Научно-исследовательская работа "Переработка шпал"

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» ПЕРМСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ­ филиал федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»  в г. Перми (ПИЖТ УрГУПС) УТИЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ ШПАЛ                                                                                    к.х.н.,  Сазонова Е.А.  Пермь ВВЕДЕНИЕ В   последнее   время   обострилась   экологическая   ситуация   в   России, поэтому крайне необходим ресурсосберегающий и экологически обоснованный подход к организации производства. Считается, что наиболее рациональна такая организация   промышленных   комплексов,   при   которой   отходы   одного производства являются сырьем для другого. Многие   виды   отходов,   образующие   в   химической   промышленности, энергетике, при производстве строительных материалов, на железнодорожном транспорте   и   в   других   отраслях,   не   находят   себе   применение   по технологическим   или   экономическим   причинам.   Научное   обоснование использования отходов обеспечит решение двух задач: 1 сбережение природных ресурсов, которые будут замещены вторичным сырьем; 2 охрану окружающей среды от воздействия токсичных веществ, которые содержатся в отходах. Проблема   утилизации   железнодорожных   шпал   ­   острейшая   для транспортной   отрасли.     Ежегодно   только   на   Свердловской   железной   дороге выводится   из   производственного   использования   около   700   тыс.   штук деревянных шпал.  Региональные полигоны промышленных отходов в основном переполнены, и   подразделения   дорог   нередко   вынуждены   накапливать   отслужившие   срок шпалы в местах, не предусмотренных для их хранения.  Целью   настоящей   работы   является   разработка   метода   утилизации старогодних   шпал  в   активные   угли   и   внедрение   данной   технологии   в производство. СПОСОБЫ УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ШПАЛ Проблема   утилизации   железнодорожных   шпал   –   острейшая   для транспортной   отрасли.     Ежегодно   только   на   Свердловской   железной   дороге выводится   из   производственного   использования   около   700   тыс.   штук деревянных шпал. Еще примерно 200 тыс. уходит в утиль с подъездных путей многочисленных заводов региона. Сегодня шпалы в лучшем случае свозятся на полигоны отходов, в худшем – складируются вдоль железнодорожного полотна.  Перейти   повсеместно   на   более   долговечные   и   нетоксичные   бетонные шпалы пока тоже невозможно, из­за более высокой стоимости по сравнению с деревянными   шпалами.   Таким   образом,   проблема   отработанных   деревянных шпал будет актуальна еще несколько десятилетий. Региональные полигоны промышленных отходов в основном переполнены, и   подразделения   дорог   нередко   вынуждены   накапливать   отслужившие   срок шпалы в местах, не предусмотренных для их хранения.  В течение длительного периода времени предприятия отрасли пытаются решить эту проблему. На сегодняшний день существуют следующие способы утилизации деревянных шпал: сжигание; использование шпал как строительный материал; газификация; пиролиз.  РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ШПАЛ  В данной главе рассматриваются вопросы и основные положения процесса пиролиза   древесины,   сырье     и   различные   факторы,   влияющие   на   выход продуктов разложения. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ Пиролиз древесины  (сухая перегонка древесины), разложение древесины при нагревании до 450  0C без доступа воздуха с образованием газообразных и жидких   (в   т.   ч.   древесной   смолы)   продуктов,   а   также   твердого   остатка древесного угля Отличительными особенностями пиролиза являются: ­   способность   построения   непрерывного   замкнутого   технологического производственного процесса; ­ минимальное содержание угарного газа, при практическом отсутствии углекислого газа. Однако   процесс   пиролиза   требует   тщательной   подготовки   исходного сырья: ­ измельчения до как можно меньшего эквивалентного диаметра частиц исходного вещества; ­   сушку   исходного   вещества   до   как   можно   меньшей   относительной влажности. Для   осуществления   процесса   в   настоящее   время   обычно   применяют древесину лиственных пород (например, березы), реже (главным образом при комплексной   переработке   сырья)   –   древесину   хвойных   пород.  При   пиролизе древесины березы (влажность 10­15 %) получают 24­25% древесного угля, 50­55 % жидких (так называемая – жижка) и 22­23 % газообразных продуктов. Чем больше размер кусков древесины, взятой для пиролиза, тем крупнее твердый остаток, хотя в результате неравномерной усадки сырья и бурного выделения летучих продуктов происходит растрескивание обугливающегося материала и образуется до 20 % мелкого угля с размером частиц менее 12 мм. Полученный древесный   уголь   после   сортировки   по   размеру   кусков   направляют непосредственно потребителю или на переработку. При хранении и переработке жижки отстаивается древесная смола (7­10 %) и одновременно протекают многочисленные превращения ее компонентов; из смолы выделяют широкий ассортимент ценных продуктов. Отстоявшаяся жижка имеет плотность 1,025­1,050 г/см3 и содержит 6­9 % по массе уксусной кислоты и   ее   гомологов,   2,5­4,5   %   метанола,   5­6   %   соединений   разных   классов (альдегидов, кетонов, сложных эфиров и т.д.), 4,5­14 % растворимой древесной смолы   и   67­81   %   воды.   Уксусную   кислоту   извлекают   из   жижки   чаще   всего экстракцией и путем ректификации и химической очистки перерабатывают в пищевой продукт. Газообразные   продукты   (неконденсирующиеся   газы)   включают   диоксид (45­55 % по объему) и оксид (28­32 %) углерода, водород (1­2 %), метан (8­21 %) и др. углеводороды (1,5­3,0 %). Состав неконденсирующихся газов зависит от конечной температуры пиролиза, скорости и способа нагрева (с внутренней или   наружной   циркуляцией   теплоносителя   –   обычно   топочных   газов, получаемых при сжигании топлива и неконденсирующихся газов); теплота их сгорания колеблется от 3,05 до 15,2 МДж/м3. Перечисленные факторы, а также порода,   качество   и   влажность   древесины   определяют   выход   продуктов   ее пиролиза. С повышением температуры возрастают выходы древесной смолы и неконденсирующихся газов, но снижаются выходы древесного угля, уксусной кислоты   и   спиртовых   продуктов;   уголь   образуется   с   более   высоким содержанием   углерода.   Средний   выход   основного   продуктов   пиролиза древесины составляет (в расчете на сухую древесину): уксусная кислота 5­7 %, древесная смола 10­14 %, древесный уголь (в расчете на нелетучий углерод) 23­ 24 %. В   основе   пиролиза   древесины   лежат   свободнорадикальные   реакции   протекающие термодеструкции   гемицеллюлоз, соответственно   при   200­260,   240­350   и   250­400  0C;   соотношение   констант   целлюлозы   и   лигнина, скоростей   при   320  0C   составляет   10:1:0,25.   Кинетические   характеристики пиролиза древесины и ее компонентов, найденные разными авторами, заметно различаются. Реакции распада древесины, гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина имеют   первый   порядок,   а   энергии   активации   этих   реакций   изменяются   в значительных пределах; для упомянутых компонентов древесины соотв. 70­80, 135­210 и 55­110 кДж/моль. Константа скорости пиролиза древесины выше, чем у   целлюлозы,   и,   например,   при   350  0C   для   разложения   пород   находится   в диапазоне (2,8­8,3)∙10­3с­1. Пиролиз древесины – экзотермический процесс, при котором выделяется большое количество теплоты (1150кДж/кг). Химические добавки (в расчете на сухую древесину) уменьшают энергии активации реакций пиролиза древесины и ее компонентов, снижают температуру начала   их   разложения   и   могут   направлять   процесс   в   сторону   преимущества образования   какого­либо   продукта.   Так,   при   пропитке   древесины   березы одновременно   H2SO4  (2%­ной)   и   H2O2  (0,1   %­ной)   температура   начала разложения   снижается   с   250   до   120  0C,   скорость   термодеструкции увеличивается более чем в 10 раз, энергия активации уменьшается примерно со 160 до 40 кДж/моль, выход древесного угля возрастает на 35 %. В присутствии минеральных   кислот,   Fe2(SO4)3.   Al2(SO4)3,   NaHSO4  и   др.   при   220  0C (предпиролиз) преимущественно образуется фурфурол с выходом до 8­10%; те же реагенты, а также MnCl2, йодноватая и хлоруксусная кислоты при 320  0C способствуют   образованию   левоглюкозана  с  выходом  до 10­12%.  Повышение выхода   древесной   смолы   достигается   в   присутствии   щелочей   и   аммиака,   а древесного угля – при пропитке древесины антипиренами. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА И АППАРАТУРА ПИРОЛИЗА Принципиальная технологическая схема пиролиза древесина представляет собой   разделку   сырья   на   куски   (тюльку);   сушку   разделанной   древесины; собственно пиролиз в специальных печах или ретортах; охлаждение угля и его стабилизация   (для   предотвращения   самовозгорания);   конденсация   паров летучих   продуктов.   Наиболее   продолжительная   и   энергоемкая   стадия­сушка древесины с влажностью 45 % до влажности 15 %. Применяемые   для   термического   разложения   древесины   аппараты подразделяются по принципу действия и принципу обогрева. По   первому   принципу   аппараты   разделяются   на   периодически действующие,   непрерывнодействующие   и   полунепрерывного   действия,   по второму – аппараты с наружным и внутренним обогревом. Непрерывнодействующие   аппараты   наиболее   совершены,   так   как   в   них полнее   используется   их   объем,   достигается   ускорение   процесса   пиролиза   и экономия   топлива,   они   механизированы   и   автоматизированы.   Налаженный контроль   за   соблюдением   режима   пиролиза   позволяет   получать   уголь   по качеству более однородный с массовой долей нелетучего углерода до 95 %. Периодически действующие аппараты обладают многими недостатками: низкий   уровень   механизации   технологического   процесса,   низкая   удельная производительность, они в ряде случаев не отвечают требованиям по охране окружающей среды. По   принципу   обогрева   аппараты   пиролиза   разделяют   на   аппараты   с наружным т внутренним обогревом. В аппаратах с наружным обогревом тепло от теплоносителя к древесине передается   через   стенки   реторт,   обогреваемые   горячими   дымовыми   газами. Внутри аппаратов тепло от стенок через прослойку газов передается древесине лучистым тепловым потоком и конвекцией. Разложение древесины в аппаратах начинается   в   первую   очередь   около   стенок   и   вследствие   малой теплопроводности   древесины   проходит   неравномерно.   Поэтому   стенки аппаратов   приходится   перегревать   и   топочные   газы   выходят   из   аппарата   с высокой температурой. Аппараты с внутренним обогревом обладают многими преимуществами: тепло   от   теплоносителя   передается   непосредственно   древесине   путем искусственной циркуляции и конвективного теплопереноса. В   промышленности   используются   аппараты   внутреннего   обогрева   с газообразным теплоносителем, который получают путем сжигания жидкого или газообразного   топлива   в   специальных   топках.   Разложение   древесины   в   этом случае проходит в более мягких условиях и при более низкой температуре. Жидкие продукты пиролиза быстрее выводятся током теплоносителя из аппарата  и не разлагаются  от соприкосновения с его перегретыми стенками, поэтому   выход   некоторых   продуктов   выше,   чем   в   аппаратах   с   наружным обогревом.  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ШПАЛ Принципиальная   технологическая   схема   утилизации   отработанных деревянных шпал состоит из следующих этапов: – деревянные шпалы  отмываются от креозота; – шпалы поступают на разделку; – шпалы после разделки поступают в вертикальную реторту, где проходит процесс пиролиза; Древесные угли получаемые при конечной температуре пиролиза 450­550 ºС – аморфный высокомолекулярный продукт, включающий ароматические и алифатические структуры. Состав пиролизата – углерод 80­92 %; водород 4,0­ 4,8   %;   кислород   5­15   %.   Содержит   также   1­3   %   минеральных   примесей. Пористость – 75­80 %, теплота сгорания 31500­34000 кДж/кг. – дробление продукта после пиролиза; – дробленый продукт проходит процесс активации во вращающейся печи активации. Реторта для пиролиза древесины изображена на рисунке 1. Рисунок 1 Реторта для пиролиза древесины 1 ­ люк для загрузки шпал; 2 – выход парогазов  в атмосферу; 3 – зона сушки; 4 – зона сжигания парогазов; 5 – зона пиролиза; 6 – вентилятор; 7, 14 – конусы для разгрузки  пиролизата; 8 – зона охлаждения; 9 – выход охлаждающего газа; 10 – люк для выгрузки пиролизата; 11 – шибер; 12 – выход горячего газа; 13 – конус разделяющий зоны;  15 – выпуск воздуха; 16 – коллектор для воздуха Весь   процесс   пиролиза   от   загрузки   древесины   в   реторту     и   кончая загрузкой   угля­сырца   в   бункер   автоматизированы.   Первоначальный   запуск реторты производят за счет сжигания в топочной зоне топлива при заполненном углем­сырцом нижней части реторты и древесной сушильной   ее части. После нагрева   реторта   начинает   работать   за   счет   сжигания   собственно   парогазов, имеющих достаточно высокую теплотворную способность. Время   процесса,   включая   сушку,   пиролиз   и   охлаждение   пиролизата, составляет 14 часов при начальной температуре  процесса  500 ºС. Установка рассчитана   на   переработку   8000   т   в   год   воздушно­сухой   древесины,   что соответствует   плотному   объему   12230   м3  сосновой   древесины   с   получением 2000   т   пиролизата   влажностью   не   более   4   %   и   массовой   долей   нелетучего углерода   85­90%.   Выход   пиролизата   в   пересчете   на   сосновую   древесину достигает 163 кг/м3. Принципиальная  схема активации пиролизата представлена на рисунке 2. Рисунок 2 Принципиальная схема активации пиролизованных  деревянных шпал Принципиальная   схема   установки   по   утилизации   отработанных деревянных   шпал   включает   следующие   операции.   Твердый   носитель   через дозирующие   устройства   подаются   в   дополнительную   дробилку   (1). Образующаяся сыпучая смесь из накопительного бункера поступает на загрузку во вращающуюся печь активации с внешним нагревом (2). Первичный разогрев печи до рабочей температуры (800­850 °С) производится за счет сжигания в топочном устройстве (3) жидкого или газообразного топлива. После выведения печи   на   рабочий   режим   её   обогрев   осуществляется   за   счет   сжигания   газов выделяющихся при активации пиролизата. Перед подачей в печь дымовых газов их температура снижается от 1100 °С до 800­850 °С. Печь активации работает в противоточном режиме. Температура газов на выходе из печи 500°С. Готовый продукт с температурой 500°С из печи выгружается в холодильник (4), из ко­ торого транспортными средствами подается в накопительный бункер. Избыток дымовых газов с температурой 800­850 °С из камеры разбавления и дымовые газы с температурой 400 °С, выходящие из вращающейся печи, поступают на утилизацию   в   теплоагрегаты   (5)   (экономайзер,   водогрейный   котел,   паровой котел­утилизатор). Вся система газовых трактов работает от одной вытяжки (6). Процессы происходящий в печи активации: С + Н2О  СО + 3Н2   СО + Н2   → СО + Н2О  С  + 2Н2   СО + Н 2                  ∆Н = + 131,4 кДж/моль  СО→ 2 + Н2       ∆Н = ­ 41,1 кДж/моль  СН→ 4                     ∆Н = + 74,8 кДж/моль  СН→ 4 + Н2О               ∆Н = ­ 206,2 кДж/моль  ½СН→ 4 + ½СО2             ∆Н = ­ 123,8 кДж/моль Технические   характеристики   активного   угля   после   процесса   активации пиролизата из отработанных деревянных шпал представлены в таблице 1. Уголь получаемый   из   отработанных   деревянных   шпал     соответствует   марке   ОУ­В, предназначен для очистки промышленных сточных вод.  Технические характеристики Адсорбционная активность по метиленовому голубому, мг/г, не менее по мелассе, %, не менее рН водной вытяжки степень измельчения: массовая доля остатка на сетке 0,1, %, не менее Массовая доля, %, не более: общей золы водорастворимой золы соединений железа в пересчете на Fe+3 влаги Таблица 1 ОУ­В не нормируется 75 не нормируется 5 10 2 0,2 10 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проект   предусматривает   вариант   внедрения   утилизации   отработанных деревянных шпал после капитального ремонта железнодорожного пути. В   проекте     рассмотрены   различные   методы   утилизации   отработанных деревянных   шпал,   которые   существуют   на   данный   момент.   Подробно рассмотрены   самые   перспективные   на   данный   момент   варианты   утилизации отработанных деревянных шпал. Предложенная   технологическая   схема   утилизации   отработанных деревянных   шпал   соответствует   экологическим   нормам   и   удовлетворяет требованиям экологической безопасности, принятым в РФ. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Охрана   окружающей   среды   и   экологическая   безопасность   на железнодорожном транспорте: учебное пособие/ Под. ред. проф. Зубрева Н.И., Шараповой Н.А. – М.: УМК МПС России, 1999. 592 с. 2. Сватовская   Л.Б.,   Якимова   Н.И.,   Макарова   Е.И.   Разработка   новых комплексных   технологий   защиты   окружающей   среды   на   транспорте.   – СПб.: ПГУПС, 2005. 50 с. 3. Маслов   Н.Н.,   Коробов   Ю.И.   Охрана   окружающей   среды   на железнодорожном транспорте. Учебник для вузов. – М.:   Транспорт, 1996. 238 с. 4. Комплексные   технологии   утилизации   отходов   железнодорожного транспорта. Учебник для вузов ж.­д. трансп./ Л.Б. Сватовская и др.; под ред. Л.Б. Сватовской. – М.: ГОУ УМЦ ЖДТ, 2007. 190 с.   Новые   экозащитные   технологии   на   железнодорожном   транспорте: 5. Монография / Л.Б. Сватовская и др.; под ред. Л.Б. Сватовской. – М.: ГОУ УМЦ ЖДТ, 2007. 159 с. 6. Технология и оборудование лесохимических производств/ Л. В. Гордон, С. О. Скворцов, В. И. Лисов – 5 изд. – M.: Лесн. пром­сть, 1988. – 288 с. 7. 8. 9.  Технология лесохимических производств / В.А. Выродов, А.Н. Кислицын, М.И. Глухарева и др. – М.: Лесн. пром­сть, 1987. – 352 с.  Пальгунов П.П., Сумароков М.В. Утилизация промышленных отходов. – М.: Стройиздат, 1990. – 352 с.   Доусон   Г.,   Мерсер   Б.   Обезвреживание   токсичных   отходов.   –   М.: Стройиздат, 1996. – 288 с. 10.  Олонцев В.Ф., Сазонов В.А. Разработка термоэнергетического способа утилизации нефтеотходов. // Экология и промышленность России. 2010. № 6. С. 14­15.