. An approach of thermal utilization of waste railway ties, using satellite inserts, is suggested.

Деревянные железнодорожные шпалы изготовляют из сосны, ели, пихты, лиственницы, кедра и березы. В зависимости от интенсивности эксплуатации участка железнодорожного пути и качества исходного материала деревянные пропитанные шпалы могут эксплуатироваться от 7 до 40 лет. Ежегодно на структурных подразделениях путевого хозяйства при выполнении различных видов ремонта пути, образуется около 1 млн. отработанных деревянных шпал, пропитанных антисептическими средствами [1].

Причиной негативного воздействия отработанных шпал на окружающую среду могут являться токсичные вещества, которыми пропитаны шпалы. Пропитка деревянных шпал антисептиками широко используется как мера борьбы с дереворазрыхляю-щими грибами и насекомыми для продолжительного сохранения прочности древесины. Для увеличения срока службы железнодорожных шпал в РФ применяют в основном угольные (масло каменноугольное) и нефтяные (жидкость термокаталитическая) антисептики [2,3]. Каменноугольное креозотовое (пропиточное) масло - продукт перегонки каменноугольной смолы при температуре от 200 до 400°С. Это жидкость темно-коричневого цвета (плотность 1,05 - 1,10 г/см3, температура кипения 180-200°С) с едким ароматом. Масляные антисептики используются в натуральном виде, либо смешиваются с другими маслами и разбавителями, а водорастворимые представлены в твердом виде и в виде растворов определенной концентрации. Данные антисептики содержат в своем составе многие органические соединения, обладающие высокой летучестью, а также токсичными, в особенности, канцерогенными свойствами [4]. В основном они состоят из нейтральных углеводородов с примесью фенолов, нафталина, антрацена. Каменноугольное креозотовое масло негигроскопично и весьма устойчиво к выщелачивае-

мости его из пропитанной древесины, обладает высокой степенью токсичности для дереворазрушаю-щих организмов, нелетучее, не разрушает металла и древесины. Периферийная часть шпалы на 80% состоит из каменноугольного масла, которое, в свою очередь, содержит 20% фенолов, 17% фенантренов, 17% пиренов, 22% ацетона и 12% бутанола. Эти соединения, попав в воздух, способны вызвать интоксикации у людей и появление онкологических заболеваний [5,6].

Несмотря на это, население нашей страны, особенно в сельской местности часто использует старые деревянные шпалы в своих хозяйствах и по разному назначению: для строительства домов, приусадебных помещений, тротуаров, дачных домиков; в качестве дров для сжигания в своих бытовых печах.

В связи с выше перечисленным, отработанные шпалы должны быть захоронены на специальных полигонах для промышленных отходов. Однако в настоящее время, в связи с переполненностью данных полигонов использованные деревянные шпалы весьма часто складируют в местах, не предназначенных для этого без соответствующего надзора, что приводит к негативному воздействию на окружающую среду. По этой причине проблема утилизации шпал имеет большое значение для железнодорожной промышленности.

Цель данной работы: проведение экологической оценки состава газов, образующихся при горении отработанных шпал и при их разложении в окружающей среде.

Экспериментальная часть

Проботбор продуктов термического разложения шпал из исследуемой зоны модельной установки осуществлялся следующим образом. Через заранее кондиционированные, в токе сухого гелия сорб-ционные трубки, прокачивали дымовые газы со скоростью 1л/мин в течении 5 мин. После чего, сорб-

ционные трубки помещались в индивидуальные контейнеры и доставлялись в лабораторию. При измерении состава газов и проведении анализа использовались следующие средства измерений, материалы и реактивы: газовый хроматограф Fo-cus(Thermo) (колонка капиллярная VF-1ms - длинна 30 м, внутренний диаметр 0,25 мм, толщина неподвижной фазы 0,25 мкм); масс-селективный детектор (DSQ II ионизация электронным ударом, энергия ионизации 70 эВ, отношение шум/сигнал m/z - 272, 1*10-12 OFN - 100:1); двухстадийный термодесорбер ТДС-1 с охлаждаемой ловушкой на элементе Пель-тье ( максимальная температура десорбции 250°С, диапазон рабочих температур ловушки - 25°С -250°С, скорость нагрева ловушки 1000 °С мин-1).

Параметры хроматографирования соответствовали значениям: температура испарения 2500С; программа термостата: от 80до 2800С; режим обработки TransferLine, 2500С; режим сканирования: 50-600 m/z.

Идентификация пиков на хроматограмме проводилась в приложении NIST MS Search 2.0 (применялись как встроенные библиотеки масс- спектров, так и пользовательские).

Обработка экспериментальных результатов проводилась по следующей методике. Сорбционную трубку помещают в ТДС. Из трубки удаляют воздух во избежание получения неверных показаний хроматографа, возникающих вследствие термического окисления сорбента или неподвижной фазы, используемой при газовой хроматографии. Затем трубку нагревают для десорбции паров органических соединений, попадающих в колонку в потоке газа-носителя. Поток газа-носителя должен быть направлен в сторону диффузионного конца трубки, т.е. маркированный конец трубки должен быть расположен у входа в колонку хроматографа. После перехода ТДС в режим готовности ввода десорбирован-ной пробы в испаритель, происходит переход в режим ожидания готовности. Ввод пробы происходит автоматически при готовности хроматографа.

Результаты и их обсуждение

Для исследования горения древесной щепы была создана модельная установка, позволяющая сжигать древесные отходы, в том числе, отработанные железнодорожные шпалы. Модельная установка была спроектирована таким образом, чтобы она могла обеспечить надежную работу в широком диапазоне режимных параметров: в т. ч. тепловых нагрузок, скоростей движения газа, уровня температур, избытков воздуха и других. На рис. 1 приведена схема модельной установки.

Модельная установка располагается на рамном основании 5. Вихревая топка имеет разборную конструкцию и состоит из пяти основных частей: основания 10 и четырех насадок 1. Насадки к основанию топки и к друг другу крепятся при помощи замкового соединения. К насадке, расположенной в верхней части топки, установлена дымовая труба 7. Насадки представляют собой воздушные коллекторы. На внутренних стенках насадок предусмотрены окна со съемными крышками. К крышкам приварены сопла. Модельная установка укомплектована соплами раз-

ной конструкции. Основание топки включает люк выгрузки золы. Внутри основания расположен колосник. На нижней насадке имеется смотровое окно. Воздушная полость нижнего насадка и полость основания топки соединены воздушным патрубком. Воздух в топку подается по воздушным патрубкам, присоединенным к воздушному коллектору. Конструкция установки предусматривает раздельную подачу воздуха, как в основание топки, так и в насадки. Воздушные патрубки имеют штуцеры, закрытые крышками. Они предназначены для измерения расхода воздуха. Подача в топку древесных отходов осуществляется шнековым питателем, расположенным в верхней части топки.

Рис. 1 - Схема модельной установки: 1 - насадка вихревой топки; 2 - шнековый питатель; 3 - воздушный коллектор; 4 - рама шнекового питателя; 5 - рамное основание; 6 - пульт управления; 7 - дымовая труба; 8 - смотровой люк; 9 - люк выгрузки золы; 10 - основание вихревой топки; 11 -шиберы воздушных каналов; 12 - электровентилятор; 13 - штуцер для установки манометра; 14 -патрубок резиновый; 15 - воздушные патрубки

Модельная установка работает следующим образом. Твердые древесные отходы в виде щепы загружаются в бункер шнекового питателя 2. С пульта управления запускается шнековый питатель, и отходы поступают на колосник. Запускается запальное устройство, представляющее собой газовую горелку с искровым зажиганием. Сопловая часть газовой горелки вводится в люк выгрузки золы. От факела пламени газовой горелки щепа воспламеняется. Запускается электровентилятор. Газовые продукты термического разложения древесины из основания топки поступают в верхнюю часть топки, играющей роль камеры дожига. Воздух в дожиговую камеру поступает через сопла, расположенные на внутренних стенках насадок. Конструкция крепления сопел

позволяет подавать воздух по разным схемам: тангенциально, хордально, радиально. Для измерения параметров газового потока и химического состава на насадках предусмотрены люки. Для удаления из топочного пространства газообразных продуктов горения предусмотрена дымовая труба. Зола собирается в зольнике, расположенном под колосником. Печь может работать как в циклическом, так в непрерывном режиме. Производительность шнекового питателя может варьироваться в широких пределах.

Пуско-наладочные работы проводились с целью определения функционального состояния основных узлов и систем модельной установки: определения параметров системы наддува воздуха на разных режимах, тестирования режимов работы шнекового питателя, герметичности воздуховодов, регулирования подачи воздуха, исправности манометров, надежности закрытия смотрового люка и люка для чистки зольника.

Система подачи воздуха позволяет изменять расход воздуха, подаваемого как в нижнюю, так и в верхнюю часть топки. Максимальное значение массового расхода воздуха с учетом потерь в воздухопроводах, подаваемого в разные зоны горения, составляет: в нижнюю часть топки - 165 м3/ч, в нижнюю насадку - 218 м3/ч, в среднюю насадку - 220 м3/ч, в верхнюю насадку - 221 м3/ч.

Расчетами установлено максимальное количество воздуха, необходимого для сжигания 43 кг/ч древесной щепы, что составляет 312 м3/ч. Для приведения в соответствие реальных значений массового расхода воздуха с расчетными необходимо было доработать систему подачи воздуха. С этой целью между электровентилятором 12 и патрубком 14 устанавливалось дросселирующее кольцо. После доработки системы подачи воздуха распределение максимального количества воздуха по зонам составило: в нижней части топки - 65 м3/ч, в нижней насадке - 79 м3/ч, в средней насадке - 85 м3/ч, в верхней насадке - 87 м3/ч. Суммарный расход воздуха, подаваемого в топку, составило 316 м3/ч, что приблизительно соответствует расчётному значению.

Система подачи древесных отходов предполагает транспортировку щепы в топку в циклическом и в непрерывном режимах. Продолжительность цикла и скорость вращения шнека регулируются. Определен диапазон варьирования скорости вращения шнека, при которой производительность системы подачи будет соответствовать расчётному значению - 43 кг/ч.

Старые деревянные шпалы относятся к сложному виду горючего вещества. Основная часть горения шпал происходит в газовой фазе. Из теории горения известно, что одним из важных факторов обеспечения полноты сгорания газообразных топлив является качество смесеобразования. Согласно предложенной схеме, воздух в топочное пространство подается в три зоны, расположенные друг над другом. Воздух в эти зоны нагнетается в виде струй, направленных по касательной, хордально и радиально. Для расчета параметров струи (средней скорости газов на оси, глубины проникновения струи, угла раскрытия струи) необходимо иметь исходные данные, к которым относятся: количество сопел, диаметр со-

пла, полное давление воздуха перед соплом, температура воздуха, температура газообразных продуктов термического разложения в исследуемой зоне, средняя скорость движения газообразных продуктов горения по оси камеры.

Количество сопел определяется исходя из условий обеспечения равномерного распределения воздуха по сечению топки. По рекомендациям, приведенным в работе [1], для заданных геометрических параметров модельной установки и газодинамических параметров электровентилятора определено четыре сопла в каждой исследуемой зоне, распределенных равномерно по окружности. Диаметр сопла определен из условия обеспечения максимальной дальнобойности воздушной струи. При прочих равных условиях дальнобойность струи будет тем выше, чем больше диаметр сопла. Исходя из площади поперечного сечения входного воздушного патрубка и количества воздушных сопел, диаметр сопла составляет 40 мм. Угол наклона воздушной струи к касательной при подаче воздуха по хорде составляет от 26 градусов до 45 градусов.

В каждую зону топки воздух подается по четырём соплам, диаметр которых равен 40 мм. Полное давление воздуха перед соплами равно 195 мм. вод столба. Максимальный расход воздуха по зонам составило: в нижней части топки - 65 м3/ч, в нижней насадке - 79 м3/ч, в средней насадке - 85 м3/ч, в верхней насадке - 87 м3/ч. Угол наклона воздушной струи к касательной при подаче воздуха по хорде составляет от 26 градусов до 45 градусов.

Установлен состав продуктов горения шпал непосредственно на выходе из трубы. Анализ хрома-тограмм исследуемых объектов показывает, что они имеют практически однотипный вид (рис. 2). На полученных хроматограммах, наряду с продуктами пиролиза и окисления древесины (СН2О, СН3ОН и т. д.) присутствуют и высокотоксичные продукты окисления ароматических углеводородов (табл. 1).

Исследование золы после термического разложения шпал показал, что в ней, кроме минерального остатка, содержатся такие металлы, как железо и марганец. Среднее содержание этих металлов в твердых остатках составило 89,33 и 4,39 мкг/кг соответственно. На выходе из дымовой трубы при помощи газоанализатора определялись состав и концентрация неорганических веществ, образующихся при сжигании отработанных шпал. Результаты приведены в таблице 2.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при сжигании шпал в обычных печах происходит сильное загрязнение окружающей среды вредными веществами. Особенно опасными для здоровья человека являются компоненты, указанные в таблице 1, которые являются чрезвычайно опасными и могут негативно воздействовать на физиологические процессы организма, приводить к тератогенным эффектам и бесплодию, вызывать нарушения обменных процессов, подавлять иммунитет, провоцировать онкологические заболевания.

Опытным путем установлено, что в граничной воздушной зоне при складировании использованных шпал также содержится ряд вредных веществ, выде-

Таблица 1 - Состав органических веществ в продуктах сгорания

Наименование компонента Содержание, %

Нафталин и его гомологи 1,0

Дифениленоксид 0,3

Бензантрацен 0,09

Бенз(а)пирен 0,95

Хинолин и его гомологи 0,85

Гомологи пиридина 0,36

Индолы 0,86

Фенантрацен 0,36

Карбазолы 0,58

Фенолы (алкилфенолы) 1,41

Бензол 0,2

Ксилолы (сумма) 0,3

Гомологи 1,3 диоксана 1,2

Нитробензол 1,14

Алифатические углеводороды 16,3

Алкилтолуолсульфокислоты 1,12

Дибензо-и-диоксин 0,1

Таблица 2 - Состав неорганических веществ в дымовых газах

Наименование вещества Содержание, мг/м3 Температура в топке, 0С

Окись углерода 1740 660 0С

Окись азота 62

Двуокись азота 23

Оксид серы 81

Сероводород 45

Окись углерода 1380 728 0С

Окись азота 85

Двуокись азота 30

Оксид серы 263

Сероводород 42

ляющихся из шпал. Измерения в воздушной зоне проводились в летний период при температуре окружающей среды 250С. Суммарная площадь территории склада составляла 16 м2. Проба воздуха на

наличие токсичных веществ отбиралась на расстоянии 3-4 метра от местоположения отработанных шпал. Хроматограммы исследуемых проб имеют практически однотипный вид, повторяя в основном и компонентный состав. Анализ хроматограмм показывает, что в воздушной среде, граничащей со складом хранения старых шпал содержатся высокотоксичные соеднинения, такие как толуол, ксилолы, 4-метоксифенол, крезолы, фенол, меркаптоэтанол, феноксибутанол, 3-этилпиридин, нафталин, алифатичекские углеводороды. Концентрация этих веществ в завимости от их вида достигает от 0,012 мг/м3 до 1,02 мг/м3.

Для термической утилизации отработанных шпал необходимо использовать комплексный подход, при этом необходимо соблюдение экологических требований, минимум капитальных затрат, высокий коэффициент энергоиспользования топлива, надежность технологии. В наибольшей степени этим критериям удовлетворяет технология сжигания отходов совместно с твердым топливом на ТЭЦ (ГРЭС) в топках-сателлитах, подключенных к энергетическому котлу, со сбросом горючих газов из топок-сателлитов в пылеугольную топку котла в зону температур 1250-1350ОС. Как правило, топки таких котлов имеют большие объемы, благодаря чему достигается большое время пребывания продуктов горения отходов в высокотемпературной зоне. В топке котла происходит уничтожение диоксинов и фуранов. Так, опыт эксплуатации ТЭЦ «Völklingen» свидетельствует о том, что в уходящих газах электростанции не происходит роста вредных примесей по сравнению с сжиганием только угля [7]. При этом энергетический котел ТЭЦ не подвергается существенной реконструкции. При доле замещаемого ископаемого топлива в энергетическом котле до 10% топливом из ТБО и сбросом газов из топки-сателлита в зону температур 1250-1350 ОС практически снимается вопрос о создании специальной системы очистки газов, отличной от современной, существующей на ГРЭС. На рис. 3 приведена схема совместной работы топки-сателлита с энергокотлом. Расчетные расходы ископаемого топ-

лива в энергетическом котле - 278 т/ч, в топке-сателлите - 25 т/ч топлива из отходов. Уходящие газы из предвключенной топки с 1= 900 ОС сбрасываются в топку энергокотла в зону высоких температур, ниже первого ряда пылеугольных горелок.

ные шпалы, и предусмотренных для совместной работы с энергокотлами на сегодняшний день отсутствуют. Представляется, что внедрение в практику эксплуатации описанной выше технологии использования отработанных шпал должно способствовать энерго- и ресурсосбережению, экономии средств муниципальных органов при выработке энергии и с меньшими затратами решать задачи утилизации отработанных шпал структурными подразделениями Российских железных дорог.

Литература

1. ОАО «РЖД». Экологическая стратегия ОАО «Российские железные дороги» на период до 2017 года и перспективу до 2030 года. [Электронный ресурс] - ОАО «РЖД», 2014. - Режим доступа: http://doc.rzd.ru/doc/public/ru? 8ТШСТтЕ_ГО=704&1ауе г^=5105&ге!егег ЬауегЫ=5104&М=6415&рпп1=1.

2. ГОСТ 78-2004. Шпалы деревянные для железных дорог широкой колеи. Технические условия. - Москва: ИПК Издательство стандартов, 2005.

3. ГОСТ 10835-78. Масло сланцевое для пропитки древесины. Технические условия. - Москва: ИПК Издательство стандартов, 1999.

4. ГОСТ 12.1.007-76. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. - Москва: Стандар-тинформ, 2007.

5. ГН 2.1.6.1338-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест. Гигиенические нормативы // Тех-эксперт: Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации. - Режим доступа: М1р:/Мос8.сПх1гиМосишеп1/901865554.

6. ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Гигиенические нормативы // Техэксперт: Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации. - Режим доступа: М1р:/Мос8.сПх1гиМосишеп1/901862250.

7. Левин Б.И., Бутко А.А. О новой концепции экологически чистого сжигания топлива из твердых бытовых отходов на теплоэлектроцентралях / Б.И. Левин, А.А. Бутко // Новости теплоснабжения. - 2005. - №8. - С. 15-18.

Рис. З - Схема совместной работы топки-сателлита с энергокотлом: 1 - энергетический котел, 2 - топка-сателлит, 3 - первичный воздух под решетку топки, 4 - загрузка отходов, 5 -питатель топки, б - колосниковая решетка, Т -шлак в систему ГРЭС, 8 - газоход от топки-сателлита к топке энергокотла, 9 - уходящие газы, 10 - шлак в систему ГРЭС, 11 - пыле-угольные горелки

Практически вблизи каждой крупной железнодорожной станции имеются промышленные водогрейные котлы средней мощности. Энергетические котлы такого типа по своим конструктивным и техническим характеристикам весьма успешно могут быть использованы в технологии совместного сжигания старых железнодорожных шпал и штатного товарного топлива (мазута или газа). Однако топки-сателлиты, сжигающих отработан© Г. И. Павлов - д.т.н., проф., зав. каф. специальных технологий в образовании Казанского национального исследовательского технического университета (КНИТУ-КАИ) им. А.Н. Туполева, pavlov16@mail.ru; С. Ю. Гармонов - д.х.н., проф. каф. инженерной экологии КНИТУ, serggar@mail.ru; Р. Н. Исмаилова - к.х.н., доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, isma_70@mail.ru; М. В. Стремоухова - асп. каф. КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева; А. И. Галимова - асп. каф. КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, galimova.alfiya@mail.ru; Р. В. Кондукторов - магистрант каф. инженерной экологии КНИТУ.

© G. I. Pavlov - doctor of technical Sciences, Professor, head of Department of special technologies in education Kazan national research technical University (KNRTU-KAI) to them. A. N. Tupolev, pavlov16@mail.ru; S. Yu. Garmonov - DSC, Professor, Department of environmental engineering of Kazan national research technological University, serggar@mail.ru; R. N. Ismailova - Ph.D., associate Professor, Department of analytical chemistry, certification and quality management Kazan national research technological University, isma_70@mail.ru; M. B. Stremoukhova - postgraduate student of the Department of special technologies in education Kazan national research technical University (KNRTU-KAI) to them. A. N. Tupolev; A. I. Galimova - postgraduate student of the Department of special technologies in education Kazan national research technical University (KNRTU-KAI) to them. A. N. Tupolev, galimova.alfiya@mail.ru; R. V. Konduktorov - graduate student of the Department of environmental engineering of Kazan national research technological University.