Экология/2.Экологические и метеорологические проб­лемы  больших городов и промышленных зон

 

К.т.н. Тунцев Д.В., магистрант Хайруллина М.Р., магистрант Хайруллина Э.К., студент Савельев А.С., студент Романчева И.С.

Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия

Утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза

 

В условиях ухудшающейся экологической обстановки в стране крайне необходимо разрабатывать ресурсосберегающие и экологически обоснованные технологии утилизации отходов транспортной отрасли. Вышедшие из эксплуатации деревянные шпалы относятся к твердым органическим отходам 3 класса экологической опасности, эффективная и экономически целесообразная утилизация которых является актуальной задачей современного мира [1].

Одним из термических методов утилизации ОДШ является пиролиз. По своей сути процесс термического разложения шпал  сходен с процессом пиролиза древесины [2]. Начинается процесс со стадии сушки, в период постоянной скорости которого вся поверхность ОДШ покрывается  тонкой пленкой воды. Это обусловлено  высокой влажностью материала в начале сушки и возмещением испаряемой с поверхности влаги свободной влагой,  диффундирующей на поверхность. Нагретая до температуры 150-170°С ОДШ начинает разлагаться с распада наименее термостойких компонентов, при этом выделяется реакционная вода, углекислоты и некоторые другие продукты и наблюдаются изменения химического и элементарного состава. При температуре 170-275°С начинается бурный распад ОДШ с выделением тепла и образованием основной массы продукта разложения и заканчивается при 400°С. Тепло, переданное перерабатываемому сырью, превращается в химическую работу, молекулы становятся все более подвижными и приобретают способность к разрыву с отщеплением углеродосодержащих групп и образованием новых веществ, с меньшим молекулярным весом. Дальнейшее преобразование приводит к физическим изменениям структуры углеводородного массива шпал. Она становится все более пористой, изменяется внутренняя поверхность и размер пор. В результате перепада давления продукты пиролиза, образующиеся в глубине материала, мигрируют наружу, выход которых происходит через макропоры диаметром порядка нескольких микрон [3].

Каменноугольное масло, используемое как антисептик, практически не испаряется при постоянной скорости сушки (сотые доли процента по массе). При достижении шпалой температуры 150-170°С начинают испаряться лёгкие фракции каменноугольного масла. С увеличением температуры сырья до 200-210°С испаряются фенольная, до 230°С - нафталиновая, до 300°С - поглотительная, до 360°С - антраценовая фракции. В состав каменноугольного масла входят ароматические углеводороды со сложной циклической структурой. Воздействие высоких температур приводит к изменениям структур этих соединений на молекулярном уровне, в результате образуются новые полициклические соединения полиароматические углеводороды [4].

Рис. 1 - Схема утилизации ОДШ

Технологическая схема утилизации ОДШ представлена на рис. 1. 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: 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 технологии переработки отработанных деревянных шпал методом быстрого пиролиза.

 

Литература

1. Тунцев, Д.В. Ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал / 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. Тунцев, Д.В. Современные направления переработки древесной биомассы / 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.

3. Тунцев, Д.В. Математическая модель термического разложения древесины в условиях кипящего слоя и конденсации продуктов разложения / Д.В. Тунцев, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета, 2011. - № 14. - С. 94-100.

4. 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. 24-29.

5. Тунцев, Д.В. Переработка низкокачественной древесины в уголь на установке «ПУ-10» / 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.