Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Организационно-технические проблемы, определяющие исходный состав углеродсодержащих отходов 11
1.1. Общая характеристика углеродсодержащих отходов как сырья для промышленной переработки 11
1.2. Классификация методов утилизации твердых бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов 19
1.3. Сортировка отходов как метод влияния на исходный состав ТБО перед утилизацией 22
Глава II. Сравнительный функционально экологический анализ технологий переработки твердых бытовых отходов 25
2.1. Среднестатистический состав твердых бытовых отходов 25
2.2. Характеристика твердых бытовых отходов как энергетического сырья 27
2.3. Анализ современного состояния технологий переработки твердых бытовых отходов 43
2.4. Образование токсичных и сверхтоксичных соединений при реализации технологий переработки твердых бытовых отходов 46
Глава III. Теплофизические основы разработки плазменной технологии переработки углеродсодержащих отходов 56
3.1. Исследование термической обработки углеродсодержащего сырья 56
3.2. Влияние температуры на кинетику обработки углеродсодержащих отходов 61
3.3. Энергетический расчет процессов плазменной газификации отходов 68
3.4. Оптимизация технических требований и обоснование конструктивной схемы плазменной электропечи 72
3.5. Физико-математическое моделирование и расчет рабочих параметров шахтной плазменной печи 76
3.6. Оптимизация соотношения расходов теплоносителя и получаемого синтез-газа 92
3.7. Тепловые расчеты электропечи для переработки углеродсодержащих отходов 97
Глава IV. Теплоэнергетическая эффективность газификации углеродсодержащих отходов различного состава 108
4.1. Методика расчета эффективности газификации обобщенного сырья (топлива) в шахтной плазменной электропечи 108
4.2. Отходы переработки древесины (опилки содержащие до 1% фенольных смол и не содержащие гудронной пропитки) 116
4.3. Бумажные отходы от измельчения макулатуры (смесь древесных материалов, остатков бумаги, фрагментов стекла, металлических и гравиевых материалов) 118
4.4. Высушенные загрязнения из водоочистных установок бумажной промышленности, маслянистые загрязнения нефтеперерабатывающей промышленности 119
4.5. Белковая животная мука - материал высокой степени риска 121
4.6. Медицинские отходы 123
Глава V. Экспериментальные исследования процессов газификации отходов 125
5.1. Опытно-промышленные установки для проведения исследований процессов газификации отходов 125
5.2. Электродуговые плазмотроны для газификации отходов 136
5.3. Результаты экспериментальных исследований газификации твердых бытовых отходов 144
5.4. Результаты экспериментальных исследований газификации сельскохозяйственных отходов - рисовой лузги 167
Глава VI. Сравнительный анализ различных технологий переработки твердых бытовых, медицинских и других углеродсодержащих отходов 172
Заключение 192
Список литературы 194
Приложение 206
- Общая характеристика углеродсодержащих отходов как сырья для промышленной переработки
- Влияние температуры на кинетику обработки углеродсодержащих отходов
- Методика расчета эффективности газификации обобщенного сырья (топлива) в шахтной плазменной электропечи
- Результаты экспериментальных исследований газификации твердых бытовых отходов
Введение к работе
Актуальность темы. Существующая категоричная оценка сложившейся экологической ситуации практически во всех странах мира является индикатором остроты проблемы роста образования отходов производства и потребления, связанного как с изменением экономических, социальных и технологических условий существования человека, ростом урбанизации, так и с очевидным отсутствием соответствующей инженерно-технологической философии, определяющей поиск решений, предупреждающих неблагоприятные для окружающей среды последствия. Удовлетворение всевозрастающих материальных потребностей человечества осуществляется в результате последовательных превращений изъятого из окружающей среды сырья в конечный продукт потребления, что сопровождается выделением газообразных, жидких и твердых отходов практически на всех технологических этапах и завершается по окончании использования продукта или потери им потребительских свойств очередным образованием все тех же отходов. Этот очевидный цикл уже давно приобрел «индустриальные масштабы», что в совокупности с синтетическими продуктами, не свойственными естественной природе и, следовательно, не имеющими естественных механизмов ассимиляции, требует разработки индустриальных методов их уничтожения (утилизации) и обезвреживания.
Потребность в создании новых способов индустриальной переработки отходов определяет необходимость разработки не только оборудования, но и энерготехнологии, включая определение рациональных рабочих режимов, обеспечивающих устойчивую экологическую безопасность оборудования, процесса и продуктов переработки в условиях вероятностного изменения исходного сырья (отходов) в широких пределах.
Вышеизложенное обуславливает актуальность темы диссертационной работы, направленной на разработку теплофизических принципов создания нового энерготехнологического оборудования на основе высокотемпературных технологий, формирования технических требований к промышленному оборудованию для переработки углеродсодержащих отходов различного происхождения.
Диссертация выполнена на основании результатов научно-исследовательских работ, проведенных в Новосибирском государственном техническом университете в соответствии с целевой программой и финансированием мэрии г. Новосибирска и государственного контракта № 02.515.11.5010 от 6 марта 2007 года.
Целью работы является разработка научно обоснованных теплотехнических требований к оборудованию для переработки углеродсодержащих отходов различного происхождения; в научном плане изучение отходов различного происхождения как исходного сырья для реализации оптимальных энерготехнологий их переработки и утилизации, выработка научно обоснованных теплофизических принципов создания нового электротехнологического оборудования на основе плазменных газификаторов с получением синтез-газа и остеклованного экологически устойчивого шлака; в прикладном плане разработка технических требований к оборудованию для переработки и уничтожения углеродсодержащих отходов, включая ТБО, сельскохозяйственные, промышленные, медицинские и другие отходы.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Анализ исходных теплофизических характеристик углеродсодержащих отходов как сырья для промышленной переработки в зависимости от методов утилизации и технологий последующего обращения с отходами, в том числе при наличии сортировки как метода, влияющего на теплотворную способность отходов перед их переработкой; сравнение теплоэнергетических свойств отходов, как возобновляемого сырья с используемым в энергетике ископаемым энергетическим сырьем (бурыми углями).
2. Разработка физико-математических моделей теплоэнергетических процессов высокотемпературной плазменной газификации твердых отходов.
3. Исследование материального и энергетического балансов термической переработки углеродсодержащего сырья; разработка принципов сравнения электротехнологий пиролиза и газификации, как основы промышленной электротехнологии, базирующихся на высокотемпературной газификации с использованием в качестве окислителя паров воды (естественной влажности отходов) и получением в качестве основного продукта высококалорийного синтез-газа и экологически устойчивого остеклованного шлака; обоснование ее экологических и энергетических преимуществ, в первую очередь, в решении диоксиновой проблемы.
4. Экспериментальная проверка теплофизической и энергетической эффективности процессов плазменной газификации техногенных отходов с использованием плазмотронов различной конструкции; изучение влияния подшихтовки углеродом на удельные энергетические затраты и калорийность синтез-газа, влажности, дополнительного окислителя и температурного поля на энергозатраты газификации, изучение методов интенсификации процессов для повышения эффективности работы промышленного оборудования.
5. Оценка энергетических и экологических параметров высокотемпературных технологий, разработанных в России.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые исследованы теплофизические процессы высокотемпературной плазменной газификации углеродсодержащих техногенных отходов; выявлены основные этапы теплофизических циклов и требования, предъявляемые при реализации этих процессов; разработаны новые принципы сравнения технологий переработки углеродсодержащих отходов и на основании этих принципов проведен анализ существующих методов; получено подтверждение, что несортированные бытовые отходы, а также углеродсодержащие отходы различного происхождения (зараженная фенолформальдегидными смолами древесина, бумага и маслянистые отходы, обезвоженные осадки сточных вод, медицинские отходы, рисовая лузга, животно-белковая мука и пр.) относятся к возобновляемому энергетическому сырью и имеют сопоставимую теплотворную способность с бурыми углями;
определен диапазон режимно-конструктивных параметров (включая рециркуляцию продуктов газификации), обеспечивающих устойчивую работу промышленного оборудования и гарантирующих разложение высокомолекулярных соединений углерода, в том числе – диоксинов, преимущественное образование молекулярного азота (вместо его оксидов), предотвращение повторного образования вредных соединений за счет интенсивной закалки синтез-газа;
впервые с использованием научно обоснованной физико-математической модели теплоэнергетических процессов газификации проведены расчеты материального и энергетического балансов установок для переработки разнообразных углеродсодержащих отходов; сформулирована методика расчета основных параметров плазменных газификаторов и сравнение основных параметров высокотемпературных установок – электрошлаковых печей (процесс «Пироксел»), барботажной плавки в печи Ванюкова и плазменных теплоэнергетических установках.
На основе теплофизических расчетов и экспериментальных исследований газификации конкретных видов отходов, охватывающий практически возможный диапазон изменений их свойств, доказаны преимущества высокотемпературных энерготехнологий, использующих в качестве окислителя естественную влажность сырья (отходов); доказано, что конструктивно-технологические решения новой энерготехнологии гарантируют отсутствие в получаемых продуктах токсичных и высокотоксичных соединений, а также снижают выбросы [CO2] в расчете на единицу получаемой энергии. Используемые операции обработки минеральной части сырья с переводом его в расплавленное состояние обеспечивает возможность получения нетоксичных сертифицированных материалов.
Методы проведения исследований. Взаимосвязанность поставленных задач обусловила необходимость применения комплексного метода исследований, включающего теоретические исследования, получение расчетных характеристик и закономерностей энерготехнологических процессов с последующей экспериментальной проверкой основных выводов работы на опытно-промышленной установке.
Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила расчетно-экспериментально доказать эффективность применения плазменного нагрева для процессов переработки техногенных отходов с использованием в качестве окислителя паро-воздушной смеси и создать новое энерготехнологическое оборудование для утилизации любого сырья. Окисление углерода до монооксида [CO] и исключение из технологического цикла транспортного азота позволило снизить количество отходящих газов в 5 раз по массе и в 3 раза по объему по сравнению с технологиями полного окисления воздухом до [CO2]. Меньшая масса получаемого синтез-газа, который состоит на 90% из смеси монооксида углерода и водорода (соответственно » 40% и 50%) без транспортного азота, позволила производить закалку газа в центробежно-барботажных аппаратах с большей эффективностью (скорость охлаждения получаемого синтез-газа (105 К/с) с уровня среднемассовой температуры реактора 1200…1500 С до 10…50 С и получением шлама в 2 раза меньше по массе, так как часть вредных веществ переводится путем остеклования в жидкий шлак. В работе сформулированы принципы конструктивного исполнения электропечей и разработаны инженерные методы их расчетной оценки, обоснована целесообразность рециркуляции продуктов газификации из верхней зоны газификатора в нижнюю (высокотемпературную) и отбора синтез-газа из области газификатора с температурой 1200 С. Такое конструктивное решение гарантирует разложение особо токсичных высокомолекулярных соединений углерода и отсутствие их в синтез-газе.
На защиту выносятся:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов высокотемпературного пиролиза и газификации углеродсодержащих отходов различного состава и происхождения с получением синтез-газа из смеси монооксида углерода и водорода;
- научно обоснованные теплофизические и технические требования к организации рабочего процесса в плазменных электропечах для газификации углеродсодержащих отходов различного состава и происхождения, включающих методы обеспечения высокотемпературного пиролиза и газификации, использования принудительно циркулирующих продуктов газификации в качестве теплоносителя и обеспечением среднемассовой температуры >1400 С с последующим охлаждением до температуры 1200 С в зоне отбора синтез-газа из рабочего пространства печи;
- инженерный метод расчета плазменных установок с гарантированным поддержанием оптимальных режимов газификации, температуры синтез-газа перед его закалкой (охлаждением); способ управления электротехнологическим процессом путем распределенной подачи окислителя по высоте шахты.
Реализация результатов работы. На основе научных положений, полученных в диссертации, принципов конструирования, инженерных методов расчета и способа организации рабочих процессов создана промышленная плазменная шахтная электропечь для переработки твердых углеродсодержащих отходов, разработаны конструктивные схемы плазменных электропечей различной мощности и технологического назначения. Результаты балансовых исследований обработки различных отходов и экспериментальные результаты, полученные на опытно-промышленной установке, использованы при разработке и пуске в эксплуатацию шахтной плазменной электропечи для уничтожения слаботоксичных отходов мощностью 500 кВт (Южная Корея, фирма «Самсунг») и положены в основу разработки технико-экономического обоснования (ТЭО) строительства завода по переработке твердых бытовых отходов методом высокотемпературной газификации производительностью 35 тыс. тонн в год.
Научные и прикладные результаты диссертации включены в учебные материалы, используемые при подготовке инженерных кадров и магистров в Новосибирском государственном техническом университете.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5-й Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (Крым, Алушта, 2003), научно-технической конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» с международным участием (Новосибирск, НГТУ, 2003), 12 Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, Крым, Украина, 2008).
Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 19 печатных работах, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, вошедших в перечень рекомендованных ВАК РФ, 2 – в сборниках научных трудов, 13 – в материалах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 156 наименований. Общий объем диссертации изложен на 213 страницах и включает 54 рисунка, 30 таблиц и приложение.
Общая характеристика углеродсодержащих отходов как сырья для промышленной переработки
В практике утилизации отходов различного происхождения (в том числе твердых бытовых отходов) отсутствуют достоверные теплофизические характеристики отходов, так как они зависят от условий происхождения, промежуточных способов обращения с отходами, условий хранения и других многочисленных факторов. Поэтому необходимо провести анализ общих вопросов обращения с отходами для выявления возможных диапазонов изменения свойств отходов, как первичного сырья для их плазменной переработки.
В городах при сжигании топлива, переработке сырья, а также при использовании сельскохозяйственной и промышленной продукции образуется большое количество промышленных и бытовых отходов, интенсивно загрязняющих природную среду. На современном уровне развития техники и технологии в готовую продукцию переходит лишь 10-15% исходного сырья.
Экологические проблемы городов возникли давно, практически с момента их появления. В древних городах - Вавилоне, Иерусалиме, Риме и других - уже существовали строгие правила, направленные на сохранение и улучшение окружающей среды. Общество несло определенные затраты на создание и эксплуатацию сооружений общего пользования - водоводов и канализационных систем, фонтанов, резервуаров для воды, свалок.
До наших дней дошло сочетание слов "Геенна Огненная", что означало название места городской свалки в древнем Иерусалиме. И тысячи лет тому назад на свалках горели отходы с образованием зловонного дыма, поэтому места их расположения выбирались за пределами городов. Но города росли и часто свалки (вместе с дымом) оказывались внутри них, что приводило к массовой интоксикации населения. До XX в. основным направлением решения проблемы городских отходов было удаление их на свалки. И только в конце XIX в. в Европе начали сжигать мусор в специальных устройствах - мусоросжигательных установках (МСУ).
В соответствии с Федеральным законом России "Об отходах производства и потребления", ст. З [1], основными принципами государственной политики в области обращения с отходами являются:
- охрана здоровья или восстановление благоприятного состояния окружающей природной среды и сохранение биологического разнообразия;
- научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов общества в целях обеспечения устойчивого развития общества;
- использование новейших научно-технических достижений в целях реализации малоотходных и безотходных технологий;
- комплексная переработка материально-сырьевых ресурсов в целях уменьшения количества отходов;
- использование методов экономического регулирования деятельности в области обращения с отходами в целях уменьшения их количества и вовлечения в хозяйственный оборот;
- доступ в соответствии с законодательством Российской Федерации к информации в области обращения с отходами;
- участие в международном сотрудничестве Российской Федерации в области обращения с отходами.
Отсутствие в законе четких указаний на повсеместное строительство МСУ отражает отсутствие в российском обществе сформировавшейся позиции к мусоросжиганию. К тому же сжигание, конечно, остающееся в арсенале методов инактивации отходов, тем не менее, входит в определенное противоречие с современной идеологией [2], общемировой концепцией в этой сфере, обозначаемой тремя «г»: reduction — уменьшение, сокращение объемов накопления, минимизация отходов; reuse — повторное использование компонентов, сохраняющих потребительскую ценность; recycling — возвращение компонентов в хозяйственный оборот остатков после переработки.
Концепция минимизации образования отходов и повторного использования в качестве вторичного сырья играет существенную роль не только в сфере муниципальных твердых бытовых отходов (ТБО), но и специфических, включая медицинские отходы. Ее реализация способствует сохранению ресурсов, сокращению площадей под хранилища отходов, охране окружающей среды, активизации технологий менеджмента и переработки. Вместе с тем, необходимо иметь в виду, что рециклирование, т.е. повторное использование отходов, не всегда безопасно. Например, при возврате в целлюлозное производство старой бумаги содержание кадмия в 7 раз, а свинца в 30 раз выше, чем в естественной целлюлозе [3]. Необходимо отметить и накопление диоксинов при производстве продукции из вторичного сырья. Так, в типографской бумаге содержание диоксинов самое высокое. Согласно [3], иллюстрированные издания дают - 35 нг/кг, дневные газеты - всего лишь 0,2 нг/кг, а журналы, печатавшиеся на бумаге, полученной путем переработки старой, - 17 нг/кг. В этой связи, видимо, следует иметь ввиду, что рециклирование будет иметь какие-то гигиенически обоснованные пределы, за которыми так или иначе придется прибегнуть к инактивации отходов. В связи с тем, что эти проблемы не входят в цель излагаемой работы и должны решаться органами государственного и муниципального управления, мы лишь привлекаем внимание к необходимости их последующего решения.
Полностью поддерживая изложенную современную идеологию, которую целесообразно использовать в России, необходимо провести детализацию не только принципов, но и терминологию, которая в настоящее время в литературе не имеет однозначности и, следовательно, может вводить в заблуждение даже специалистов.
С нашей точки зрения необходимо разделять и конкретизировать существующие понятия: теплофизические процессы в технологиях уничтожения отходов, сжигания отходов; переработки отходов, утилизации отходов, сортировки отходов; технологий переработки отсортированных отходов и т.д. Для примера отметим, что термин «уничтожение отходов» необходимо применять для токсичных и опасных отходов, к которым, например, относятся медицинские отходы, бактериально опасные жидкие отходы и др. В этом случае основная задача технологии -г уничтожение их вредности к окружающему пространству и человеку. Известно, что уровень опасности некоторых медицинских отходов настолько велик, что для их уничтожения нельзя использовать технологии кремации, которые существуют в мировой практике. Поэтому к медицинским отходам нельзя «приспосабливать» термин «сжигание отходов». К сожалению, в существующей отечественной и зарубежной литературе такого разделения терминологии для характеристики технологии нет. Это связано в какой-то мере с рекламно-конкурентной борьбой фирм, разрабатывающих новые современные технологии обращения с отходами. В этой связи представляется целесообразным соотнесение любых формулировок способов обращения с отходами со смыслом двух терминов: уничтожение - прекращение существования кого-чего- либо, и утилизация - употребление с пользой. При этом заметим, что первый термин по существу поглощает второй.
Вводя впервые классификацию методов обращения с отходами и мало- токсичными веществами, мы отчетливо представляем, что жесткого категорического разделения отходов как первичного сырья в настоящее время провести еще невозможно.
Прежде, чем изучать результаты анализа литературных сведений, приведем следующую характеристику существующего положения в России: отсутствие конкретной концепции обращения с твердыми отходами. При этом опыт обращения с отходами в различных странах показал, что прямое или полное копирование принципов обращения с отходами в зарубежных странах практически не приводит к существенным успехам, так как организация жизни населения, сложившаяся исторически, оказывает существенное влияние на конечный результат принятой технологии или последовательности технологий, реализующих общую постановку проблемы обращения с отходами.
Поэтому, уделяя основное внимание в диссертации научно-техническим проблемам обращения с ТБО, мы будем вынуждены проводить анализ не только технических задач, но рассматривать проблему в целом. Это необходимо, так как от решения смежных задач существенно зависит качество, состав и морфологические особенности исходного сырья - ТБО, которые будет необходимо перерабатывать или уничтожать в техническом оборудовании. При этом укажем, что существующая точка зрения, включающая, утверждение: ТБО во всем мире одинаковы и их можно уничтожать в любой установке, работающей как у нас в России, так и за рубежом, при практической реализации оказывается несостоятельной. Именно по этой причине оборудование, используемое в различных странах существенно отличается даже по принципам его работы.
Исследование и анализ существующего положения в развитых зарубежных странах позволит сформулировать исходные научные положения по рассматриваемой проблеме, которые позволят в последующем разработать с учетом этих положений концепцию обращения с отходами для России, в частности, для Новосибирска. Поэтому мы будем привлекать в качестве исходной информации известные данные по многим странам, но конкретные количественные и качественные результаты работы ориентировать на конкретные условия, существующие в городе Новосибирске.
Влияние температуры на кинетику обработки углеродсодержащих отходов
Эффективность превращения углеродсодержащих отходов в газ зависит от температуры и состава окислителя. В обычных условиях газификация всегда сопровождается реакциями разложения водяного пара, даже при окислении атмосферным воздухом, который содержит некоторое количество водяных паров. Необходимо также учесть, что отходы содержат влагу, которая, испаряясь под действием высоких температур, увеличивает содержание пара в реакционной зоне.
В результате реакций с кислородом углерод отходов превращается в зоне газификации в СО и С02, а в продуктах взаимодействия водяного пара с углеродом всегда присутствуют Н2,СО ,С02 и Н20. Из реактора выходит смесь газов, получающаяся в процессах газификации и сухой перегонки с примесью непрореагировавшего водяного пара, паров смолы, пыли, углеводородов, сероводорода и других веществ.
Скорость реакций зависит от скорости взаимодействия веществ и скорости диффузии. Скорость газификации лимитируется скоростью наиболее медленного процесса и при 700—800 С определяется скоростью реакций, поскольку она невелика. С повышением температуры скорость химических процессов резко возрастает, скорость же диффузии растет незначительно, вследствие чего при температуре выше 1000 С процесс газификации тормозится уже скоростью диффузии. Для интенсификации процессов необходима принудительная циркуляция нагретого окислителя.
Высокотемпературный процесс плазменной газификации угля с получением синтез-газа (в том числе как энергетического газа) и его использование в энергетике достаточно подробно изложены в работе [138]. Указывается, что это сложный гетерогенный физико-химический процесс, при котором осуществляется ряд химических взаимодействий углерода и его соединений с газифицирующими реагентами (кислородом, водяным паром). Плазменная газификация характеризуется образованием радикалов и ионов при диссоциации плазмообразующего газа, что обуславливает высокую скорость протекания физико-химических процессов при высокой концентрации энергии в единице объема. Процесс плазменной газификации является эндотермическим и требует для своего развития подвода теплоты с помощью низкотем пературной плазмы. Оптимум равновесных концентраций СО и Н2, что является целью технологического процесса, лежит в диапазоне температур 1500...2000 К. При этом в газовой фазе практически отсутствуют примеси, что делает эту область наиболее предпочтительной для проведения процесса газификации. Использование Водяного пара и кислорода при плазменной обработке повышает их химическую активность и способствует сокращению времени реакции, что обуславливает уменьшение геометрических размеров реакционной зоны [139, 140].
При использовании в качестве теплоносителя плазмы в газификаторе можно получить температуры, достаточные для разложения любых высокомолекулярных органических соединений, в том числе токсичных, биологически активных, и особо устойчивых.
Рассмотрим воздействие высокой температуры (1200 С) на твердые бытовые отходы, предполагая, что в зоне высокой температуры находятся только ТБО, в эту зону не попадает воздух, вода и другие химические элементы. Известно [136], что при температуре свыше 1000С распад органической части идет, главным образом, до углерода (кокс) и водорода. Результаты вычислений продуктов реакций для температур 1100, 1200, 1250 и "1300 С приведены в таблице 3.2, там же приведены значения количества физического тепла для каждой температуры и состава, суммарный тепловой эффект химических реакций.
На рис.3.3.—3.6 приведены расчетные зависимости изменения концентраций [С02], [СО], [Н.2] и [Н20] в зависимости от среднемассовой температуры в реакционной зоне. Из анализа этих графиков можно сделать вывод, что с повышением температуры возрастает процентное содержание горючих составляющих в конечном продукте и, следовательно, увеличивается теплотворная способность синтез-газа.
Для оценки скоростей реакций привлечем результаты исследований, полученных в теории горения и газификации топлива [137].
Скорость реакции газификации кокса определяется скоростями протекания одновременно всех трех реакций (3.1)—(3.3), а именно: [С]+[С 2]; [С]+[Н20] ,[С0]+[Н20\.
Зависимости скорости реакции [С]+[ 32] в диапазоне температур 1100—1300 QC показывают, что скорость окисления кокса при Г-1100 С меньше скорости окисления кокса при Г=1200С на 9%, а скорость окисления при Г=1300С больше на 9% скорости окисления при Г=1200 С.
Согласно [137] скорость реакции [С]+[Я2] примерно в четыре раза меньше, скорости реакции [С]+[02] при одинаковых температурах, но сильно зависит от пористости кокса й содержания в нем внутренней влажности.
Реакция [С0]+[Я20]=[С02]+[Я20] является самой распространенной вторичной реакцией газификации органических материалов. Скорость этой реакции очень сильно зависит от присутствия катализаторов, которыми могут являться окислы железа и других металлов.
Экспериментально доказано [137], что газификация кокса с жидким шлакоудалением при температурах 1600—1700 С имеет скорость (производительность) газификации порядка 1500 кг!м2-ч, а при температурах 1200— 1350С или меньше при сухом шлакоудалении скорость (производительность) газификации составляет 500 кг1м2-ч.
Резкий скачок производительности (в 3 раза) при переходе к жидкому шлакоудалению объясняется резким улучшением условий диффузии газовых реагентов и интенсификации процессов взаимодействия, связанных с повышением температуры.
Комплексный анализ полученных результатов позволяет сформулировать следующие преимущества плазменных электротехнологий переработки ТБО.
В плазменных газификаторах возможно создать условия, при которых можно выдерживать синтез-газ при Т 1200 С в течение времени т 7 - 10 секунд. При этом диоксины полностью разлагаются.
Плазменный газификатор позволяет значительно уменьшить содержание окислов азота, так как термические окислы азота, образующиеся в плазменной струе при Т 1200 С, диссоциируют по условиям химического равновесия, а азотные соединения ТБО разлагаются термически. Использование в качестве окислителя воды вместо атмосферного воздуха приводит к резкому снижению массы N2.
Сера и хлор в восстановительной атмосфере плазменного газификатора образуют сероводород и соляную кислоту, которые вместе с легколетучей золой могут быть утилизированы при закалке газового продукта с помощью центробежного барботажного аппарата (ЦБА).
С повышением среднемассовой температуры газового продукта до Т 1300 С увеличивается калорийность синтез-газа и увеличивается производительность газификатора.
При переходе от сухого шлакоудаления к жидкому наблюдается существенное увеличение производительности газификации.
Энергетическая целесообразность плазменной газификации рассматривается ниже. .
Методика расчета эффективности газификации обобщенного сырья (топлива) в шахтной плазменной электропечи
4.1.2. Для оценки общей энергетики газификации и состава основных продуктов газификации необходимо знать элементный состав исходного топлива: С; Н2; 02; Н20; зола. В исходных данных есть информация о влажности, зольности и калорийности, но нет данных о С, Н2, 02. Поэтому, исходя из известных-(в исходных данных) элементов (веществ) и калорийности, рассчитаем процентное содержание углерода, водорода и кислорода в топливе.
Хлор, сера, свинец, медь, марганец, никель, мышьяк, кадмий и ртуть в сумме составляют менее 2%, поэтому на энергетику существенно повлиять не могут и при расчетах во внимание не принимаются.
Среди известных бытовых отходов [47] и низкосортных топлив, обладающих калорийностью 15000 кДж/кг, влажностью более 25% и зольностью в сухом состоянии 20% аналогов нет. Поэтому конструирование элементного состава начнем с того, что определим зольность топлива на рабочую массу. Известно, что золы в сухом состоянии содержится до 20%, а влажность массы составляет 25%, следовательно, золы в рабочей массе содержится: 75% х 20%: 100% =15%.
После первого шага вычислений имеем:
Теплотворная способность 15000 кДж/кг рабочей массы;
Влажность 25% на рабочую массу;
Зольность 15% на рабочую массу.
Судя по химическому составу топливо близко к отходам бумажной или деревоперерабатывающей промышленности.
По справочным данным [47] отношение (массовое) углерода к водороду (для бумаги) равно 7,5 : 1. Углерод и водород являются горючими материалами и определяют теплотворную способность топлива.
При сгорании одного килограмма углерода выделяется 32800 кДж тепла, а при сгорании 1 кг водорода - 142120 кДж.
По условию 1 кг топлива имеет калорийность 15000 кДж.
Составляем уравнение:
7,5Х х32800 + X х 142120 = 15000, отсюда X = 0,038 кг.
Или в размерностях
7,5 частей X X кг х 32800 кДж/кг + X кг х 142120 кДж/кг = 15000 кДж.
Следовательно, в 1 кг рабочей массы топлива содержится 0,038 кг водорода и 0,038 кг х 7,5 частей = 0,29 кг углерода.
Итого после второго шага вычислений состав топлива:
С - 29%; Н2 - 3,8%; Н20 - 25%; Зола - 15%.
Учтена зольность, влажность и теплотворная способность, т.е. исчерпан весь запас исходной информации.
Если предположить, что остальное вещество - кислород, то получится окончательный элементный состав топлива:
С - 29% мае; Н2 - 3,8% мае; 02 - 27,2% мае; Н20 - 25% мае; зола — 15% масс. Итого 100% мае.
4.1.3. Кроме топлива в газификатор поступает плазмообразующий воздух с расходом 0,15 г/с на 1 кг топлива. Поскольку расчет проводится условно для производительности газификатора 100 кг/час, то общее количество воздуха, поступающего в реактор определяется:
0, 15 г/с х 3600 с хЮО = 54 кг воздуха на 100 кг топлива в час.
Согласно справочникам воздух содержит 79% объемных азота и 21% объемных кислорода, при этом плотность воздуха при нормальных условиях составляет 28,96 кг/кмоль. Следовательно, в реактор поступает - 54 кг : 28,96 кг/кмоль = 1,86 кмоль воздуха.
Учитывая соотношение 79% азота и 21% кислорода получаем: азот - 1,48 кмоль - 41,52 кг; кислород: 0,39 кмоль = 12,48 кг
Окончательный состав веществ, поступающих в реактор за 1 час при газификации 100 кг топлива:
С - 29 кг; Н2 - 3,8 кг; 02 - 39,68 кг; Н20 - 25 кг; N2 - 41,52 кг зола - 15 кг.
Итого 154 кг топлива совместно с плазмообразующим воздухом.
Химические реакции в газификаторе
4.1.4. По данным работы [145] основными уравнениями химических реакций являются:
2G + 02 = 2С0 - 58,86 ккал/моль
С + Н20 = СО+Н2 +28,38 ккал/моль
СО + Н20 = С02+Н2 - 10,41 ккал/моль
4.1.5. Термическое разложение высокомолекулярных органических соединений (в том числе диоксинов) носит необратимый характер, начиная с температуры 1200 С [114].
Поэтому для газификации выбирается среднемассовая температура в реакторе - 1200С. Поскольку при газификации одновременно могут происходить различные химические реакции (см табл. 2.5 и 4.1.4), то для каждой конкретной температуры существует определенная комбинация компонентов синтез-газа, определяемая константой равновесия фаз [33]. Для температуры 1200С константа равновесия для продуктов газификации СО, Н2, С02, Н20 равняется 2,5 [32].
Таким образом, к трем уравнениям химических реакций добавится уравнение, определяемое константой равновесия фаз:
[СО] х [Н20]/[С02] х [Н2] - 2,5
И система уравнений, содержащая четыре неизвестных (СО, Н20, С02 и Н2) становится разрешимой.
Окончательно получаем:
2С + 02 = 2СО - 52,96 ккал/моль
С + Н20 = СО+Н2 +31,45 ккал/моль
СО + Н20 = С02+Н2 —9,86 ккал/моль
СО х Н20/С02 х Н2 - 2,5
4.1.6. Предполагаем, что время нахождения в реакторе химических веществ достаточно для полного завершения всех химических реакций.
Следовательно, в реакции углерода с кислородом (2С + 02 = 2СО - 58,86 ккал/моль) примет участие 39,68 кг кислорода или 1,24 кмоль кислорода и в два раза больше количество кмолей углерода, т.е. 2,48 кмоль углерода. Но общее количество углерода составляет 29 кг или 2,416 кмоль, т.е. на 0,064 кмоль меньше, чем требуется для реакции с кислородом. Следовательно, для первой реакции получаем:
2,416 кмоль С +1,208 кмоль 02 = 2,416 кмоль СО -711102,8 ккал. Остальной кислород может вступить в реакцию с водородом по уравнению 2Н2 + 02 = 2Н20 - 115,6 ккал/моль, т.е. 0,064 кмоль Н2 + 0,032 кмоль 02 = 0,064 кмоль Н20 - 3699 ккал.
Выравнивающая реакция для продуктов газификации СО + Н20 = С02+Н2 - 10,41 ккал/моль Совместно с уравнением:
СО х Н20/С02 х Н2 - 2,5 дополняют первые две реакции и позволяют рассчитать коэффициенты для реакции СО + Н20 = С02+Н2.
Методом подстановки в уравнение СО х Н20/С02 х Н2 = 2,5 значений получаем:
СО = (2,416 - С02) кмоль Н20 = (1,452 - С02) кмоль Н2 — (1,836 + С02) кмоль
С02 = (2,416 - С02) (1,452 - С02)/2,5(1,836 + С02)
Отсюда С02 = 0,388 кмоль.
Результаты экспериментальных исследований газификации твердых бытовых отходов
Добавление углерода без дополнительной подачи кислорода или воздуха становится энергетически невыгодно даже при 80 г углерода на 1 кг ТБО, так как электрическая энергия внешнего источника переводится в потенциальную энергию (калорийность) синтез-газа. Для практического применения можно рекомендовать подшихтовку углеродом не более 10% от массы перерабатываемых ТБО для случая, когда в зону реактора не поступает дополнительное количество кислорода или воздуха.
Влияние влажности ТБО на энергозатраты газификатора. При нагревании отдельных компонентов ТБО до 1200 С наибольшее количество энергии на единицу массы требуется для нагрева воды. Этот вывод оказывается убедительным при расчетах нагрева ТБО по выражению (3.5). Количество воды в ТБО зависит не только от морфологического состава, но и от погодных условий, способов хранения и т.д. Для выяснения степени влияния влажности ТБО на энергозатраты при газификации были проведены расчеты с использованием уравнений (3.1 - 3.5) для ТБО следующего морфологического состава: углерод - 17,4%, водород - 2,24%, кислород—13,85%, азот - 0,55%, сера - 0,11%, зола - 31,09%. Исходное содержание воды - 35%. В процессе исследований влажность ТБО изменялась при сохранении взаимной пропорции остальных компонентов. Результаты исследований приведены на рис. 5.16 - 5.21.
Изменение исходной влажности ТБО равнозначно добавлению воды к полностью сухому ТБО. Как видно из характеристики, приведенной на рис. 5.16, добавление воды приводит к увеличению расхода электрической энергии от 0,68 кВт-ч до 1,5 кВт-ч при влажности 0,15 г/с при производительности 1 кг ТБО в час. При этом незначительно падает калорийность синтез-газа (рис. 5.17) и удельная калорийность (рис. 5.18). Влажность газа повышается на 25 весовых процентов (рис. 5.19), растет процентное содержание двуокиси углерода (рис. 5.20). При этом содержание паров воды (окиси водорода) остается примерно постоянным. Общий объем синтез-газа, полученного при газификации 1 кг ТБО при увеличении влажности немного возрастает.
Количественный анализ характеристик, приведенных на рис. 5.16 - 5.21, позволяет сделать вывод, что увеличение влажности ТБО приводит к перерасходу энергии, уменьшает количество синтез-газа за счет присутствия паров воды. При этом энергия внешнего источника (плазмотрона) переходит в физическое тепло влажного газа. Для полной газификации ТБО достаточно 20% влажности. Следовательно, в большинстве случаев полезна предварительная подсушка ТБО для уменьшения энергозатрат при газификации. Увеличение расчетного удельного расхода энергии при изменении исходной влажности ТБО приведено на рис. 5.22 (сплошная линия) для переработки одного кг топлива.
Здесь же точками нанесены результаты экспериментов. Видно, что чем больше воды в топливе, тем больше энергозатраты и тем менее экономичен процесс газификации. Имеющееся несовпадение результатов расчета и эксперимента обусловлено тем, что при расчете не учитывались потери тепла в подину и стенки печи. Кроме того, влажность мусора измерялась неточно и от опыта к опыту в какой то мере менялся морфологический состав ТБО. Но в целом полученные результаты правильно отражают тенденцию увеличения потребления Электроэнергии с ростом влажности мусора и показывают, что в целях экономии электроэнергии необходимо мусор сушить.
Сушка отходов в черте города представляет собой самостоятельную достаточно сложную проблему, так как сопровождается выделением вредных для человека запахов. Если отходы высушивать с помощью подогретого воздуха, то он должен включаться в процесс сжигания синтез-газа или должны быть приняты специальные меры для устранения возникающего запаха. Поэтому целесообразно перед переработкой в ТБО подмешивать сухой уголь, имеющий малый выход летучих, и по этой причине неиспользуемый в энергетике. Например, для этой цели можно использовать отходы электродного завода, расположенного в Новосибирской области.
При работе газификатора электроэнергия тратилась также на работу его сервисных систем: водяных насосов «14 кВт, воздушных вентиляторов 4 кВт, накачку воздуха 3 кВт. С учетом этого затраты электроэнергии на переработку 1 кг ТБО повышаются. Но с ростом мощности плазмотронов доля дополнительных энергозатрат в общих расходах падает. На рис. 5.23 представлена зависимость энергозатрат от мощности плазмотрона. Видно, что при мощности более 100 кВт энергозатраты близки к 1 кВт-ч/кг. Для правильной оценки всех энергозатрат нужно учитывать также электрический КПД источника питания. Это переменный фактор и его трудно учесть. Потери электроэнергии в источнике питания зависят, главным образом от типа используемого выпрямителя. В каждом конкретном случае они различны, но составляют не более 30% от энергии, потребляемой плазмотроном. Если эти расходы учесть по максимуму, то общие расходы возрастут. В действующей промышленной установке по переработке ТБО будут также и другие потери на различные вспомогательные службы и механизмы. Но в целом, по видимому, расход электроэнергии на 1 кг ТБО в промышленной установке в номинальном режиме ее эксплуатации составит «1,5 кВт-ч/кг. Потери этой энергии будут компенсироваться при сжигании синтез-газа в котле- утилизаторе, так как сухой синтез-газ горит и обладает теплотворной способностью «4000 ккал/м3.
Хотя реальные отходы сильно различаются по внешнему виду и плотности, их химический состав примерно одинаков и определяется различными производными целлюлозы. Основными переменными являются влажность и содержание золы. Влажность можно регулировать сушкой. В связи с большими затратами труда влажность топлива была приближенно определена только один раз. В дальнейшем ее оценивали по измеряемой в каждом эксперименте добавки воды в баке-отстойнике экологического блока очистки. Так, при влажности мусора «36% было переработано «100 кг, добавка воды в баке составила за это время «20 кг. Следовательно, 16 кг воды было затрачено на химические реакции и ушло вместе с охлажденным синтез-газом (с горячим ушло бы много больше), т.е. 55,5% воды, содержавшейся в топливе, попало в бак. Если предположить, что эта пропорция сохраняется и для других значений влажности, то, действительно, измеряя добавку воды, можно приближенно оценивать влажность ТБО.
В экспериментальной установке удаление воды из бака-отстойника осуществлялось с помощью специального крана, расположенного на 400 мм ниже рабочего уровня раствора, что позволяло вручную удалять излишек жидкости во время работы экологического блока очистки, находящегося под разрежением .«300 мм.вод.ст.
В дальнейшем при проектировании опытно-промышленной установки необходимо предусмотреть естественный слив воды через гидрозатвор из бака-отстойника экологического блока очистки синтез-газа в промежуточный бак-смеситель. Это позволит по количеству воды, стекающей в промежуточный бак в единицу времени, легко контролировать влажность ТБО непосредственно в процессе его переработки и оперативно регулировать влажность мусора на этапе его подготовки перед загрузкой в печь, что позволит использовать газификатор в оптимальном режиме.
Влияние подачи дополнительного окислителя на процесс газификации ТБО. В общем случае в качестве дополнительного окислителя можно использовать воздух или кислород. Теплофизические свойства дополнительного газообразного окислителя учитывались при подсчете общего количества тепла, необходимого для нормального протекания химических реакций в реакционной зоне Газификатора. Общее количество тепла, необходимое для нагрева газа, рассчитывалось по формуле Q=cp-m-AT, где ср. средняя удельная теплоемкость- газа в интервале температур ДГ, т - масса дополнительного окислителя, поступающего в реактор, АТ - интервал температур, в котором газ нагревается.
В состав воздуха кроме кислорода входит азот и в малых количествах другие химические элементы. Азот является транспортным газом и в химических реакциях не принимает участия в заметных масштабах. Кислород является активным окислителем углерода , при температуре Т= 1200 С и существенно влияет на энергетику газификатора.
