Оптимизация состава топливных композиций на основе ТКО с целью повышения их энергосодержания
|
Введение 4
Глава 1. Теоретический анализ эффективности использования твердых коммунальных отходов для получения альтернативного топлива 9
1.1 Обоснование эффективности использования ТКО для получения альтернативного топлива 9
1.2 Оценка качественного и количественного состава твердых коммунальных отходов по Самарской области 13
1.3 Анализ теплотворной способности твердых коммунальных отходов 17
1.4 Анализ эффективности методов переработки ТКО 24
1.5 Экономическая оценка использования альтернативного топлива из ТКО 32
1.6 Характеристики и требования, применяемые к альтернативному топливу 36
1.7 Технология получения альтернативного топлива 40
1.8 Анализ патентов по переработке ТКО в альтернативное топливо 45
Выводы по главе 1 46
Глава 2. Составление математической модели и расчет теплового баланса для выбора эффективной технологии получения альтернативного топлива 48
2.1 Математическое моделирование процесса сушки ТКО 48
2.2 Утилизация твердых коммунальных отходов в шахтной печи 53
2.3 Составление теплового баланса реактора 55
Выводы по главе 2 67
Заключение 68
Список используемых источников 71
Приложение А 79
Приложение Б 84
Приложение В 93
Приложение Г 96
Глава 1. Теоретический анализ эффективности использования твердых коммунальных отходов для получения альтернативного топлива 9
1.1 Обоснование эффективности использования ТКО для получения альтернативного топлива 9
1.2 Оценка качественного и количественного состава твердых коммунальных отходов по Самарской области 13
1.3 Анализ теплотворной способности твердых коммунальных отходов 17
1.4 Анализ эффективности методов переработки ТКО 24
1.5 Экономическая оценка использования альтернативного топлива из ТКО 32
1.6 Характеристики и требования, применяемые к альтернативному топливу 36
1.7 Технология получения альтернативного топлива 40
1.8 Анализ патентов по переработке ТКО в альтернативное топливо 45
Выводы по главе 1 46
Глава 2. Составление математической модели и расчет теплового баланса для выбора эффективной технологии получения альтернативного топлива 48
2.1 Математическое моделирование процесса сушки ТКО 48
2.2 Утилизация твердых коммунальных отходов в шахтной печи 53
2.3 Составление теплового баланса реактора 55
Выводы по главе 2 67
Заключение 68
Список используемых источников 71
Приложение А 79
Приложение Б 84
Приложение В 93
Приложение Г 96
Актуальность темы исследования. Ежегодно в Российской Федерации образуется более 7 миллиардов тонн коммунальных, сельскохозяйственных, промышленных и других видов отходов. Объем образования твердых коммунальных отходов (ТКО) в населенных пунктах Российской Федерации составляет 150 млн м3 (30 млн т) в год. На полигонах размещается около 85% отходов, 5% отходов проходит вторичную обработку и около 10% рассеивается при транспортировке.
В настоящее время в России существуют всего 7 мусоросжигательных заводов, 5 мусороперерабатывающих заводов, 35 сортировочных комплексов, мощностью около 180000 т отходов в год, соответственно сокращения накопления отходов на полигонах не происходит.
При исследованиях качественного состава ТКО, используется статистическая информация природоохранных служб, поэтому данные различаются, отсутствует единый и системный принцип их анализа. Разница составляет от 5 до 20%. На рисунке 1 представлены диаграммы, составленные по данным Росприроднадзора и согласно Концепции обращения с твердыми коммунальными отходами в Российской Федерации.
Рисунок 1 - Экспертная оценка структуры ТКО в России
Проблема заключается в низком уровне использования вторичных материальных ресурсов, извлекаемых из ТКО, в РФ, соответственно переработка составляет 5-7% от общих объемов их образования (рисунок 2). Для сравнения, в странах Евросоюза уровень переработки ТКО составляет - 60% (рисунки 2, 3).
Рисунок 2 - Сравнительная характеристика степени переработки ТКО
Рисунок 3 - Статистический анализ уровня переработки ТКО
Таким образом, можно сформировать проблему исследования: необходимость принятия оперативных решений для снижения поступления ТКО на полигоны с учетом имеющихся мощностей предприятий по переработке отходов при стабильном увеличении образования отходов и слабого развития мусороперерабатывающей промышленности, а также необходимости использования ТКО как сырьевого ресурса для получения альтернативного топлива.
Цель исследования: снижение воздействия на окружающую среду за счет повышение эффективности технологий переработки ТКО для получения альтернативного топлива.
Объект исследования: технологии утилизации ТКО с целью получения альтернативного топлива.
Предмет исследования: качественные характеристики ТКО.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1) Проанализировать методы эффективного использования твердых коммунальных отходов для получения альтернативного топлива.
2) Провести анализ зависимости энергетических свойств (теплотворной способности) твердых коммунальных отходов от компонентного и фракционного составов топливных композиций на основе ТКО для выбора эффективной технологии получения альтернативного топлива.
3) Составить математическую модель и провести расчет теплового баланса реактора установки для получения альтернативного топлива.
Научная новизна исследования состоит в использовании нового подхода определения энергетических свойств ТКО с учетом их качественного состава для выбора эффективной технологии получения альтернативного топлива и вторичных продуктов.
Теоретической и методологической основой исследования являются научные труды отечественных ученых в области переработки твердых коммунальных отходов, таких как Бабака В.В., Богоявленский Р.Г., Рыжов В.А., Гречко А.В., Евтушенко Е.И., Ильиных Г.В., Кожевников Е.В., Кожевников А.Б., Лифшиц А.Б., Лямин В.Н., Охлопкин Ю.А., а также данные исследовательской лаборатории НИИ «Стромкомпозит».
Теоретическая значимость исследования заключается в детализированном анализе существующих технологий по получению альтернативного топлива из ТКО с учетом современных требований к данному виду топлива, представлению показателей для выбора оптимального метода утилизации ТКО для получения альтернативного топлива. Составлением математической модели и расчет теплового баланса реактора установки для получения альтернативного топлива с учетом получения высоких экономических показателей.
Практическая значимость исследования представлена практическими решениями, которые позволят снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду, за счет снижения поступления отходов на полигоны и экономии не возобновляемых источников энергии, а так же позволит наиболее эффективно использовать ТКО для получения альтернативного топлива.
Защищаемые положения:
1. Анализ теплотворной способности твердых коммунальных отходов для выбора оптимального состава их топливных композиций с целью повышения их энергосодержания для получения альтернативного топлива.
2. Математическая модель и расчет теплового баланса реактора установки для получения альтернативного топлива.
Состояние изученности выбранной темы:
В работах российских ученых проведено изучение проблемы утилизации твердых коммунальных отходов, а также изучен вопрос уровня их токсичности.
Мировая практика показывает, что альтернативное топливо из ТКО используется в основном в цементной промышленности, заменяя каменный уголь и природный газ, при этом технологические процессы проходят при высоких температурах, что способствует снижению воздействия на окружающую среду. Опыт стран Европейского союза свидетельствует, что RDF-топливом (альтернативное топливо из ТКО) может быть замещено до 70% основного технологического топлива, расходуемого на обжиг клинкера цементными заводами. Также при совместном сжигании с каменным углем и другими видами топлива RDF-топливо используется на теплоэлектростанциях, на специализированном котельном оборудовании.
Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка используемых источников, включающего 64 наименования. Объем работы составляет 100 страницы машинописного текста, содержит 22 рисунка, 15 таблиц, 4 приложения.
В настоящее время в России существуют всего 7 мусоросжигательных заводов, 5 мусороперерабатывающих заводов, 35 сортировочных комплексов, мощностью около 180000 т отходов в год, соответственно сокращения накопления отходов на полигонах не происходит.
При исследованиях качественного состава ТКО, используется статистическая информация природоохранных служб, поэтому данные различаются, отсутствует единый и системный принцип их анализа. Разница составляет от 5 до 20%. На рисунке 1 представлены диаграммы, составленные по данным Росприроднадзора и согласно Концепции обращения с твердыми коммунальными отходами в Российской Федерации.
Рисунок 1 - Экспертная оценка структуры ТКО в России
Проблема заключается в низком уровне использования вторичных материальных ресурсов, извлекаемых из ТКО, в РФ, соответственно переработка составляет 5-7% от общих объемов их образования (рисунок 2). Для сравнения, в странах Евросоюза уровень переработки ТКО составляет - 60% (рисунки 2, 3).
Рисунок 2 - Сравнительная характеристика степени переработки ТКО
Рисунок 3 - Статистический анализ уровня переработки ТКО
Таким образом, можно сформировать проблему исследования: необходимость принятия оперативных решений для снижения поступления ТКО на полигоны с учетом имеющихся мощностей предприятий по переработке отходов при стабильном увеличении образования отходов и слабого развития мусороперерабатывающей промышленности, а также необходимости использования ТКО как сырьевого ресурса для получения альтернативного топлива.
Цель исследования: снижение воздействия на окружающую среду за счет повышение эффективности технологий переработки ТКО для получения альтернативного топлива.
Объект исследования: технологии утилизации ТКО с целью получения альтернативного топлива.
Предмет исследования: качественные характеристики ТКО.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1) Проанализировать методы эффективного использования твердых коммунальных отходов для получения альтернативного топлива.
2) Провести анализ зависимости энергетических свойств (теплотворной способности) твердых коммунальных отходов от компонентного и фракционного составов топливных композиций на основе ТКО для выбора эффективной технологии получения альтернативного топлива.
3) Составить математическую модель и провести расчет теплового баланса реактора установки для получения альтернативного топлива.
Научная новизна исследования состоит в использовании нового подхода определения энергетических свойств ТКО с учетом их качественного состава для выбора эффективной технологии получения альтернативного топлива и вторичных продуктов.
Теоретической и методологической основой исследования являются научные труды отечественных ученых в области переработки твердых коммунальных отходов, таких как Бабака В.В., Богоявленский Р.Г., Рыжов В.А., Гречко А.В., Евтушенко Е.И., Ильиных Г.В., Кожевников Е.В., Кожевников А.Б., Лифшиц А.Б., Лямин В.Н., Охлопкин Ю.А., а также данные исследовательской лаборатории НИИ «Стромкомпозит».
Теоретическая значимость исследования заключается в детализированном анализе существующих технологий по получению альтернативного топлива из ТКО с учетом современных требований к данному виду топлива, представлению показателей для выбора оптимального метода утилизации ТКО для получения альтернативного топлива. Составлением математической модели и расчет теплового баланса реактора установки для получения альтернативного топлива с учетом получения высоких экономических показателей.
Практическая значимость исследования представлена практическими решениями, которые позволят снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду, за счет снижения поступления отходов на полигоны и экономии не возобновляемых источников энергии, а так же позволит наиболее эффективно использовать ТКО для получения альтернативного топлива.
Защищаемые положения:
1. Анализ теплотворной способности твердых коммунальных отходов для выбора оптимального состава их топливных композиций с целью повышения их энергосодержания для получения альтернативного топлива.
2. Математическая модель и расчет теплового баланса реактора установки для получения альтернативного топлива.
Состояние изученности выбранной темы:
В работах российских ученых проведено изучение проблемы утилизации твердых коммунальных отходов, а также изучен вопрос уровня их токсичности.
Мировая практика показывает, что альтернативное топливо из ТКО используется в основном в цементной промышленности, заменяя каменный уголь и природный газ, при этом технологические процессы проходят при высоких температурах, что способствует снижению воздействия на окружающую среду. Опыт стран Европейского союза свидетельствует, что RDF-топливом (альтернативное топливо из ТКО) может быть замещено до 70% основного технологического топлива, расходуемого на обжиг клинкера цементными заводами. Также при совместном сжигании с каменным углем и другими видами топлива RDF-топливо используется на теплоэлектростанциях, на специализированном котельном оборудовании.
Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка используемых источников, включающего 64 наименования. Объем работы составляет 100 страницы машинописного текста, содержит 22 рисунка, 15 таблиц, 4 приложения.
1. Проанализировав количественный и качественный состав ТКО, следует сделать вывод, что в Самарской области ежегодно накапливается до 3000000 тонн бытовых отходов. Доля образования ТКО за последние три года увеличилась с 15% до 24%. ТКО содержат высококаллорийные компоненты (пластмасса, бумага, картон, кожа, резина, текстиль), поэтому обладают высоким ресурсным потенциалом, который необходимо максимально использовать для извлечения максимального количества вторичного сырья и производства альтернативного топлива.
2. Чтобы определить эффективность переработки ТКО, необходимо знать степень его подготовки (влажность сырье, фракционный состав) и параметры технологического процесса (температура, время сгорания ТКО, отсутствие или наличие кислорода в рабочей среде).
3. Для того, чтобы повысить эффективность использования отходов, требуется проводить анализ имеющихся смесей ТКО, а также изучение составных компонентов с использованием окислительного пиролиза.
4. Большое значение имеет низкая влажность сырья, которое используется для производства альтернативного топлива. Необходимо производить сушку отходов при утилизации ТКО, Низкая влажность исходного сырья позволяет получить большую энергетическую эффективность.
5. На основании проведенного анализа методов переработки ТКО, следует вывод, что наиболее экологичными методами являются вторичная переработка, компостирование и сжигание альтернативного топлива.
6. Применение альтернативного топлива взамен ископаемых (уголь, нефть, газ) позволит снизить объемы выбросов СО2, уменьшит потребность экономики от невозобновляемого источника энергии, а также позволяет снижать поступление ТКО на полигоны.
7. Если рассмотреть применение альтернативного топлива с экономической точки зрения, то это позволит снизить использование ископаемого топлива на 15-20%. Это эквивалентно экономии 100-200 млн. рублей при сохранении качества и объема производимой продукции цементного завода.
8. В поисках эффективной технологии переработки ТКО, с целью получению альтернативного топлива, был проведен патентный поиск. В ходе анализа изучена технология процессов переработки ТКО, найдена наиболее эффективная технология переработки ТКО в альтернативное топливо, которая позволит снизить поступление ТКО на полигоны и экономить не возобновляемые источники энергии.
9. Представлено математическое моделирование процесса сушки ТКО при термической переработке в печах шахтного типа. Для расчета температурного поля слоя органического сырья в зоне сушки реактора предложена математическая модель, согласно которой слой ТКО рассматривается как условное тело с эффективными теплофизическими свойствами. Модель позволяет перейти от реальной пористой структуры к ее приближению.
10. Представлено математическое описание для расчета эффективных значений теплоемкости и плотности ТКО на основе принципа аддитивности по известным свойствам влажности материала и газа, заполняющего поры.
11. В процессе сушки ТКО увеличивается влагосодержание газа и снижается его качество, поэтому предложено повышение качества пиролизного газа достичь отводом из печи части газа в зоне пиролиза, уменьшая количество газа, подвергающегося окислению и увлажнению в зоне сушки и обладающего более низкой теплотворной способностью. Для этого выбрана установка для переработки ТКО, отвечающая указанным требованиям. Для определения режимных и конструктивных параметров реактора выбранной установки и оценки его эффективности выполнен расчет теплового баланса рабочего пространства и термического КПД при различных режимах окислительного пиролиза.
12. Обоснована работа печи с максимальным КПД в режиме чистого пиролиза возможна в диапазоне изменения влажности сырья от 0 до 4%. В диапазоне изменения влажности от 4 до 28% эффективен режим окислительного пиролиза с содержанием кислорода в атмосфере 1%. С увеличением влажности от 28 до 43% максимальный КПД имеет место при окислительном пиролизе с содержанием кислорода в атмосфере 5%, а при влажности сырья от 43 до 50% - при окислительном пиролизе с содержанием кислорода в атмосфере 10%. При влажности свыше 50% наблюдается резкое снижение КПД, т.е. работа печи становится не эффективна.
2. Чтобы определить эффективность переработки ТКО, необходимо знать степень его подготовки (влажность сырье, фракционный состав) и параметры технологического процесса (температура, время сгорания ТКО, отсутствие или наличие кислорода в рабочей среде).
3. Для того, чтобы повысить эффективность использования отходов, требуется проводить анализ имеющихся смесей ТКО, а также изучение составных компонентов с использованием окислительного пиролиза.
4. Большое значение имеет низкая влажность сырья, которое используется для производства альтернативного топлива. Необходимо производить сушку отходов при утилизации ТКО, Низкая влажность исходного сырья позволяет получить большую энергетическую эффективность.
5. На основании проведенного анализа методов переработки ТКО, следует вывод, что наиболее экологичными методами являются вторичная переработка, компостирование и сжигание альтернативного топлива.
6. Применение альтернативного топлива взамен ископаемых (уголь, нефть, газ) позволит снизить объемы выбросов СО2, уменьшит потребность экономики от невозобновляемого источника энергии, а также позволяет снижать поступление ТКО на полигоны.
7. Если рассмотреть применение альтернативного топлива с экономической точки зрения, то это позволит снизить использование ископаемого топлива на 15-20%. Это эквивалентно экономии 100-200 млн. рублей при сохранении качества и объема производимой продукции цементного завода.
8. В поисках эффективной технологии переработки ТКО, с целью получению альтернативного топлива, был проведен патентный поиск. В ходе анализа изучена технология процессов переработки ТКО, найдена наиболее эффективная технология переработки ТКО в альтернативное топливо, которая позволит снизить поступление ТКО на полигоны и экономить не возобновляемые источники энергии.
9. Представлено математическое моделирование процесса сушки ТКО при термической переработке в печах шахтного типа. Для расчета температурного поля слоя органического сырья в зоне сушки реактора предложена математическая модель, согласно которой слой ТКО рассматривается как условное тело с эффективными теплофизическими свойствами. Модель позволяет перейти от реальной пористой структуры к ее приближению.
10. Представлено математическое описание для расчета эффективных значений теплоемкости и плотности ТКО на основе принципа аддитивности по известным свойствам влажности материала и газа, заполняющего поры.
11. В процессе сушки ТКО увеличивается влагосодержание газа и снижается его качество, поэтому предложено повышение качества пиролизного газа достичь отводом из печи части газа в зоне пиролиза, уменьшая количество газа, подвергающегося окислению и увлажнению в зоне сушки и обладающего более низкой теплотворной способностью. Для этого выбрана установка для переработки ТКО, отвечающая указанным требованиям. Для определения режимных и конструктивных параметров реактора выбранной установки и оценки его эффективности выполнен расчет теплового баланса рабочего пространства и термического КПД при различных режимах окислительного пиролиза.
12. Обоснована работа печи с максимальным КПД в режиме чистого пиролиза возможна в диапазоне изменения влажности сырья от 0 до 4%. В диапазоне изменения влажности от 4 до 28% эффективен режим окислительного пиролиза с содержанием кислорода в атмосфере 1%. С увеличением влажности от 28 до 43% максимальный КПД имеет место при окислительном пиролизе с содержанием кислорода в атмосфере 5%, а при влажности сырья от 43 до 50% - при окислительном пиролизе с содержанием кислорода в атмосфере 10%. При влажности свыше 50% наблюдается резкое снижение КПД, т.е. работа печи становится не эффективна.
