Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Утилизация твердых бытовых отходов.
1.1. Методы утилизации твердых бытовых отходов.
1.2. Термические методы утилизации твердых бытовых отходов.
1.2.1. Сжигание твердых бытовых отходов при температурах ниже температуры плавления шлака.
1.2.2. Сжигание твердых бытовых отходов при температурах выше температуры плавления шлака.
1.2.3. Комбинированные процессы.
1.3. Пиролизные методы переработки отходов.
1.3.1. Обзор зарубежных технологий пиролиза органических отходов. Выводы по главе I. Глава CLASS 2 . Исследование пиролизнои утилизации углеродсодержащих твердых бытовых отходов с использованием электродугового источника нагрева . CLASS
2.1. Характеристика образующихся отходов г. Тюмени.
2.2. Метод и установка пиролизнои утилизации углеродсодержащих твердых бытовых отходов.
2.3. Методика проведения исследований на испытательном стенде.
2.4. Расчет модели углеродсодержащих твердых бытовых отходов г. Тюмени
2.5. Материальный баланс пиролиза твердых бытовых отходов.
2.6. Расчет теплового режима пиролиза углеродсодержащих твердых бытовых отходов.
2.7. Влияние морфологического состава ТБО на теоретические результаты расчетов материального и энергетического баланса.
Выводы по главе П.
Глава 3 . Исследование возможности применения метода пиролиза для утилизации углеродсодержащих твердых бытовых отходов .
3.1. Анализ физико-технологических параметров процесса утилизации
3.2. Исследование продуктов, образующихся в результате пиролизной утилизации отходов.
3.2.1. Анализ образующихся газообразных продуктов.
3.2.2. Анализ образующейся жидкой фазы.
3.3. Анализ эффективности применения рассматриваемого пиролизного метода для утилизации углеродсодержащих твердых бытовых отходов.
Выводы по главе 3.
Глава 4 . Промышленное применение метода пиролизной утилизации твердых бытовых отходов на установке УУТБО — 1 .
4.1 . Устройство узлов и агрегатов.
4.2 Работа установки.
4.3 Мероприятия по охране окружающей среды.
4.4 Оценка экономической эффективности работы установки по утилизации отходов.
Выводы по главе 4. Выводы по диссертационной работе. Литература.
- Методы утилизации твердых бытовых отходов.
- Характеристика образующихся отходов г. Тюмени.
- Анализ физико-технологических параметров процесса утилизации
- . Устройство узлов и агрегатов.
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. С ростом численности населения планеты и развитием производственной деятельности возрастают масштабы воздействия на окружающую среду, поэтому остро стоит проблема оптимизации взаимодействия человека и природы. В этом аспекте особенно остро стоит проблема утилизации отходов, которая поднималась на конференции ООН в Рио-де-Жанейро (июнь 1992 г.), а задача снижения количества отходов была отнесена к 10 наиболее важным проблемам глобальной экологии.
В настоящее время использование новейших научно-технических достижений в целях реализации малоотходных и безотходных технологий относится к основным принципам государственной политики в области обращения с отходами [19,30, 31, 111].
В России ежегодно образуется около 300 кг твердых бытовых отходов (ТБО) на одного человека, которые требуют переработки, либо захоронения. Их химический состав включает от 20 до 45 % - неорганических веществ, от 55 до 80 % органических в том числе от 28 до 35 % углерода.
Наиболее сложная задача - это утилизация (применение с пользой) твердых бытовых отходов, образующихся в жилых и общественных зданиях. Объемы накопления бытового мусора и его морфологический состав разнообразен и зависит не только от экономических условий, но и времени года, климатических зон страны и многих других факторов.
На сегодняшний день, основным способом утилизации более 95 % образующихся в России отходов является их захоронение на полигонах. С каждым годом объемы образования ТБО увеличивается, что приводит к отчуждению земель для строительства новых полигонов. На полигонах ТБО не подвергаются переработке, а только уплотняются и складируются, здесь образуется биогаз, который загрязняет атмосферу и является одним из возможных причин возникновения «парникового эффекта». Кроме того, при выпадении осадков (дождей) происходит вымывание солей тяжелых
металлов, которые попадают в грунт и подземные водные горизонты. И только два процента отходов сжигаются на мусоросжигательных заводах (МСЗ) которые в основном оснащены импортным оборудованием.
Поэтому на сегодняшний день вопросы, связанные с образованием, накоплением и утилизации ТБО как никогда актуальны.
Целью данной диссертационной работы является исследование пиролизной утилизации углеродсодержащих твердых бытовых отходов в условиях подвода тепла от электродугового нагревателя с получением, в качестве продукта переработки, горючего газа и изучение параметров предлагаемого процесса.
Задачи исследований
Разработка конструкции испытательного стенда, позволяющего реализовать метод высокотемпературной пиролизной утилизации углеродсодержащих твердых бытовых отходов.
Выполнение расчетно - теоретического обоснования и проведение опытно -экспериментальных исследований процесса пиролизной утилизации ТБО.
Определение и анализ параметров и КПД процесса утилизации ТБО.
Обоснование экологической и энергетической эффективности утилизации углеродсодержащих твердых бытовых отходов в установке с использованием электродугового способа подвода тепла.
Научная новизна
Предложен и исследован способ высокотемпературной утилизации углеродсодержащих ТБО (с возможностью применения в малогабаритных реакторах) без доступа воздуха, с применением, в качестве источника тепла, электродугового нагревателя.
Разработана методика определения компонентов получаемого горючего газа на основе уравнений материального и теплового баланса в реакторе при утилизации углеродсодержащих ТБО.
З. Впервые проведены исследования по раздельной утилизации ряда основных
компонентов ТБО, позволяющие оценить перспективность применения
данного метода.
Практическая значимость работы. Выполненное обоснование
целесообразности термической утилизации углеродсодержащих ТБО без
подачи воздуха дает возможность получения и последующего использования
горючего газа для производства тепловой и электрической энергии.
Полученные результаты исследований позволяют использовать их для расчетного анализа утилизации при морфологическом составе отходов, характерном для отходов, образующихся в городе Тюмени, а также в разработке технологической схемы и конструкторской документации опытно - промышленной установки по утилизации ТБО УУТБО - 1. Разработан студенческий лабораторный практикум по утилизации твердых бытовых отходов пиролизным методом.
Лично автором:
На основе анализа литературных источников и изучения актуальности проблемы утилизации твердых бытовых отходов, сформулированы конкретные задачи исследования;
Собрана экспериментальная установка, подготовлена методика проведения эксперимента и обработаны результаты исследования по утилизации углеродсодержащих ТБО;
Изучены вопросы материального и теплового баланса в газогенераторах, выполнена оценка эффективности электродугового нагревателя, опытным путем проведен анализ состава получающегося пиролизного газа и сопутствующих продуктов переработки;
Принято участие в разработке установки по утилизации твердых бытовых отходов.
Сформулированы выводы по разделам и диссертации в целом, наравне с соавторами написаны совместные публикации.
На защиту выносится:
Методика пиролизной утилизации углеродсодержащих ТБО термическим разложением отходов без доступа воздуха.
Результаты комплексного расчетно-теоретического анализа процесса утилизации отходов.
Результаты экспериментальных исследований параметров процесса термической переработки углеродсодержащих отходов в пиролизном реакторе с электродуговым подводом тепла.
Апробация работы и публикации. Результаты работы доложены на:
Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна», ТюмГНГУ, Тюмень, 14-17 ноября 2000 г.;
4-ой Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда», Тюмень, ТГУ, 2001 г.;
V-ой Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие», Москва, 18-19 апреля 2001 г.;
7-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-7-2001), Томск, 17-19 сентября 2001 г.;
Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия», научные чтения «Белые ночи-2001», Санкт - Петербург, 4-5 июня 2001 г.;
Второй Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна», Тюмень, ТюмГНГУ, 25-27 апреля, 2002 г.;
5-ой Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда», Тюмень, ТГУ, 24 - 26 сентября, 2002 г.;
Научно-технической конференции «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки», посвященной 90-
летию со дня рождения В. И. Муравленко, Тюмень, ТюмГНГУ, 25 -
h 26 сентября, 2002 г.;
Международном семинаре «Экологический мониторинг в процессе добычи нефти и газа», Тюмень, 2002 г.;
9-ой Международной научно-практической конференции
«Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-
9-2003), Барнаул, 23-34 сентября 2003 г.
По результатам работы опубликовано двадцать шесть печатных работ,
в том числе: методические указания к практической работе «Утилизация
твердых бытовых отходов пиролизным методом», оформлены две заявки на
получение патента РФ.
Результаты исследований использовались при проектировании опытно-промышленной установки по утилизации отходов УУТБО -1.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов по диссертационной работе, содержит 159 страниц, 28 рисунков, 15 таблиц, библиографию из 133 наименований.
Автор выражает благодарность за научное руководство доктору технических наук, профессору Шантарину Владиславу Дмитриевичу, а также всем коллегам, которые консультировали, оказывали содействие и помощь в выполнении и оформлении работы. Отдельная благодарность Швецову Владимиру Дмитриевичу.
Методы утилизации твердых бытовых отходов.
Урбанизация населения, приведшая к образованию крупнейших мегаполисов, и постоянно возрастающая хозяйственная деятельность человека создают одну из острейших проблем нашего столетия - проблему защиты природной среды от негативного воздействия отходов потребления. Практически во все времена своего существования человек стремился как можно быстрее и дешевле избавится от отходов [7], вывозя их в ближайшие овраги или в понижения рельефа, не задумываясь при этом о последствиях.
Проблема полного уничтожения или частичной утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) - бытового мусора - исключительно актуальна, прежде всего, с точки зрения отрицательного воздействия на окружающую среду, особенно в городских условиях. С одной стороны, твердые бытовые отходы — это богатейший источник вторичных ресурсов (в том числе черных, цветных и редких металлов), а с другой стороны — «бесплатный» энергоноситель, так как бытовой мусор - возобновляемое углеродсодержащее энергетическое сырье для топливной энергетики [69].
Однако для любого города и даже населенного пункта проблема удаления или обезвреживания твердых бытовых отходов всегда является в первую очередь проблемой экологической. Это связано с тем, что в процессе урбанизации той или иной местности идет непрерывное поступление бытовых отходов, требующих размещения на городских свалках или обезвреживание их другими методами. Сложность рассматриваемой проблемы заключается в том, что бытовой мусор представляет собой в большинстве случаев сложные смеси различных фракций органических и неорганических соединений, состоящих из разных компонентов: от лома цветных металлов и битого стекла до бумаги и пластика. Помимо уничтожения или обезвреживания ТБО - эта проблема обостряется необходимостью сбора и транспортировки бытового мусора к пунктам утилизации, поскольку твердые бытовые отходы это не только отходы, но и важнейший источник различных вторичных ресурсов. Поэтому весьма важно, чтобы процессы утилизации бытовых отходов не нарушали экологическую безопасность города, норм функционирования городского хозяйства с точки зрения общественной санитарии и гигиены, а также условия жизни населения в целом [20].
В крупных городах России отходы составляют (%, вес): промышленные отходы — 45; отходы, образующиеся на очистных сооружениях систем водоснабжения и водоотведения — 31; твердые бытовые отходы — около 17; осадки ливневых очистных сооружений — около 4,8; отходы от зеленого хозяйства города — около 2,17; радиоактивные отходы — около 0,03 [39].
Объемы накопления бытового мусора и их морфологический состав разнообразны и зависят не только от экономических условий государства, но и времени года, климатических зон страны и многих других факторов. Изменение морфологического состава ТБО в зависимости от климатических зон для условий России приведено в таблице 1.1 [31, 59].
Исторически сложилось, что одним из наиболее распространенных методов обезвреживания твердых бытовых отходов является складирование их на полигонах. Однако подходящие для этого площади непрерывно сокращаются, а расходы по сбору, доставке и захоронению непрерывно возрастают. Кроме того, грунтовые и поверхностные воды размывают и растворяют суспензированные вещества из отходов и продуктов их биологического разложения. Происходит также выделение газообразных продуктов разложения отходов (биогаза) в атмосферу [80].
Следовательно, депонирование бытового мусора в открытых свалках крайне отрицательно влияет на окружающую среду и, как следствие, на человека. Поэтому городские власти вынуждены были создавать системы управления отходами для того, чтобы избежать распространения экологических последствий или предотвратить неконтролируемую эмиссию отходов в окружающую среду. В связи с этим на смену технологиям захоронения приходят технологии утилизации твердых бытовых отходов. В определенной мере этому способствует их сортировка с возвратом отобранных фракций (металла, стекла и так далее) на вторичную переработку.
Существуют различные методы обезвреживания отходов помимо их захоронения в грунте на свалках: предварительная сортировка; санитарная земляная засыпка; компостирование: аэробное и анаэробное компостирование; термические методы утилизации отходов [11]. Предварительная сортировка. Технологический процесс предварительной сортировки мусора предусматривает разделение твердых бытовых отходов на фракции на мусороперерабатывающих заводах вручную или с помощью автоматизированных конвейеров. Сюда входит процесс уменьшения размеров мусорных компонентов путем их измельчения и просеивания, а также извлечение более или менее крупных металлических предметов, например консервных банок. Отбор наиболее ценного вторичного сырья предшествует дальнейшей утилизации твердых бытовых отходов (например, сжиганию). Поскольку сортировка твердых бытовых отходов — одна из составных частей утилизации мусора, то имеются специальные заводы для решения этой задачи, то есть выделение из мусора фракций различных веществ: металлов, пластмасс, стекла, костей, бумаги и других материалов с целью дальнейшей их раздельной переработки. Однако выделение фракций из мусора различных материалов определяется коммерческими условиями, в частности наличие потребителя и экономической целесообразностью. Если нет потребителя, то, как правило, из твердых бытовых отходов извлекаются при предварительной сортировке только металлы, как черные, так и цветные в виде относительно крупных предметов, а остальной мусор сжигается или подвергается другим способам утилизации. Мусоросортировочные заводы давно используются за рубежом. Теперь внедряются и в нашу систему переработки твердых бытовых отходов. Примером служит опытно-промышленный центр, внедренный в практику МГУП «Промотходы» и одобренный Правительством города Москвы, по сортировке отходов торговых, административных, образовательных и зрелищных комплексов города с прессованием балластной части в сортировочный бункер [10].
Характеристика образующихся отходов г. Тюмени.
Ситуация, сложившаяся в г. Тюмени в области образования, сбора, хранения и утилизации отходов производства и потребления, приводит к нерациональному использованию природных ресурсов, опасному загрязнению окружающей среды и представляет реальную угрозу природной среде и здоровью населения. Отходы производства и потребления складируются на двух принадлежащих администрации города санкционированных полигонах, которые расположены по Велижанскому и Московскому трактах. Техническая оснащенность полигонов невысокая и состоит из нескольких бульдозеров. Основным способом утилизации отходов является их захоронение. Степень обустройства полигонов в целом удовлетворительная. Суммарный объем вывоза отходов на городские полигоны за 1994 -1998 годы составил для Велижанского полигона около 900 тыс.м , Московского — 2,4 млн.м , жидких отходов за 1994, 1995 годы на городских -5 полигонах складировано более 70 тыс.м [40]. Вывоз ТБО в последние годы стабилизировался и составляют по данным за 2002 год - 170 тыс.тонн [19]. Захоронение отходов производится также и на санкционированных свалках у поселка Казачьи Луга, у деревни Воронино, на территории моторного завода и завода медицинского оборудования и инструментов. На первых двух свалках никакого учета по ввозу отходов не ведется, и степень обустройства не всегда удовлетворительная. В 1994 году на территории моторного завода по Тобольскому тракту хранилось 130,1 тонна промышленных отходов, а в 1995 - 150,35 тонн [40].
Полигоны, где складируются отходы производства и потребления, являются «бомбами замедленного действия». Вокруг полигонов происходит сильное поверхностное загрязнение почв, вследствие дефляции, внутрипочвенное загрязнение и загрязнение грунтовых вод биогенными и токсичными металлами, органическими веществами. Наглядным примером является неблагоприятная экологическая обстановка, складывающаяся вокруг Велижанского полигона. Дело в том, что вблизи этого полигона располагаются и эксплуатируются артезианские водонапорные скважины для обеспечения города питьевой водой. Имеется угроза загрязнения этих вод фильтратами полигона. Помимо этого, воздействие на атмосферу оказывает влияние выделения биогаза: метана и оксида углерода, концентрации, которых, над мусором свалки, может составлять десятки процентов. Гниение органической составляющей твердых бытовых отходов сопровождается распространением запаха на расстояние более одного километра. Контролирующими государственными органами проводятся регулярные проверки городских полигонов, свалок и мест хранения отходов на территории. По прогнозам департамента жилищно - коммунального хозяйства администрации города общее количество вывозимых отходов к 2004 году з составит 1 млн.м . Рост отходов в городе почти целиком происходит за счет твердых отходов. Таким образом, проблема утилизации ТБО обостряется с каждым годом. Ни штрафные санкции, ни комплексные проверки не могут кардинально ее решить: необходимы принципиально новые подходы [19]. Поэтому как никогда актуальным является разработка новых перспективных методов переработки ТБО. Метод и установка пиролизной ути.шзации углеродсодержащих твердых бытовых отходов Как уже отмечалось ранее, одним из альтернативных направлений использования отходов, является их утилизация методом пиролиза, с целью получения горючего газа, дальнейшее сжигание которого в качестве топливного компонента, позволяет получить экологически достаточно чистый выброс, не наносящий вред окружающей среде. Достижение высоких температур для разложения углеводородных отходов в существующих пиролизных установках обеспечивается за счет сжигания дополнительного топлива, либо за счет непосредственного сжигания части самих органических отходов. Однако, это негативно отражается на качестве получаемых горючих газов, особенно, на их теплотворной способности. Частичное сжигание увеличивает также объем отходящих газов, требующих дорогостоящих систем очистки.
Кафедрой промышленной экологии ТюмГНГУ предложен один из возможных путей решения этой проблемы [33,51,53,58] и посланы заявки на получение двух патентов и авторского свидетельства. Разработан испытательный стенд, предназначенный для исследований утилизации органических отходов. В качестве источника высокой температуры в реакторе 6 (см. рис.2.1 и 2.2) для поддержания процесса пиролиза предложено использовать электрическую дугу постоянного или переменного тока. Отличительной особенностью этого способа является то, что электрическая дуга возникает между горизонтально расположенными электродами 7,11. Утилизируемому материалу тепло от дуги передается излучением, конвекцией и теплопроводностью. Внутреннее устройство пиролизного реактора 6 (электродуговая печь косвенного действия), лабораторного стенда приведено на рисунке 2.2
Анализ физико-технологических параметров процесса утилизации
Целью исследования является решение вопроса о целесообразности применения технологии пиролизной утилизации углеродсодержащих твердых бытовых отходов г.Тюмени. Аппаратным обеспечением изучаемого метода выступает исследовательский стенд для утилизации органических отходов, основным элементом которого является пиролизный реактор с электродуговым нагревом. В качестве утилизируемого материала при проведении экспериментальных работ взята модель углеродсодержащих отходов, рассчитанная в разделе 2.4 настоящей работы, имеющая следующие параметры (%, вес): - относительная влажность 38,55%; - зольность влажного осадка 8,3%; - элементный состав (в пересчете на органическое вещество) (% вес): углерод — 52, кислород - 38,5, водород - 7, азот - 2, сера - 0,5. Для ответа на вопрос об эффективности применения данного метода и установки для его осуществления необходимо проведение комплексного исследования процесса утилизации и определение эффективных, с точки зрения экономической целесообразности и полноты утилизации, параметров его протекания [35,52]. - характеристики электродугового разряда, то есть параметры электрического тока, подаваемого на электроды реактора (сила тока, напряжение); - длительность процесса утилизации; - избыточное давление, создаваемое в реакторе в результате процесса пиролиза; - диаметр и материал используемых электродов (как уже отмечалось ранее, весь цикл экспериментов проводился на одинаковых графитовых электродах диаметром 14 и 30 мм); - свойства исходного материала, определяющихся количественными и качественными показателями - компонентным составом отходов. Исследования, направленные на изучение возможности переработки отходов пиролизным методом, выполнялись в 4-е этапа. Этап I. Определение оптимальных энергетических параметров процесса переработки. Этап II. Изучение влияния на процесс утилизации его длительности (4, 10, 20 и ЗОмин). Этап III. Определение влияния на протекание процесса избыточного давления в реакторе. Этап IV. Изучение влияния отдельных компонентов отходов на протекание физико - химических процессов пиролиза. Итогом работы на каждом этапе является получение конкретных результатов относительно оптимизации параметров процесса. Этап I. Как уже отмечалось ранее, первый этап посвящен определению наименее энергоемкого режима переработки при близкой к максимальной степени утилизации отходов. В качестве понижающего трансформатора в данной установке применен сварочный трансформатор переменного тока ТД - 250, с возможностью регулирования по силе тока до 250 А. Тем самым максимальное значение подаваемого на электроды электрического тока составляет Imax= 250 А (при напряжении Umax= 40 В). Опытным путем было определено, что из-за неустойчивости характеристик протекания электроду го во го разряда с целью обеспечения чистоты эксперимента токовые параметры должны приниматься с интервалом в 50 А. Таким образом, для проведения экспериментального цикла были приняты следующие значения полной мощности электрического тока затрачиваемой на утилизацию: N, = 0,6 кВт-ч (I, = 150 A, U, = 21 В), N2= 1,07 кВт-ч (12 = 200 A, U2 = 25 В), N3 = 1,43 кВт-ч (13 = 250 A, U3 = 29 В). Длительность проведения опыта на первом этапе определялась визуально исходя из степени переработки по результатам пробных экспериментов. Принята продолжительность опыта по переработке 200 г твердых бытовых отходов (бумага - 90 г, картофель - 80 г, пластик - 20 г, опил - 10 г) равной т = 10 минутам. Экспериментальные данные первого этапа приведены в таблице 3.1 Таблица 3.1 Сводная таблица результатов экспериментов по средним значениям I, U, V, ДМ, Мж, N, Фт., ф-,, (этап I) Силатока,А Напряже ниє, В Объем выделяющегося газа(V, дм3) Потерямассыотходов(AM, г) Масса выделяющейся жидкой фазы (Мж, г) Затраченная энергия (N, кВт) Доля переработанной влаги отходов( РтЛ%) Доля переработанной органики отходов(Фт.,%) По результатам проведенных экспериментов построены зависимости объема образующегося газа, и скорости его выделения по времени при различных значениях силы тока, подаваемого на электроды (см. рис. 3.1 и 3.2), графики выхода газа и жидкой фазы от силы тока (см. рис. 3.3). Построены зависимости процента переработанной влажной (воды) и органической составляющей (рабочей массы) от их начальных величин в отходах (см. рис. 3.4). На рисунке 3.5 приведен график удельного выхода газа на массу переработанного материала, а также эффективный КПД реактора. Эффективный КПД реактора определяется отношением тепловой энергии, выделяющейся при сжигании газа (см. QIJJ уравнение 2.6) к затраченной энергии (N).
По результатам анализа полученных данных можно судить о сложной форме протекания процесса. На первой, второй и третьей минуте происходит интенсивное выделение газа. После этого наблюдается снижение скорости образования газа (см. рис. 3.2). Протекание реакции пиролиза происходит в два этапа. На первом этапе процесса (1-3 минута) происходит резкий разогрев массы ТБО в районе электродугового разряда, что сопровождается интенсивным образованием пара и пиролизного газа. После третьей минуты опыта наблюдается снижение скорости образования продуктов реакции. В результате первых трех минут работы реактора в высокотемпературной зоне - (25 - 30) мм от центра дуги, образуется шарообразная полость, в которой происходит 100 % переработка ТБО до минеральных компонентов. Остальная масса отходов, которая находящаяся вне высокотемпературной зоны, практически не подвергается переработке и масса извлекаемой твердой фазы после третьей минуты протекания процесса не превышает 50 % от загруженной, т.е. за три минуты процесса перерабатывается порядка 100 г начальной массы ТБО. На третьей, четвертой минуте процесса пиролиза начинается второй этап переработки, происходит частичное оседание верхней кромки образовавшейся шарообразной полости, сопровождающееся снижением скорости выхода газа. Это обусловлено неравномерностью и недостаточной скоростью оседания ТБО в зону реакции, т.е. в высокотемпературной зоне наблюдается недостаток перерабатываемого материала, что и приводит к замедлению скорости выхода пиролизного газа. После четвертой и пятой минуты идет процесс переработки очаговых остатков ТБО в районе стенки реактора, при этом скорость выхода пиролизного газа с увеличением временем уменьшается. Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что процесс переработки на лабораторной установке наиболее эффективен при значении силы тока подаваемого на электроды I - 200 А и напряжении U = 25 В. Так количество образующегося газа по конечным значениям при 200 и 250 А различается всего на 8 дм , тогда как по данным для 150 и 200 А различие составляет более 30 дм3 (см. рис. 3.1), а затраты энергии на переработку возросли на 0,4 кВт как в первом, так и во втором случаях. Это подтверждается графиком скорости выхода газа (см. рис. 3.2). Значение и при силе электрического тока (1) равной 200 и 250 А, отличаются незначительно, тогда как при силе тока, равной 150 А показания скорости образования газа значительно ниже в начальный период опыта (до 4 минуты), а после 6-ой минуты опыта, наблюдается рост значений скорости выхода газа по сравнению с теми же данными при силе тока 200 и 250 А. Можно отметить, что процесс переработки отходов при силе тока равной 150 А не завершен ввиду довольно большой скорости выхода газа за последнюю минуту опыта. При силе тока равной 250 и 200 А наблюдается незначительное изменение скорости образования газа, что говорит о практически полной переработке материала при силе тока равной 200 А. Дальнейшее увеличение силы тока 103 дуги до 250 А не приводит к значительным изменениям в параметрах процесса пиролиза отходов, что и подтверждается экспериментами (см. рис. 3.3 и 3.4). Данные, приведенные на рисунке 3.4, характеризуют степень переработки органической и жидкой фазы отходов. Процент переработки органической составляющей отходов не изменяется при проведении процесса при 200 и 250 А, а процент переработки жидкой фазы отходов увеличился всего лишь на один процент, тогда как разница с тем же процессом при I = 200 А и при I = 150 А соответственно составляет 15 и 9 процентов.
. Устройство узлов и агрегатов.
Установка УУТБО — 1 включает в себя следующие узлы и агрегаты. Реактор 1 предназначен для уничтожения бытовых органических отходов и представляет собой герметично выполненную металлическую камеру цилиндрической формы, изнутри футерованную огнеупорным материалом. Отвод излишков тепловой энергии от верхней и боковых стенок реактора осуществляется за счет жидкостной рубашки охлаждения (не показана). В верхней части реактора расположен люк загрузки отходов 4, а в нижней части имеется люк для выгрузки зольного остатка 11. Крышки люков выполнены откидывающимися и их герметичное закрытие производится при помощи накидных гаек.
Внутри корпуса реактора установлены два электрода 10, с выполненными в них каналами подвода воздуха в зону дугового разряда (непоказаны) и подключенные к выводам понижающего сварочного трансформатора 14. Электроды помещены в изоляторы и герметизированы уплотняющими устройствами (не показаны). Приводятся в движение устройствами подачи с винтовым приводом 9.
Система подачи воздуха предназначается для подачи воздуха в необходимом объеме и при определенном давлении в зону реакции с целью поддержания необходимой температуры процесса пиролиза по всему объему реактора и включает в себя: компрессор 13, воздушный ресивер 20, воздухопроводы 21,22, форсунки воздухоподачи / 7. В систему воздухоподачи также входят контрольно - измерительные приборы и приборы управления подачей воздуха, предусматривающие: измерение и регулирование давления воздуха, изменение скорости реакций.
Система отвода тепла (система охлаждения) предназначена для отведения излишков тепловой энергии от стенок реактора и блока очистки газового выброса 12. Она включает в себя помимо рубашки охлаждения реактора и рубашки охлаждения блока очистки газового выброса, центробежный насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя, расширительный бак и систему трубопроводов (не показаны). Общий объем системы охлаждения «1,5м .
Блок очистки газового выброса представляет собой герметично выполненную металлическую камеру цилиндрической формы, разделенную в соотношении 2/3 поперечной перегородкой 24, изготовленной из мелкоячеистой сетки. Нижняя часть блока - камера сжигания образующегося пиролизного газа, оборудована газовой форсункой низкого давления 23, через которую газ, образующийся в реакторе, подается на сжигание. Верхняя часть блока - нейтрализатор 25, заполненная сухим химическим реагентом, предназначена для очистки дымовых выбросов из камеры сжигания от вредных примесей.
Электрооборудование установки предназначено для приведения в действие и управление работой трансформатора, компрессора, дымососа, насоса системы охлаждения и включает в себя комплект датчиков, пусковой и защитной аппаратуры, пультов, устройства аварийного отключения и т.п., объединенных электрическими коммуникациями в единую систему. Помещение вспомогательных агрегатов 7, предназначено для размещения трансформаторов, компрессора, пусковой и защитной аппаратуры, шкафа управления и электрических коммуникаций. Органы управления установкой расположены на пульте управления 5 установленном на боковой стенке кабины. Пульт управления является основным штатным пультом, посредством которого осуществляется управление установкой. В нем сосредоточены цепи коммутации, управления, защиты, измерения и узел учета потребления электроэнергии. На нем размещены кнопки управления установкой, кнопка "ОБЩИЙ ПУСК - СТОП" ("грибок") вольтметры и амперметры управления электрической дугой. Электрооборудование имеет следующие виды защит: от нагрузок и токов короткого замыкания защита осуществляется автоматическими выключателями; силовые цепи компрессора, дымососа, насоса циркуляции воды дополнительно защищены от перегрузок тепловыми реле; обслуживающий персонал защищен от поражения электрическим током посредством заземления и зануления оборудования, защитой от понижения (пропадания) напряжения в любой из фаз в случае частичного или полного замыкания на землю; применением пониженного напряжения для цепей индикации управления. Самовыключение рабочих органов при восстановлении напряжения исключается. Загрузка отходов в реактор осуществляется через загрузочный люк, после чего, производится запуск реактора пропусканием электродугового разряда между электродами с одновременной подачей воздуха через внутренние каналы электродов. Через 10-15 минут работы установки прекращается поступление воздуха через электродные каналы и, в дальнейшем, подача воздуха осуществляется через радиальные форсунки, размещенные внутри реактора с расчетом предотвращения образования мертвых зон. В течение цикла работы установки высокотемпературная зона реакции должна охватить весь объем отходов, что достигается за счет частичного (порядка 10-15 %) сжигания отходов. В процессе утилизации поток образующихся газовых продуктов движется снизу вверх и через газоотвод попадает в блок очистки газового выброса, где утилизируется в камере сгорания с целью получения тепловой энергии. Образующиеся при этом дымовые газы проходят, за счет разряжения создаваемого дымососом, через адсорбент нейтрализатора, где осуществляется их очистка. Далее дымосос направляет очищенные газы в атмосферу. Подключение Перед подключением установку размещают на ровной горизонтальной поверхности. После чего вставляют штатные электроды, (которые в транспортном положении размещаются в специальных держателях на внутренней стенке помещения вспомогательных агрегатов) в соответствующие пазы в реакторе до их соприкосновения внутри реактора.
