CC BY
156
УДК625.142.2
Д. В. Тунцев, Р. Г. Сафин, Р. Г. Хисматов,
М. Р. Хайруллина, Э. Е. Антипова, И. Ф. Гараева
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ШПАЛ
Ключевые слова: деревянные шпалы, пропитка, утилизация, термокаталитическая жидкость, каменноугольное масло, креозот, пиролиз.
Утилизация отработанных деревянных шпал является актуальной задачей с точки зрения охраны окружающей среды, так как при изготовлении в целях увеличения срока службы их пропитывают антисептиками, содержащими в своем составе органические соединения, обладающие высокой летучестью, токсичными, канцерогенными свойствами. В работе рассмотрены наиболее распространенные методы утилизации отработанных деревянных шпал.
Keywords: wooden sleepers, impregnation, recycling, catalytic thermal fluid, coal oil, creosote, pyrolysis.
Utilization of the fulfilled wooden cross ties is an actual task from the point of view of environmental protection as at production for increase in life cycle they are soaked with the antiseptics containing the organic compounds possessing a high volatility, toxic, cancerogenic properties in the structure. In work the most widespread methods of utilization of the fulfilled wooden cross ties are considered.
В условиях ухудшающейся экологической обстановки в стране крайне необходимо разрабатывать ресурсосберегающие и экологически обоснованные технологии утилизации отходов транспортной отрасли.
Шпалы - это элементы железнодорожных путей, предназначенные для обеспечения постоянства ширины колеи, передачи нагрузки от рельсов на балластную подушку и закрепления пути на дорожном полотне. Материалом для их изготовления служит древесина, железобетон, металлы и полимеры. В настоящее время до 75% железнодорожных путей на территории России и ближнего зарубежья проложено с использованием деревянных шпал. Деревянные шпалы служат от 7 до 40 лет, продолжительность срока службы зависит от типа исходной древесины, условий и интенсивности эксплуатации. В России изготавливают деревянные шпалы из древесины сосны, а также из ели, пихты, кедра. Основная проблема деревянных шпал — загнивание в местах крепления к ним рельсов.
Ежегодно в России ремонтируют сотни километров железных дорог, при этом заменяют около 2 миллиона деревянных шпал, у которых уже вышел срок эксплуатации (табл. 1) [1].
Таблица 1 - Анализ замены деревянных шпал на железных дорогах России
Железная дорога Количество тыс. шт/г
Алтайская 168
Восточно-Сибирская 30
Горьковская 40
Московская 46
Октябрьская 700
Свердловская 50
Северная 1000
Северо -Кавказская 8
По структурно-механическим характеристикам деревянные шпалы значительно отличаются от исходной древесины. Так как для увеличения срока службы шпалы пропитывают антисептическими средствами, которые в своем составе содер-
жат органические соединения, обладающие высокой летучестью.
Технология изготовления деревянных шпал включает в себя два основных этапа:
- первый этап: подготовка древесины по заданным размерам и требованиям на лесопильных предприятиях;
- второй этап: пропитка полученных заготовок на шпалопропиточных заводах. Осуществляется каме-ноугольными маслами, креозотом, либо термокаталитической жидкостью (ЖКТ). В России применяют в основном каменноугольное масло и ЖКТ [2].
Каменноугольное масло — продукт перегонки каменноугольной смолы при температуре от 200 до 400°. Это жидкость темно-коричневого цвета (удельный вес 1,05-1,10 г/см3 , температура кипения 180-200С°) с едким ароматом. Периферийная часть шпалы на 80% состоит из каменноугольного масла, которое, в свою очередь, содержит 20,1% фенолов, 17,2% фенантренов, 16,9% пиренов, 22% ацетона и 12% бутанола [3].
Креозот — это бесцветный или слабоокра-шенный химический препарат в виде маслянистой жидкости, добываем из каменноугольного дегтя. Состоит из смеси фенолов, главным образом гваякола и крезолов. Относится к легковоспламеняющимся веществам, обладает едким и устойчивым запахом, при испарении выделяет вредные для живых организмов пары и плохо растворяется в воде. Действует он подобно фенолам, но слабее влияет на нервную систему, усиливает чувствительность кожи к свету. Согласно последним исследованиям, креозот считается потенциальным канцерогеном.
По ГОСТ 12.1.007-76 термокаталитическая жидкость относится к веществам 4-го класса опасности [4], содержание канцерогенов (бенз (а) пире-на) в ЖТК для пропитки шпал в 125 раз меньше, чем в каменноугольном масле. Представляет собой маслянистую жидкость от светло-коричневого до темно-коричневого цвета, состоящая из предельных, непредельных, нафтеновых, ароматических углеводородов и их серных, кислородных и азотистых производных. Получают ЖТК из нефтяных
газойлей и остатков первичнои перегонки, остаточных продуктов пиролиза и висбрекинга. Для усиления свойств антисептика применяются специальные биоцидная и депрессорная присадки.
Данные антисептики содержат в своем составе органические соединения, обладающие высокой летучестью, токсичными, канцерогенными свойствами и способны вызвать тяжелые отравления у людей и появление онкологических заболеваний.
При эксплуатации деревянные шпалы могут быть загрязнены нефтепродуктами. Более того, в отработанных деревянных шпалах возможно присутствие металлических включений, не извлеченных при её демонтаже [5]. Примерный компонентный состав отходов железнодорожных шпал, пропитанных антисептическими средствами (паспорт опасного отхода): целлюлоза - 80,0%, масло сланцевое -8,2%, вода - 1,5%, бензол - 0,1%, толуол - 0,1%, фенол - 0,1%, кремнезем (8Ю2) - 6,0%, глинозем (АЬОз) - 4,0%.
Согласно федеральному классификационному каталогу отходов отработанные древесные шпалы - это готовые изделия, потерявшие свои потребительские свойства (Код 1712060013013) и относят их к твердым органическим отходам з класса экологической опасности [6].
В связи с этим все больше на передний план выступает проблема эффективной и экономически целесообразной утилизации шпал различных типов [5]. На рисунке 1 представлены возможные методы утилизации ОДШ.
Рис. 1 - Методы утилизации отработанных деревянных шпал
Изъятые из пользования по окончанию срока службы шпалы захораниваются на площадках в специально оборудованных полигонах промышленных отходов, что приводит к большим финансовым затратам. Организованное захоронение ежегодно образующегося на железных дорогах страны объема ОДШ составляет около 163,4 млн. руб./год. Зачастую, из-за переполненности полигонов, накапливают и складируют ОДШ в местах, не предусмотренных для хранения, в этом случае происходит вымывание токсичных и вредных веществ в окружающую среду, а это приводит к обострению экологической ситуации, а так же санкциям и штрафам со стороны ведомств по защите окружающей среды.
Для использования ОДШ в качестве композиционных и строительных материалов необходимо обеспечить полную нейтрализацию или изоляцию токсичных компонентов каменноугольного масла, в противном случае выделение токсичных соединений приводит вторичному загрязнению окружающей среды [7].
Физико-химические методы утилизации осуществляют совместно с другими методами утилизации. Суть их состоит в нейтрализации выделений токсичных соединений с последующей дополнительной утилизацией. Нейтрализующие реагенты следует подбирать, учитывая состав пропитывающей жидкости, что крайне затруднительно в случае с каменноугольным маслом из-за сложности его состава. Постоянные дополнительные затраты на нейтрализующий реагент делают это способ дорогостоящим.
Наиболее распространенными промышленными способами утилизации твердых органических отходов являются термические методы: сжигание, газификация и пиролиз.
Наиболее старым и самым распространенным методом является сжигание. Поскольку все шпалы пропитаны антисептическими средствами, при их сжигании выделяются дымовые газы, содержащие таких токсичных канцерогенных веществ, как ацетон, бутанол, фенолы, фенантрены, с высокой концентрацией. Эти вещества, попав в воздух, способны вызвать тяжелые отравления у людей, способствовать появлению тяжелых заболеваний. Добиться приемлемой концентрации токсичных веществ, для окружающей среды, и организму человека, можно сжигая шпал совместно с другими видами топлива, однако этот способ требует многократного избытка альтернативного топлива.
Утилизация ОДШ методом газификации дает меньшее количество газов, подвергаемых очистке, по сравнению со сжиганием. Газификация - это термохимический высокотемпературный процесс взаимодействия органической массы или продуктов ее термической переработки с газифицирующими окислительными либо восстановительными агентами [8], в результате органическая часть или продукты ее термической переработки превращаются в горючие газы, которые после очищения могут быть использованы при выработке тепловой или электрической энергии [9]. Недостатком метода газификации является необходимость применения дорогостоящей системы очистки генераторного газа от термодинамически устойчивых токсичных соединений каменноугольного масла.
Пиролиз - это термическое разложение органических соединений под действием умеренных температур в герметичных установках при отсутствии окислительной среды. В результате процесса пиролиза образуются твердые, жидкие и газообразные продукты [10]. Твердый продукт процесса пиролиза - это углистое вещество, остающееся в камере сгорания. Совместно выделяются жидкие и газообразные продукты, образуя сложную парогазовую смесь (ПГС). При последующем охлаждении и очистке разделяется ПГС на жидкий дистиллят и не-
конденсируемые газы [11]. Правильная организация технологического процесса данного метода утилизации позволяет покрыть энергетические потребности процесса. Избытки вырабатываемого тепла можно использовать в технических или бытовых нуждах. Повышать экономическую эффективность можно реализацией жидких и твердых продуктов, которые могут быть широко использованы в промышленности. И с экологической точки зрения пиролиз является более интересными и перспективным методом для утилизации органических отходов, так как осуществляется он в герметичных условиях и количество образуемых при этом газов намного меньше, чем при сжигании и газификации.
Анализируя вышеперечисленные методы, можно сделать вывод о том, что наиболее приемлемым методом для утилизации ОДШ по сравнению с другими рассмотренными является пиролиз.
По своей сути процесс термического разложения отработанных деревянных шпал сходен с процессом пиролиза древесины. Это объясняется тем, что ОДШ на 87,5% состоят из древесины. Схема процесса утилизации пиролизом представлена на рис 2.
Рис. 1 - Схема утилизации ОДШ
Происходит утилизация ОДШ следующим образом: сырьё прогревается и высушивается топочными газами в сушилке, откуда поступает в реактор пиролиза, где осуществляется дальнейший прогрев и термическое разложение нагретыми в теплообменнике рециркуляционными газами. В результате процесса термического разложения образуются уголь и парогазовая смесь. Последняя, проходя через конденсатор, частично конденсируется с выделением компонентов каменноугольного масла, которые отводятся в виде конечного продукта представляющего собой соединения каменноугольного масла. На выходе из конденсатора неконденсирующиеся газы делятся на два потока:
© Д. В. Тунцев - к.т.н. доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, tuncev_d@mail.ru; Р. Г. Сафин - д.т.н., проф., зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, Safin@kstu.ru; Р. Г. Хисматов - к.т.н. доц. той же кафедры XP8519@gmail.com; М. Р. Хайруллина - магистрант той же кафедры; Э. Е. Антипова - магистрант той же кафедры; И. Ф. Гараева - магистрант той же кафедры.
© D. V. Tuntsev - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, tuncev_d@mail.ru; R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department Processing of wood materials KNRTU, Safin@kstu.ru; R. G. Hismatov - of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, XP8519@gmail.com; M. R. Khairullina - master of chair of processing of wood materials KNRTU; E. E. Antipova - master of chair of processing of wood materials KNITU; 1 F. Garaeva - master of chair of Processing of wood materials KNRTU.
часть газов идет на сжигание в теплогенератор; другая же часть, нагнетается газодувкой через теплообменник в реактор, обеспечивая внутренний прогрев и термическое разложение сырья.
На базе кафедры переработки древесных материалов ведется работа по разработке технологической схемы переработки отработанных деревянных шпал методом быстрого пиролиза.
Литература
1. Сватовская, Л.Б. Новые технологии утилизации отработанных деревянных шпал [Текст]/ Л.Б. Сватовская, Т.С. Титова, Е.В. Русланова // Наука и техника транспорта. - 2005. -№3. - С.16-18.
2. Исхаков, Т.Д. Утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза [Текст]/ Т.Д. Исхаков, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, Р. М. Иманаев // Вестник Казанского технологического университета. - 2008. - №5. - С.166-170.
3. ГОСТ 2770-74. Масло каменноугольное для пропитки древесины. Технические условия - Введ. 1974-29-07. -М. : Изд-во стандартов, 1974. - 7с.
4. ГОСТ 12.1.007-76 Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности- Введ. 1977-01-01. -М. : Стандартформ, 1976. - 6с.
5. Исхаков, Т.Д. Энерго- и ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза: диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.04, 05.21.05 / Т.Д. Исхаков // Казань. нац. исслед. технол. ун-т. Казань. - 2008. - 152 с.
6. Тимербаев, Н.Ф. Утилизация твердых отходов деревопере-работки, содержащих токсичные вещества / Н.Ф. Тимерба-ев, Р.Г. Сафин, З.Г. Сатарова // Вестник Казан. технол. унта. - 2011. - №4. - С.79-84.
7. Сафин, Р.Г. Современные строительные композиционные материалы на основе древесных отходов / Р.Г. Сафин и др. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2014. - Т. 17. - №20. - С. 123-128.
8. Тунцев, Д.В. Технологическая схема подготовки жидких продуктов пиролиза древесных отходов к газификации / Д.В. Тунцев и др. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2013. -Т. 16. - №21. - С. 258-260.
9. Тимербаев, Н.Ф. Тхнологии газификации древесины: перспективы и инновации/ Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Садртдинов, И.Н. Ковернинский, Л.Р. Смирнова, Т.Х. Галеев, Д.А. Ах-метова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2014. - Т. 17. - № 15. - С. 221-226.
10. Тунцев, Д.В. Схема контактного пиролиза отходов лесозаготовки 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. -№ 2-3 (7-3). - С. 146-149.
11. Грачев, А.Н. Исследование физико-химических свойств жидкого пиротоплива из отходов древесины и оценка возможности его энергетического использования А.Н. Грачев, Р.А. Халитов, Ю.П. Семенов, Е.Ю. Разумов, Д.В. Тунцев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2009. - №4. -С. 24-26.
