CC BY
45
УДК 66.040.2
Д. В. Тунцев, Р. Г. Сафин, Р. Г. Хисматов, М. Р. Хайруллина, Э. К. Хайруллина
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПРОДУКТОВ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ОТРАБОТАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ШПАЛ
Ключевые слова: железнодорожная отрасль, деревянные шпалы, пиролиз, пиролизная жидкость, уголь, активность угля, газ,
теплоты сгорания.
В работе представлены результаты аналитического исследования твердых, жидких и газообразных продуктов термокондуктивного разложения отработанных деревянных шпал.
Keywords: railway industry, wooden sleepers, pyrolysis, coal oil, charcoal, activated charcoal, gas, heat of combustion.
The paper presents the results of an analytical study of solid, liquid and gaseous products of waste thermoconductive of the decomposition wooden sleepers.
Производства и отрасли народного хозяйства развиваются стремительными темпами, и по мере их развития размеры ущерба, наносимого природной среде, увеличиваются. Большинство видов отраслей народного хозяйства не может переработать все количество собственных отходов. На этом фоне возникает потребность в новых технологиях по переработки и утилизации отходов с минимальным уровнем негативного воздействия на окружающую среду.
Железнодорожная отрасль одна из широко развитых отраслей народного хозяйства РФ, в процессе хозяйственной деятельности структурных подразделений ОАО "Российские железные дороги" образуется порядка 600 наименований отходов [1], часть из которых характерна только для этой отрасли. Отходы железнодорожного транспорта могут быть загрязнены нефтепродуктами, содержать различные органические соединения, а также тяжелые металлы и ртуть.
Опасные отходы железнодорожной отрасли 1 и 2 классов передают для обезвреживания и утилизации сторонним организациям специализированных на утилизации опасных отходов. Отходы 4 и 5 классов опасности, как практически неопасные, не создают для ОАО "РЖД" больших проблем по вторичному использованию и захоронению. Основные проблемы возникают при работе с отходами 3 класса опасности, для вторичного использования и утилизации которых необходимы экологически чистые технологии.
Согласно федеральному классификационному каталогу отходов отработанные древесные шпалы (ОДШ) - это готовые изделия, потерявшие свои потребительские свойства (Код 1712060013013), относящиеся к твердым органическим отходам 3 класса опасности [2]. Ежегодно после ремонта железнодорожных путей скапливается огромное количество деревянных шпал отслуживших свой срок, а решений об их утилизации пока нет. Нередко отработанные деревянные шпалы складируют на территории предприятий путевого хозяйства или оставляют разбросанными вдоль железнодорожных путей, законодательство Российской Федерации за несанкционированно размещенные отходы, в местах, не предусмотренных для их хранения, предусматривает
строгую административную ответственность, а также штрафы и санкции [3].
Существующие на сегодняшний день методы утилизации ОДШ - захоронение, химическая нейтрализация, газификация с последующим сжиганием, использование в качестве композиционных материалов [4] экологически нецелесообразны, применение или внедрение данных методов может привести к попаданию токсичных компонентов пропиточного состава шпал в окружающую среду.
Одним из передовых промышленных способов утилизации ОДШ является пиролиз. По сравнению с другими методами пиролиз является более экологичным способом утилизации, т. к. осуществляется в герметичных условиях, что позволяет снизить выделение вредных соединений в окружающую среду [5]. Экономическая эффект при утилизации данным способом достигается за счет использования излишки вырабатываемого тепла в технических или бытовых нуждах и за счет реализации жидких и твердых продуктов, а используя теплоту сжигания образующихся пирогазов можно снизить до минимума энергозатраты на процесс разложения [6].
Термическое разложение ОДШ и пиролиз древесины схожие по своей сути процессы. Это объясняется тем, что ОДШ на 87,5% состоят из древесины [7]. В результате процесса термического разложения ОДШ образуются уголь и парогазовая смесь. Последняя, делится на жидкую часть и неконденсирующиеся газы.
С целью исследования процесса пиролиза ОДШ и физикохимических свойств продуктов термического разложения ОДШ на базе кафедры «Переработки древесных материалов» был разработан экспериментальный стенд утилизации ОДШ методом пиролиза [8]. Цикл экспериментов осуществляли для образцов, полученных из пропитанной части отработанных деревянных шпал с массовым содержанием каменноугольного масла в размере 80 и 12,9% при различных температурных режимах: 400, 450, 500°С. Жидкие продукты, полученные, в ходе экспериментов подвергали аналитическому исследованию. Химический состав жидких продуктов периферийной пропитанной зоны шпалы определяли методом хромато-масс-спектрометрии на установке «TurboMass Gold» с предварительной
подготовкой методом термостатирования при температуре 70°С в течение 1 часа [9]. Идентификация органических соединений пиролизной жидкости проводили с использованием библиотек масс-спектров N181 и
Анализ бензольного экстракта осадка пиролиз-ной жидкости полученного при термическом разложении ОДШ с массовым содержанием каменноугольного масла в размере 80% выявил высокое содержание соединений характерных для состава каменноугольного масла: фенолов 20,1%, флуоре-нантраценов и фенантренов 17,2%, пиренов 16,9%. Однако следует отметить и наличие легких фракций. Анализ паровой фракции пиролизной жидкости, полученный путем термостатирования, показал содержание в больших количествах ацетона 22%, бензола 17%, бутанона 12%.
Анализ отстоя пиролизной жидкости полученного при термическом разложении ОДШ с массовым содержанием каменноугольного масла в размере 12,9%, что соответствует общему массовому содержанию каменноугольного масла в деревянных шпалах показал наличие следующих соединений: бензола 6,6%, толуола 7,5%, альфа-пинена 7% и др.
Анализ паровой фазы выявил преобладание лесохимических продуктов: уксусной кислоты 31,1%, фурфураля 11,4%, метилацетата 14,6% с незначительной долей компонентов каменноугольного масла [10,11].
Термодинамическая устойчивость основных компонентов каменноугольного масла в температурных режимах пиролиза древесины (250-450°С) позволяет рассматривать процесс пиролиза ОДШ как совокупнсть процессов термического разложения и дистилляции каменноугольного масла.
С целью исследования возможности использования угля полученного при пиролизе ОДШ в качестве сорбента, были проведены экспериментальные исследования активности угля. Процесс активацию проводили на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 1.
активации угля
Экспериментальная установка для активации угля состоит из электронагревательной печи 1 с температурой нагрева до 900°С, реторты, куда засыпается мелкофракционный уголь из ОДШ, компрессора 3, который создает давление в мерном сосуде 2 и в реторте, соединительных медных трубок, терморегулятора 5, термопары 6,
электрораспределительного щитка 4 и выходного патрубка для отвода отработанного пара. Активацию проводили водой в изотермических условиях. Адсорбционную активность проверяли по йоду согласно ГОСТ 6217-74 «Уголь активный древесный дробленый. Технические условия» [12]. Результаты проведенных исследований адсорбционной активности углей, полученных из древесины и из отработанных деревянных шпал в температурном интервале 400-900 °С, представлены на рис. 2.
80
I 10 <1
о ^-------
300 400 500 600 700 800 900 Т, °С Рис. 2 - Кривые зависимости сорбционной активности углей по йоду от температуры активации
В таблице 1 приведены нормы и требования, которым должны соответствовать активированные древесные дробленые угли различных марок. Также в таблице 1 представлены основные физико-механические показатели угля полученного в результате термического разложения отработанных деревянных шпал (УАШ).
Таблица 1 - Основные характеристики активных древесных дробленых углей и угля, полученного из ОДШ (УАШ)
Наименование показателя Норма для марки УАШ
БАУ-А БАУ-Ац ДАК БАУ-МФ
Адсорбционная активность по йоду, %, не менее 60 60 30 70 65
Массовая доля золы, %, не более 6 7 6 10 6
Фракционный состав, массовая доля остатка на сите с полотном: N 36, %, не более 2,5 2,5 2,5 - 2,5
Полученные результаты проведенных исследований адсорбционной активности угля из ОДШ показывают незначительное отличие адсорбционной активности от древесного угля, что делает возможным его применение в качестве сорбента для технических целей.
С целью исследования теплоты сгорания пирогазов, необходимые для энергетического обеспечения технологической линии,
неконденсирующие газы, выделившиеся в ходе пиролиза ОДШ, собирали в газгольдере. Провели анализ химического состава и определили величину теплоты сгорания пиролизного газа. Анализ химсостава пирогаза проводили согласно ПНД Ф 13.1:2:3.27-99 и ПНД Ф 13.1:2:3.22-98, результаты которого показали содержание в пирогазе диоксида углерода 49%, оксида углерода 28,4%; метана 18,2%, этилена 1,4%, водорода 2,5%, азота 0,5%. Теплоту сгорания пирогазов измеряли на бомбовом калориметре (калориметр 1КА С500) по ГОСТ 10062-75 «Газы природные горючие. Метод определения удельной теплоты сгорания». Сущность метода состоит в сжигании в калориметрической бомбе в среде сжатого кислорода определенного объема исследуемого газа. Теплота сгорания пиролизного газа, образующегося при термическом разложении ОДШ, составляет 18,5 МДж/кг.
Выводы
1. Результаты исследований химического состава жидких продуктов пиролиза ОДШ с массовым содержанием каменноугольного масла в размере 80 и 12,9 % подтвердили предположение аддитивности химического состава жидкого продукта пиролиза ОДШ.
2. Анализ адсорбционной активности по йоду активированного угля ОДШ показал его соответствие государственному стандарту, что говорит о возможности применения угля ОДШ в сорбционной технике.
3. Теплота сгорания газообразного продукта пиролиза ОДШ составляет 18,5 МДж/кг.
Литература
1. Экологическая стратегия ОАО "РЖД" на период до 2017 года и перспективу до 2030 года [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://doc.rzd.ru. (Дата официального опубликования: 21.05.2014)
2. Тунцев, Д.В. Энерго- и ресурсосберегающая технология сушки и утилизации отработанных деревянных шпал [Текст]/ Тунцев Д.В., Хайруллина М.Р., Савельев А.С., Романчева И.С. // Актуальные проблемы сушки и тер-мовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе: сборник научных статей Первых Международных Лыковских научных чтений, посвященных 105-летию академика А.В. Лыкова. - 2015. - С. 367-369.
3. Забелкин, С.А. Энергетическое использование жидких продуктов быстрого пиролиза древесины [Текст]/ С.А. Забелкин, Д.В. Тунцев, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2010. - №4. - С. 79-83.
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 технологического университета. - 2015. - Т. 18. - №5. - С. 248-250.
5. 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.
6. Тунцев Д.В. Совершенствование технологии и оборудования процесса термического разложения древесины в кипящем слое: дис. ... канд. тех. наук: Казан. нац. ис-след. технол. ун-т. - Казань, 2011.
7. Тунцев, Д. В. Математическое моделирование процесса термического разложения отработанных деревянных шпал [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, М.Р. Хайрулли-на, Э.К. Хайруллина, А.С. Савельев // Вестник технологического университета. - 2015. - Т.18. - №15. - С. 152154.
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. Тунцев, Д.В. Исследование свойств жидкого продукта быстрого пиролиза и его влияния на конструкционные материалы [Текст]/ Д.В. Тунцев, А.З. Халитов, А.Н. Грачев // Вестник казанского технологического университета. - 2010. - №9. - С. 103-107.
10. Tuntsev D.V., Filippova F.M., Khismatov R.G., Timerbaev N.F. Pyrolyzates: Products of plant biomass fast pyrolysis // Russian Journal of Applied Chemistry. - 2014. -V.87. - №9. - P. 1367-1370.
11. Тунцев, Д.В. Технологическая схема подготовки жидких продуктов пиролиза древесных отходов к газификации [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. -Т.16. - №21. - С. 105-107.
12. Гильфанов, М.Ф. Исследование свойств древесного угля основных лесообразующих пород Республики Татарстан [Текст]/ М.Ф. Гильфанов, А.Т. Шаймуллин, М.Р. Хайруллина, С.А. Забелкин, А.Н. Грачев, Н.В. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16. - №21. - С. 112-113.
© Д. В. Тунцев - к.т.н. доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Р. Г. Хисматов - к.т.н. доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; М. Р. Хайруллина - магистрант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Э. К. Хайруллина - магистрант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ.
© D. V. Tuntsev - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, [email protected]; R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department Processing of wood materials KNITU, Safin@/kstu.ru; R.G. Hismatov - of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, [email protected]; M. R. Khairullina - master of chair of processing of wood materials KNRTU, [email protected]; E. K. Khairullina - master of chair of processing of wood materials KNRTU.
