Помощь студентам в учебе
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ОТХОДОВ "ПЛУТОН"
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1. СУТЬ ГАЗИФИКАЦИИ МУСОРА 11
1.1 Традиционный метод сжигания угля 11
1.2 Процесс плазменной газификации 12
1.3 Технология газификации 13
1.4 Методы переработки мусора 15
1.5 Особенности сбора и переработки мусора в различных государствах мира. 19
1.6 Заключение 20
2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР УСТАНОВОК ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ.
22
3. УСТРОЙСТВО И ОБЩИЙ ВИД ПЕЧИ «ПЛУТОН» 27
3.1 Плазмотрон «Торнадо», используемый на установке «Плутон» 32
4. РАЗРАБОТКА НОВОЙ СХЕМЫ РАБОТЫ ПЕЧИ. ВЫБОР ПЛАЗМОТРОНА
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВКИ ПЛУТОН 34
4.1 Техническое описание конструкций пароводяных плазмотронов 36
4.2 Плазмотроны прямого и косвенного действия 39
4.3 Выбор нового пароводяного плазмотрона для печи "Плутон" 40
5. РАСЧЕТ ПЛАЗМОТРОНА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК 43
5.9 Научно-исследовательская работа 54
6. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА 57
6.1 Расчетная Часть. Противоточный теплообмен (ПТТО) в печи шахтного типа
установка «Плутон» 57
6.2 Моделирование печи в программной среде Ansys Mechanical 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 69
ВВЕДЕНИЕ 7
1. СУТЬ ГАЗИФИКАЦИИ МУСОРА 11
1.1 Традиционный метод сжигания угля 11
1.2 Процесс плазменной газификации 12
1.3 Технология газификации 13
1.4 Методы переработки мусора 15
1.5 Особенности сбора и переработки мусора в различных государствах мира. 19
1.6 Заключение 20
2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР УСТАНОВОК ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ.
22
3. УСТРОЙСТВО И ОБЩИЙ ВИД ПЕЧИ «ПЛУТОН» 27
3.1 Плазмотрон «Торнадо», используемый на установке «Плутон» 32
4. РАЗРАБОТКА НОВОЙ СХЕМЫ РАБОТЫ ПЕЧИ. ВЫБОР ПЛАЗМОТРОНА
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВКИ ПЛУТОН 34
4.1 Техническое описание конструкций пароводяных плазмотронов 36
4.2 Плазмотроны прямого и косвенного действия 39
4.3 Выбор нового пароводяного плазмотрона для печи "Плутон" 40
5. РАСЧЕТ ПЛАЗМОТРОНА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК 43
5.9 Научно-исследовательская работа 54
6. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА 57
6.1 Расчетная Часть. Противоточный теплообмен (ПТТО) в печи шахтного типа
установка «Плутон» 57
6.2 Моделирование печи в программной среде Ansys Mechanical 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 69
Плазменная газификация — это новое решение для утилизации мусора с использованием плазменной технологии. Сама плазменная технология сжигания отходов использовалась в течение многих лет как один из вариантов открытого для атмосферы сжигания, не обладающего особыми преимуществами перед другими мусоросжигающими технологиями. Продолжалось использование открытых полигонов, экологически почти не отличающихся по вредности от открытого мусо- росжигания, но практически гораздо более дешёвых.
Однако, некоторое время назад была обнаружена возможность преобразования отходов с выходом полезных газов при существенном повышении температурных параметров в изолированных от атмосферы печах пиролиза - газификация отходов. Высокотемпературные режимы в них достигаются с помощью плазмотронов. Такая технология с выходом полезного и легко утилизируемого газа, а также нейтральной стекловидной массы, открывает новый этап построения предельно экологически безопасных линий переработки отходов, получивших название процессов с газификацией отходов. На сегодняшний день плазменная газификация начинает пользоваться популярностью, так как считается очень перспективным и экономически выгодным направлением. Она позволяет перерабатывать большие объёмы самых различных отходов в энергию, а в некоторых своих вариантах и в ценные продукты для вторичного использования.
В современном обществе довольно низкий общий уровень переработки отходов сложился исторически как результат беспечного накопления невостребованных предметов быта, промышленного и строительного мусора, отслужившей техники. Наступил этап серьёзного вмешательства грандиозных этих накоплений отходов в природное окружение человека - в экологию. Современные технологии переработки отходов оказались перед проблемой недостаточной производительности обслуживания огромных объёмов свалок, полигонов, пунктов сбора мусора.
Особо острой проблемой для технологии переработки отходов оказалась необходимость высокотемпературного перевода в безвредное состояние радиоактив-ных отходов (РАО). Именно как вариант решения этой проблемы и была создана установка «Плутон», являющаяся основным объектом для развития в данной выпускной квалификационной работе. Основной задачей установки «Плутон» считался переплав в нейтральное стекловидное состояние минеральных радиоактивных отходов. Успешному решению этой задачи способствовало применение высокоэффективных плазмотронов. В данном проекте предлагается вариант расширения возможностей этой установки за счёт перехода на более мощный плазмотрон с соответствующим переоборудованием футеровки печи и некоторых изменений в цепи питания печи. Поднятие характеристик установки «Плутон» подкреплено подробными расчётами и позволит расширить ассортимент перерабатываемых установкой отходов.
Общей задачей переработки отходов является уменьшение их объёмов и перевод в химически и физически стойкие формы для безвредного хранения или для полезного использования. При этом технология переработки должна предусматривать минимальное воздействие на окружающую среду. Распространённые в настоящее время технологии не только требуют значительных средств от местных структур и крупных промышленных компаний, но и сопровождаются значительным воздействием на окружающую среду. Основной причиной их слабых показателей являются низкие параметры существующих технологических линий, в частности, невысокие температуры в процессах переработки. Здесь и возможен прорыв на основе применения плазмотронов, при которых достижимая температура позволяет перейти к технологиям переработки, даже и не требующим предварительной сортировки отходов. Реализация последнего, как известно, во многих странах превратилось в существенное препятствие для механизации переработки.
Дополнительно к повышению параметров переработки с помощью плазмотронов был обнаружен технологический вариант плазменной обработки с дополнением плазменного факела водяным паром. Существенная интенсификация разложения отходов при высоких температурах добавлением водяного пара дала особенно перспективную технологию переработки, поскольку при этом значительновозрастает выход попутного с высоким энергетическим потенциалом так называемого синтез-газа, сингаза. Он является смесью водорода и оксида углерода и оказывается ценным энергоносителем. Его замыкают в закрытый цикл с газотурбинным блоком, производящим электроэнергию. Такое замыкание почти исключает выбросы во внешнюю среду, ничтожный остаток которых совершенно неопасен ввиду химической нейтральности. Плазма с участием водяного пара в таком случае помимо теплоносителя приобретает и роль активного реагента. Именно поэтому новый процесс переработки и был назван газификационным.
Помимо плазменной переработки отходов в настоящее время применяются самые разнообразные технологии. Для преобразования отходов в нейтральную стабильную форму, пригодную для безопасного хранения, транспортировки и захоронения, отходы иммобилизуются разными методами в матричные материалы. Для этого применяют сжигание, прессование твердых отходов, извлекают радионуклиды из жидких радиоактивных отходов, переплавляют металлические отходы - все это примеры устоявшихся технологий переработки.
Значительно более современными и производительными являются методы переработки с использованием низкотемпературной плазмы в технологии обезвреживания не только обычных отходов, но и радиоактивных (РАО). Серьёзное преобразование исходных РАО, сокращение их объема при высокой производительности процесса предоставляют высокие температуры (15ОО-1800°С), реализуемые в печах с интенсивным плазменным нагревом. При этом удаётся значительно сократить размеры оборудования технологических установок, резко уменьшить объем отходящих газов в сравнении с установками с обычным огневым нагревом, осуществлять процессы в любой необходимой газовой атмосфере (в зависимости от вида плазмообразующего газа) поскольку все процессы идут в герметически замкнутых объёмах.
Плазменные газификационные технологии позволяют преодолеть трудности переработки отходов, содержащих в базовом варианте РАО среднего уровня радионуклиды продуктов деления урана - 137Cs, 134Cs, 90Sr. Помимо этих продук-тов, значительный вклад могут вносить а-излучающие радионуклиды тяжелых металлов (актинидов), а также 60Co, 144Ce, 54Mn, 59Fe и другие радиоактивности с длительными периодами полураспада. Перевод таких материалов в стекловидную массу в результате воздействия высоких температур обеспечивает возможность их безопасного захоронения.
Реализация газификационных плазменных технологий достаточно сложна и связана с формированием больших электротехнологических комплексов по переработке различных видов отходов. Комплексы содержат плазменные электропечи с выходом расплавов шлака, электродуговую пароводяную плазменную горелку и системами электроснабжения, газоснабжения и водоснабжения.
Известно, что плазменный нагрев является достаточно энергоемким, следовательно, большое значение приобретает изучение и оптимизация всей плазменной технологии. Изложенное выше свидетельствует о высокой актуальности внедрения процессов плазменной газификации переработки отходов.
Цель данной ВКР заключается в решении важной технологической задачи по повышению энергоэффективности установки "Плутон" за счет замены двух плазмотронов мощностью P=100-150 кВт на пароводяной плазмотрон мощностью P=200-250 кВт. Этим достигается расширение диапазона применения установки для переработки многих видов отходов, а также обеспечивается выход сингаза, использование которого улучшает энергоэффективность всей технологии переработки. Оптимизация позволит максимально использовать установку, сократив время простоев в отсутствие РАО.
Однако, некоторое время назад была обнаружена возможность преобразования отходов с выходом полезных газов при существенном повышении температурных параметров в изолированных от атмосферы печах пиролиза - газификация отходов. Высокотемпературные режимы в них достигаются с помощью плазмотронов. Такая технология с выходом полезного и легко утилизируемого газа, а также нейтральной стекловидной массы, открывает новый этап построения предельно экологически безопасных линий переработки отходов, получивших название процессов с газификацией отходов. На сегодняшний день плазменная газификация начинает пользоваться популярностью, так как считается очень перспективным и экономически выгодным направлением. Она позволяет перерабатывать большие объёмы самых различных отходов в энергию, а в некоторых своих вариантах и в ценные продукты для вторичного использования.
В современном обществе довольно низкий общий уровень переработки отходов сложился исторически как результат беспечного накопления невостребованных предметов быта, промышленного и строительного мусора, отслужившей техники. Наступил этап серьёзного вмешательства грандиозных этих накоплений отходов в природное окружение человека - в экологию. Современные технологии переработки отходов оказались перед проблемой недостаточной производительности обслуживания огромных объёмов свалок, полигонов, пунктов сбора мусора.
Особо острой проблемой для технологии переработки отходов оказалась необходимость высокотемпературного перевода в безвредное состояние радиоактив-ных отходов (РАО). Именно как вариант решения этой проблемы и была создана установка «Плутон», являющаяся основным объектом для развития в данной выпускной квалификационной работе. Основной задачей установки «Плутон» считался переплав в нейтральное стекловидное состояние минеральных радиоактивных отходов. Успешному решению этой задачи способствовало применение высокоэффективных плазмотронов. В данном проекте предлагается вариант расширения возможностей этой установки за счёт перехода на более мощный плазмотрон с соответствующим переоборудованием футеровки печи и некоторых изменений в цепи питания печи. Поднятие характеристик установки «Плутон» подкреплено подробными расчётами и позволит расширить ассортимент перерабатываемых установкой отходов.
Общей задачей переработки отходов является уменьшение их объёмов и перевод в химически и физически стойкие формы для безвредного хранения или для полезного использования. При этом технология переработки должна предусматривать минимальное воздействие на окружающую среду. Распространённые в настоящее время технологии не только требуют значительных средств от местных структур и крупных промышленных компаний, но и сопровождаются значительным воздействием на окружающую среду. Основной причиной их слабых показателей являются низкие параметры существующих технологических линий, в частности, невысокие температуры в процессах переработки. Здесь и возможен прорыв на основе применения плазмотронов, при которых достижимая температура позволяет перейти к технологиям переработки, даже и не требующим предварительной сортировки отходов. Реализация последнего, как известно, во многих странах превратилось в существенное препятствие для механизации переработки.
Дополнительно к повышению параметров переработки с помощью плазмотронов был обнаружен технологический вариант плазменной обработки с дополнением плазменного факела водяным паром. Существенная интенсификация разложения отходов при высоких температурах добавлением водяного пара дала особенно перспективную технологию переработки, поскольку при этом значительновозрастает выход попутного с высоким энергетическим потенциалом так называемого синтез-газа, сингаза. Он является смесью водорода и оксида углерода и оказывается ценным энергоносителем. Его замыкают в закрытый цикл с газотурбинным блоком, производящим электроэнергию. Такое замыкание почти исключает выбросы во внешнюю среду, ничтожный остаток которых совершенно неопасен ввиду химической нейтральности. Плазма с участием водяного пара в таком случае помимо теплоносителя приобретает и роль активного реагента. Именно поэтому новый процесс переработки и был назван газификационным.
Помимо плазменной переработки отходов в настоящее время применяются самые разнообразные технологии. Для преобразования отходов в нейтральную стабильную форму, пригодную для безопасного хранения, транспортировки и захоронения, отходы иммобилизуются разными методами в матричные материалы. Для этого применяют сжигание, прессование твердых отходов, извлекают радионуклиды из жидких радиоактивных отходов, переплавляют металлические отходы - все это примеры устоявшихся технологий переработки.
Значительно более современными и производительными являются методы переработки с использованием низкотемпературной плазмы в технологии обезвреживания не только обычных отходов, но и радиоактивных (РАО). Серьёзное преобразование исходных РАО, сокращение их объема при высокой производительности процесса предоставляют высокие температуры (15ОО-1800°С), реализуемые в печах с интенсивным плазменным нагревом. При этом удаётся значительно сократить размеры оборудования технологических установок, резко уменьшить объем отходящих газов в сравнении с установками с обычным огневым нагревом, осуществлять процессы в любой необходимой газовой атмосфере (в зависимости от вида плазмообразующего газа) поскольку все процессы идут в герметически замкнутых объёмах.
Плазменные газификационные технологии позволяют преодолеть трудности переработки отходов, содержащих в базовом варианте РАО среднего уровня радионуклиды продуктов деления урана - 137Cs, 134Cs, 90Sr. Помимо этих продук-тов, значительный вклад могут вносить а-излучающие радионуклиды тяжелых металлов (актинидов), а также 60Co, 144Ce, 54Mn, 59Fe и другие радиоактивности с длительными периодами полураспада. Перевод таких материалов в стекловидную массу в результате воздействия высоких температур обеспечивает возможность их безопасного захоронения.
Реализация газификационных плазменных технологий достаточно сложна и связана с формированием больших электротехнологических комплексов по переработке различных видов отходов. Комплексы содержат плазменные электропечи с выходом расплавов шлака, электродуговую пароводяную плазменную горелку и системами электроснабжения, газоснабжения и водоснабжения.
Известно, что плазменный нагрев является достаточно энергоемким, следовательно, большое значение приобретает изучение и оптимизация всей плазменной технологии. Изложенное выше свидетельствует о высокой актуальности внедрения процессов плазменной газификации переработки отходов.
Цель данной ВКР заключается в решении важной технологической задачи по повышению энергоэффективности установки "Плутон" за счет замены двух плазмотронов мощностью P=100-150 кВт на пароводяной плазмотрон мощностью P=200-250 кВт. Этим достигается расширение диапазона применения установки для переработки многих видов отходов, а также обеспечивается выход сингаза, использование которого улучшает энергоэффективность всей технологии переработки. Оптимизация позволит максимально использовать установку, сократив время простоев в отсутствие РАО.
В результате выполнения дипломного проекта были рассмотрены варианты повышения энергоэффективности установки "Плутон". Был предложен вариант замены на пароводяной плазмотрон, что приведет к отсутствию вредных окислов азота при работе плазмотрона на водяном паре, также снизит износ электродов, а следовательно снизит стоимость оборудования расходных материалов , а также повысит энергоэффективность за счет повышения КПД плазмотрона при переходе на пароводяную систему и замене двух струйных плазмотронов на один пароводяной большей мощности.
Повышение эффективности с введением нового варианта плазмотрона проиллюстрировано количественно подробным расчётом нового теплового режима печи. Получены характеристики, свидетельствующие об улучшении всего технологического процесса переработки отходов, включая и РАО.
Задачи выпускной квалификационной работы решены. Поставленные в «Техническом задании» проекта цели достигнуты.
Повышение эффективности с введением нового варианта плазмотрона проиллюстрировано количественно подробным расчётом нового теплового режима печи. Получены характеристики, свидетельствующие об улучшении всего технологического процесса переработки отходов, включая и РАО.
Задачи выпускной квалификационной работы решены. Поставленные в «Техническом задании» проекта цели достигнуты.
