автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Энергетическая эффективность сжигания твердых бытовых отходов для использования теплоты в децентрализованном теплоснабжении

На правах рукописи

ЛЕППИК ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОМ

ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ

Специальность 05.23.03. - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003171313

Воронеж - 2008

003171313

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Семенов Виктор Николаевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Панов Михаил Яковлевич

доктор технических наук, доцент Агапов Юрий Николаевич

Ведущая организация

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия

Защита состоится 26 июня 200В г в 13 00 часов на заседании диссертационного совета Д212 033 02 в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу 394006, г Воронеж, ул 20-лет Октября, 84, ГОУВПО ВГАСУ, аудитория 20, корпус 3 тел факс (8-0732) 71-53-21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (ГОУВПО ВГАСУ)

Автореферат разослан 26 мая 2008г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент

Старцева Н А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По статистическим оценкам количество твердых бытовых отходов (ТБО) на душу населения городов центральной части России на текущий период времени составляет 225 - 250 кг в год

ТБО содержат в себе такие горючие компоненты, как бумага, картон, древесина, текстиль, кожа, резина, полимерная упаковка Сюда же относятся листва, садовый и уличный мусор (смет), и т п При сгорании каждого килограмма этих компонентов выделяется от 4 до 18 МДж энергии В связи с этим использование теплоты в децентрализованном теплоснабжении, полученной при сжигании ТБО, является актуальной задачей.

Повышение эффективности сжигания ТБО с характерно большим балластом и повышенной влажностью также представляется актуальной задачей Одним из путей решения этой задачи является использование части теплоты продуктов сгорания для предварительного прогрева и газификации ТБО в камере пиролиза В камере горения осуществляется горение газов и коксовых остатков, полученных в камере пиролиза Комбинированные методы пиролиза и горения хотя и представлены в литературе, однако недостаточно изучены

Данная работа выполнялась в соответствии с целевой программой ПКНТ и ГОССТРОЯ России, а также с межвузовскими программами «Строительство» по научному направлению «Разработка систем теп-логазоснабжения с целью экономии ТЭР и защиты окружающей среды от тепловых и вредных газообразных выбросов энергетических установок» (№ госрегистрации 01 9 30 0021 82)

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка принципиальной схемы установки для сжигания твердых бытовых отходов и методики расчета ее энергетической эффективности

В связи с поставленной целью задачами исследования являются

- теоретически и практически обосновать комплексную эффективность сжигания твердых бытовых отходов и использования теплоты в децентрализованном теплоснабжении,

- исследовать работу различных вариантов установок по сжиганию ТБО и разных схем использования утилизируемой теплоты для систем теплоснабжения,

- разработать методику теплового расчета установок по сжиганию ТБО,

- оценить технико-экономическую эффективность и экологическую безопасность предлагаемой установки по сжиганию ТБО

Научная новизна заключается в следующем:

- разработаны математические модели двухстадийного сжигания твердых бытовых отходов,

- получены аналитические зависимости для расчета полей температур в слое ТБО на колосниковой решетке и времени протекания процесса пиролиза,

- исследованы параметры энергетической эффективности установок по сжиганию ТБО,

- разработаны методики расчета технологических параметров при сжигании ТБО и утилизации теплоты, используемой в децентрализованном теплоснабжении,

На защиту выносятся:

- математическая модель процесса огневого уничтожения твердых бытовых отходов, описывающая его двухстадийность пиролиз и горение,

- принципиальная схема установки для двухстадийного сжигания ТБО и утилизации теплоты газов с последующим использованием в системах децентрализованного теплоснабжения,

- методика технико-экономического обоснования применения модульных установок по сжиганию ТБО в схеме децентрализованного теплоснабжения

- методика оценки экологической безопасности использования установки по сжиганию ТБО и утилизации теплоты

Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены

- применением фундаментальных законов тепло - и массообмена для газообразных сред и твердых тел, классической теории горения и экспериментом,

- соответствием результатов теоретических и лабораторных исследований, выполненных с использованием современных приборов и методов испытаний со степенью достоверности 90%

Практическое значение работы заключается в апробации и внедрении методик по разработке новых конструктивных схем установок по сжиганию ТБО и схем теплоснабжения на их основе

Результаты диссертации используются в процессе обучения студентов на кафедре отопления и вентиляции и кафедре городского строительства и хозяйства Воронежского государственного архитектурно-строительного университета по дисциплинам «Экология городской среды», «Защита окружающей среды», «Энергосберегающие технологии» и при дипломном проектировании

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 2004 - 2005 гг на 59 и 60-й научных конференциях и семинарах в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, на секции Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике (АВОК) в 2004г

По материалам исследований опубликовано 3 научных статьи и тезисы научных конференций общим объемом 25 страниц Из них лично автору принадлежит 17 страниц Одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК

Личный вклад автора в получение результатов научных исследований, изложенных в диссертации Экспериментальные и теоретические исследования начаты автором в студенческом научном обществе во время обу-

чения на кафедре городского строительства и хозяйства и продолжены в аспирантуре Автором проведен анализ известных литературных источников, сконструирована опытная печь для сжигания твердых бытовых отходов, осуществлены инструментальные измерения полей концентраций загрязняющих веществ в газообразных выбросах печи Все работы по статистической обработке экспериментальных данных, математическому моделированию выполнены лично автором Автор выражает глубокую благодарность д т н, проф Сазонову Э В за помощь, оказанную при работе над диссертацией

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографического списка литературы из 107 наименований Диссертация изложена на 189 страницах машинописного текста и содержит 21 рисунок, 10 таблиц и 6 приложений

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен анализ процессов огневого обезвреживания бытовых и промышленных отходов, выявлен состав твердых бытовых отходов, их горючая часть, поставлена цель и сформулированы задачи исследования

Во второй главе даны разработки комплексной оценки эффективности сжигания бытовых отходов, исследованы основные факторы, влияющие на эффективность сжигания ТБО Таковыми факторами являются температура в печи, полнота выгорания органических веществ, время пиролиза и последующего горения, эффективность улавливания Зловых частиц и вредных газообразных веществ, размеры печи и загрузки ТБО

Наиболее часто ТБО сжигаются в слое на колосниковой решетке Свежие порции ТБО быстро нагреваются в начале горячим воздухом, подаваемым под колосники, а затем теплотой, выделяемой при возгонке летучих горючих газов и их сгорании Процесс возгонки (пиролиза) начинается при температуре 180-200 °С и продолжается вплоть до температуры 700-800 °С -начала горения углистого слоя (кокса), накопившегося в верхней части загрузки ТБО Наибольшая доля теплоты сгорания ТБО приходятся на горение кокса По продолжительности самым длительным является процесс возгонки и процесс горения кокса, летучие горючие газы сгорают практически мгновенно (0,5-2с)

Так как для ТБО характерна низкая удельная теплота сгорания, то на наш взгляд, перспективно разделить процесс горения на две фазы 1 - фаза прогрева и газификации ТБО, 2 - фаза дожога углеродистых остатков При этом прогрев и газификация ТБО осуществляется в камере пиролиза, а сгорание кокса- в печи дожига Камера пиролиза и печь дожига разделены перфорированной перегородкой, так что горючие продукты пиролиза проникают в камеру дожига и там сгорают Схема технологического процесса сжигания ТБО и утилизации теплоты приведена на рис 1

В работе предложена математическая модель, описывающая процесс подогрева, влагоудаления и сухой перегонки ТБО в камере пиролиза. В основу математической модели положена система нестационарных дифференциальных уравнений энергии и диффузии

ЭТ дТ Э2Г л# _„ ( Е Л

эс эс пэ2с ( е |

В правой части уравнений содержится комплекс, характеризующий мощность тепловыделения (в экзотермических реакциях частичного окисления углерода) и интенсивность выделения горючих элементов при разложении ТБО Через С обозначено относительное содержание массы горючих элементов в общей массе ТБО

Рисунок 1 - Схема технологического процесса сжигания ТБО и утилизации теплоты

Уравнения (1) и (2) решались при следующих начальных условиях

Т- Т0, С= С0 при т= 0, (3)

и граничных условиях тепло- и массоотдачи

-Л^- = а(Т-Т0), 0прих = 0, (4)

СНГ ох

-Л— = а{т-т0), = о-ДС - С0) прих = 1,

дх

(5)

где / - толщина слоя ТБО

Порядок реакции разложения ТБО в камере пиролиза можно положить равным 1

Решение задачи (1) - (5) проводится методом последовательных приближений На первом шаге температура, входящая в правую часть уравнений (1) и (2) считается постоянной, равной адиабатической температуре Та сгорания углерода Решение полученной системы проводится методом разделения переменных Уточняется правая часть уравнений (1) - (2) уже как функция двух переменных и уточняется решение задачи (1) - (5) Эту цепь уточнений можно оборвать на третьем шаге

Из-за громоздкости полученные зависимости Т(т,х) и С(т,х) в автореферат не включены

Разработан алгоритм расчета полей температур и концентраций для расчета на ЭВМ

В работе выполнен эксперимент по сжиганию древесных отходов и органики Для проведения опытов использовались методы математического планирования эксперимента.

Опыты проводились на стенде, включающем печь с колосниками стандартного типа, дымоход и дымовую трубу Схема опытной установки представлена на рис 2 Печь выложена из шамотного кирпича. Воздух для горения подавался дутьевым вентилятором типа ВДН - 2,5

Калорифер^

В атмосферу

Рисунок 2 - Схема опытной установки 7

В опытах определялась температура в слое топлива стандартными термопарами типа ТХА (хромель-алюмель) Температура продуктов сгорания фиксировалась оптическим пирометром

ТБО перед сжиганием сортировались по размерам частиц и по составу Отдельно сжигались древесные отходы и органика Проводился газовый анализ продуктов сгорания Определялись концентрации кислорода в слое и в продуктах сгорания, а также содержание СО В опытах фиксировалось время прогрева, выхода летучих (пиролиза) и стадии горения

Изменение температуры слоя при горении ТБО от времени и безразмерной толщины слоя на колосниковой решетке приведено на рисунках 3,4

Зависимость температуры различных слоев ТБО от времени приведена на рис 3 Зависимость температуры от глубины прогрева при фиксированном времени приведена на рис 4

Рисунок 3 - Изменение температуры слоя при горении ТБО от безразмерного

времени Х- t/t0 при общем времени сгорания /0 = 3600 с (/ = 400 мм) Д - прогрев на глубине слоя т]-х/1 = 0,2, х - r¡ = 0,4, г0 = 1800 с (/ = 200 мм)

0-77 = О,2,о-77 = О,4

Установившаяся температура достигается в течение Го = 1200 с (20 мин), после чего при фиксированном количестве ТБО (1 = 400 мм) в течение 40 минут температура в факеле снижается в зависимости от горящего материала для древесины - 900 - 1300 °С, оргстекла - 1100 °С, полистирола - 1350 °С, текстолита - 700 °С

0,2 0,4 0,6 0,8 Л

Рисунок 4 - Изменение температуры слоя при горении ТБО от безразмерной толщины 7] при общем времени сгорания /0 = 1800 с Д - прогрев ТБО за время 450 с (т= 0,25)

Из графиков (рис 3,4) видно, что отклонения опытных точек от расчетной кривой находится в пределах погрешности эксперимента

Для отвода теплоты в схеме опытной установки использовался калорифер типа КсК - 4 с площадью поверхности нагрева 47,2 м2 В опытах получено, что при сжигании ТБО в количестве 360 кг/ч утилизируется 400 кВт теплоты КПД печи с калорифером составил 55% Это позволило нагреть воду в количестве 1,6 кг/с от 20 °С до 90 °С

Обработка опытных данных показала, что полное время горения ТБО можно определить по следующей аппроксимационнои формуле

(6)

г (&"+0'869) где Т =-5---

0 0,0102125 + 273,15

В третьей главе представлены разработки конструкции установки для двухстадийного огневого обезвреживания ТБО и тепловые схемы систем де-ценрализованного теплоснабжения, использующих теплоту сжигания отходов

Печь может иметь модульную конструкцию В этом случае теплогене-рирующая установка состоит из нескольких печей для сжигания ТБО

р-

г„ =1,346—1п2

0,667

<2!Вр+^(Та-Т20)

О" В р

/Л

Основными элементами печи являются устройство для приема отходов и помещение для их складирования, кран, бункер для складирования золы и шлака, отгрузочная воронка с транспортером для удаления шлака, топка, система очистки дымовых газов и утилизации тепла (рис. 5).

9

Рисунок 5 - Принципиальная схема установки для двухстадийного сжигания

ТБО

1 - прием ТБО; 2 - склад; 3,22 - краны; 4 - загрузочная воронка; 5 - камера подсушки и пиролиза; 6 - тепловые трубы; 7 - перфорированная стенка; 8 - топка; 9 - колосниковая решетка; 10 - дутьевой вентилятор; 11 - конвективные поверхности котла; 12 - воздухоподогреватель; 13 - экономайзер; 14 - циклоны; 15 - скруббер; 16 - электрофильтр; 17 - абсорбер - утилизатор; 18 - дымосос; 19 - дымовая труба; 20 - система золошлакоудаления; 21 -склад золы и шлака

Печь имеет две секции, отделенные друг от друга перегородкой из шамотного кирпича которая в верхней части имеет перфорацию. Секции через перегородку сообщены тепловыми трубами, с помощью которых из части, где происходит основное сжигание отходов в слое, в камеру пиролиза подводится теплота.

Наличие перегородки позволяет отделить реакционную камеру от теплогенератора и получить необходимое количество пиролизного газа.

Горючие газы после пиролиза через перфорированную перегородку проникают в камеру дожига (топку) и там сгорают. После окончания пиролиза, оставшиеся продукты (кокс) подаются на колосниковую решетку, где сгорают, а в камеру пиролиза подается свежая порция ТБО. Продукты разложения кокса удаляются системой золошлакоудаления на склад.

Дымовые газы, образующиеся при сжигании ТБО, проходят конвективные поверхности нагрева котла, где отдают тепло нагреваемой воде, воздухоподогреватель, экономайзер, а затем поступают в систему очистки от вредных примесей.

В системе очистки газы последовательно проходят батарейные циклоны, скруббер, электрофильтр и попадают в абсорбер-теплоутилизатор. Здесь происходит глубокое охлаждение продуктов сгорания для нагрева воды в

системе горячего водоснабжения и их абсорбционная очистка от оксидов азота, углерода и некоторых тяжелых углеводородов, а также сажи Орошение продуктов сгорания достаточно проводить водой, как самым дешевьм абсорбентом Эффективность очистки водой продуктов сгорания от загрязняющих веществ составляет 40-50% Если в качестве абсорбента использовать раствор натриевой щелочи, то эффективность очистки повышается до 93 -95%

Применение ТБО в качестве топлива способствует экономии топливно-энергетических ресурсов за счет использования утилизируемой теплоты в системах теплоснабжения промышленного предприятия или жилого микрорайона В последнем случае модули с печами размещаются в микрорайоне и обслуживают полигоны складирования ТБО данного микрорайона В результате снижаются расходы по переработке, складированию и захоронению ТБО Утилизация теплоты в установках сжигания ТБО с одновременной очисткой продуктов сгорания способствует созданию малоотходной экологически чистой технологической схемы по производству тепловой энергии

В четвертой главе приведены разработки методик проектирования печей для огневого обезверживания ТБО и расчета технико-экономической эффективности модульных установок систем децентрализованного теплоснабжения

Предложен алгоритм расчета времени ?0> времени прогрева и полного выгорания летучих веществ рассчитывается по формуле, которая является модификацией уравнения (6)

2

0,786

(6')

При известном г0 определяется масса прореагировавших ГБО

МТБО=Вр г0 (7)

Основными технико-экономическими параметрами, характеризующими эффективность процессов огневого обезвреживания ТБО, являются капитальные удельные вложения в получение тепловой энергии из отходов, себестоимость вырабатываемой тепловой энергии и технико-экономическая эффективность получения тепловой энергии

Капитальные удельные вложения в получение тепловой энергии из ТБО отнесены к установленной мощности печи ^ 0уст

I* ,

^ ', О'уст

где ^ К, тыс руб - капитальные затраты на изготовление печи для сжигания отходов и другого вспомогательного оборудования

Наиболее распространенными топочными устройствами для сжигания ТБО являются слоевые топки Поэтому капитальные удельные вложения можно оценить по удельной стоимости слоевых топок и вспомогательного оборудования модульных установок, включая котел-утилизатор и абсорбер-теплоутилизатоор

Обработка статистических данных по капитальным удельным вложениям в строительство модульных установок по огневому обезвреживанию ТБО Куд, тыс руб/МВт (рис 6) показала, что при изменении О = 0,25 - 8 МВт, их можно описать следующей экспоненциальной зависимостью

= 25,84ехр (-0,0430) (8)

Рисунок 6 - Зависимость капитальных удельных вложений в строительство модульных установок по обезвреживанию ТБО от их теплопроизводительно-

сти (цены 1984 года)

Важным параметром является себестоимость а вырабатываемой тепло-вон энергии, отнесенная к годовой теплопроизводительности установки <2 год Она складывается из затрат ^С на топливо (сортировка, доставка к печи

ТБО), электроэнергию, воду, амортизационные отчисления, заработанную плату

Годовая теплопроизводительность модульной установки определяется в результате интегрирования графика годовой отпущенной тепловой энергии

^^-«рНО]. 0°)

где а,Ь - эмпирические коэффициенты, характеризующие тепловые потоки отопительного графика (максимальный и минимальный)

Применительно к отопительному графику г Воронежа уравнение (10) преобразуется к виду

0-год = 8583,3^1-ехр(—2,45 Ю"4^)], (11)

где тот = 4776 ч, то есть О.гой =6013 МВт/год

Эксплуатационные затраты на огневое обезвреживание ТБО составят

ЕС = С +С +С ^ +С +С +С , (12)

т эл вода з пл аморт тек рем * V '

гае Ст> > Сеода ,С]т, С^, Ст„ ^ - соответственно затраты на топливо, электроэнергию, воду, заработную плату, амортизационные отчисления и текущий ремонт

Амортизационные отчисления установок по обезвреживанию ТБО можно принять не более 6,5% от капитальных удельных затрат, а на текущий ремонт - не более 20% от отчислений на амортизацию

Затраты на заработанную плату рассчтываются в зависимости от штатного коэффициента

С^ = К1т(тшт^Оуст)р, (13)

где - суммарная установочная мощность всех установок по обез-

вреживанию ТБО в одном модуле, МВт, р - средняя заработная плата одного работника в год, руб/чел, Кзт= 1,4 - коэффициент, учитывающий начисления на заработную плату

Штатный коэффициент для установок по обезвреживанию ТБО рассчитывается по формуле

"и=5.56ехр(-0,11£е,от) (И)

Затраты на электроэнергию, рассчитываются по формуле

(15)

Затраты на воду для систем отопления (предварительное заполнение тепловой сети сетевой водой и подпиточная вода) и горячего водоснабжения, определяются по формуле

С.=Сг/г

<>('"„-с)

3,6

ит

(16)

О 3 6

где 17 в - стоимость 1 т воды, —у2^—- расход воды на отопление, т/ч,

Ср({ « ~'св)

Сгг - расход воды на горячее водоснабжение, т/ч

Основные технико-экономические показатели установок огневого обезвреживания производственных отходов (удельные капиталовложения и себестоимость обезвреживания) зависят от производительности установки, теплоты сгорании отходов, наличия в энерготехнологическнх схемах различных систем очистки отходящих газов и использования их теплоты

Период окупаемости внедрения модулей водогрейной котельной и с печами для сжигания ТБО определяется как отношение инвестиций на их строительстве в чистой экономии за год С учетом этого получим формулу

Ш = --^^-—-Яо (17)

Расчеты по формуле (17) модуля теплопроизводительностью 2,1 МВт и с такой же теплопроизводтельностью водогрейной котельной с котлами типа универсал-5М, работающими на твердом топливе, показали что чистый дисконтированный доход (ЧДЦ) от внедрения модуля с установками для огневого обезвреживания ТБО составит ЧДЦ =50000 руб/МВт

В четвертой главе рассмотрено экологическое воздействие загрязняющих веществ, образующихся при сжигании ТБО, на окружающую среду Продукты сгорания установки по огневому обезвреживанию ТБО проходят очистку в циклонах, скрубберах, абсорбере и фильтрах В работе показано, что концентрации загрязняющих веществ от установок по сжиганию ТБО в воздухе населенных мест не превышают ПДК

Общие выводы

1 Теоретически разработана и практически обоснована комплексная эффективность сжигания ТБО с использованием теплоты в системах децентрализованного теплоснабжения,

2 Исследована работа модульных установок при двухстадийном сжигании ТБО и схема использования утилизируемой теплоты для систем теплоснабжения Показано что от внедрения модульных установок может быть получен положительный ЧДЦ

3 Применительно к сжиганию ТБО разработана методика расчета модульных установок огневого обезвреживания ТБО с учетом статистических данных и данных нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов, работающих на твердом топливе

4 Разработаны параметры для комплексной оценки эффективности огневого обезвреживания ТБО, основными из которых являются время прогрева и пиролиза, горения, температурные поля в слое топлива и продуктов сгорания и получены аналитические зависимости для их расчетов

5 Разработаны математические модели описывающие двухстадийные процессы обезвреживания ТБО, позволяющие определять температурные поля в слое при подсушке, пиролизе и горении, и время их протекания

6 Экспериментально подтверждены основные положения математических моделей, подтверждена их адекватность реальным процессам сжигания ТБО Получено, что погрешность определения температур горения, времени пиролиза не превышает 12%

7 Показано, что экологическое воздействие модульных установок по сжиганию ТБО не несет опасности для жизнедеятельности человека и окружающей среды

Основные результаты исследований отражены в работах:

1 Леппик В А Эффективность сжигания твердых бытовых отходов [Текст]/ Э В Сазонов, В А Леппик // Известия вузов Серия строительство Вып №2 2006г с 68-73 Лично автора 4с

2 Леппик В А Выбор технико-экономических параметров процессов огневого обезвреживания твердых бытовых отходов [Текст] / В А Леппик // Вестник Воронежского государственного технического университета Серия энергетика 2004 с 164-166 Лично автора 1,5с

3 Леппик В А Двухстадийное огневое обезвреживание твердых бытовых отходов [Текст] / Э В Сазонов, О А Сотникова, В С Турбин, В А Леппик Энергосбережение 2004 Вып №6 с 82-84 Лично автора 1с

Условные обозначения

С - относительная концентрация горючих газов в ТБО, кг/кг, Т - температура, °К, Та - адиабатическая температура горения, р - плотность, кг/м3, ср -удельная изобарная теплоемкость, кДж/(кгК), X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К), р - коэффициент массопроводности, кг/м, а - коэффициент температуропроводности, м2/с, О - коэффициент диффузии, а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 град , ад - коэффициент массоотдачи, , Е - энергия активации, Дж/моль , К - универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль К), ко - постоянная реакции, V - порядок реакции, <2 - удельная теплота реакции, МДж/моль, тгод - число часов работы установок в год, Кш - коэффициент использования электрической мощности, иэл - стоимость единицы электроэнергии, руб/квтч, £СЭ - годовые эксплуатационные затраты, Цэн - стоимость единицы тепловой энергии, £)год - тепловой поток сэкономленной тепловой энергии, МДж

Леппик Владимир Александрович

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05 23 03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Подписано в печать 23 05 2008 Формат 60x84 1/16 Уч -изд 1 2 л Усл-печ 1 1 л Бумага писчая Тираж 100 экз Заказ №302

Отпечатано отдел оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006, г Воронеж, ул 20-летия Октября, 84

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ОГНЕВОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ.

1.1 Состав, основные свойства и закономерности накопления твердых бытовых отходов.

1.2 Основные способы избавления от ТБО.

1.2.1 Нетермические методы.

1.2.2 Термические методы.

1.3 Факторы, влияющие на эффективность процесса сжигания.

1.4 Анализ известных математических моделей горения твердых бытовых отходов.

1.5 Выводы по главе.

2 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЖИГАНИЯ

ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ.

2.1 Исследование основных факторов, влияющих на эффективность сжигания твердых бытовых отходов.

2.2 Математическая модель процесса прогрева и пиролиза твердых бытовых отходов.

2.3 Экспериментальные исследования процессов прогрева и горения ТБО.

2.3.1 Схема опытной установки, методики проведения эксперимента и обработки опытных данных.

2.3.2 Обсуждение результатов опытов.

2.4 Выводы по главе.

3 КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО СЖИГАНИЮ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ. ТЕПЛОВЫЕ СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В СИСТЕМАХ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

3.1 Разработка конструкции печи малой производительности для одностадийного сжигания ТБО.

3.2 Разработка установки двухстадийного сжигания ТБО для систем децентрализованного теплоснабжения.

3.3 Разработка тепловых схем использования теплоты сгорания твердых бытовых отходов для систем децентрализованного теплоснабжения.

3.4 Системы очистки продуктов сгорания печей по сжиганию твердых бытовых отходов.

3.5 Выводы по главе.

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧЕЙ

ДЛЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ.

4.1 Методика теплобалансового расчета печи для огневого обезвреживания ТБО.

4.2 Методика расчета времени пиролиза и горения ТБО.

4.3 Методика оценки экологического воздействия загрязняющих веществ, образующихся при сжигании

ТБО, на окружающую среду.

4.3.1 Расчет количества загрязняющих веществ, содержащихся в уходящих газах.

4.3.2 Экологическое воздействие вредных выбросов печи при сжигании ТБО на окружающую среду.

4.4 Технико-экономические параметры и их расчет.

4.5 Методика расчета эффективности процессов огневого обезвреживания ТБО в установках систем децентрализованного теплоснабжения.

4.6 Выводы по главе.

Актуальность темы. Во всем мире переработка и утилизация бытовых отходов становятся все более злободневной проблемой. Главным образом это касается крупных густонаселенных городов, где ежегодно скапливаются миллионы кубометров всевозможных твердых бытовых отходов (ТБО). ТБО - это отходы, которые ежедневно скапливаются в жилом секторе и отправляются затем на городские свалки.

К началу 80-х годов в нашей стране годовой выход твердых бытовых отходов оценивался в 40 млн. тонн, а в настоящее время на той же территории их образуется уже около 60 млн т/год.

Проблема обращения с ТБО, главным образом - экологическая. Однако она самым тесным образом связана с решением сложных технических, энергетических и экономических вопросов.

Экологическую обстановку в городах с высокой плотностью населения (независимо от того, есть в них вредные производства, или нет) во многом определяет состояние системы санитарной очистки от непромышленных отходов.

По статистическим оценкам количество твердых бытовых отходов (ТБО) на душу населения городов центральной части России на текущий период времени составляет 225 - 250 кг в год.

ТБО содержат в себе такие горючие компоненты, как бумага, картон, древесина, текстиль, кожа, резина, полимерная упаковка. Сюда же относятся листва, садовый и уличный мусор (смет), и т.п. При сгорании каждого килограмма этих компонентов выделяется от 4 до 18 МДж энергии. В связи с этим использование теплоты в децентрализованном теплоснабжении, полученной при сжигании ТБО, является актуальной задачей.

Повышение эффективности сжигания ТБО с характерно большим балластом и повышенной влажностью также представляется актуальной задачей. Одним из путей решения этой задачи является использование части теплоты продуктов сгорания для предварительного прогрева и газификации ТБО в камере пиролиза. В камере горения осуществляется горение газов и коксовых остатков, полученных в камере пиролиза. Комбинированные методы пиролиза и горения хотя и представлены в литературе, однако недостаточно изучены.

Данная работа выполнялась в соответствии с целевой программой ГКНТ и ГОССТРОЯ России, а также с межвузовскими программами «Строительство» по научному направлению: «Разработка систем теп-логазоснабжения с целью экономии ТЭР и защиты окружающей среды от тепловых и вредных газообразных выбросов энергетических установок» (№ госрегистрации 01.9.30.0021.82).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка принципиальной схемы установки для сжигания твердых бытовых отходов и методики расчета её энергетической эффективности.

В связи с поставленной целью задачами исследования являются:

- теоретически и практически обосновать комплексную эффективность сжигания твердых бытовых отходов и использования теплоты в децентрализованном теплоснабжении;

- исследовать работу различных вариантов установок по сжиганию ТБО и разных схем использования утилизируемой теплоты для систем теплоснабжения;

- разработать методику теплового расчета установок по сжиганию

ТБО;

- оценить технико-экономическую эффективность и экологическую безопасность предлагаемой установки по сжиганию ТБО.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработаны математические модели двухстадийного сжигания твердых бытовых отходов;

- получены аналитические зависимости для расчета полей температур в слое ТБО на колосниковой решетке и времени протекания процесса пиролиза;

- исследованы параметры энергетической эффективности установок по сжиганию ТБО;

- разработаны методики расчета технологических параметров при сжигании ТБО и утилизации теплоты, используемой в децентрализованном теплоснабжении.

На защиту выносятся:

- математическая модель процесса огневого уничтожения твердых бытовых отходов, описывающая его двухстадийность: пиролиз и горение;

- принципиальная схема установки для двухстадийного сжигания ТБО и утилизации теплоты газов с последующим использованием в системах децентрализованного теплоснабжения; методика технико-экономического обоснования применения модульных установок по сжиганию ТБО в схеме децентрализованного теплоснабжения.

- методика оценки экологической безопасности использования установки по сжиганию ТБО и утилизации теплоты.

Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены:

- применением фундаментальных законов тепло - и массообмена для газообразных сред и твердых тел, классической теории горения и экспериментом; соответствием результатов теоретических и лабораторных исследований, выполненных с использованием современных приборов и методов испытаний со степенью достоверности 90%.

Практическое значение работы заключается в апробации и внедрении методик по разработке новых конструктивных схем установок по сжиганию ТБО и схем теплоснабжения на их основе.

Результаты диссертации используются в процессе обучения студентов на кафедре отопления и вентиляции и кафедре городского строительства и хозяйства Воронежского государственного архитектурно-строительного университета по дисциплинам «Экология городской среды», «Защита окружающей среды», «Энергосберегающие технологии» и при дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 2004 - 2005 гг. на 59 и 60-й научных конференциях и семинарах в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, на секции Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике (АВОК) в 2004г.

По материалам исследований опубликовано 3 научных статьи и тезисы научных конференций общим объемом 25 страниц. Из них лично автору принадлежит 17 страниц. Одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографического списка литературы из 114 наименований. Диссертация содержит 152 страницы, в том числе 119 страниц машинописного текста, и содержит 21 рисунок, 10 таблиц и 6 приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически разработана и практически обоснована комплексная эффективность сжигания ТБО с использованием теплоты в системах децентрализованного теплоснабжения;

2. Исследована работа модульных установок при двухстадийном сжигании ТБО и схема использования утилизируемой теплоты для систем теплоснабжения. Показано что от внедрения модульных установок может быть получен положительный ЧДД.

3. Применительно к сжиганию ТБО разработана методика расчета модульных установок огневого обезвреживания ТБО с учетом статистических данных и данных нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов, работающих на твердом топливе.

4. Разработаны параметры для комплексной оценки эффективности огневого обезвреживания ТБО, основными из которых являются время прогрева и пиролиза, горения, температурные поля в слое топлива и продуктов сгорания и получены аналитические зависимости для их расчетов.

5. Разработаны математические модели описывающие двухстадийные процессы обезвреживания ТБО, позволяющие определять температурные поля в слое при подсушке, пиролизе и горении, и время их протекания.

6. Экспериментально подтверждены основные положения математических моделей, подтверждена их адекватность реальным процессам сжигания ТБО. Получено, что погрешность определения температур горения, времени пиролиза не превышает 12%.

7. Показано, что экологическое воздействие модульных установок по сжиганию ТБО не несет опасности для жизнедеятельности человека и окружающей среды.

1. Александровская З.И. и др. Организация службы мусороудаления и уборки городов. -М.: Стройиздат, 1976. 127 с.

2. Алексеев Г.М., Петров В.И., Шпильфогель П.В. Индустриальные методы санитарной очистки городов (Термическая переработка бытовых отходов и использование продуктов пиролиза). Л.: Стройиздат, 1983. - 96 с.

3. Аныпаков A.C., Чередниченко B.C. Переработка твердых бытовых отходов методом высокотемпературной (плазменной) газификации// Утилизация отходов большого города: Тез. докл. научно-практического семинара. М.: ВИМИ, 1993. - С.10-12.

4. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В., оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.ВШ, 1978.-319с.

5. Багрянцев Г.И., Черников В.Е. Термическое обезвреживание и переработка промышленных и бытовых отходов// Муниципальные и промышленные отходы: способы обезвреживания и вторичной переработки. Аналит. Обзор.-Новосибирск: ГПНТБ, 1995.-С.128-137.

6. Беньямовский Д.Н. Термический метод обезвреживания и утилизации твердых бытовых отходов// Жилищно-коммунальное хозяйство.-1994.- №7-8.-C.33-37

7. Беньямовский Д.Н. Термические методы обезвреживания твёрдых бытовых отходов.- М.: Стройиздат, 1979. 192 с.

8. Беньямовский Д.Н., Тарасов Н.М. Переработка твердых бытовых и некоторых видов промышленных отходов методом высокотемпературного пиролиза: Обзорная инф. Вып. 18. М.: ГОСИНТИ, 1981. - 30 с.

9. Бернадинер М,Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов.- М.: Химия, 1990.-304 с.

10. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.- М.: Наука, Ф.М., 1986.- 544с.

11. Вандраш Я.В., Павленко В.А. Термическое обезвреживание твердых, жидких и газовых отходов// Изв. Академии пром. экологии.-1997.- №1.-С.41-43.

12. Виленский Т.В. Горение угольной пыли. Труды МЭИ, 1972, вып. 150, с. 7-20.

13. М.Виллевальд P.C., Беньямовский Д.Н. Проектирование и эксплуатация мусоросжигательных заводов.- М.: Стройиздат, 1982,- 193 с.

14. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки/Под ред. А.Д.Ключникова.- М.: Энергоатомиздат, 1989. 336 с.

15. Высочин В.Н. Диоксины и родственные соединения: Аналит. обзор.- Новосибирск: ГПНТБ СО АН СССР, 1989. 153 с.106

16. Гамов В. И. Двинских C.B. Керин A.C. Обработка осадка поверхностного стока II M Стройиздат 1991. 427с.

17. Горение углерода. Под ред. A.C. Предводителева. Изд-во АНСССР, 1949.-407с.

18. Гречко A.B., Денисов В.Ф., Калнин Е.И. Решение проблемы ликвидации твердых бытовых отходов на основе отечественной экологически чистой безотходной технологии//Промышленное и гражданское строительст-во.-1994.-№5.-С.45-46.

19. Гречко A.B., Денисов В.Ф., Кубасов B.JL Технология переработки бытовых отходов в барботируемом расплаве решение вопросов экологии// Цветные металлы.-1995.-№5.-С.28-31.

20. Гречко A.B., Денисов В.Ф. Технологические испытания термической переработки твердых бытовых отходов сложного состава с обеспечением диоксиновой безопасности// Химическая промышленность.-1998.- №2.-С.62-64.

21. Гречко A.B., Денисов В.Ф., Федоров JI.A. Региональный характер проблемы твердых бытовых отходов и ее решение пирометаллургическим методом// Экология и промышленность России.- 1997.- Октябрь.-С.13-16.

22. Гумен С.Г., Трухин Ю.А., Гоухберг М.С. Научно-технический прогресс в " Водоканале Санкт-Петербурга" //Тезисы докладов Третьего международного конгресса "Вода экология и технология" ЭКВАТЭК-98. С. 391.

23. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Пер. с англ. Н.В. Левич, под. ред. К.А. Семендяева, М. Наука. Ф.М. 1977-224с.

24. Девендран Т. Сжигание мусора. Энергия из отходов,- М.: Экология города, 1989.-124 с.

25. Демидов П.Г., Шандыба В.А., Щеглов П.П. Горение и свойства горючих веществ. -М.: Химия, 1981. 272с 26.Доусон Г., Мерсер Б. Обезвреживание токсичных отходов (сокр. пер. с англ.). - М.: Стройиздат, 1996. - 312 с.

26. Доусон Г., Мерсер Б. Обезвреживание токсичных отходов ( сокр. Пер. с англ.) -М.: Стройиздат, 1996.-312 с.

27. Дрейер A.A., Сачков А.Н. и др. Твердые промышленные и бытовые отходы, их свойства и переработка.- М.: Экология города, 1997.- 216 с.

28. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания. М. Госэнергоиздат, 1962.-240с.

29. Зорин В.М., Копченова Н.В. Некоторые методы решения оптимизационных задач по специальности "Атомные электрические станции"/ Под ред. В.Н.Котенкова.- М.: Изд-во МЭИ, 1993.-71 с.

30. Индустриальные методы санитарной очистки городов/ Г.И. Алексеев, В.К.Петров и др.// Л.: Стройиздат, 1983.-193 с.

31. Интернет-ресурс http: //www.md.mos.ru/unep

32. Использование компьютеров с целью эффективной обработки городских отходов: пер.с япон./под ред.С.С.Калитика.-М.:Мир, 1995.-212 с.

33. Использование твёрдых бытовых отходов в качестве топлива/ В.Е.Рыженко, А.И.Сосенский и др.// Тяжёлое машиностроение.- 1990.- № 9.- С.23-26.

34. Использование отходов промышленности для приготовления минеральных удобрений/ Экспрессинформ, 1980.- 65 с.

35. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия.-М. : Химия, 1981.-724 с.

36. Карслоу, Егер. Теплопроводность твердых тел.-М.: Наука, 1964,488 с.

37. Киселева М.В. Повышение эффективности выбора технических решений по обезвреживанию твердых бытовых отходов на основе разработки экспертных систем. Автореф.дис. канд. техн.наук. - М., 2001. - 20 с.109

38. Ключников А.Д., Кузьмин В.Н., Попов С.К. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 346 с

39. Кошляков Н.С., Гланер Э.Б., Смирнов М.М. Основные дифференциальные уравнения математической физики. М. Ф.М., 1962. -768с.

40. Крапивина С.А. Плазмохимические технологические процессы. -Л.: Химия, 1981.-248 с.

41. Крестовников А.Н., Владимиров Л.П. Справочник по расчётам равновесий металлургических реакций. М.: Металлургиздат, 1963. - 486 с.

42. Лавров Н.В., Шурыгин А.П. Введение в теорию горения и газификации топлива. М.: Изд-во АН, 1962. - 345 с.

43. Левин Б.И. Использование твёрдых бытовых отходов в системах энергоснабжения.- М.: Энергоиздат, 1982.-224 с.

44. Леппик В.А. Выбор технико-экономических параметров процессов огневого обезвреживания твердых бытовых отходов. Вестник Воронежского государственного технического университета. Серия энергетика. Вып. №2. 2006. с. 68-73.

45. Матросов A.C. Управление отходами. М. Кардарики, 1999. 480с.

46. Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час. М.: ГК РФ по охране окружающей среды, 1999. - 56с.

47. Михеев O.E. Богатство второго круга. Вторичные ресурсы в экономике,- М.: Экономика, 1989.-158 с.

48. Мягков М.И., Алексеев Г.М., Ольшанецкий В.А. Твердые бытовые отходы города. Л.: Стройиздат, 1978. - 168 с.

49. О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1998 году Государственный доклад М, 1999.

50. Очистка и обезвреживание дымовых газов из установок, сжигающих мусор: Сборник научно-технических статей.- Новосибирск: ИТ СО РАН, 1999.-238 с.

51. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков A.A. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. JI. Химия, 1981,- 560с.

52. Переработка высоковлажных бытовых отходов в печи Ванюкова/ А.В.Гречко, Е.И.Калнин и др.// Цветная металлургия. 1993. - №2.- С.11-15.

53. Порядин А.Ф. Проблема бытовых отходов и пути ее решения// Изв. Академии пром. экологии.- 1997.- №1.- С.3-6.

54. Прогрессивые методы утилизации отходов, ресурсосбережение/ Материалы Междунар.науч.конф. 16-17 мая 1991г.- Свердловск, 1991.- 52 с.

55. Рекламный проспект фирмы " Lurgt AG" (Германия) 1998

56. Рекламный проспект фирмы " WATCO" (Дания) 1998

57. Рекламный проспект фирмы " Vostok West LTD" (Англия) 1999ill

58. Росляков П.В. О выборе оптимальной технологии переработки твердых бытовых отходов// Энергетик.- 1996. № 9. - С.6-11.

59. Русанов A.A., Урбах И.И., Анастасиади А.П. Очистка дымовых газов в промышленной энергетике.- М.: Энергия, 1969. 79 с.

60. Русман X. Новый способ пиролиза/ Пер с нем. А.И.Слеповой. М. : Мир, 1983. - 264 с.

61. Сазонов Э.В., Леппик В.А. Эффективность сжигания твердых бытовых отходов. Известия вузов, серия Строительство, вып. 2, 2006, с. 68-73.

62. Сазонов Э.В, Сотникова О.А, Турбин B.C., Леппик В.А. Двухста-дийное огневое обезвреживание твердых бытовых отходов. Энергосбережение, 2004. Вып. №6 с. 82084.

63. Санитарная очистка и уборка населенных мест: Справочник/Под ред. Д.Н. Мирного.- М.: Стройиздат, 1990.- 413 с.

64. Сариев В.Н. Пути достижения оптимального хозяйствования твердыми муниципальными отходами// Информ. сборник "Экология городов". -М., 1995.-№5.

65. Сборник задач по теории горения. Под. Ред. В.В. Померанцева. Л-д, Энергоатомиздат. 1983. 152с.

66. Сборник методических материалов «энергоаудит и нормирование энергоресурсов». Н. Новгород. Н.Н.ТУ, 1998, с. 25-32.

67. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1988.- 528 с.

68. Состояние окружающей среды Московской области в 1997 году II Государственный доклад М 1998.

69. Сполдинг Д.Б. Основы теории горения. М.: Госэнергоиздат, 1959.318с.

70. Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов А. В. Воловик. Патент Российской Федерации № 2086850.

71. Справочник по пыле- золоулавливанию/ Под ред. А.А.Русанова. -М., Энергоатомиздат, 1983. 312 с.

72. Твёрдые бытовые отходы важный источник энергии/ А.Г. Тихомиров, Г.В. Климентьева и др.// Промышленная энергетика.- 1993.-№6.-С.42-45.

73. Твёрдые бытовые отходы и проблемы их утилизации/ В.Г. Некрасов, И.М.Горзиб//Промышленная энергетика.- 1992.- № 2.-С. 46-48.

74. Тепловой расчёт котельных агрегатов. (Нормативный метод)/ Под ред. Н.В.Кузнецова и др.- М.: Энергия, 1973.-324 с.

75. Термические процессы в технологиях переработки твердых бытовых отходов: аналитическая оценка и практические рекомендации. М.: ГП "Экотехпром", 1998. - 76 с.

76. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник. Под ред. В.П. Глушко. М.Изд-во АНСССР, 1962, -т.1. -1162с.; т.2.-916с.

77. Техническое предложение по строительству мини-завода по переработке твердых бытовых отходов/ В.С.Чередниченко, А.П.Бурдуков, А.С.Анылаков, и др.- Новосибирск: ИТ СО РАН, НЭТИ, 1992. 28 с.

78. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М. Наука, 1966.-724с.

79. Трофимов С.П., Чижов Д.М. Об использовании твердых бытовых отходов// Энергетическое строительство.- 1994.- №10.- С.24-29.

80. Утилизация биогаза полигонов твёрдых бытовых отходов: Обзорная информация/ О.В.Гофбатюк, А.Б.Лифшиц.- М.: МГЦНТИ, 1988.-156 с.

81. Федоров JI.A. Диоксины, как химическая опасность: ретроспектива и перспективы,- М.: Наука, 1993.-266 с.114

82. Федосеев С.Д. Полукоксование и газификация твёрдого топлива.-М.: Энергоатомиздат, 1960. 402 с.

83. Франк-Каменецкий Д.А. Распределение температур в реакционном сосуде и стационарная теория теплового взрыва.- ЖФК, 1939, т. 13, вып. 6, с. 738-755.

84. Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства. -М.: Энергия, 1976. 488 с.

85. Хиншельвуд К.Н., Кинетика газовых реакций, М. ГТТИ, 1933.308с.

86. Хитрин JI.H. Физика горения и взрыва. М. Из-во МГУ, 1957. 480с.

87. Цуркан B.C. Городские отходы и способы их утилизации,- М. : Энергоиздат, 1989.-201 с.

88. Цыганков А.П., Сенин В.Н. Циклические процессы в химической технологии. Основы безотходных производств.- М.;Химия, 1988. 320 с.

89. Чередниченко B.C., Казанов A.M. Современные методы переработки твёрдых бытовых отходов.- Новосибирск: ИТ СО РАН, 1995.-55 с.

90. ЮО.Черп О.М., Виниченко В.Н. Проблема твердых бытовых отходов: комплексный подход.-М.: Эколайн, 1996.-118 с.

91. Ю1.Чичков В.В., Ипполитов В.А. Источники энергии теплотехнологии и теплотехнические характеристики органического топлива. М.: Изд-во МЭИ, 1990.-64 с.

92. Шиляев М.И., Дорохов А.Р. Критерии выбора и сравнения аппаратов газоочистки//Изв. вузов. Строительство.- 1998.-№ 6. С.81-84.115

93. Шорин С.Н. Теплопередача. М. В.Ш., -1964.- 490с.

94. Ю4.Шубов Л.Я., Федоров Л.Г., Залепухин Р.В., Кроткова В.Ф. Термические процессы в технологиях переработки твердых бытовых отходов // Научн. и технич. аспекты охраны окружающей среды: Обзорн. Инф. М.: ВИНИТИ, 1998.-№5.-52 с.

95. Эскин Н.Б., Тугов А.Н., Изюмов М.А. Разработка и анализ различных технологий сжигания бытовых отходов. М., изд-во ВТИ, 1996.

96. Юб.Эскин Н.Б., Тугов А.Н., Хомутский А.Н., Пурим В.Р., Виллевальд Р.С. Анализ различных технологий термической переработки твердых бытовых отходов// Энергетик. 1994. - №9. - С.6-8.

97. Camacho S.L. Plasma Pyrolysis of Hydrocarbon Wastes: Proc. of the BNCE Technical Conf. At Wadham Colledge, Oxford, England, 25-27 September 1990.

98. California State Water Pollution Control Bord, Report on the Investigation of Leaching of a Sanitary Landfill/ Sacramento, 1954/ - Publication № 10.

99. Fangmark I., Stromberg В., Berge N., Pappe Ch. Influence of post combustion temperature profiles on the formation of PCDDs, PCDFs, PCBzs and PCBs in a pilot incinerator//Environ. Sci. and Technol. 1994.- Уо1.28, N0.4.-P.624-629.

100. Hanson D.J. Сжигание вредных отходов. Hazardous waste incineration presents legal, technical challenges// Chem. And Eng. News.- 1993.- Vol.71, No.13.-P.7-14.

101. Jungmann G. Nachrichtung von Mullverbrennungsanlagen//Chem. Ing. Tech. 1993.-Bd 65, H.2.-S.24-29.

102. Lund H.F. Industrial pollution control handbook// New-York McGraw-Hill, 1971.- 570 c.

103. Sixth Symposium (International) on Combustion, Пламена и химическая кинетика, Сб.статей (пер. с англ. под ред. С.А.Гольденберга) М.: ИЛ, 1961.-354 с.

104. Staff Writter. Переработка отбросов. Processing of rezume//Techno. Jap. 1995.- Vol. 28, No. 12.- P. 10-22.гоьарцц^

105. УТВЕРЖДАЮ» Генеральный директор ЗАО оронежское монтажное авление 2»1. Членский В.М.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

106. Заместитель генерального директора по теплоснабжению ЗАО «ВМУ-2»1. В.М. Этигин1. Аспирант ГОУ ВПО ВГАСУ1. В.А. Леппик1. Окончание приложения А

107. Заведующий кафедрой городского стро---------------------доктор технических наук, профессор

108. Тепловой расчет печи для сжигания твердых бытовых отходов

109. Элементарный состав, выход летучих и удельная теплота сгорания по данным АКХ им К.Д.Панфилова:

110. Ср = 40,5%; Нр = 4,8%; Ор =33,%; Np = 0,1%; Ар=0,8%; Wp=20%; V=67,9%; Q„p=14,4 МДж/кг.

111. Количество и состав сжигаемых древесных отходов фабрики (расчет ведется по апрелю месяцу 2001г. (данные Заказчика)):

112. Обрезков: 7901,7+27567,5г+1291,7+5889,1+5173,2 +43911= 91734,2 кг Опилок: 1823,5+6361,7+298,1+883,4+120,3+7497= 16984 кг.

113. Всего древесных отходов в месяц: 91734,2 + 16984 = 108718,2 кг/мес. Всего древесных отходов в год: 1304618 кг/год.

114. Печь для сжигания ТДО работает 16 часов в сутки в течение 22 суток в месяц, то есть 352 часа в месяц. Часовой расход ТДО составит 108718,2/352 = 308,9 кг/ч.

115. Расчет объемов и энтальпий продуктов сгорания

116. Теоретические объемы воздуха для поддержания горения, продуктов сгорания, отнесенные к 1 кг топлива 1.:

117. У°=0,0889(СР+0,3758Р)+0,265НР-0,03330Р, м3/кг,

118. У°=0,0889(40,5+0,375-0)+0,265-4,8 -0,0333-33,8=3,75;

119. Удельный расход продуктов сгорания по газоходам: в печи:vn=vr°+i,oi6i(an-i),

120. Vn=4,56+1,0161(1,45-1) = 6,275 м3/кг, где Vr°=VRo20+VR20 + VH2o° = 4,56 м3/кг.- в котле-утилизаторе:

121. VKy=Vr°+l,0161(axy-l) = 6,465 м3/кг,- в абсорбере-теплоутилизаторе: Va6c=Vr°+l,0161(aKy-l) = 6,85 м3/кг.

122. Энтальпии продуктов сгорания по газоходам (линейная зависимость от температуры) 1.:- в печи:

123. Jrn=- 0,869 + 0, 0102125 t, МДж/кг;- в котле-утилизаторе:

124. JKy=- 0,226 + 0, 010021, МДж/кг;- в абсорбере теплоутилизаторе: JaGc= - 0,0112 + 0, 0095941, МДж/кг.

125. Тепловой расчет печи для сжигания ТБО

126. Коэффициент теплоотдачи от стенок печи в окружающую среду принимается равным 0Сос=12 Вт/(м К). Теплопотери в окружающую среду от печи при tCT=45°C и toc=30°C (принимается согласно СНиП 11-35-76, ч. 2-ая): QnoT= OCoc(tCT- toC)= 12-60- (45-30)=10,8 кВт.

127. Доля теряемой теплоты через стенки печи в окружающую среду: qnoT=(QnoT-100)/(Bp-QHp) = 10,8-100• 10"3/14,4- (308,9/3600)=0,874%.

128. Примем теплопотери от механического и химического недожогов согласно 1. равными: q4=5%; qз=l% . КПД печи составит: Г|п = 1 (я4+Чз+Чпот) =1- (0,05+0,01+0,00874)= 0,931.

129. Расчетная температура на выходе из печи с учетом теплопотерь в ней определяется из уравнения энтальпии при Т|п= 0,931:

130. РнРЛп+0,869)/0,0102125=(14,4-0,931+0,869)/0,0102125=1398°С.

131. Общий расход продуктов сгорания на выходе из печи равен:

132. ВРУП= 6,275-308,9/3600=0,538м3/с=1938,4м3/ч.

133. Внутренние конструктивные размеры печи:- длина-3,036м;- ширина-2, 13м;- высота 2,8 м.

134. Теплонапряжение топочного объема, включая камеру догорания, определится в виде:

135. РнРГ1пВр/Уп=14,4-0,931(308,9/3600)./(2,75-1,85-2,8)=0,0808МВт/м3=80,8кВт/м3=69,5 тыс.Ккал/(ч-м3).

136. Выполняется условие: С>у< С)УЛОП=250 тыс. Ккал/(ч-м3).124

137. Теплонапряжение колосниковой решетки (зеркала горения): Рк=<2нРГ|пВр/Кз.г=14,4-0,931(308,9/3600)./(2,25-1,85)= = 0,276МВт/м2 =238 тыс. Ккал/(ч-м2) где Б!^.,- (2,25-1,85) площадь зеркала горения.

138. Скорость газов в кирпичном газоходе (борове) на выходе из печи составит:

139. Для подачи опилок проектируется автономный пневмотранспорт. Диаметр трубопровода равен 160 мм, вентилятор марки ВДН-9. Мощность электродвигателя 15 кВт.

140. Тепловой расчет газотрубного котла —утилизатора

141. QKy=0,985(308,9/3600) 0, 01002 (1398-160)= 1,05МВт= 0,9 Гкал/ч,где ф =0,985 (принимается с учетом теплопотерь в окружающую среду от котла-утилизатора) — коэффициент сохранения теплоты.

142. В котле-утилизаторе продукты сгорания движутся внутри труб, а водав межтрубном пространстве. Примем скорость газов внутри труб, равной

143. W^IOm/c. Определим критериальное число Re = WKydDH/V, где ёвн=0,026мб ^труба 032х Змм), V =131,8-10" м"/с коэффициент кинематической вязкости газов среднего состава при tcp =(1398+160)/2=779°С: Re = 10-0,026/131,8-10"б= 1973.

144. Определим коэффициент теплоотдачи от газов к стенке конвекцией:а K=Nu X /dm= X /dBH(0,021 Re0'8PrÄ0,43(PrÄ/Prc)0'25=7,56-0,0915/0,026=26,6 Вт/(м2К)

145. Суммарный коэффициент теплоотдачи:а !=а к+а л =26,6+24,7=51,3 Вт/(м2К).

146. Так как коэффициент теплоотдачи от стенки к воде значительно больше коэффициента (X ь то коэффициент теплопередачи равен1. Кку =у а ьгде у=0,65- коэффициент, учитывающий загрязнение поверхноститруб:

147. Кку=0,65-51,3=33,4 Вт/(м2К).

148. Температурный напор в котле-утилизаторе:

149. А1=(1г'-1в")-0г"-1В')./1П[(1г'-1в")/(1г"4в')]

150. АК(1398-70Н160-95)./1п(1398-70)/(160-95)]=418°С.

151. Площадь поверхности нагрева котла-утилизатора:

152. Рку= С>ку/ КкуА1=1,05• 10б/(33,4-418)=75,2 м2.

153. Расход сетевой воды, нагреваемой в котле-утилизаторе от температуры 70°С до 95°С:

154. GCB= QKy/Cp(ti-t2).=l ,05• 10б/[4186(95-70)]=10,36кг/с=37,3 т/ч. Расход дымовых газов, проходящих через котел-утилизатор:

155. УкуВр= 6,465- (308,9/3600)= 0,555 м3/с=1997 м3/ч. Конструктивно площадь живого сечения всех трубок для прохода дымовых газов через котел-утилизатор равна:fKy=(7ldBH2/4)n=3,14-0,0462-300=0,5 м2. Скорость газов составит:

156. WKy=VKyBp(273+tKy)/(273-3600-fKy)= =1997273+0,5(1398+160)./(273 -3600-0,5)=4,3м/с.

157. Конструктивно можно обеспечить межтрубный шаг равным 8=61 мм при зазоре между трубами 10 мм. В этом случае диаметр котла-утилизатора составит Б= 1,3м.

158. Вода в котле-утилизаторе движется снизу вверх. Скорость воды во входном и выходном патрубках равна 1м/с. Диаметр патрубка равенатр={40св(273+1вср)/(3,14-273-3600^вку)}°'5= ={4-37,3(273+82,5)/(3,14-273-3600-1)}°'5= 0,131м.

159. Выбирается труба стандартного диаметра 0139х4,5мм.

160. Расчет абсорбера-теплоутилизатора

161. Количество подводимой теплоты в абсорбере-теплоутилизаторе определяется из уравнения теплового баланса:- при охлаждении газов с температуры 150°С до 60°С утилизируется С)ту= фВр(1ух"-1ух")=0,985 (309,8/3600)(150-60)0,009594= 0,072978 МВт=73 кВт.

162. Теплота подводится к регистрам для нагрева воды горячего водоснабжения с температуры 10-15°С до 45°С. Расход воды, нагреваемой в регистрах, равен:

163. Сгрв Qтy/(tгв ~^ГВ )Ср, Оге= 0,072978/0,00419(45-15)=0,581 кг/с= 2,1т/ч.

164. Расход очищаемых газов через абсорбер-теплотилизатор:1. ВРУП= 1938,4 нм3/ч.о о

165. Удельный расход воды, подаваемой на орошение, равен 0,15 дм /нм . С учетом расхода очищаемой среды 1938,4 нм /ч расход воды составит

166. Оор= 1938,4-0,11=213,2 м3/час.

167. Для орошения устанавливается циркуляционный насос насос НКУ-1250 с подачей 250 нм /час и напором 0,32 МПа (32 м.в.ст). Мощность электродвигателя 45 кВт.

168. Пример расчета технико-экономических показателей системы децентрализованного теплоснабжения по традиционной схеме и с использованием установки двухстадийного сжигания ТБО (той же тепловой мощности)

169. Низшая теплота сгорания твердого топлива <2^ на рабочую массу9200 кДж/кг (2195 ккал/кг) 20.

170. Низшая объемная теплота сгорания пиролизного газа 13500 кДж/кг www.csti.yar.ru/rrchem/objects/20030014.аБр.

171. Средняя плотность ТПО р — 250 кг/куб.м.

172. Низшая теплота сгорания ТПО (с учетом процесса пиролиза)массовая 10056 кДж/кг (2400 ккал/кг).

173. Капитальные затраты на сооружение традиционной водогрейной котельной на твердом топливе с двумя котлами «Универсал-5М» общей тепловой мощностью 2,1 МВт, в ценах текущего периода 112 тыс. $.

174. КПД водогрейной котельной на твердом топливе (см. главу 4)0,67.

175. КПД установки двухстадийного сжигания ТБО (см. главу 4).т?2 = 0,79.

176. Число часов работы водогрейной котельной (принимается)г1 — 3000 ч/год, то же, для пиролизной установки сжигания ТПО т2= 8000 ч/год.

177. Расход твердого топлива в водогрейной котельнойп =-=0,34кг/с = 1226,5кг/ч.1 9200-103-0,67

178. Расход ТБО, сжигаемых в установке

179. О 2 1-106 в = иКо„, -^Ц- д 264кг I с = 951кг / ч .1. О^'Щ 1056-Ю3-0,79

180. Капитальные затраты в установку сжигания ТПО (в том числе утилизация и очистка дымовых газов) инсинератор отечественного производства www.stankosnab.ru/treatment/insineratori.html., в ценах текущего периода1. К = 260тыс.$.

181. Эксплуатационные расходы на твердое топливо водогрейной котельной, годовые

182. Эи1 = ВхтхСтт = 1226,5 • 3000 • 0,065 = 239168 $/год.

183. Удельный расход газа (как дополнительного топлива) в установке сжигания ТПО0,1. .0,2 куб.м/кг отходовwww.stankosnab.m/treatment/insineratori.htшl.1. Принимаем 0,15 куб.м/кг.

184. Эксплуатационные расходы на газ (как дополнительное топливо ) в установке сжигания ТПО

185. Эт2 = 951 • 0,15 • 8000 • 0,04 = 45648 $/год.

186. Принимаем расходы на заработную плату, воду, электроэнергию, прочие и т.д. одинаковыми по обоим вариантам, так как внешние сети системы теплоснабжения должны остаться одинаковыми, в том числе насосы, трубопроводы и т.п.

187. Годовая плата за выбросы водогрейной котельной общей тепловой мощностью 2,1 МВт, работающей на твердом топливе 154.выбросы 1400 $/год.

188. Процент амортизационных отчислений примемаа = 0,04.

189. Горизонт расчета примем 48,154.1. Н = 15 лет.

190. Плата за землю, занимаемую полигоном ТПО131р = 15,3 р./(кв.м -год) = 5670 $ /(га • год).

191. Определим площадь участка, необходимого для сооружения полигона ТПО (в случае, когда используется традиционная схема теплоснабжения, ТПО вывозятся на полигоны-свалки отходов):- дневная (суточная) норма приема ТПО 0.сут1 22824 . .

192. Добавим сюда примерно 1% внутриплощадочных дорог 0,03 га.

193. Административно-хозяйственная зона, подъездные дороги, внешние сети и сооружения снабжения полигона оцениваются укрупнено3,03/0,8 = 3,78 га.

194. С учетом дополнительно к этому площади, которую необходимо отвести под санитарно-защитную зону полигона получим 4,43 га.

195. Расчет образования биогаза полигона

196. Удельный выход биогаза принимается равным 5,1 куб.м/тонну ТБО53.

197. Масса ТБО, завезенных на полигон за 15 лет его эксплуатации, составит приблизительно

198. М15 = 498225 • 250 • 10 = 124,56 тыс.т.

199. Максимальный годовой объем выделившегося биогаза V = 124,56 • 5,1 = 635,24 тыс.куб.м/год = 1740 куб.м/сут. 0,483 куб.м/с;

200. Расчет образования сточных вод полигона

201. Региональная норма стоков от полигона отходов принимается по данным Госсанэпидстанции Воронежской области и составляет 367 мм в год.

202. Общая площадь участка захоронения отходов по контуру подошвы внутренного откоса составляет 2,9 га (см. выше).

203. Влажность ТБО колеблется по сезонам года. Согласно 22., максимальное суточное количество фильтрата с полигона определяется по формуле1. СР,)т=т^опг)1365,где к- коэффициент, учитывающий влагопоглощающую и испарительную способность ТБО (/с= 0,1.0,15 33.);

204. Qвг = 0,06П сТм + С + Хбытхт,где 0,06 расход воды на мойку одного контейнера (до пуска второй очереди), куб.м/контейнер;

205. Пс число контейнеров, подлежащих мойке за сутки;

206. Ти число суток в году, когда осуществляется мойка контейнеров,

207. Тм= 160 (с мая по октябрь);

208. G расход воды на полив ТБО, G = 332,15 куб.м/год (см. выше);

209. Qir = 0,06'8'160 + 332Д5 + ^175 = 1;295куб.м/сут. (472,825 куб.м/год);365 365gcpc)m =0,125(15051 + 472,825)/365 = 5,32 куб.м/сут. (1940,5 куб.м/год).

210. Рпр- водосбросная поверхность, Рпр — 4,43 га (см. выше).

211. Уж = 10"3 (519 247)4,43 • 104 = 12049,6 куб.м/год.1. Рекультивация полигона

212. Рекультивация полигона включает в себя:

213. Стабилизацию территории хранилища отходов (завоз грунта, его планировка; выполаживание откосов купола покрытия).

214. Сооружение системы дегазации (устройство газоотводных систем-колодцев).

215. Создание купола рекультивации (устройство многофункционального купола покрытия).

216. Проведение биологического этапа рекультивации продолжительностью 4 года (устройство слоя из растительного грунта; подбор ассортимента многолетних трав; посев и уход за посевами).

217. Затраты на землеотведение под полигон ТБО, в ценах текущего периода4,43 га • 5670 $/га = 25670 $/год.

218. При подсчете чистого дисконтированного дохода необходимо принять во внимание рост цен на энергетическое топливо. Рост цен принимается равным 5% в год.

219. Затраты на воду для полигона ТПО, в 1{енах текущего периода

220. Цена одного кубического метра чистой воды составляет в ценах текущего периода 4р.46 коп.

221. Итого: 6342,2 + 1111,2 + 540 + 500 =8493,4 $/год.

222. Затраты на рекультивацию полигона

223. Затраты на завоз дополнительного грунта (см. ЕниР Е-2, вып.1), в ценах текущего периода30300кв.м • 1,5 м 45450 куб.м,45450 С0"60'1) -31= 8468 р. = 314 $.100

224. Устройство многофункционального купола покрытия в расчете на 3,03 га оценивается (в текущем периоде) 72000 р. 34. = 2667 $.

225. Итого на рекультивацию: 314 + 2667 + 151 + 595 + 22 + 1956 + 204 • 56725 $/год.

226. Затраты на заработную плату обслуживающего персонала полигона

227. Затраты на зарплату персонала полигона в ценах текущего периода и с начислениями составят примерно (в расчете на 7 человек персонала)67200 р. = 2490 $.

228. Прочие неучтенные затраты полигона

229. В данном расчете прочие затраты не учтены в связи с недостаточностью исходных данных.