Разработка технического регламента по утилизации отходов, образующихся на железнодорожном транспорте

8. Производство электроэнергии.

8.1.Сжигание полученного генераторного газа в качестве топлива в двигателе внутреннего сгорания газопоршневого или газодизельного типа.

8.2. Преобразование энергии вращения привода в электрическую энергию в электрогенераторе.

9. Когенерация.

9.1. Использование возвратного тепла выхлопных газов для формирования агента сушки щепы в конвейерной сушилке.

При утилизации железнодорожных шпал по предлагаемой технологии образуются следующие виды побочных продуктов: отработанный агент сушки щепы, мелкая фракция щепы после мультициклона сушилки, сухие золы из устья газогенератора и летучая зола после циклона, отработанная оборотная вода, сгущенный осадок на выходе БМОС, конденсат на выходе мокрой газодувки и выхлопные (дымовые газы).

Отработанный агент сушки щепы после прохождения мультициклона (очистка от мелких твердых примесей) рассеивается в атмосфере. В случае необходимости просчитываются параметры рассеивания (высота дымовой трубы) с целью обеспечения ПДК возможных вредных примесей.

Поскольку, содержащийся в составе щепы антисептик практически полностью переходит в летучую фракцию, образующиеся сухие золы не имеют в своем составе вредных веществ и могут рассматриваться как отдельный товарный продукт в виде удобрений.

Отработанный фильтрующий материал (на основе древесных опилок, щепы и активированного угля в системе регенерации оборотной воды) отправляется на газификацию.

Сгущенный осадок на выходе БМОС после анализа на присутствие пиролизных смол отправляется или на повторную газификацию или переходит в категорию зол.

Выхлопные газы на выходе электроагрегата соизмеримы по составу и концентрации вредных веществ с выхлопными газами, где в качестве топлива используется природный газ, и не представляют экологической угрозы.

Оборотная вода после многократной очистки системой регенерации по результатам анализа подвергается необходимой химической (механической) очистке и сливается в систему канализации. В систему оборотной воду закачивается свежая технологическая вода.

Ориентировочная стоимость базового технологического оборудования станции по утилизации отработанных деревянных шпал производительностью 140 тысяч шпал/год представлена в таблице 6.

Таблица 6

Полученная энергия может быть использована для электроснабжения и отопления депо, мастерских, станционных сооружений.

В год из 140 000 отработанных деревянных шпал с использованием предлагаемого оборудования можно получить: 21 млн м³ генераторного газа с общей теплотой сгорания 25200 Гкал; или 7000 МВт · час электроэнергии; 6000 Гкал тепла в виде горячей воды в режиме когенерации; 170 тонн минеральных удобрений.

2.4.4 Пиролиз

Пиролиз - наиболее изученный процесс широко используется для производства активированного угля из древесины. Пиролиз проводят при температуре 600-900 °С с вакуумированием реактора. При этом протекают реакции коксо- и смолообразования, разложения высокомолекулярных соединений на низкомолекулярные, жидкую и газообразную фракции, а если углеводородные отходы содержат серу, то образуются также сероводород и меркаптаны. Оксиды азота и серы практически не образуются.

Пиролиз - термическое разложение шпал под большой температурой без доступа воздуха. Возможно применение для отработанных деревянных шпал с дистилляцией каменноугольного масла. Данный метод проводится в герметичных условия, что способствует уменьшению выбросов токсичных веществ в окружающую среду.

Одним из направлений утилизации отработанных деревянных шпал является их переработка в древесные активные угли - данный метод подразумевает три этапа прохождения. Первый - с помощью химических реагентов нейтрализуются соединения креозота, на втором этапе методом пиролиза перерабатывается древесина, на третьем производится активация пиролизата водяным паром.

Методика пиролиза (термического разложения без доступа воздуха) отработанных деревянных шпал с дистилляцией каменноугольного масла недавно была предложена специалистами одного из предприятий. По их мнению, применение метода пиролиза для утилизации отработанных деревянных шпал позволит не только предотвратить загрязнение окружающей среды, так как процесс пиролиза осуществляется в герметичных условиях, но и позволит получить экономическую выгоду. Использование тепла от сжигания образующихся пирогазов позволит до минимума снизить энергозатраты на процесс. При правильной организации технологического процесса этот метод утилизации позволит не только покрыть энергетические потребности процесса пиролиза, но и использовать излишки вырабатываемого тепла в технических или бытовых нуждах. Кроме того, экономическая эффективность такого способа утилизации значительно повышается за счет реализации жидких и твердых продуктов пиролиза, которые могут быть использованы в промышленности. Полученные в ходе экспериментальных исследований результаты говорят о незначительном отличии адсорбционной активности угля, полученного из отработанных деревянных шпал, от сорбционной активности древесного угля из березы (в среднем ниже на 5%), что делает возможным его применение в качестве сорбента в технических целях -- для адсорбционной очистки в промышленности. Его недостатки: пока очень мало информации о практическом применении этой методики. Итак, проблема выбора оптимального способа утилизации шпал во многом упирается в отсутствие достаточного опыта переработки этих отходов в соответствии с требованиями экологии, дефицит денежных средств и несовершенство экологического контроля, позволяющее свободно сжигать и складировать отработанные деревянные шпалы. Однако шаги по изучению путей вторичного использования отработанных шпал, предпринимаемые пусть и не очень активно, позволяют надеяться, что со временем отработанные деревянные шпалы станут еще одним ценным ресурсом.

2.4.5 Другие технологии утилизации отработанных шпал

Специалисты ВНИИЖТ предложили применять шпалы в качестве сырья для изготовления композитных полимерно-древесных шпал. В процессе переработки одной старой шпалы, пропитанной креозотом, по расчетам специалистов, должно получиться 40-60% сырья для новых шпал и соответственно 40-60% сырья для получения настилов на основе жидкого дерева или топливных брикетов с высокой калорийностью. Дополнительными сырьевыми материалами для новых прессованных полимерно-древесных настилов и шпал является специальный армирующий материал, вторичный термопласт, полиуретановые атмосферостойкие связующие. В результате должна получиться шпала с деревянным «сердечником» и полимерной оболочкой. Такая шпала на 30-40 % легче деревянной шпалы, пропитанной креозотом.

В отличие от обычных деревянных шпал, которые служат, в зависимости от климата 15-40 лет, новые шпалы обладают повышенной влагоустойчивостью, что позволяет использовать их до 50 лет.

На кафедре техносферной безопасности Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения была разработана технология, изолирующая отработанные деревянные шпалы от окружающей среды. Данная технология предусматривает изолирование отработанных деревянных шпал бетоном. Отработанные деревянные шпалы в этой технологии используются в качестве наполнителя арматуры. Исследования показали, что данные бетонные шпалы могут применяться в качестве бортовых камней.

Другая разработанная там же технологическая схема утилизации отработанных деревянных шпал предусматривает изготовление могильника для изоляции от окружающей среды. Просчитан экономический эффект от данных технологий.

2.5 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.

2.5.1 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.

Сухая перегонка древесины - один из первых процессов хим. технологии. Начиная с 12 в. ее широко использовали в России для выработки сосновой смолы (служит для просмолки деревянных судов и пропитки канатов); этот промысел носил назв. смолокурение. С развитием металлургии возник другой промысел, также основанный на сухой перегонке древесины, - углежжение с получением древесного угля. Начало промышленного применения пиролиза древесины относится к 19 в.; сырьем являлась только древесина лиственных пород, главным продуктом - уксусная кислота.

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 10-15 %) получают 24-25% древесного угля, 50-55 % жидких (так называемая - жижка) и 22-23 % 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 (7-10 %) и одновременно протекают многочисленные превращения ее компонентов; из смолы выделяют широкий ассортимент ценных продуктов. Отстоявшаяся жижка имеет плотность 1,025-1,050 г/см³ и содержит 6-9 % по массе уксусной кислоты и ее гомологов, 2,5-4,5 % метанола, 5-6 % соединений разных классов (альдегидов, кетонов, сложных эфиров и т.д.), 4,5-14 % растворимой древесной смолы и 67-81 % 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 (45-55 % по объему) и оксид (28-32 %) углерода, водород (1-2 %), метан (8-21 %) и др. углеводороды (1,5-3,0 %). 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 5-7 %, древесная смола 10-14 %, древесный уголь (в расчете на нелетучий углерод) 23-24 %.

В основе пиролиза древесины лежат свободнорадикальные реакции термодеструкции гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина, протекающие соответственно при 200-260, 240-350 и 250-400 ⁰C; соотношение констант 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. 70-80, 135-210 и 55-110 кДж/моль. Константа скорости пиролиза древесины выше, чем у целлюлозы, и, например, при 350 ⁰C для разложения пород находится в диапазоне (2,8-8,3)·10^-3с^-1. 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 какого-либо 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 8-10%; те же реагенты, а также MnCl₂, йодноватая и хлоруксусная кислоты при 320 ⁰C способствуют образованию левоглюкозана с выходом до 10-12%. Повышение выхода древесной смолы достигается в присутствии щелочей и аммиака, а древесного угля - при пропитке древесины антипиренами.

2.5.2 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 стадия-сушка 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.

2.6 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 450-550 єС - аморфный высокомолекулярный продукт, включающий ароматические и алифатические структуры. Состав пиролизата - углерод 80-92 %; водород 4,0-4,8 %; кислород 5-15 %. Содержит также 1-3 % минеральных примесей. Пористость - 75-80 %, теплота сгорания 31500-34000 кДж/кг.

- дробление продукта после пиролиза;

- дробленый продукт проходит процесс активации во вращающейся печи активации.

Реторта для пиролиза древесины изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 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 угля-сырца в бункер автоматизированы. Первоначальный запуск реторты производят за счет сжигания в топочной зоне топлива при заполненном углем-сырцом 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 єС. Установка рассчитана на переработку 8000 т в год воздушно-сухой древесины, что соответствует плотному объему 12230 м³ сосновой древесины с получением 2000 т пиролизата влажностью не более 4 % и массовой долей нелетучего углерода 85-90%. Выход пиролизата в пересчете на сосновую древесину достигает 163 кг/м³.

Принципиальная схема активации пиролизата представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 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 (800-850 °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 800-850 °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 которого транспортными средствами подается в накопительный бункер. Избыток дымовых газов с температурой 800-850 °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 котел-утилизатор). Вся система газовых трактов работает от одной вытяжки (6).

Процессы происходящий в печи активации:

С + Н₂О > СО + Н₂ ?Н = + 131,4 кДж/моль

СО + Н₂О > СО₂ + Н₂ ?Н = - 41,1 кДж/моль

С + 2Н₂ > СН₄ ?Н = + 74,8 кДж/моль

СО + 3Н₂ > СН₄ + Н₂О ?Н = - 206,2 кДж/моль

СО + Н₂ > ЅСН₄ + ЅСО₂ ?Н = - 123,8 кДж/моль

Технические характеристики активного угля после процесса активации пиролизата из отработанных деревянных шпал представлены в таблице 7. Уголь получаемый из отработанных деревянных шпал соответствует марке ОУ-В, предназначен для очистки промышленных сточных вод.

Таблица 7. Технические характеристики

3. Вопросы охраны труда, техники безопасности

Техника безопасности - это система организационных мероприятий, технических средств и методов, предотвращающих воздействие на работающих опасных производств.

Безопасные условия труда - состояние условий труда, при которых воздействие на работающего опасных и вредных производственных факторов исключено или не превышает предельно допустимых значений.

Опасные и вредные производственные факторы. Факторы подразделяются по природе действия на следующие группы: физические, химические, биологические и психофизиологические.

Физические опасные и вредные производственные факторы подразделяются на: движущиеся машины и механизмы, передвигающиеся изделия, заготовки, материалы а также повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны, повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны, влажность воздуха и недостаточная освещенность рабочей зоны.

Отделение пиролиза является вредным и опасным производством, в данном разделе рассмотрены мероприятия по безопасной эксплуатации оборудования и охране окружающей среды.

3.1 Опасность технологического процесса