Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Модификация битумных вяжущих жидкими продуктами быстрого абляционного пиролиза древесины. Монография
.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
МОДИФИКАЦИЯ БИТУМНЫХ
ВЯЖУЩИХ ЖИДКИМИ ПРОДУКТАМИ
БЫСТРОГО АБЛЯЦИОННОГО
ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ
Монография
Казань
Издательство КНИТУ
2016
2
УДК 674.8
Рецензенты:
директор НПП «ТермодревПром» канд. техн.
наук П. А. Кайнов
главный инженер ООО «Химтех» канд. техн.
наук А. З. Халитов
ISBN 978-5-7882-1985-1
©
Грачёв А. Н., Башкиров В. Н., Забелкин С. А.,
Бикбулатова Г. М., Гильфанов М. Ф., 2016
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2016
ББК 37
Авторы: А. Н. Грачёв, В. Н. Башкиров, С. А. Забелкин,
Г. М. Бикбулатова, М. Ф. Гильфанов
Модификация битумных вяжущих жидкими продуктами быстрого
абляционного пиролиза древесины : монография / А. Н.
Грачёв [и др.]; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол.
ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2016. – 96 с.
ISBN 978-5-7882-1985-1
Проведен анализ современных тенденций применения продуктов
термической переработки древесины в качестве компонента
органического вяжущего. Описаны получение, физические и
химические свойства жидких продуктов быстрого абляционного
пиролиза древесины. Рассмотрен механизм химического
взаимодействия компонентов жидких продуктов быстрого
абляционного пиролиза древесины друг с другом.
Предназначена для бакалавров по направлению 18.03.01
«Химическая технология» профиля «Химическая технология
переработки древесины», изучающих дисциплину «Биомасса
древесины как возобновляемый источник энергии и химического
сырья».
Подготовлена на кафедре «Химическая технология древесины».
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического
университета
3
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
5
1 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕНДЕНЦИЙ В ПРИМЕНЕНИИ
ПРОДУКТОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
ДРЕВЕСИНЫ В КАЧЕСТВЕ КОМПОНЕНТА
ОРГАНИЧЕСКОГО ВЯЖУЩЕГО
7
1.1 Термическая переработка древесины методом пиролиза
8
1.1.1 Теоретические основы переработки древесины
методом пиролиза
8
1.1.2 Аппаратурное оформление технологии быстрого
пиролиза древесины
11
1.2 Направления использования жидких продуктов
пиролиза древесины
18
1.2.1 Энергетическое использование жидких продуктов
пиролиза древесины
20
1.2.2 Использование жидких продуктов пиролиза
древесины в качестве химического сырья
22
1.3 Классификация, строение и свойства вяжущих
материалов на основе битума
27
1.3.1 Классификация вяжущих материалов
28
1.3.2 Строение и свойства вяжущих материалов (на
основе битума)
30
1.4 Использование жидких продуктов пиролиза в качестве
компонента битумного вяжущего
34
2 ПОЛУЧЕНИЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ БЫСТРОГО
АБЛЯЦИОННОГО ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ
38
3 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ
БЫСТРОГО АБЛЯЦИОННОГО ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ
53
4
3.1 Углеводы: состав, строение, реакции
54
3.2 Фураны: состав, строение, реакции
56
3.3 Фенолы: состав, строение, реакции
61
3.4 Альдегиды и кетоны: состав, строение, реакции
63
3.5 Кислоты: состав, строение, реакции
66
3.6 Сложные эфиры и спирты: состав, строение, реакции
68
4 СВОЙСТВА БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО C
ПРИМЕНЕНИЕМ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ БЫСТРОГО
АБЛЯЦИОННОГО ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ
70
4.1 Структурный анализ битумного вяжущего
70
4.2 Подготовка и сепарация жидких продуктов быстрого
абляционного пиролиза для получения композиционного
битумного вяжущего и модифицированного асфальтобетона
73
4.3 Получение и свойства битумного вяжущего с
применением жидких продуктов быстрого абляционного
пиролиза древесины
74
4.4 Получение и свойства модифицированного
асфальтобетона с применением битумного вяжущего для
дорожного строительства с использованием жидких продуктов
быстрого абляционного пиролиза древесины
77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
82
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
83
5
ВВЕДЕНИЕ
Ввиду сокращения запасов ископаемого сырья, всё более
актуальным становится вопрос вовлечения возобновляемых ресурсов в
различные отрасли промышленности, в том числе и в дорожном
строительстве. Одним из наиболее распространённых возобновляемых
ресурсов в условиях РФ является древесина. Уровень отходов в
лесопромышленном комплексе (ЛПК) составляет 60-80 %, большая
часть которых сжигается или вывозится в отвал, т.е. до потребителя
доходит в среднем 10-15 % от биомассы дерева [1].
Между тем древесные отходы являются ценным сырьем для
производства разнообразных строительных материалов, а также для
гидролизной, целлюлозной и других отраслей промышленности.
Утилизация отходов древесины имеет огромное народнохозяйственное
значение. С одной стороны, она позволяет удовлетворить потребность
строительства во многих конструктивных, облицовочных и
теплоизоляционных материалах, по техническим свойствам в ряде
случаев превосходящих пиломатериалы, а с другой - существенно
сократить объемы вырубки леса.
Еще одним путем переработки отходов древесины является
термохимическая переработка, при которой образуются ценные
жидкие химические продукты, применяемые в различных отраслях
промышленности [2].
Наибольший выход жидких продуктов (до 75 % мас.) [3, 4, 5]
достигается при быстром абляционном пиролизе биомассы –
термическом разложении биополимеров в отсутствие окислительной
среды при высокой (до 1000 °С/с) скорости нагрева, малом времени
пребывания продуктов в реакционном пространстве и механической
активации [6, 7, 8]. Жидкие продукты быстрого абляционного
пиролиза включают в себя большое количество соединений с
различными свойствами. В частности, они включают в себя как
водорастворимые (альдегиды, гидроксиацетатальдегиды, низшие
карбоновые кислоты, кетоны, ангидросахара, углеводы), так и
водонерастворимые (ароматические углеводороды и их метиловые
6
эфиры, олигомеры лигнина, смолы и др.) компоненты. Содержащиеся
в данных соединениях функциональные, карбонильные, метоксильные,
гидроксильные и карбоксильные группы потенциально способны
увеличивать адгезию битумов к минеральному материалу за счёт
взаимодействия с основными группами карбонатных пород
минеральной фракции асфальтобетона [9, 10], что, на взгляд автора,
позволит улучшить характеристики вяжущего с использованием
местных материалов.
Одним из определяющих факторов в социально-экономическом
развитии регионов является развитие дорожной сети. Тем не менее
производство дорожных битумов, как правило, осуществляется
централизованно, что сдерживает развитие дорожной сети удалённых
регионов. Стремление расширить ассортимент органических вяжущих
и улучшить свойства вяжущего в различных направлениях
стимулирует исследования по созданию композиционных материалов
на базе побочных продуктов химической и других отраслей
промышленности.
Таким образом, разработка технологии получения битумного
вяжущего и асфальтобетона с применением жидких продуктов
быстрого абляционного пиролиза древесины является актуальной
задачей.
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕНДЕНЦИЙ В ПРИМЕНЕНИИ
ПРОДУКТОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ В
КАЧЕСТВЕ КОМПОНЕНТА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЯЖУЩЕГО
Основными ресурсными источниками растительной биомассы
являются древесина, отходы от её заготовки и переработки,
сельскохозяйственные, а также бытовые отходы. В России отходы
лесозаготовок составляют 40-60 % перерабатываемой древесины и
используются пока только на 20 %. Кроме того, при сортиментной
хлыстовой вывозке в лесу остаётся более 40 % неделовой
низкотоварной древесины и отходов, из которых более 50 % можно
использовать для дальнейшей переработки. В то же время древесные
отходы – это, прежде всего, неиспользованный ресурс, из которого
можно получить продукцию различного назначения [11].
Для России в качестве лигноцеллюлозосодержащего сырья
большой интерес представляют лиственные породы древесины, в
первую очередь берёза, так как существует развитая инфраструктура
сбора и переработки данного вида сырья на целлюлозно-бумажных
комбинатах и фанерных заводах. Учитывая данные обстоятельства,
стоит серьёзная проблема утилизации отходов этих производств [12].
Наибольшая эффективность от использования данного сырья
может быть достигнута при применении технологий глубокой
переработки древесины. К сожалению, такие технологии требуют
очень больших капитальных вложений, что и является пока главным
сдерживающим фактором [13].
Одним из возможных эффективных методов переработки
низкотоварного древесного сырья может служить термохимическая
переработка. Из термохимических процессов переработки биомассы
наибольшее внимание в настоящее время привлекают такие, как
газификация, пиролиз и «ожижение», в результате которых получают
жидкие и газообразные топлива, имеющие значительно большую
энергетическую плотность, чем биомасса. Все эти процессы протекают
при высокой температуре, а иногда и при высоком давлении.
1.1 Термическая переработка древесины методом пиролиза
1.1.1 Теоретические основы переработки древесины методом
пиролиза
Термическая переработка древесины методом пиролиза
заключается в нагреве древесины до температуры разложения в
отсутствии окислителя в установках периодического или
непрерывного действия. В результате термической деполимеризации
происходит расщепление полимерных материалов на мономеры,
олигомеры и низкомолекулярные соединения.
В ходе переработки древесины термохимическими методами, как
правило, протекают три параллельных конкурирующих процесса [14].
Это процессы термической деполимеризации, процессы рекомбинации
и уплотнения первичных продуктов реакций с образованием
конденсированной фазы и процессы отщепления функциональных
групп и разложения мономеров до низкомолекулярных продуктов [15].
В зависимости от назначения, те либо иные процессы являются
желательными и приводят к различным комбинациям продуктов.
Современные технологии пиролиза могут быть разделены по
различным признакам:
- по скорости нагрева сырья: быстрый, медленный;
- по давлению в реакционной камере: вакуумный, под
избыточным давлением;
- по способу подвода тепла: внешний нагрев от поверхности
аппарата, внутренний нагрев от твёрдого или газообразного
теплоносителя, волновой пиролиз (микроволновой, радиационный);
- по слою сырья: в стационарном слое, в кипящем и
циркулирующем кипящем слое, абляционный пиролиз, пиролиз в
спутном потоке (см. рис.1.1.).
9
Рис. 1.1. Классификация современных технологий пиролиза
Классификация технологий пиролиза дерева
Характеристика
слоя сырья
пиролиза
Способ
подвода тепла
к сырью
Характеристика
среды в
реакторе
пиролиза
Характеристика
теплоносителя в
реакторе
пиролиза
- в стационарном
слое;
- в кипящем
слое и
циркулирующе
м кипящем
слое;
- в спутном
потоке;
-абляционный
- внешний
нагрев;
- внутренний
нагрев;
- волновой
нагрев
- термокаталитический;
- в
окислительной
среде;
- в вакууме;
- в восстановительной среде;
- при
повышенном
давлении
- с газовым
тепло-
носителем;
- с твёрдым
тепло-
носителем
Характеристики основных технологий пиролиза по скорости
нагрева обобщены в табл. 1.1.
При пиролизе древесины образуются жидкие, газообразные и
твёрдые продукты. Газ, как правило, сжигают локально. Для
извлечения ценных компонентов из парогазовой смеси её, как правило,
конденсируют и отделяют жидкие продукты. Жидкие продукты
содержат различные компоненты, которые извлекают и применяют в
промышленности.
Медленный пиролиз является одним из самых распространённых
термохимических методов переработки древесины. Повышенная
температура стенок реторт и высокая продолжительность пребывания
продуктов в зоне реакции приводит к протеканию вторичных реакций
в парогазовой смеси, а также подразумевает дополнительные
требования к жаропрочности используемых материалов. Такая схема в
10
основном используется в углевыжигательных установках для
Характеристики
Быстрый пиролиз
Медленный
пиролиз
Карбониз
ация
Высокотемпер
атурный
пиролиз
(газификация)
низкие
температуры
высокие
температуры
Время процесса
1-5 с
1-5 с
5-30 мин.
часы,
дни
3 ч.
Размер сырья
Малый
Малый
Средний
Большой
Средний
Влажность сырья
Очень
низкая
Очень
низкая
Низкая
Низкая
Низкая
Температура, °С
450-600
650-900
500-700
400-600
900-1200
Давление, кПа
100
10-100
100
100
до 2000-2500
Выход газа, %
массы сухого
сырья
до 30
до 70
до 40
до 40
до 68
Теплота сгорания газа,
МДж/нм3
10-20
10-20
5-10
2-4
6-35
Выход жидкости, % массы
сухого сырья
до 80
до 20
до 30
до 20
до 45
Теплота сгорания жидкости,
МДж/кг
23
23
23
10-20
-
Выход твёрдого
остатка, % массы
сухого сырья
до 15
до 20
20-30
30-35
до 5
получения древесного угля с малым выходом жидких продуктов
[18,19].
Таблица 1.1
Современные технологии пиролиза биомассы [16, 17]
древесины в отсутствие окислителя при относительно низких
температурах 450-550 °С, высокой скорости нагрева 500-1000 °С/с и
Быстрый пиролиз заключается в термическом разложении
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]