CC BY
55
УДК 674.04, 676.16, 615.45
И. А. Валеев, Р. А. Газизов, З. М. Шарафутдинова, Р. Р. Мусин
РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЫРЬЯ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ПРОИЗВОДСТВЕ
СОРБЕНТА МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Ключевые слова: древесные отходы, древесный уголь, активированный уголь, пиролиз, пиролизные установки, установки для углежжения, сорбенты, активный уголь, энтеросорбенты, сорбенты медицинского назначения.
Анализ потребления активированного угля на международном рынке показал достаточную востребованность данной тематики, как для медицинской, так и для большинства отраслей промышленности. Проведенные исследования гранулометрического состава древесных отходов, образующихся на деревообрабатывающих предприятиях показали возможность их использования в качестве сырья для производства активированного угля. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана экспериментальная установка для пирогенетической переработки древесных отходов в древесный уголь, определены алгоритмы оптимального управления процессом позволяющим регулировать производственные параметры процесса.
Keywords: waste wood, charcoal, activated carbon, pyrolysis, pyrolysis plants, plants for charcoal burning, sorbents, activated
carbon, enterosorbents, sorbents for medical purposes.
The analysis of consumption of absorbent carbon in the international market showed a sufficient demand of this subject, both for medical, and for the majority of industries. The conducted researches of particle size distribution of the wood waste which is formed at the woodworking enterprises showed possibility of their use as raw materials for production of absorbent carbon. On the basis of theoretical and experimental research has been developed experimental setup for pyrogenetic processing wood waste into charcoal, defined algorithms optimal control process allows to adjust the operating parameters of the process.
Ухудшающаяся экологическая ситуация вынуждает находить эффективные способы получения дешевых сорбентов естественного происхождения из легко перерабатываемого и дешевого сырья. Одним из видов таких сорбентов является активированный уголь.
По статистическим сведениям специалистов информационно-аналитической службы фирмы "Sutcliffe Speakman Carbon Ltd." подушевое потребление активных углей в настоящее время составляет, кг/чел-год: Япония - 0.47; США - 0.40; Россия - 0.08. Причем следует отметить, что в работе зарубежных фирм, в отличие от России наблюдается направление по специализации выпуска определенных типов углеродных сорбентов. Так, крупнейшие фирмы -производители: "Norit", "Seca", "Degussa", занимающие значительные сегменты мирового рынка, производят активированный уголь для более чем 24 специализаций промышленности, медицины и др. Большое значение придается производству активированного угля природоохранного назначения. Производство же в России долгое время было ориентированно лишь на потребности военно-промышленного комплекса, что повлекло за собой недостаточное расширение ассортимента активированного угля. Следствием этого явилось то, что на сегодняшний момент выпускаемые активированные угли универсальны, а потому не очень эффективны. В результате, дефицит недорогих и эффективных активных углей в нашей стране уже достигает сотен тысяч тонн в год.
Эта проблема пока решается большей частью за счет импорта продукта.
Однако, по данным специалистов информации бюро "Внештерминалкомплекс" цены
мирового рынка за 1 тонну активированного угля на настоящий момент составляют, $ США: - угли Франции - 3720, - угли Японии - 3200, - угли Австрии - 4330, - угли Швейцарии - 3500, - угли России - 2200 и имеют тенденцию к повышению. Поэтому уже сегодня крайне необходимо создание новых мощностей по производству АУ для экологических и медицинских нужд в различных регионах страны из дешевого доступного сырья на упрощенном оборудовании. Решение этой задачи видится в организации небольших предприятий, работающих на местной сырьевой базе.
Природные сорбенты представляют собой цельные натуральные химические и биологические структуры, которые не подвергаются никакой обработке. Применение природных сорбентов показано для очищения организма, нормализации работы желудочно-кишечного тракта, устранения симптомов интоксикации при злоупотреблении едой или алкоголем. На сегодняшний день к природным сорбентам можно отнести следующие вещества: активированный уголь, лигнин, хитин; целлюлоза, микрокристаллическая целлюлоза, пектин.
В качестве сырья для производства активированного угля перспективно использовать древесину. Во-первых, древесные активные угли (ДАУ) относительно дешевы, отличаются высокой степенью чистоты и микропористостью, благодаря чему потребность в них в медицине, промышленности и процессах очистки питьевой воды неуклонно возрастает; во-вторых, древесина -это один из основных источников возобновляемых природных ресурсов; в - третьих, возможность использования в качестве сырья отходов деревообрабатывающей промышленности позволяет устранить экологические проблемы, связанные с их
утилизацией и повысить ресурсосбережение производства.
Широкое применение активированный уголь нашел в медицинской промышленности. Сорбенты - это большой класс препаратов, которые способны к выделению из организма самых различных токсичных веществ.
Сорбенты и энтеросорбенты применяются также в профилактике и лечении различных заболеваний. Предупреждают развитие
атеросклероза, ишемической болезни сердца. Связывая на своей поверхности желчные кислоты, препятствует перевариванию жиров и способствует их выведению. Эффективен при лечении острых пищевых отравлений, отравлений различными ядами, и лекарственными и наркотическими веществами, алкогольно-пищевой перегрузке, абстинентном синдроме, обусловленном
наркоманией, алкоголизмом, острых и хронических заболеваниях почек, печени, поджелудочной железы, желудочно-кишечного тракта,
аллергических и иммунозависимых заболеваниях (бронхиальная астма, ревматизм, пищевая аллергия, рассеянный склероз, псориаз).
В медицинской практике сорбенты применяют для лечения злокачественных опухолей. При нехирургическом лечении онкологических заболеваний используется трансартериальная химиоэмболизация микросферами, состоящими из адсорбента-полимера, насыщенного
цитостатическим препаратом, который постепенно десорбируется в ткань, поражённую опухолью. Данный метод лечения состоит в том, что через артерии проводится закупоривание микрососудов (химиоэмболизация), питающих злокачественное новообразование. Эмболизация сосудов делается при помощи мельчайших шариков, состоящих из вещества-сорбента, на который предварительно адсорбировали препарат для лечения опухоли (химиопрепарат). В итоге химиопрепарат, подавляющий размножение и дальнейший рост опухоли, доставляется непосредственно к месту поражения, и начинает постепенно высвобождаться из сорбента. Такое постепенное высвобождение химиопрепарата в опухолевую ткань приводит к эффективному лечению и минимизации побочных эффектов. К сожалению, данная методика в России не внедрена в широкую практику, и применяется только в научных центрах.
Одним из оптимальных видов сорбентов, учитывая экономический аспект и натуральность используемого сырья для производства активированного угля, является выжженный древесный уголь из различных пород древесины.
На основе выше сказанного, очевидно, что создание прогрессивных установок для производства дешевого и эффективного сырья для производства активированного угля достаточно актуально. Исходя из этого, было принято решение провести анализ отходов деревообрабатывающих предприятий с целью выявления годности остатков для изготовления сырья в производстве активированного угля. А также проведен анализ
гранулометрического состава отходов
деревообрабатывающих и лесозаготовительных предприятий.
Отходы деревообработки, образующиеся при переработке древесины, можно разделить на два типа: кусковые и мягкие. К кусковым относятся горбыли, рейки, обрезки пиломатериалов, брёвен и т.д. К мягким - опилки, стружка, древесная пыль и т. д.
Технические требования на заготовку и учёт дров, предназначенных для углежжения и пиролиза определяются согласно нормативного документа [ГОСТ 24260-80]. Дрова, предназначенные для углежжения, подразделяют на три группы. В первую группу входят дрова, заготовляемые из твердолиственных пород, во вторую из хвойных пород, а в третью из мягколиственных пород.
Дрова из твёрдолиственных пород, предназначенных для пиролиза, входят в первую группу, а дрова из мягколиственных пород во вторую.
Дрова по толщине делятся на части, размер которых не должен составлять более 22 мм. Такие параметры загружаемых в печь поленьев обеспечивают равномерность обугливания.
Результат анализа гранулометрического состава столярного цеха и лесопильного
С °о
28 25 20 15 10
5 0
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Рис. 1 - Зависимость содержания фракции Оф% от эквивалентного размера отходов, лесопильное производство
производства представлен на рис. 1. Как видно из представленных зависимостей распределение фракций в зависимости от определяющего размера древесных отходов неравномерно и зависит от конкретного вида производства. Из рис. 1. видно, что часть отходов соответствует предъявляемым нормативным требованиям [ГОСТ 24260-80].
В лесопильном производстве большую долю до 28% составляют отходы с определяющим размером 53 см.
Из выше перечисленного следует, что часть отходов предприятий лесопромышленного комплекса до 51% возможно использовать для пиролиза с получением соответствующим стандарту древесного угля.
Для реализации данного проекта необходимо спроектировать установку исходя из
максимально возможных геометрических размеров отходов конкретного производства.
Также необходимо отметить, что в результате переработки отходов решается важная экологическая задача - утилизация отходов предприятий лесопромышленного комплекса, что делает сырьё значительно рентабельней.
На основе анализа отходов деревоперерабатывающих предприятий была разработана опытная установка для переработки древесных отходов в сырьё для производства, активированного угля.
В данной установке предусмотрены сушка древесных отходов топочными газами, конденсация парогазовой смеси, а также возможность регулирования режимных параметров процесса пиролиза.
Общая схема представлена на рис. 2. Установка состоит из корпуса 1 снабженного теплоизоляцией, системы конденсации пирогазов и топочного устройства 2. Корпус 1 включает в себя камеру пиролиза 3 и газовую горелку 4. Горелка 4 расположена на продольной оси в нижней части корпуса 1. Корпус 1 в верхней части снабжен вытяжной трубой 5. Внутри камеры пиролиза установлен перфорированный контейнер 6 с сырьём
14 5 15 16 17
древесных отходов
7. Внутрь камеры пиролиза 3 вмонтирована газораспределительная решётка 8 через которую обеспечивается подача газов. Камера пиролиза герметично закрывается крышкой 9. В верхней части камера пиролиза снабжена патрубком 10 который соединяет камеру пиролиза 3 с системой конденсации. Система конденсации состоит из совмещенного со сборником конденсата конденсатора 11, и газодувки 12. Система конденсации через газораспределительное устройство 13 соединена с горелкой неконденсирующихся газов 4, камерой пиролиза 3 и атмосферой. Для регистрации температуры и давления камера пиролиза снабжена контрольной измерительной аппаратурой состоящей из манометра 14, термопар 15, 16 и контрольно-регистрирующего прибора 17.
Топочное устройство 2 состоит из корпуса 18 который сообщается через клапан 19 с камерой пиролиза. Корпус 18 снабжен горизонтальной
колосниковой решёткой 20 и имеет люк для загрузки топлива 21 и для удаления золы 22. Принципиальные схемы работы установки для различных стадий процесса - прогрев и сушка, пиролиз, охлаждение представлены на рис. 3, 4. На схемах жирными линиями отображены основные потоки парогазовой смеси в установке для различных стадий процесса. Причём направление потоков задаётся с помощью
газораспределительного устройства 13 клапана 19 и задвижки 23.
Установка работает следующим образом. Предварительно загруженное в контейнер сырьё помещают в камеру пиролиза и закрывают крышкой. После чего топочные дрова загружают в топочное устройство и поджигают. На стадии прогрева и сушки направление потоков парогазовой смеси задается с помощью распределительной арматуры согласно схеме представленной на рис. 3, 4. При этом для обеспечения сушки и прогрева сырья образовавшиеся при горении газы из топочного устройства подаются в камеру пиролиза а затем через конденсатор отводятся вентилятором в атмосферу.
После прохождения стадии сушки сырья (рис. 3) начинается стадия термического разложения, и выделение парогазовой смеси. На
прогрева и сушки
стадии термического разложения направление потоков парогазовой смеси задается с помощью распределительной арматуры согласно схеме представленной на рис. 4. При этом для обеспечения термического разложения сырья образовавшаяся при термическом разложении парогазовая смесь через конденсатор подаётся газодувкой в горелку неконденсирующихся газов. При этом давление среды задаётся режимом работы газодувки.
После прохождения стадии пиролиза начинается стадия охлаждения древесного угля. На стадии охлаждения направление потоков парогазовой смеси задается с помощью распределительной арматуры согласно схеме представленной на рис. 4. При этом циркуляция газовой смеси осуществляется в замкнутом цикле «камера пиролиза - система конденсации». Процесс заканчивается при охлаждении продукта пиролиза до 50°С.
Исследование отходов
деревоперерабатывающих предприятий показало,
что применение данного вида сырья оправданно и является эффективным. Как в плане себестоимости, так и в плане полезного использования древесного неликвида. Технические новшества и проверенные
решения, используемые в установке, позволят
интенсифицировать процесс повышении качества продукта себестоимости.
экспериментальной значительно пиролиза при и уменьшении его
Рис. 4 - Схема работы установки на стадии термического разложения 1, и охлаждения 2
Литература
1. А. Э. Прикшане, Хелатообразующие сорбенты на целлюлозе [Текст]: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. хим. наук: 05.17.05 / А. Э. Прикшане.// - Рига, 1990. - 19 с.: ил. В надзаг.: Риж.техн. ун-т. Библиогр.:с. 18-19(9 назв.)
2. Валеев И. А, Термическая утилизация отходов предприятий деревообрабатывающей отрасли / Валеев И.А., Сафин Р.Г., Грачёв А.Н., Кайнов П.А., Башкиров В.Н.// Лесной вестник, №4.-2008.-стр. 71-76.
3. Р. Н. Калинина, Модифицированные сорбенты для регенерационных систем водообеспечения и исследование их структуры [Текст]: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.26.02 / Р. Н. Калинина.// - М., 1998. - 22 с.: ил. Библиогр.:с. 21-22(17 назв.)
4. И.А. Валеев, Термохимическая переработка древесины методом быстрого пиролиза./ Грачев А.Н., Валеев И. А., Сафин Р.Г., Халитов Д. А. Николаев А.Н Петров В.И..// Деревообрабатывающая промышленность. Москва. -2009. - № 3. - С. 21-24.
5. Р.Р. Хасаншин, Предварительная термическая обработка древесного наполнителя в производстве ДПКМ / Р.Р. Хасаншин, Р.В. Данилова // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2012. - № 7. - С. 62-63.
6. Р.Р. Хасаншин, Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, Р.В. Данилова // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2012. - № 7. - С. 64-66.
7. Клёсов А. Древесно-полимерные композиты.-СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 736 с.
8. Э.В. Сахабиева, Эпоксидные связующие для слоистых электроизоляционных материалов / Э.В. Сахабиева // Вестник КГТУ. - 2012.- Т.15, №19.- С.74-75.
9. Природные сорбенты в процессах очистки воды / Ю.И. Тарасевич // Киев: Наукова Думка, 1981.- 206с
10. Композиционные материалы. Разрушение и усталость./Под ред. Л. Браутмана. -М.:Мир, 1978 483с.
11. Галяветдинов Н. Р., Усовершенствование технологии изготовления древесно-наполненых композиционных материалов на основе цементных вяжущих. Галяветдинов Н.Р., Лашков В.А., Николаев А.Н. Вестник Казанского технологического университета.
2011. № 20. С. 112-115.
12. В.В. Вольхин, Неорганические сорбенты / В.В. Вольхин, Ю.В. Егоров, Ф.А. Белинская и др. в сб. Ионный обмен - М.: Наука, 1981. С.25-44
13. Н.Р. Галяветдинов, Оценка влияния термической обработки древесного наполнителя на эксплуатационные свойства цементно- стружечной плиты./ Галяветдинов Н.Р., Валиев Ф.Г., Хасаншин Р.Р./ Вестник Казанского технологического университета.
2012. Т. 15. № 10. С. 85-87.
14. И.А. Валеев, Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды. /Валеев И.А./ Деревообрабатывающая промышленность. 2012. № 3. С. 41-46.
15. И.Н. Мусин, Влияние наполнителей и технологических добавок на реологические свойства древесно - полимерных композитов / И.З. Файзуллин, И.В. Имамутдинов, В.Я. Хамидов, И.Н. Мусин, С.И. Вольфсон// Вестник Казанского технологического университета, Казань, КНИТУ - 2013г. Т.16 №10, с. 148150
16. И.Н. Мусин, Влияние размера частиц наполнителя на свойства древесно-полимерных композитов»/ И.Н. Мусин, И.З. Файзуллин, С.И. Вольфсон// Вестник Казанского технологического университета, Казань, КНИТУ - 2013г. Т.16 №5, с. 106-109
17. Модифицированные древесно-полимерные композиты / Вольфсон С.И, Мусин И.Н., И.З. Файзуллин, Лыгина Т.З., Трофимова Ф.А.// Журнал «Пластические массы», г. Москва, 2014 г., № 1-2. с. 41-44.
18. И.Н. Мусин, Модификация древеснополимерных композитов на основе полиолефинов монтмориллонитом / И.Н. Мусин, И.З. Файзуллин, С.И. Вольфсон // Вестник Казанского технологического университета, Казань, КНИТУ - 2012 - № 14, с. 135-138.
19. И.Н. Мусин, Влияние добавок на свойства древесно -полимерных композитов / И.Н. Мусин, И.З. Файзуллин, С.И. Вольфсон // Вестник Казанского технологического университета, Казань, КНИТУ - 2012 г, Т. 15 № 24, с. 97-99.
20. Д.В. Тунцев, Технологическая схема подготовки жидких продуктов пиролиза древесных отходов к газификации / Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - № 21. - С. 258-260.
© И. А. Валеев - доц. каф. ТОМЛП КНИТУ, sieera@rambler.ru; Р. А. Газизов - доц. той же кафедры, rust_vint@hotbox.ru; З. М. Шарафутдинова - студ. той же кафедры; Р. Р. Мусин - студ. той же кафедры.
© I. A. Valeev - Associate Professor of the Department of TOMLP, KNRTU, sieera@rambler.ru; R. A. Gazizov - Associate Professor of the Department of TOMLP, KNRTU, rust_vint@hotbox.ru; Z. M.Sharafutdinova - Student ofthe Department of TOMLP, KNRTU; R. R. Musin - Student of the Department of TOMLP, KNRTU.
