Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование термических процессов обезвреживания твердых отходов и совершенствование теплоутилизирующего оборудования

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Исследование термических процессов обезвреживания твердых отходов и совершенствование теплоутилизирующего оборудования"

сд

• *1» 1893 праьах рукоачси

ХВОСТИКОВ АНДРЕЙ ГЕОРШЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОУТИЛИЗИРУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

11.00.11. - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов - на - Дону, 1998

Диссертационная работа выполнена в Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения

Научный руководитель: чл.- кор. МАНЭБ,

доктор технических наук профессор Медиокритский Е.Л.

Научный консультант: чл.- кор. МАНЭБ,

кандидат технических наук профессор Гарин В.М.

Официальные оппоненты: засл. деят. науки РФ,

доктор технических наук, профессор Иванов В.В.,

чл,- кор. РЭА,

доктор технических наук

профессор Карминский В.Д.

Ведущая организация: научно-исследовательское и

проектно-изыскательное ОАО "Институт Ростовтеплоэлектропроект"

Защита состоится "декабря" 1998 года в /Г часов на заседании диссертационного совета К.063.64.04 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета

Автореферат разослан '73 " "НОЯБРЯ " 199$

г.

Ученый секретарь диссертационного совет%-=^>- _ С.Л. Пушенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема утилизации Твердых отходов с каждым годом становится острее, и это наиболее ощутимо в крупных промышленно развитых городах. На протяжении десятилетий человечество ищет оптимальный способ избавления от отходов, загрязняющих наши города. Хотя вторичная переработка является лучшим решением этой проблемы, технические и экономические возможности человечества не позволяют повторно переработать все 100% образующихся твердых отходов (ТО).

Помимо захоронения на санитарных полигонах, переработки твердых бытовых отходов (ТБО) в компост, получило распространение и термическое уничтожение отходов. Этот способ утилизации твердых отходов имеет немало преимуществ, но с ним связаны значительные расходы на топливо. Кроме того, он не всегда удовлетворяет современным требованиям к качеству обезвреживания отходов и защите окружающей среды.

Эти проблемы возможно решить на уже действующих и проектируемых заводах по уничтожению ТО путем использования усовершенствованных многофункциональных теплообменников (МФТ), которые позволяют за счет использования отходящей теплоты улучшить экономические показатели основного мусоросжигающего оборудования и уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду.

Идея работы состоит в улучшении процесса термического уничтожения твердых отходов за счет подогрева компонентов горения до оптимального уровня в многофункциональных теплообменниках -средствах защиты окружающей среды и ресурсосбережения.

Методы исследования включали:

- математическое и физическое моделирование процессов, происходящих в МФТ;

- обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ЭВМ;

- сопоставление полученных результатов с экспериментальными исследованиями, выполненными в лабораторных условиях.

Достоверность результатов обоснована выбором физических моделей, базирующихся на основах теории горения и теплопередачи и подтверждена адекватностью теоретических положений, научных выводов с результатами экспериментальных исследований и работами других авторов.

Научная новизна.

- разработка коэффициента закрутки К3, существенно влияющего на интенсификацию теплообмена в многофункциональных теплообменниках;

- усовершенствование математической модели путем ввода коэффициента закрутки для расчета коэффициента теплоотдачи.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработан метод определения коэффициента закрутки для корректировки расчета коэффициента теплоотдачи;

- разработанная математическая модель с применением коэффициента закрутки, влияющего на интенсификацию теплообмена в МФТ, позволяет обосновать и принять наиболее технически и экономически обоснованные конструкции МФТ, позволяющие улучшить процесс уничтожения отходов как с экономической, так и с экологических точек зрения;

- рассмотрена возможность перепрофилирования существующих производств под нужды города для уничтожения образующейся массы твердых отходов.

Реализация работы. Результаты работы внедрены: в проект реконструкции нагревательных и термических печей с многофункциональным теплообменником кузнечного цеха завода СИ и ТО ОАО " Ро-стсельмаш", в проект реконструкции кузнечных нагревательных и термических печей с МФТ кузнечного цеха ЗАО "РИФ".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены:

- на международной студенческой научно-технической конференции "Экология и регион" в Ростовской государственной экономической академии //1995-1997г.г., Ростов-на-Дону.

- на международном симпозиуме теплотехников 1998г., г. Шчырк, Польша.

- на научно-технической конференции. "Прогрессивные полимерные материалы, технология их переработки и применение" // Ростов-на-Дону, 1995 г.

на межвузовской научно-технической конференции "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды" 1997, 1998 г.г., Ростов-на-Дону.

- работы по теме диссертационной работы удостаивались вторых премий на открытом конкурсе научных работ студентов и аспирантов по проблемам экологии "Экология - безопасность - жизнь" в высших

учебных заведениях г. Ростова-на-Дону и Ростовской области в 1996 и 1997 г.г.

На защиту выносятся следующие положения:

- разработка математической модели расчета основных теплотехнических параметров многофункционального теплообменника;

- вывод коэффициента закрутки, учитывающего влияние конструктивных особенностей МФТ на интенсификацию теплообмена.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 106 наименований, и 5 приложений. Содержание работы изложено на 115 страницах, включающих 29 рисунков и 7 таблиц.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с региональной программой НИР по теме №32 " Исследование, разработка и внедрение новых процессов термического уничтожения твердых отходов (мусора) с применением многофункциональных теплообменников в условиях Ростовского региона."

Исследования выполнены автором на кафедре "Безопасность жизнедеятельности и химия" РГАСХМ под руководством д.т.н., проф. Е.Л. Медиокритского и к.т.н., проф. В.М. Гарина. В проведении лабораторных и промышленных испытаний принимали участие д.т.н. Е.Л. Медиокритский, к.т.н. В.М. Гарин, к.т.н. В.Л. Гапонов, в разработке математических моделий - к.ф-м.н. В.Е. Логинов, в создании пакетов программ - Я.В. Котовсков, В.В. Троицкий. Промышленному внедрению МФТ содействовали А.Н. Дубровский, С.М. Житников, А.А. Метелин, О.Н. Зуй.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении характеризуются основные методы термического уничтожения твердых отходов и недостатки, присущие им. Дано обоснование актуальности диссертационной работы. Определены цели и задачи исследования избранной проблемы.

В первой главе рассматриваются возможности термических методов обезвреживания твердых отходов, условно разделяющихся на две группы: термодеструкцию (пиролиз) отходов с получением твердых, жидких и газообразных продуктов, и огневой метод (сжигание), приводящий к образованию газообразных продуктов и золы.

Существуют две разновидности метода пиролиза: окислительный пиролиз - процесс термического разложения органических отходов при

их частичном сжигании или непосредственном контакте с продуктами сг< рания топлива с последующим сжиганием пиролизных газов; сухой пирс лиз - метод термической переработки отходов, обеспечивающий их высокс эффективное обезвреживание и использование в качестве топлива и хим! ческого сырья, что способствует созданию безотходных и малоотходнь технологий.

Очень важно, что метод пиролиза позволяет ликвидировать твердые пастообразные отходы без их предварительной подготовки и отходы с пс вышенной влажностью, "неудобные" для сжигания.

В зависимости от состава и подготовки твердых отходов производи ся слоевое сжигание исходных (неподготовленных) отходов в мусоросж! гательных котлоагрегатах, слоевое или камерное сжигание подготовленнь отходов (свободных от балластных фракций) и сжигание в кипящем слс для ликвидации промышленных отходов.

На всех российских МСЗ применяется слоевое сжигание твердых бь товых отходов (ТБО) в котлоагрегатах, при котором в топке мусоросжиг; тельного котла (МСК) в первой зоне (слое) происходит выход летучих пр< дуктов по мере увеличения температуры происходит газификация отходов далее идет слой горящего кокса. Сжигание должно проходить при темпер; туре 800-1000°С. Шесть заводов оснащены основным технологическ* оборудованием Брненского машиностроительного завода "ЧК/ Дукла"(ЧСФР), общее количество мусоросжигательных котлов (МСК) к этих заводах 17, из них 14 с валковой колосниковой решеткой, которь; имеют несколько более высокие технико-экономические показатели и н; дежность в работе, чем решетки с возвратно-поступательным движение вперед.

Сжигание исходных отходов имеет массу недостатков, главные из к( торых - большая влажность отходов из-за большой доли (выше 40%) пшц< вых отходов, наличие несгораемых фракций (металл, стекло, камни), Ч1 приводит к большому остатку шлака и низкой температуре в топке, не пр< вышающей 550°С , которая не достаточна для полного уничтожения отх< дов.

В технологических схемах заводов, сжигающих подготовленные о-ходы, предусмотрены участки сортировки и хранения отходов. На перво этапе извлекаются металлолом и стекло. Также предусмотрено дробленк отходов на мелкие фракции. К безопасному уничтожению отходов прс мышленных предприятий и медицинских учреждений предъявляются боле высокие требования, чем к бытовым отходам, поэтому для их обезврежив; ния используются заводы с вращающимися печами. Преимущества таких

установок в том, что на них возможно уничтожение отходов химического производства разнообразного агрегатного состояния, которые не могут быть обезврежены в установках с колосниковой решеткой. На этих установках возможна ликвидация и жидких отходов, для этого используются специальные механические форсунки, в которых в качестве распыляющей среды используется пар или воздух. Образовавшиеся из органических соединений в печи газы имеют частично такую высокую термическую стабильность, что полное сжигание в печи невозможно. Поэтому за печью следует камера дожигания, в которой при соответствующем подводе воздуха, высоких температурах и продолжительном времени пребывания достигается полное выгорание дымовых газов.

Обычно температура в камере дожигания составляет 1200-1400°С при времени нахождения дымовых газов в камере, считая от последнего уровня горелок до входа в котел, около 4-6 сек.

Более современный способ сжигания - это сжигание в псевдо-ожиженном слое. Принцип работы печей с псевдоожиженным слоем состоит в подаче горючих газов (воздуха) через слой инертного материала (песок с размером частиц 1-5 мм), поддерживаемого колосниковой решеткой. При критической скорости потока газа инертный слой переходит во взвешенное состояние, напоминающее кипящую жидкость. Поступившие в печь отходы интенсивно перемешиваются с инертным слоем, при этом существенно интенсифицируется теплообмен. Температура в реакторе колеблется от 800 до 990°С в зависимости от материала инертного слоя, т.к. процессы в псевдоожиженном слое проводятся при температурах, не приводящих к расплавлению или спеканию реагирующих материалов.

С 60-х годов печи с псевдоожиженном слоем применялись для сжигания химических отходов и осадки сточных вод. К основным достоинствам таких печей относятся: интенсивное перемешивание твердой фазы, приводящее практически к полному выравниванию температур, небольшое гидравлическое сопротивление слоя; отсутствие движущихся и вращающихся частей; возможность автоматизации процесса обезвреживания; возможность сжигания отходов с повышенной влажностью; интенсивная теплоотдача к греющим поверхностям; возможность непосредственного сжигания топлива в слое, интенсивный тепло- и массообмен между газом и материалом.

К наиболее существенным недостаткам метода относятся: неравномерность времени пребывания в слое обрабатываемых частиц твер-

дой фазы; возможность слипания и спекания твердых частиц; необходимость установки мощных пылеулавливающих устройств на выходе дымовых газов из слоя. Кроме того, при использовании рассматриваемого метода уничтожения отходов остро стоит проблема снижения расходов энергоносителей.

При оснащении установок термического обезвреживания отходов котлами-утшшзаторами существенно увеличиваются капиталовложения и эксплуатационные расходы. Задачей котла-утилизатора является охлаждение отходящих газов при одновременном использовании содержащейся в этих газах теплоты для производства пара и пароперегрева. Поэтому применение котлов - утилизаторов рентабельно только в установках большой тепловой мощности.

Значительное снижение стоимости обезвреживания отходов возможно при использовании теплоты отходящих дымовых газов -основной статьи расходной части теплового баланса установок обезвреживания. Многократное сокращение расхода топлива на процесс, а иногда и автотермический режим обезвреживания может быть достигнуто при глубоком регенеративном использовании теплоты отходящих газов. Приращение температуры горения на 30-300°С за счет рекуперативного подогрева компонентов горения позволяет получить такие высокие температуры, которые оказывают существенное воздействие на уменьшение удельного расхода топлива и повышение качества сжигания твердых отходов за счет уменьшения выбросов диоксинов и образования меньшего количества шлака по объему.

Глубокое регенеративное использование теплоты отходящих газов ограничено рядом причин. При подогреве дутьевого воздуха удается использовать лишь небольшую часть теплоты ввиду технических затруднений при высокотемпературном подогреве дутья. Поэтому рекуператор встраивают "в рассечку" с поверхностями котла -утилизатора.

В тех случаях, когда регенеративное использование теплоты отходящих газов недостаточно глубоко, его можно дополнять внешним энергетическим или технологическим теплоиспользованием: получением горячей воды, технологического или энергетического водяного пара, использованием отходящих газов в качестве теплоносителя или сушильного агента в других технологических процессах.

Однако, задача состоит не в использовании теплоты отходящих продуктов сгорания ради утилизации энергии (проблема ВЭР), а в повышении КПД и экономии топлива на самих сжигающих установках.

В случае использования многофункциональных теплообменников ожно решить одновременно две задачи: во-первых, экономию топлива i счет подогрева дутьевого воздуха до температуры 300°С и уменыпе-ия теплового загрязнения окружающей среды; во-вторых, улучшение эоцесса обезвреживания отходов и их практически полное выгорание.

Целью диссертационной работы является улучшение термиче-шх методов уничтожения ТО путем подогрева компонентов горения в [ФТ с улучшенными теплотехническими показателями за счет интен-афикации теплообмена конвекцией.

Для достижения указанной цели поставлены следующие зада-

и:

1. Исследовать возможности интенсификации теплообмена в мно-эфункциональных теплообменниках и теоретически обосновать их.

2. С применением методов математического моделирования провеять правильность выбранных путей интенсификации теплообмена в 1ФТ.

3. На опытных образцах МФТ произвести натурные испытания инструкций на огневом стенде.

4. Оценить возможность применения разработанных конструкций 1ФТ в условиях Ростовского региона на оборудовании по термическому ничтожению твердых отходов.

Во второй главе проведены исследования интенсификации тепло-бмена в трубе за счет закрутки потока. Глава содержит результаты ис-педования аэродинамики многофункциональных теплообменников и ывод уравнения изменения затухания закрутки потока воздуха в щели гплообменника. При анализе и отработке конструкции многофункцио-ального теплообменника (радиационного рекуператора) были проведе-ы специальные эксперименты по выяснению особенностей движения оздуха в воздушных каналах.

Исследованию подвергся цилиндрический рекуператор с двойной иркуляцией воздуха, состоящий из двух металлических цилиндров, сва-енных вверху: наружного - диаметром 350 мм, внутреннего - диаметром 00 мм, между которыми находилась перегородка диаметром 320 мм. [ерегородка и два цилиндра образовали внутреннюю щель шириной 10 м и наружную - шириной 12 мм. Высота установки 1195 мм. Весь реку-ератор был выполнен из листовой углеродистой стали толщиной 3 мм.

Воздух поступал в подводящий кольцевой коллектор сечением 0x60 мм и выходил через кольцевой коллектор сечением 100x82 мм.

Наружные стенки коллекторов были выполнены съемными, что давало возможность менять способы подвода и отвода воздуха. Между наружными стенками коллекторов и корпусом рекуператора размещались резиновые прокладки. Стенки стягивались болтами.

Для измерения статического и динамического напора во внутреннем и наружном цилиндрах рекуператора было просверлено по пять горизонтальных рядов отверстий диаметром 5 мм с шагом 90 мм.

Воздух подводился в рекуператор вентилятором и воздуходувкой. В первом случае расход воздуха не превышал 300 м3/ч, а давление - 3,5кПа, во втором случае - соответственно 600 м3/ч и 15 кПа. Подвод воздуха к рекуператору осуществлялся гибким шлангом диаметром 100 мм. Патрубки подвода и отвода воздуха были одного и того же диаметра.

Напоры измеряли тарированной трубочкой Прандтля, имеющей нарезную часть для крепления ее в отверстиях в нужном положении.

Направление движения воздуха установлено путем поворота напорной трубки вокруг оси в каждом из отверстий до получения макси

мальной величины динамического напора, фиксируемой микроманометром типа ММН с точностью ± Ша. Температура холодного воздуха колебалась в пределах 20-25 °С. Количество воздуха измерялось с помощью сдвоенной диафрагмы и микроманометра с жидкостным заполнением.

В ходе экспериментов установлено, что лучшим вариантом подвода воздуха к МФТ является тангенциальный, это объясняется возникновением интенсивной закрутки потока и соответственно повышенной теплоотдачей. Для подтверждения данных и определения поправочного коэффициента закрутки К3 для математической модели тепловой работы МФТ была изготовлена установка и проведены опыты по визуализации течения воздуха внутри первой щели рекуператора с интенсивной закруткой.

Для этих опытов была выбрана модель с одноходовым движением воздуха, потому что, в отличие от радиационного рекуператора с двухходовым движением, именно в первой щели наблюдается интенсивная закрутка потока из-за тангенциального подвода воздуха.

Для визуализации течения выбран метод "шелковых нитей" и изотермической продувки. Модель выполнена из листовой стали толщиной 1 мм. Подвод воздуха к щели осуществляется через кольцевые коллекторы со съемными наружными листами - поясами с патрубками. Визуальное наблюдение за распределением воздушного потока по

кольцевой щели велось через два ряда окон, по три окна в каждом ряду. Размеры окон нижнего ряда 350 х 300мм, верхнего - 350x100мм. Шелковые нити наклеивались несколькими горизонтальными рядами на наружную поверхность внутреннего цилиндра по всей высоте рекуператора, что позволяло наблюдать общую картину распределения воздуха по щели. Скорости потока замеряли через равномерно высверленные по периметру наружного цилиндра 12 отверстий диаметром 6мм через шаг 130мм, а в коллекторах подвода и отвода воздуха - через три горизонтальных ряда аналогичных отверстий с шагом 150мм. Расход воздуха измеряли сдвоенной диафрагмой и регулировали задвижкой. С помощью шибера, установленного на патрубке отвода, имитировалось сопротивление воздушной сети. Исследования проводились при расходе

воздуха 500, 600, 700 м3/ч. В опытах использовали трубку Пито-Прандтля с тарировочным коэффициентом К=1, цилиндрическую пневмометрическую трубку с К=0,78 и микроманометр ММН 240.

Точность замеров составляла ± 2%. При измерении динамического напора пневматическая труба поворачивалась так, чтобы зафиксировать его наибольшую величину.

Направления шелковых нитей при продувке модели показали, что воздушный поток при входе в кольцевую щель имеет определенный наклон по отношению к горизонтали, угол которого плавно увеличивается от 10 до 60°по ходу воздуха и периметру щели.

Для выражения наблюдаемой степени закрутки потока в щели теплообменника использовалась относительная результирующая скорость закрученного потока относительно скорости потока воздуха в патрубке рекуператора У„.

Результирующие скорости в закрученном потоке измерялись в каждом го пяти сечений в 7 точках и бралась средняя скорость каждого сечения Уср, потому что невозможно точно определить прохождение траектории движения потока по щели рекуператора и, следовательно, точно определить место замеров.

Отношение этих скоростей Ус/Уп показывает затухание вращательного движения в щели рекуператора.

К, =

(1)

V,,

где Уп - скорость воздуха в патрубке рекуператора, при расходе 300 м3/ч, Уп= 12м/с.

При использовании данных, полученных в ходе экспериментов, установлено, что на интенсивность закрутки влияет изменение скорости потока по высоте рекуператора.

После обработки данных таблицы программой Есхе1 - 7 был построен график (рис.1), показывающий зависимость изменения закрутки воздуха во внутренней щели рекуператора по высоте. На нем отображены значения всех шести вариантов, причем в пятом варианте не указано значение первой точки, которое не является истинным из-за допущенного при сборке брака. Ширина щели в этом месте не соответствует расчетной. Во всех полученных зависимостях точность соответствия экспоненциальному закону приближается к 100%.

Уср/Уп 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8

0 12 3

у — 1,7436е"°'1б32х Ы2 = 0,9721

^ Вариант 1 и Вариант 2 ■ Вариант 3

о Вариант 4 • Вариант 5 * Вариант 6

Рис.1

Для корректировки расчета коэффициента закрутки принимаем полученный коэффициент закрутки по формуле

К3 = 1,7436 ехр [- 0,1632 (хЛЭ)] (2)

Теплоотдачу при закрученном потоке рассчитывают путем введения в формулу (3) для прямого течения поправочного коэффициента, в нашем случае К3, следовательно, коэффициент теплоотдачи с воздушной стороны в математической модели будет иметь вид:

ав= 0,018 N11^ К3 (3)

ав = 0,018 Ыи х 1,7436 е'0-1632 х/с (4)

В третьей главе описывается построение математической моде-пи теплообменника. Математическое Моделирование тепловой работы МФТ необходимо исследовать для того, чтобы можно было найти в любом сечении величину температуры нагреваемого воздуха и охлаждаемых дымовых газов и стенок теплообменивающих поверхностей.

Рассмотрим радиационный щелевой цилиндрический теплообменник, который в работе представлен широко распространенной конструкцией рекуператора Эшера (рис.2 и 3). Внутри цилиндра высотой Н с внутренним и внешним радиусами К] и Яг, соответственно, движутся продукты сгорания "газ"; по щели, образованной соосными цилиндрами, - подогреваемый воздух "В". Внутренний радиус наружного цилиндра - 11з, а внешний - Внешний радиус изоляции внешнего цилиндра асбестом диатомитовым кирпичом - 11«. Ширина воздушной щели составляет (Дз - К2). Нагреваемый воздух воспринимает теплоту только за счет конвекции от двух цилиндров: внутреннего и наружного. Часть теплоты нагреваемого воздуха теряется в виде потерь через наружную стенку рекуператора или изоляцию.

Из теплового баланса для слоя газа имеем

-—«А -т.,)+.;.гс ®

с!х я^с,. [ г и с г 0 Н ¿400/ иоо^ |

где иг = иг(Тг) - скорость течения газа, м/с; сг = сг(Тг) -

теплоемкость газа, Дж/м3-К; Тг - температура продуктов сгорания, К.

(5) - интегро-дифференциальное уравнение изменения температуры газа по высоте теплообменного устройства, которое и является уравнением теплового баланса для газа (продуктов сгорания). Из теплового баланса для слоя воздуха имеем <1Т. ± 2а „ [II2 (Т -Т,) + 11з(Т№2 - Т.)], (6)

¿х (К2-1^)овсв

где ив = ив(Тв) - скорость движения воздуха, м/с;

Схема теплообменника с односторонним обогревом

т X

Рис. 2

К расчету теплообмена в воздухоподогревателе

ёх

Р1

X

& Иб

О & Ыз Из

Рис.3

= св (Т ) - теплоемкость воздуха, Дж/м -К; Тв- температура воздуха,

, ав - коэффициент теплоотдачи к воздуху от внутренней и наружной енок, Вт/м2-К; Т№] и Т№2- температуры внутренней и наружной стенок, ; плюс - прямоток, минус - противоток.

Зависимость (6) является дифференциальным уравнением измене-ы температуры воздуха по высоте теплообменника и уравнением теп-)вого баланса для воздуха.

При выводе уравнений теплового баланса для стенок необходимо итывать, что они воспринимают теплоту не только за счет конвекции, > и за счет излучения, в том числе, и из дорекуператорного пространст-

Из условия теплового баланса для внутренней стенки имеем

10(У

-Тв) = аД,(Тг -^О+Я.еХс,

г г

•"Пр^О

2К21+х2-х^4К2 + х2

2+х2

(1 «р

иООу

т,

нДюЫ

4

+

(7)

w1 100.

цЛ 100.

'-У12 100

где От - коэффициент теплоотдачи, Вт/м^К:

в' _ Е<= + * - эффек-

тная степень черноты стенки; £г- степень черноты стенки обственная); ег = ег(Тг) - степень черноты газа; С0 - константа из-

учения черного тела, равная 5,7Вт/м2-К4 ; _

■ пр

1

-1

Че.

II.

К.

-1

приведенная степень черноты системы при излучении между цилинд-

-1

1ми;

1 +

¡7 -Г—^тг-1)*"..,

- приведенная

гепень черноты излучающей поверхности и кольцевого участка стенки ; кр = екР (ТКр) " степень черноты излучающей поверхности; Т,ф- тем-

гратура излучающей поверхности; ф кр, - угловой коэффициент излу-;ния круга на стенку теплообменника; ф кр - угловой коэффициент гонения стенки на круг.

Простейшая (с точки зрения реализации на ПЭВМ) имитационная одель получается, если учитывать только конвективный теплообмен, этом случае в уравнениях (5), (7) опускаются члены, определяющие из-

лучение газа на внутренний цилиндр, излучение между стенками и излучение из дорекуператорного пространства. В результате получается система из двух дифференциальных и двух функциональных уравнений:

¿т» = ±2аЛк2(тц, -тв) + к3(т,2 - т.)]; ах (я^-к^и.с.

¿Тг = 2аг(Т„, - тг). <1х Я,игсг

агК,Тг + а.Я2Т. ;

аД2 +

а,К3Т, + К4а*2Т,

1 —

о кр

(8)

(9) (10)

(П)

Эта система дополняется начальным или граничным условием :

Т„ (о) = Твн итг (о) = Тгн -для прямотока ; (12)

Тв (о) = Твк иТг (о) = Тгн - для противотока . (13)

Реализация математической модели, определяемой уравнениями (8) - (13), сводится к решению задачи Коши с использованием метода Рунге-Кутта. При этом на каждом очередном значении х сначала по последним двум формулам вычисляются значения Т„1 и Т№2 (поскольку Т«ь Тж2 и Тг для данного значения х уже вычислены на предыдущем шаге), а затем <1ТГ ^ <1Т,

ах ёх

что позволяет определить

Л Т А т*

Т, (х + Ах) = Т, (х) + Ах; и Тг (х + Ах) = Тг (х) + Ах •

Наибольшей адекватностью обладает модель, учитывающая конвекцию, излучение от газов, между цилиндрами и из дорекуператорного пространства:

<*т. = ±2а.[ка(т*1 -Т,) + К3(^2 -Т.)]; (Н)

«IX (К-з ~ К-г)0»0«

Н/- т \4

"г(%-Ты) + е'сЕгС0

ёТ

дх

Н

кг т Л4

\т)

100;

;(15)

' = р1 „ arR,Tr+aBR2TB+R,^£rCc aBK2arK,

±p,Vdx ГЦ'

H„JUOO> uooy

с

' n p о

2R? + x2 -

2 + x2

M„pC0

2a/4R? + хГ

iooJ uooJ

100

100

(16)

R4«w2 + R3a.

aBR3TB + R4at2TOKp +

R2C0

I+ ^

iRj

LaV _fl___ 100J woo

w 2

(17)

Полученные математические модели были реализованы на ЭВМ асса ШМ - 486 в программах RECUPER и RECUPER 2

Программа RECUPER 2 отличается от RECUPER тем, что при расче-а„ вводится коэффициент закрутки, учитывающий закрученный харак-р течения воздуха внутри щели рекуператора.

В ходе проведенных расчетов тепловой работы рекуператора с по-|щью данной математической модели с добавлением выведенного коэф-щиента закрутки К3 и без него были получены следующие результата по ограмме RECUPER: воздух нагревался в пределах температур 282 -4 °С, дымовые газы охлаждались до 661 - 872 °С, и стенка рекуператора гревалась до 643 - 747 °С. По программе RECUPER 2 получились сле-ющие результаты: нагрев воздуха 290 - 360 °С, охлаждение дымовых rati 640 -840 °С и нагрев стенки до 633 - 767 °С.

Наибольшее влияние закрутки потока, вызванной тангенциальным дводом воздуха, в ходе машинных экспериментов отмечена на началь-м участке (самое энергонапряженное место). На этом участке снижение мпературы нагрева стенки достигает 40 °С, что повышает стойкость и дежность рекуператора. Значительное охлаждение стенки рекуператора дает ей быстро прогорать при работе с отходящими газами с темпера-рой свыше 1000 °С.

В четвертой главе описываются натурные эксперименты, прове-нные на огневом стенде с различными конструкциями плообменников.

Исследования для проверки достоверности результатов математического моделирования и предварительных натурных испытаний теплообмевдых систем проводились на огневом стенде. Стенд представляет собой футерованную камеру, снабженную на одном конце 4-мя инжекционными горелками, а на другой - газоходом. Исследуемый теплообменник устанавливался вертикально на стенд через переходной кольцевой канал с регулируемой высотой и диаметром. Продукты сгорания из теплообменного устройства через зонт и заслонку удалялись в дымоход.

Максимальный расход природного газа на стенде - 40 м3/ч, минимальный - 4 м3/ч. Расход газа регулировался количеством работающих инжекционных горелок (БИГ-1) и изменением давления в газопроводе с помощью входного крана.

Идентификация разработанных имитационных моделей проверялась на двух конструкциях щелевых теплообменников: с односторонним обогревом и одноходовым движением нагреваемой среды (Р1ДТ-00); с двусторонним обогревом и двойной циркуляцией нагреваемой среды (РЩТ-ДО).

Экспериментальные данные по температурам нагрева воздуха, продуктов сгорания и стенок рекуператоров имеют хорошее совпадение с расчетными величинами. При различных температурах входящих газов в теплообменники, температуры воздуха, уходящих газов и стенок отличаются от расчетных значений на 3 - 5 %.

В пятой главе доказывается, что наиболее приемлемым является проект реконструкции или перепрофилирования уже существующих печей. Так, на заводе АО "Эмпилс" уже несколько лет не работает производство ультрамарина, для которого использовались вращающиеся печи.

При реконструкции данного производства часть печей можно переоборудовать для сжигания некоторой части городских твердых отходов. Другую часть из имеющихся четырех печей можно использовать для переоборудования в реакторы по переработке органической части отходов в компост.

Реконструкция установки должна осуществляться с учетом безопасности эксплуатации, надежности и экономичности. Вытекающими из этого требованиями к установке являются:

- утилизация отходящего тепла;

- высокий коэффициент использования;

- невысокие издержки производства;

- капиталовложения в разумных размерах.

При использовании вращающейся печи возможно обеспечение ус-говия процесса сжигания, как то: высокая температура сжигания выше 1200°С, большой избыток воздуха, минимальное содержание кислорода >% в дымовом газе и время тепловой обработки в камере дожигания без :начительной отдачи тепла через стенки минимум 4 сек.

Рекуперативный подогрев воздуха в МФТ для вращающейся печи юзволит получить экономию топлива до 21% и повысить коэффициент :го использования до 61%. Повышение температуры сгорания отходов за ;чет подогрева компонентов горения позволит улучшить процесс их )безвреживания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проблема утилизации и обезвреживания твердых отходов являйся одной из актуальнейших проблем нашего времени во всех странах *ира. Термические методы, несмотря на споры об их негативном влия-ши на окружающую среду, находят применение и сегодня во всех про-шшлешю развитых странах. В некоторых из них (Японии, Швейцарии, Дании и др.) больше половины отаодов уничтожается термическим пу-ем.

2. Регенерация тепла, образующегося при уничтожении отходов, [редставляет широкое поле для применения новых видов теплообмен-1ых систем, одним из которых являются многофункциональные тепло-•бменники (МФТ) как средства защиты окружающей среды и ресурсос-¡ережения. Регенерация получаемого тепла за счет подогрева воздуха ели газа, идущего на горение, теоретически является более предпочти-ельной, чем утилизация с помощью котлов-утилизаторов, применяющихся на мусоросжигательных заводах.

3. Одним из способов повышения эффективности работы тепло-ехнического оборудования является интенсификация теплообмена пу-ем закрутки потока воздуха внутри теплообменника. Закрутка достига-тся различными путями: применением различных по конфигурации ставок - закручивателей; тангенциальным подводом струи воздуха в по-остъ теплообменника. Во всех случаях закрученный поток обеспечивает олее высокие значения местных коэффициентов теплоотдачи, чем полостью развитый незакрученный турбулентный поток. Кроме того, мест-ый коэффициент теплоотдачи возрастает при увеличении числа Рей-ольдса.

4. Использование тангенциального подвода воздуха в рекуператор увеличивает теплоотдачу, но при этом существенно не увеличивает гидравлическое сопротивление теплообменника.

5. В данном исследовании в качестве характеристики закрутки использовалась относительная результирующая скорость потока воздуха внутри щели рекуператора. Было получено число закрутки для исследованного типа многофункционального теплообменника (МФТ), которое использовалось при корректировке расчета коэффициента теплоотдачи.

6. Построена и реализована на ЭВМ математическая модель тепловой работы МФТ с использованием полученного коэффициента закрутки.

7. В ходе стендовых испытаний конструкций многофункциональных теплообменников, использующих эффект закрутки потока теплоносителя для интенсификации теплообмена, подтверждена правильность выбранных конструктивных решений и теоретических выводов. Испытания проводились на огневом стенде, установленном в кузнечном цехе завода СИиТО ОАО "Ростсельмаш". Данные экспериментов хорошо согласуются с результатами математического моделирования.

8. Предложен вариант реконструкции и перепрофилирования не работающего ультрамаринового производства АО "Эмпилс" для термического уничтожения твердых отходов с использованием разработанных конструкций многофункциональных теплообменников (МФТ) для регенерации отходящей при этом теплоты. Для этого предлагаются: реконструкция вращающейся печи, установка камеры дожигания отходящих газов и устройства современного газоочистного оборудования для уменьшения отрицательного влияния на окружающую среду.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Хвостиков А.Г., Медиокритский Е.Л./ Перспективы применения многофункциональных теплообменников в производстве изделий из пластмасс.// Прогрессивные полимерные материалы, технология их переработки и применение: Тезисы докл. Международной научно-технической конференции 14 - 17 ноября 1995 г.- Ростов-на-Дону, 1995.-С.114.

2. Хвостиков А.Г. / Повышение экологической безопасности предприятия по производству изделий из полимерных материалов //

Материалы международной студенческой научно-технической конференции " Экология и регион". - Ростов-на-Дону: РГЭА, 1995 г.- С. 51.

3. Хвостиков А.Г. /Повышение эффективности работы мусоросжигательных заводов путем применения многофункциональных теплообменников.// Материалы второй международной научной студенческой конференции "Город и экология". - Ростов-на-Дону: РГЭА, 1996 г. - С.86.

4. Хвостиков А.Г., Гарин В.М., Медиокритский Е.Л. /Проблемы утилизации твердых отходов в крупных городах.// Материалы третьей международной конференции " Экология и здоровье человека". - Рос-гов-на-Дону: РГЭА, 1997 г. -С. 136.

5. Гарин В.М., Медиокритский Е.Л., Хвостиков А.Г. /Утилизация твердых отходов в крупных городах.// Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды: Межвуз. Сб. Науч. Тр. - Рос-гов-на-Дону: РГАСХМ, 1997 г. -С. 14 - 17.

6. Гарин В.М., Медиокритский Е.Л., Сычев В.В., Хвостиков А.Г./ Утилизация твердых отходов в городах // Промышленная экология - 97: Доклады Международной научно-практической конференции 12 - 14 ноября 1997 г. - С.- Петербург 1997. БГТУ - С. 191 - 195.

7. Медиокритский Е.Л., Хвостиков А.Г., Котовсков Я.В. /Интенсификация теплообмена в многофункциональных теплообменниках для оборудования по термическому обезвреживанию твердых отходов Н Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды: Межвуз. Сб. Науч. Тр.. Вып. 2 - Ростов-на-Дону, РГАСХМ, 1998г. - С. 56 - 58.

8. Гарин В.М., Хвостиков А.Г. / Утилизация твердых бытовых отходов - возможные пути решения. // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда окружающей среды: Межвуз. Сб. Науч. Тр. Вып. 2. -Ростов-на-Дону, РГАСХМ, 1998 г. - С. 103 -105.

9. Chwostikow A.G. Intensyfikaciya konwekcyjnej wymiany ciepla w radiacyjnych szczelinowych rekupertorfch przez zawirowawanie czynnika.// Siimpozjum 4- 7 marta 1998. - Szczyrk, 1998, Politechika Slaska w Gliwi-cach-P. 8-11.

Подписано в печать 10.11.98 Формат 60x80/16.

Бумага офсетная. Печать трафаретная

Объем 1 п. л. Тираж 80 экз.

Заказ № 21/р8_

Редакционно-издательский отдел РГАСХМ 344023. .Ростов-на-Дону, пл. Страны Советов, 2

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Хвостиков, Андрей Георгиевич, Ростов-на-Дону

РОСТОВСКАЯ-НА-ДОНУ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ХВОСТИКОВ АНДРЕЙ ГЕОРГИЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОУТИЛИЗИРУЮЩЕГО

ОБОРУДОВАНИЯ

11.00.11. - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Е.Л. Медиокритский Научный консультант: кандидат технических наук,

профессор В.М. Гарин

Ростов - на - Дону, 1998

ВВЕДЕНИЕ

Содержание

1 .ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

И ОЧИСТКА ГОРОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ...................................................10

1.1. Термические методы обезвреживания твердых отходов......................10

1.1.1. Пиролиз отходов.....................................................................................10

1.1.2. Огневые методы (сжигание)..................................................................12

1.2. Предприятия по обезвреживанию твердых отходов, использующие термические методы утилизации.............................................................13

1.2.1. Мусоросжигательные заводы с колосниковой решеткой..................14

1.2.1.1. Мусоросжигательные заводы ЧКД ДУКЛА с валковой колосниковой решеткой..........................................................................17

1.2.1.2. Мусоросжигательные заводы других фирм.....................................19

1.2.2. Заводы, сжигающие специально подготовленные отходы...............21

1.2.2.1. Заводы, сжигающие специальные отходы.......................................23

1.2.3. Заводы по утилизации отходов с пиролизными установками..........26

1.2.4. Мусоросжигательные заводы, использующие печи

с псевдоожиженным слоем.........................................................................31

1.2.5. Мусороперерабатывающие заводы......................................................33

1.3. Утилизация тепла, выделяющегося при термическом обезвреживании твердых отходов.............................................................34

1.4. Выводы по главе.......................................................................................37

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

ТЕПЛООБМЕНА В МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ ...........................................................................................39

2.1. Способы создания закрученного потока газа и методы учета его влияния на интенсификацию теплообмена в МФТ...................................40

2.1.1. Тангенциальный подвод воздуха и влияние затухающей

закрутки на теплообмен................................................................................41

2.1.1.1. Несимметричная закрутка...................................................................42

2.1.1.2. Симметричная закрутка.......................................................................44

2.1.2. Влияние на теплообмен постоянной закрутки, полученной полосовыми закручивателями и различными вставками.........................46

2.2. Визуализация течения воздуха в многофункциональном теплообменнике. Определение коэффициента закрутки.........................50

2.2.1. Описание установки...............................................................................51

2.2.2. Визуализация течения............................................................................58

2.3. Определение коэффициента интенсивности закрутки в МФТ.............61

2.4. Выводы по главе.........................................................................................70

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ (МФТ).........................................................71

3.1. Постановка задачи и цель исследования..................................................71

3.2.Математическая модель теплообменника с односторонним обогревом .73

3.3.Выводы по главе..........................................................................................87

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ..........................................................88

4.1. Огневой стенд для комплексных исследований.....................................88

4.2. Методика проведения эксперимента и обработка экспериментальных данных............................................................................................................92

4.3. Анализ результатов испытаний................................................................95

4.4. Выводы по главе.......................................................................................102

5. ЭФФЕКТИВНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МФТ НА МУСОРОСЖИГАЮЩЕМ ОБОРУДОВАНИИ.....................................................................................103

5.1. Реконструкция вращающейся печи .......................................................104

5.2. Камера дожигания...................................................................................107

5.3. Утилизация тепла с применением многофункцональных теплообменников........................................................................................109

5.4. Выводы по главе......................................................................................111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................112

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................................126

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Проблема утилизации твердых отходов с каждым годом становится острее, и это наиболее ощутимо в крупных промышленно развитых городах. На протяжении десятилетий человечество ищет наиболее оптимальный способ избавления от отходов, загрязняющих наши города. Хотя вторичная переработка является лучшим выходом из этой проблемы, технические и экономические возможности человечества не позволяют повторно переработать все 100% образующихся твердых отходов. Ведь полная вторичная переработка твердых бытовых отходов (ТБО), как и промышленных отходов, реально возможна лишь в объеме, не намного превышающем 40% /85/.

Наиболее древний способ избавления от ТБО - обычные свалки открытого захоронения, дымящие и смердящие. Недаром даже по достаточно устаревшим, но ныне действующим санитарным нормам (1977 г.) они имеют высший класс вредности и требуют санитарной зоны в один километр.

Попытки ликвидировать свалки впервые сделаны в Англии, несколько позднее в Германии и США, й относятся они к концу прошлого века. Первый мусоросжигательный завод (МСЗ) был создан в 1870 году в Англии.

Лишь через полвека в Европе появились первые мусороперерабатываю-щие заводы (МПЗ), существующие наряду со сжигательными. К 1997 году в России действовало 7 МСЗ и в странах СНГ еще 4 (см. Приложение 3, табл.1), а МПЗ имеются лишь в двух городах РФ и двух городах СНГ /25 -27/.

На мусоросжигательных заводах основной процесс утилизации отходов -это термическое их уничтожение (огневой метод); на мусороперерабатываю-щих заводах термическому уничтожению (высокотемпературный пиролиз или сжигание) подвергается только та фракция ТБО, которая не подлежит компостированию. Кроме того, все эти заводы столкнулись с высокой энергоемкостью термических методов уничтожения отходов.

Как при переработке, так и при сжигании остро стоит проблема снижения расходов энергоносителей, которую можно в значительной степени решить путем использования теплоты отходящих газов - основной статьи расходной части теплового баланса оборудования для термического уничтожения отходов.

Эта проблема наиболее остро затрагивает МСЗ, где приходится сжигать весь объем отходов в отличие от МПЗ, где большая их часть перерабатывается с помощью аэробного процесса в компост. И поэтому средняя стоимость сжигания 1т отходов составляет около 40-45 долларов США (на МПЗ стоимость утилизации 1т отходов составляет около 10-15 долларов). Большую часть этой суммы составляют энергоносители: только газа для сжигания 1т мусора расходуется на 10 долларов.

Другая проблема, связанная с МСЗ, - экологическая, заключающаяся в трудности предотвращения загрязнения атмосферы специфическими продуктами сгорания ТБО, в которых были обнаружены соединения полиароматических углеводородов и хлористые соединения типа диоксинов /102 - 104, 106/. Один из способов снижения выбросов диоксинов и фуранов - это поддержание температуры сгорания отходов не ниже 1000°С. В этом процессе важную роль играет усовершенствование вспомогательного оборудования, без которого невозможно достичь высокие экологические и технико-экономические показатели производства.

Многофункциональные теплообменники (МФТ) - это вспомогательное оборудование для одновременного решения нескольких задач, главные из которых: защита окружающей среды; экономия топливно-энергетических ресурсов; улучшение технико-экономических показателей технологического оборудования.

Печные рекуператоры - большая и характерная группа МФТ.

Рекуперативный подогрев компонентов горения следует рассматривать как один из основных способов решения поставленных выше задач. Подогрев воздуха, идущего на сгорание топлива, является способом повышения тепловой

эффективности установки, так как горячий воздух способствует улучшению процесса сгорания топлива и отходов. Кроме того, при сжигании топлива с горячим воздухом повышается его теоретическая, а следовательно, и действительная температура горения /77, 78, 91/, что особенно важно при сжигании несортированного российского мусора.

Немалое влияние оказывает на качество сжигания ТБО (а эта задача сейчас выходит на одно из первых мест) и их предварительная сушка, что значительно позволит повысить качество работы основного технологического оборудования.

Идея работы состоит в улучшении процесса термического уничтожения твердых отходов за счет подогрева компонентов горения до оптимального уровня в многофункциональных теплообменниках - средствах защиты окружающей среды и ресурсосбережения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработка математической модели расчета основных теплотехнических параметров многофункционального теплообменника.

2. Вывод коэффициента закрутки, учитывающего влияние конструктивных особенностей МФТ на интенсификацию теплообмена.

Научная новизна.

1. Разработка коэффициента закрутки К3, существенно влияющего на интенсификацию теплообмена в многофункциональных теплообменниках;

2. Усовершенствование математической модели путем ввода коэффициента закрутки для расчета коэффициента теплоотдачи.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработан метод определения коэффициента закрутки для корректировки расчета коэффициента теплоотдачи;

- разработанная математическая модель с применением коэффициента закрутки, влияющего на интенсификацию теплообмена в МФТ, позволяет обосновать и принять наиболее технически и экономически обоснованные конст-

рукции МФТ, позволяющие улучшить процесс уничтожения отходов как с экономической, так и с экологических точек зрения;

- рассмотрена возможность перепрофилирования существующих производств под нужды города для уничтожения образующейся массы твердых отходов.

Достоверность результатов обоснована выбором физических моделей, базирующихся на основах теории горения и теплопередачи и подтверждена адекватностью теоретических положений, научных выводов с результатами экспериментальных исследований и работами других авторов.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в проект реконструкции нагревательных и термических печей с многофункциональным теплообменником кузнечного цеха завода СИ и ТО ОАО " Ростсельмаш", в проект реконструкции кузнечных нагревательных и термических печей с МФТ кузнечного цеха ЗАО "РИФ".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены :

- на международной студенческой научно-технической конференции "Экология и регион" в Ростовской государственной экономической академии /!\995-1997г.г., Ростов-на-Дону.

- на международном симпозиуме теплотехников 1998г., г. Шчырк, Польша.

- на научно-технической конференции. "Прогрессивные полимерные материалы, технология их переработки и применение"// Ростов-на-Дону, 1995 г.

- на межвузовской научно-технической конференции "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды" 1997, 1998 г.г., Ростов-на-Дону.

- работы по теме диссертационной работы удостаивались вторых премий на открытом конкурсе научных работ студентов и аспирантов по проблемам

экологии " Экология - безопасность - жизнь" в высших учебных заведениях г.Ростова-на-Дону и Ростовской области в 1996 и 1997 г.г.

Диссертационная работа выполнена автором на кафедре "Безопасность жизнедеятельности и химия" РГАСХМ под руководством д.т.н., проф. Е.Л. Ме-диокритского и к.т.н., проф. В.М. Гарина в соответствии с региональной программой НИР по теме №32 " Исследование, разработка и внедрение новых процессов термического уничтожения твердых отходов (мусора) с применением многофункциональных теплообменников в условиях Ростовского региона."

В проведении лабораторных и промышленных испытаний принимали участие д.т.н. E.JL Медиокритский, к.т.н. В.М. Гарин, к.т.н. B.JI. Гапонов, в разработке математических моделий - к.ф-м.н. В.Е. Логинов, в создании пакетов программ - Я.В. Котовсков, В.В. Троицкий. Промышленному внедрению МФТ содействовали А.Н. Дубровский, С.М. Житников, A.A. Метелин, О.Н. Зуй.

1. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ И ОЧИСТКА ГОРОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ

1.1. Термические методы обезвреживания твердых отходов

Термические методы обезвреживания твердых отходов условно можно разделить на две группы: термодеструкцию (пиролиз) отходов с получением твердых, жидких и газообразных продуктов, и огневой метод (сжигание), приводящий к образованию газообразных продуктов и золы.

1.1.1. Пиролиз отходов

Пиролиз - термохимический процесс, при котором происходит разложение органической части отходов и получение полезных продуктов под действием высокой температуры. Существуют следующие разновидности метода: окислительный пиролиз с последующим сжиганием пиролизных газов; сухой пиролиз/10 - 12, 54, 66/.

Окислительный пиролиз - это процесс термического разложения отходов при их частичном сжигании или непосредственном контакте с продуктами сгорания топлива. Газообразные продукты разложения отходов смешиваются с продуктами сгорания топлива или части отходов, поэтому на выходе из реактора они имеют низкую теплоту сгорания, но повышенную температуру. Затем смесь газов сжигают в обычных топочных устройствах.

В процессе окислительного пиролиза образуется твердый углеродистый остаток (кокс), который в дальнейшем можно использовать в качестве твердого топлива или в других целях.

Метод окислительного пиролиза с последующим сжиганием пиролизных газов универсален в отношении фракционного состава и фазового состояния

отходов, их влажности и зольности. Обычно окислительный пиролиз проводят при 600-900°С (температура нагрева отходов).

При сжигании газов пиролиза дымовые газы меньше загрязнены летучей золой и сажей, чем при прямом сжигании отходов, что позволяет использовать их без дополнительной очистки для выработки водяного пара и в других целях. Также при пиролизе шестивалентный токсичный хром превращается в нетоксичный трехвалентный.

Сухой пиролиз - это метод термической переработки отходов, обеспечивающий их высокоэффективное обезвреживание и использование в качестве топлива и химического сырья, что способствует созданию безотходных и малоотходных технологий.

Под сухим пиролизом понимается процесс термического разложения отходов без доступа кислорода. В результате сухого пиролиза отходов образуются пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкие продукты и твердый углеродистый остаток (пирокарбон).

В зависимости от температуры различают три вида сухого пиролиза:

- низкотемпературный пиролиз, или полукоксование (450-550°С), при котором выход жидких продуктов и твердого остатка максимален, а выход пиро-лизного газа с максимальной теплотой сгорания минимален;

- среднетемпературный пиролиз, или среднетемпературное коксование(до 800°С), при котором выход газа увеличивается при уменьшении его теплоты сгорания, а выход жидких продуктов и коксового остатка уменьшается;

- высокотемпературный пиролиз, или коксование (900-1050°С), при котором минимален выход пиролизного газа с минимальной теплотой сгорания.

о

Обычная теплота сгорания пиролизного газа <3=12-15МДж/м .

Метод пиролиза позволяет ликвидировать твердые и пастообразные отходы без их предварительной подготовки. Очень важно и то, что этот метод позволяет ликвидировать отходы с повышенной влажностью, отходы,

«неудобные» для сжигания. Другое преимущество пиролиза, особенно высокотемпературного, - это получение горючего газа, который может использоваться как топливо.

1.1.2. Огневые методы (сжигание)

В зависимости от состава и подготовки твердых отходов используется слоевое сжигание исходных (неподготовленных) отходов в мусоросжигательных котлоагрегатах, слоевое или камерное сжигание подготовленных отходов (свободных от балластных фракций) и сжигание в кипящем слое для ликвидации промышленных отходов /10, 12, 54/.

При слоевом сжигании в топке мусоросжигательного котла в первой зоне (слое) происходит выход летучих продуктов, по мере увеличения температуры происходит газификация отходов и далее идет слой горящего кокса. Сжигание должно проходить при температуре 800 - 1000°С.

Сжигание исходных отходов, хотя и является простым и универсальным методом утилизации отходов, имеет массу недостатков, главный из которых -большая влажность отходов из-за большой доли