автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка и исследование эжекторной камеры сгорания пиролизных газов при газификации твердых бытовых отходов

На правах рукописи

НЕФЁДОВА ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЖЕКТОРНОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ПИРОЛИЗНЫХ ГАЗОВ ПРИ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

05.17.08 - процессы и аппараты химических технологий 05.14.04 - промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре инженерной экологии городского хозяйства Московского государственного университета инженерной экологии (МГУИЭ)

Научные руководители чл -корр РАН, д т н , проф

СИСТЕР Владимир Григорьевич д т н , проф

ГОНОПОЛЬСКИЙ Адам Михайлович

Официальные оппоненты д т н проф

ТРОШКИН Олег Александрович засл деятель науки, д т н , проф МЕДВЕДЕВ Виктор Тихонович

Ведущая организация Федеральное государственное унитарное предприятие Московское машиностроительное производственное предприятие «Салют»

Защита состоится « 19 » мая 2005 г в 14 00 ч на заседании диссертационного совета по защите докторских диссертаций Д 212 145 01 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу 105066, Москва Б-66, ул Старая Басманная, 21/4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии

Автореферат разослан « 18 » апреля 2005 г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Существующие в настоящее время схемы мусоросжигательных заводов (МСЗ) используют для получения как электрической, так и тепловой энергии паровой или пароводяной цикл В этом случае отходящие топочные газы являются лишь транспортной средой для переноса энергии от пламени топки к энергоносителю - воде, таким образом, непосредственно для производства энергии (например, с помощью газотурбинных установок) не используется полезная высокоэнтальпийная часть отходящих газов

Для реализации этой задачи следует изменить существующую схему получения энергии при переработке твердых бытовых отходов (ТБО) путем повышения существующих параметров отходящих газов (температуры и давления) до необходимых для работы газовой турбины Но все существующие мусоросжигательные заводы работают под разрежением Коэффициент полезного действия (кпд) энергопроизводства такого предприятия составляет 25-28% Анализ параметров потока отходящих газов полученных при сжигании твердых бытовых отходов с избытком воздуха на МСЗ показал, что при компримировании его до параметров рабочего тела газотурбинной установки, общий энергетический кпд будет отрицательным Поэтому в работе предложено перевести процесс термической переработки ТБО в режим газификации или пиролиза При этом в потоке отходящих газов образуются горючие компоненты, которые при последующем экзотермическом окислении позволяют поднять параметры потока до параметров рабочего тела газотурбинной установки

Для реализации в схеме энергопроизводства на МСЗ бинарного парогазового цикла необходимо создание аппарата, позволяющего согласовать параметры отходящих газов с параметрами, необходимыми для работы газовой турбины

В качестве такого аппарата в диссертации предложена и исследована эжекторная камера сгорания смеси отходящих пиролизных газов с воздухом при термической переработке твердых бытовых отходов

Целью работы является

- разработка эжекторной камеры сгорания пиролизных газов для обеспечения работы мусоросжигательных заводов по бинарному парогазовому циклу производства энергии,

- теоретическое и экспериментальное исследование физико-химических процессов протекающих в эжекторной камере сгорания пиролизных газов,

- разработка инженерной методики расчета эжекторной камеры для системы энергопроизводств на предприятиях по термической переработке твердых бытовых отходов

Научная новизна.

- Теоретически обоснован и исследован экзотермический процесс в эжекторной камере сгорания

- Разработана физико-математическая модель течения смеси экзотермически реагирующих отходящих пиролизных газов

- Разработана и апробирована инженерная методика расчета эжекторных камер сгорания для пиролизных газов

Защищаемые положения.

- результаты разработки и экспериментальных исследований эжекторной камеры сгорания, позволяющей реализовать парогазовую схему энергопроизводства на мусоросжигательном заводе,

- физико-математическую модель и результаты численного исследования процессов в эжекторной камере сгорания,

- инженерную методику расчета эжекторной камеры сгорания

Практическая значимость. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований показана возможность реализации схем энергопроизводства при использовании существующего оборудования и без реконструкции действующих мусоросжигательных заводов путем установки дополнительного оборудования

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды» (г Москва, 2002 г),

VI и VII Международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (г Москва, 2002-2003 г г),

Научно-практической конференции «Внедрение

природоохранных технологий и оборудования в коммунальное хозяйство» (г Москва 2003 г),

Круглый стол РАН, секция «Экология города» (г Москва 2004

г),

Международном конгрессе ЭТЭВК-2003 (г Ялта, 2003 г)

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 статей и тезисов докладов

По материалам диссертации получено 2 положительных решения по заявкам на патенты РФ (заявка № 2003131092 от 23 10 ОЗг и заявка № 2003131091 от 23.10 ОЗг)

Объем работы Диссертационная работа объемом 116 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 121 источника, иллюстрирована 19 рисунками, 4 таблицами и приложением на 21 страницах

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, указываются ее цели, научная новизна и основные положения

В первой главе представлен литературный обзор существующих методов термической переработки твердых бытовых отходов (ТБО), технологических схем и применяемого оборудования для утилизация тепла отходящих печных газов

Сделан анализ существующего оборудования для согласования параметров отходящих пиролизных газов с параметрами, необходимыми для работы газовой турбины

Сформулированы выводы по литературному обзору и анализу условий проведения известных процессов термической переработки ТБО и применяемого оборудования в существующих схемах на мусоросжигательных заводах

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, методов и результатов экспериментальных исследований

Эксперименты по исследованию характеристик эжекторной камеры сгорания (ЭКС) проводились на серийной установке для высокотемпературной утилизации промышленных отходов инсинераторе ИН 50 02x2 производства ОАО «Турмалин»

Установка (рис 1) состоит из печного агрегата, системы дымоходов с дымовой трубой, теплообменника, циклона, скруббера, дымососа и топливных баков.

1 - термопары. 2 - датчик разрежения, 3 - датчик-реле потока 4 - насосы теплообменника 5 - манометр. 6 - датчик-реле уровня воды, 7 - насос скруббера 8 * датчик температуры отходящих газов, 9 - замок загрузочных люков

Рис 1 Схема установки

Инсинератор ИН-50.02х2 состоит из печи с двумя камерами сжигания и общей камерой дожигания Камеры сжигания смежные, разделены общей жаропрочной перегородкой, оборудованы индивидуальными загрузочными устройствами, выгружными люками и зольниками Камера дожигания расположена под камерами сжигания и за задней стенкой камер сжигания Под воздействием теплоты горелки и стен камеры сжигания загруженные отходы разлагаются, практически, без доступа воздуха, а образовавшийся пиролизный газ, пройдя через факел горелки, поступает в камеру дожигания, где сгорает при высокой температуре реакции окисления пиролизных газов

Из камеры дожигания дымовые газы поступают в водогрейный теплообменник, где охлаждаются и направляются на первичную очистку от пыли в циклоне Доочистка от пыли и нейтрализация кислотных составляющих, содержащихся в отходящих газах, осуществляются в скруббере, куда подается 10% щелочной раствор. Очищенные газы с помощью дымососа направляются в дымовую трубу и выбрасываются в атмосферу Процесс горения в инсинераторе проходит при температуре 650°С в камере сжигания и 1100°С в камере дожигания Эти температуры поддерживаются путем включения и выключения горелки в камере сжигания с помощью термопары, находящейся в камере дожигания Для проведения экспериментов в имеющемся в печи отверстии для горелки (одна из горелок при эксперименте была выключена и снята с печной установки), был установлен байпасный трубопровод для отбора газа, направляемого в пассивное сопло эжекторной камеры сгорания В активное кольцевое сопло эжекторной камеры сгорания, подавался воздух под давлением 0,75 МПа

При испытаниях измерялись полное давление активного газа перед центральным соплом, полное давление эжектируемого топочного газа перед пассивным соплом при помощи манометра типа МТИ (датчиком полного давления) Температуры высоконапорного, низконапорного газа и температуры в камере сгорания измерялись при помощи термоэлектрического преобразователя типа ТХА 008-000 Точность измерения температуры составляет ±5-10%. Измерение состава газов во всех точках замеров измерялось с помощью переносного газоанализатора ПЭМ-2М В газоанализаторе использован оптико-абсорбционный метод анализа газа, основанный на измерении поглощения инфракрасной энергии излучения анализируемым компонентом Степень поглощения инфракрасной энергии излучения зависит от концентрации анализируемого компонента в газовой смеси Каждому газу присуща своя область длин волн поглощения

Это обуславливает возможность проведения избирательного анализа газов Газоанализатор предназначен для одновременного измерения 02, СО, С02 СН4, Н2) температуры, влажности и давления (предел допускаемой погрешности измерений -10%)

По полученным экспериментальным данным были построены графики зависимостей образования газообразных компонентов от температуры, а также зависимости температуры и давления на выходе из ЭКС от давления, поступающего в активное сопло из компрессора (рис 2, 3) Результаты эксперимента были обработаны методом наименьших квадратов и получены эмпирические зависимости описывающие эту зависимость

Рис 2 Зависимость температуры на выходе из эжекторной камеры сгорания ЭКС от давления на выходе из компрессора

Рис 3 Зависимость давления на выходе из эжекторной камеры сгорания ЭКС от давления на выходе из компрессора

В третьей главе описана газодинамическая модель течения реагирующих потоков пиролизных газов в эжекторной камере сгорания Обосновано применение одномерной модели расчета течения реагирующих газов в эжекторной камере сгорания

При разработке модели принимались во внимание следующие факторы

- адекватность экспериментальным данным, прежде всего по интегральным характеристикам процесса;

- возможность единого непротиворечивого описания как струйных, так и каналовых двухфазных потоков отходящих газов заводов по термической переработке твердых бытовых отходов (ТБО).

В работе описывается процесса течения химически реагирующих газов в канале ЭКС с помощью одномерной стационарной модели течения невязкого, нетеплопроводного газа в цилиндрическом канале со вдувом.

Расчетная система уравнений имела вид: уравнение неразрывности -

уравнение движения -рии'+ик1Р=0

•упяттеттие состояния -

Р'ЕАфР;

q•^a(h-l +—\ Змена -

I * 2)

2к =Т2<И ШТ- ермодинамического потенциала компонента -1= Ч '

уравнение скорости реакции -

ш^ксс-ксл-

I ! пе 1 Ав

уравнение для энтальпии смеси пиролизных газов-

где В, С, Y, Z - химические символы реагентов, а Ь, с, у, ( -стехиометрические коэффициенты, то тепловой эффект реакции" СМРД) = [У'у(рЛ) + а2(р,Т) + ...] - [Ыв(р,Т) + с1с(Р,Т) + ...]

Пересчет тепловых эффектов от стандартных условий к интересующим давлениям и температурам осуществляется с использованием ^бычн^х термодинамических соотношений

где Р- давление, р - плотность, и - скорость, Л - энтальпия, Т -температура, С, Ш, К, Ф- концентрация, скорость, константа скорости реакции и термодинамический потенциал, £ - площадь поперечного сечения канала, А,р, - константы; 2 - безразмерный параметр, в - осевой расход, д - расход газа, Оэ - экзотермический эффект, О* - тепловой эффект реакции; ф - доля сечения канала, занятая газовой фазой, а - коэффициент теплообмена; /„ энтальпия стенки канала, я - тепловой поток через единицу длины стенки канала, индекс 'Г = 1-4 соответствует следующим компонентам 02, Н2, СО; СН4, индекс ']' соответствует числу обратимых реакций между компонентами

Сопоставление результатов расчета и экспериментов по определению концентраций реагирующих компонентов показывает, что оценить расчетным путем среднемассовую концентрацию веществ в выходном сечении камеры сгорания можно по предлагаемой одномерной модели с точностью не меньше 40% (рис. 4а, б, в, г)

0 55 0 60 0 65 0 70 0 75 ПВО 0 66 О 9С О ВЬ 100 1 05 Р^С 43

а-коэффициент избытка ви;духз 10

а-коэффициент избытка воздуха

14

об 4 ■

2

04 06 08 10 1,2 14 16 18 20 22

Рис. 4в

а-коэффициент избытка воздуха

о 4

О

8 «

¥

10

16

18

20

« Рис 4г

а-коэффипнент избытка воздуха

В исследованном интервале экспериментальных параметров результаты представленные на рис 2, 3, 4а, 4б, 4в, 4г апроксимируются следующими эмпирическими соотношениями Ссо=23,6029-29,3429а+5,7143а2; СН2=28,466-44,55629а+16,2345а2 Ссса-7,1048+10,1573а+4,9336а2, Со2=-14,7467+18,1507а+3,2063аг Рэкс=-3,35+10,11од10(Р,омл); Тэкс=-11,1+398,9Юд10{Ткомп);

В совокупности эти соотношения составляют основу инженерной методики расчета и проектирования эжекторных камер сгорания пиролизных газов мусоросжигательных заводов

В четвертой главе описаны перспективы использования эжекторной камеры сгорания на мусоросжигательном заводе, выбраны газотурбинная установка и компрессор

Предложена и рассчитана по инженерной методике следующая схема газового цикла для повышения эффективности производства электрической и тепловой энергии на базе предприятий по термической переработке отходов процесс термической переработки отходов ведут в режиме пиролиза с коэффициентом избытка воздуха а равным 0,5-0,7, для создания в потоке отходящих топочных газов (ОТГ) веществ, способных экзотермически реагировать при окислении с кислородом воздуха, ОТГ направляются в устройство для согласования параметров ОТГ, эжекторную камеру сгорания, с параметрами газового потока, необходимыми для устойчивой работы газотурбинного агрегата

парогазового цикла, где происходит тепловыделение за счет экзотермических реакций окисления неполных окислов, содержащихся в ОТГ, полученный газовый поток с параметрами, достаточными для работы низконапорной теплофикационной газотурбинной установки направляется в газотурбинный агрегат парогазового цикла и далее в паротурбинную установку парового цикла Схема парогазовой установки с котлом утилизатором реализующая предложенный способ, приведена на рис 5

Рис 5 Структурная схема парогазовой установки с котлом-утилизатором на мусоросжигательном заводе I - реактор термической переработки отходов. II - воздушный компрессор III - устройство для согласования параметров потока отходящих топочных газов с параметрами газового потока необходимого для стабильной работы газотурбинного агрегата (газоструйный компрессор). IV - устройство для воспламенения газовоздушной смеси, V - газотурбинный агрегат. VI -электрогенератор газотурбинной установки, VII парогенератор. VIII паровая турбина, IX - электрогенератор паровой турбины, X - конденсатор, XI - теплофикационный пароводяной теплообменник, XII - насосы. ХШ -газоводяной теплообменник

В большинстве случаев при термической переработке отходов, отходящие топочные газы имеют сравнительно высокую температуру (как правило, значения составляют 1000-1200 К), достаточную для реализации газотурбинного цикла в технологии утилизации тепла отходящих топочных газов с высоким КПД На рис 6 показаны зависимости КПД бинарной парогазовой установки и температуры отработавших в газотурбинной установке газов, которые теоретически могут быть достигнуты в парогазовом цикле малой тепло-энергоцентрали на базе

1

Шлак

XII

мусоросжигательного завода, от степени сжатия и начальной температуры.

Рис. 6. Зависимость температуры отработавших в газотурбинной установке газов и КПД бинарной парогазовой установки от степени сжатия компрессора Тз - температура газа на входе в турбину, ек - степень сжатия компрессора

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований создана эжекторная камера сгорания отходящих пиролизных газов заводов по термической переработке отходов, обеспечивающая внедрение на них бинарного парогазового цикла производства энергии с общим КПД в 2,6 раза превышающим существующий уровень

2. На основе анализа экспериментальных данных по исследованию течения экзотермически реагирующих отходящих пиролизных газов разработана газодинамическая модель стационарного течения гетерогенной газовой смеси с объемным тепловыделением, адекватно отражающая процессы в эжекторной камере сгорания

3. Разработана и апробирована при проектировании перспективных схем энергопроизводств на мусоросжигательных заводах инженерная методика расчета эжекторных камер сгорания

4. В результате теоретических и экспериментальных исследований показана возможность реализации бинарных схем энергопроизводства при модернизации существующего оборудования действующих мусоросжигательных заводов Москвы

и

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1 Систер ВГ, Гонопольский АМ, Нефедова ЮА, Щепилло Л В , Москвичев В Ф Энергетическая переработка отходов Сборник докладов междунар конф «Техника и технология экологически чистых производств», М МГУИЭ, 2002 С 50-52

2 Гонопольский А М, Нефедова Ю А, Федоров Л Г, Щепилло Л В, Москвичев В Ф Твердые бытовые отходы как энергетическое топливо Сборник «Инженерная защита окружающей среды» М МГУИЭ, 2002 С 56-60

3 Систер В Г, Гонопольский А М, Нефедова Ю А, Щепилло Л В, Современные технологии производства энергии на заводах по термической переработке ТБО Сб докладов Межд Конгресса ЭТЭВК-2003 Ялта, 2003 С 375-379

4 Систер В Г, Гонопольский АМ, Нефедова ЮА, Щепилло Л В, V возможности перевода печей кипящего слоя МСЗ №4 в пиролизный режим Сб тезисов и докладов «Доркомэкспо Дорожное и коммунальное хозяйство» М , 2003 С 69-70

5 Гонопольский А М, Николайкина Н Е, Нефедова Ю А , Щепилло Л В Пиролизная переработка твердых отходов авиапредприятий с использованием отработавших ГТД Научный вестник МГТУ ГА «Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники Безопасность полетов», № 66 М , 2003 С 121-123.

6. Систер В Г, Гонопольский А М, Нефедова Ю А, Щепилло Л В Исследование течения реагирующей смеси оходящих пиролизных газов с воздухом в камере сгорания эжекторного типа «Химическое и нефтехимическое машиностроение», №5, М , 2004 С 33-37

7. Систер В Г, Гонопольский А М, Нефедова Ю А, Щепилло Л В

Положительное решение на патент (заявка № 2003131092 от

23 10 03) «Камера сжигания пиролизных газов»

8. Систер В Г, Гонопольский А М Нефедова Ю А, Щепилло Л В

Положительное решение на патент (заявка № 2003131091 от

2310 03) «Способ утилизации тепла отходящих топочных газов пиролизного реактора термической переработки отходов и оборудование для его осуществления»

19 :_____ 200b

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. ТБО как энергетическое топливо.

1.2. Энергетическая переработка отходов.

1.3. Особенности технологий получения энергии при переработке отходов методом сжигания.

1.3.1. Сжигание.

1.3.2. Низкотемпературный пиролиз.

1.3.3. Высокотемпературный пиролиз.

1.4. Способы повышения эффективности утилизации тепла от сжигания отходов на мусоросжигательных заводах.

1.5. Оборудование для согласования параметров отходящих газов с параметрами газовой турбины.

J 1.5.1. Струйный компрессор.

Глава 2. Экспериментальная установка.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.2. Методика и аппаратура измерений.

2.3. Оценка погрешностей измерений.

Глава 3. Газодинамическая модель течения реагирующих потоков пиролизных газов в эжекторной камере сгорания.

3.1. Общая математическая модель описания химических процессов в неизотермических турбулентных многокомпонентных системах с переменной плотностью.

3.2. Обоснование применения одномерной модели расчета течения реагирующих газов в эжекторной камере сгорания.

3.3. Сопоставление результатов эксперимента с расчетом по одномерной модели.

3.4. Инженерная методика расчета эжекторной камеры сгорания для отходящих пиролизных газов МСЗ.

Глава 4. Перспективы использования эжекторной камеры сгорания на мусоросжигательном заводе.

4.1. Выбор газотурбинной установки для МСЗ.

4.2. Выбор компрессора.

4.3. Ожидаемые параметры бинарного цикла.

Выводы.

Актуальность проблемы.

Повышение эффективности использования и экономии энергоресурсов является одной из важнейших проблем топливно-энергетического комплекса страны, а так как отходы, в целом, являются существенным потенциальным источником энергии для экономики страны, то в условиях создавшейся экономической ситуации в стране, когда растет стоимость добычи и транспортирования топливно-энергетических ресурсов, актуальной становится задача поиска резервов экономии первичных энергоресурсов, определения способов повышения эффективности энергоиспользования при реконструкции действующих и проектировании новых предприятий,, в том числе и предприятий по переработке отходов.

Уменьшение потребления первичных энергоресурсов за счет вовлечения в производственный цикл вторичной энергии способствует решению одновременно двух задач: экономии затрат на добычу первичных энергоресурсов и улучшению экологической обстановки. При этом решение последней задачи обуславливается уменьшением вредных выбросов за счет уменьшения количества сжигаемого топлива и захоронением значительно меньшего количества отходов.

Существующие в настоящее время схемы мусоросжигательных заводов (МСЗ) используют для получения как электрической, так и тепловой энергии паровой или пароводяной цикл. В этом случае отходящие топочные газы являются лишь транспортной средой для переноса энергии от пламени топки к энергоносителю - воде.

И непосредственно для производства энергии (например, с помощью газотурбинных установок) не используется полезная высокоэнтальпийная часть отходящих газов. В этом случае энергетический к.п.д. системы производства энергии на МСЗ во всем мире не превосходят 23-28%. В это же время в большой энергетике эта величина достигает 48-55%. При этом актуальность решения задачи повышения энергоэффективности МСЗ становится очевидной. Для реализации этой задачи надо изменить существующую схему получения тепла и энергии при переработке твердых бытовых отходов (ТБО) с помощью повышения существующих параметров отходящих газов (температуру и давление) до необходимых для работы газовой турбины. Но все существующие мусоросжигательные заводы работают под разрежением и потому поток отходящих газов МСЗ не может использоваться в качестве рабочего тела газотурбинной установки. Поэтому для реализации в схеме энергопроизводства на МСЗ бинарного парогазового цикла необходимо создание аппарата, позволяющего согласовать параметры отходящих газов с параметрами, необходимыми для работы газовой турбины в парогазовом цикле. В качестве такого аппарата в диссертации предложена и исследована эжекторная камера сгорания смеси отходящих пиролизных газов с воздухом при термической переработке твердых бытовых отходов.

Цель работы. 1) разработка эжекторной камеры сгорания пиролизных газов для обеспечения работы мусоросжигательных заводов по парогазовому циклу производства энергии; 2) теоретическое и экспериментальное исследование физико-химических процессов, протекающих в эжекторной камере сгорания пиролизных газов; 3) разработка инженерной методики расчета эжекторной камеры для системы энергопроизводств на предприятиях по термической переработке твердых бытовых отходов.

Методы исследования. Цель, поставленная в работе, достигнута с использованием следующих методов исследования:

- сбор и обработка информации по проблемам использования аппаратов эжекторного типа в энергетических схемах промышленных предприятий;

- разработка и экспериментальная апробация физико-математических моделей соответствующих процессов;

- использование современных методов и приборов для получения экспериментальных данных;

- аналитическое и численное исследование процессов, протекающих в камере сгорания эжекторного типа при различных параметрах;

- статистическая обработка результатов экспериментов.

Научная новизна. 1. Теоретически обоснован и исследован экзотермический процесс в эжекторной камере сгорания. 2. Разработана физико-математическая модель течения смеси экзотермически реагирующих отходящих пиролизных газов. 3. Разработана и апробирована инженерная методика расчета эжекторных камер сгорания для пиролизных газов.

Практическую значимость работы составляют 1) на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований показана возможность реализации схем энергопроизводства при использовании существующего оборудования и без реконструкции действующих мусоросжигательных заводов путем установки дополнительного оборудования.

Автор защищает: 1) результаты разработки и экспериментальных исследований эжекторной камеры сгорания, позволяющей реализовать парогазовую схему энергопроизводства на мусоросжигательном заводе; 2) физико-математическую модель и результаты численного исследования процессов в эжекторной камере сгорания.

Достоверность представленных научных результатов обеспечивается: 1) использованием фундаментальных законов при построении физико-математических моделей для анализа процессов газодинамики, тепло- и массообмена, химической кинетики и термодинамики в эжекторной камере сграния. 2) использованием собственных апробированных в научной практике методов расчёта термодинамических процессов. 3) использованием экспериментальных данных, полученных на основе стандартизованных методов исследования; 4) сопоставимостью результатов математического и компьютерного моделирования с известными результатами испытаний существующих опытных установок.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды» (г. Москва, 2002 г.); VI и VII Международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (г. Москва, 2002-2003 г.г.); Научно-практической конференции «Внедрение природоохранных технологий и оборудования в коммунальное хозяйство» (г. Москва, 2003 г.); Круглый стол РАН, секция «Экология города» (г. Москва, 2004 г.); Вейст-тек (г. Ялта, 2003 г.).

Результаты работы использованы при разработке перспективных схем энергопроизводства на проектируемых мусоросжигательных заводах ГУП «Экотехпром» в соответствии с Постановлением Правительства Москвы №164 от 23.03.04 г.

По теме диссертационной работы опубликовано 6 статей и тезисы 5 докладов, получены 2 положительных решения по заявкам на патенты РФ.

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям члену-корреспонденту РАН, доктору технических наук, профессору Систеру Владимиру Григорьевичу и доктору технических наук, профессору Гонопольскому Адаму Михайловичу за помощь в процессе выполнения работы, коллективу кафедры «Инженерная экология городского хозяйства» в Московском государственном университете инженерной экологии за советы и замечания, высказанные при подготовке и обсуждении диссертации.

Выводы по диссертации

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований создана эжекторная камера сгорания отходящих пиролизных газов заводов по термической переработке отходов, обеспечивающая внедрение на них бинарного парогазового цикла производства энергии с общим КПД в 2,6 раза превышающим существующий уровень.

2. На основе анализа экспериментальных данных по исследованию течения экзотермически реагирующих отходящих пиролизных газов разработана газодинамическая модель стационарного течения гетерогенной газовой смеси с объемным тепловыделением, адекватно отражающая процессы в эжекторной камере сгорания.

3. Разработана и апробирована при проектировании перспективных схем энергопроизводств на мусоросжигательных заводах инженерная методика расчета эжекторных камер сгорания.

4. В результате теоретических и экспериментальных исследований показана возможность реализации бинарных схем энергопроизводства при модернизации существующего оборудования действующих мусоросжигательных заводов Москвы.

1. Пан JI.H. Сб. статей Лаб. биогеохим. оценок загрязнения окружающей среды Ин-та водных и экол. проблем ДВО РАН.

2. Дуденков С.В., Зайцев В.А., Пекелис Г.Л. и др. Рациональное использование твердых бытовых отходов. Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов. Т. 15. М.: ВИНИТИ, 1984.

3. Михеев О.В., Мельник Л.Г., Шепеленко А.Н. В борьбе с драконом «Когай»: Опыт природопользования в Японии. М.: Наука, 1991.

4. Тихоцкая КС. Япония: проблемы утилизации отходов. М.: Наука, 1992.

5. Чередниченко B.C., Казанов А.М, Анъшаков А.С. и др. Современные методы переработки твердых бытовых отходов. Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 1995.

6. Информационное пособие «Современное состояние и перспективы развития технологий переработки твердых бытовых отходов». Отчет института «МосводоканалНИИпроект» №650-НИР-Б, М., 1997.

7. АбрамовН.Ф. «Чистый город», №1, 1998. С.34

8. Справочник. Санитарная очистка и уборка населенных мест. Под редакцией А.Н. Мирного. М., АКХ им. К.Д. Памфилова, 1997.

9. Беньямовский Д.Н. Термические методы обезвреживания твердых бытовых отходов. М., Стройиздат, 1979.

10. Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. М.: Стройиздат, 1988.

11. И. The Development a Waste management policy in Northern Ireland, Wilcock D.N., J. Inst. Water and Environ. Manag. (Gr. Brit.), №5, 1994, C. 546551.

12. Систер В.Г., Гонопольский A.M., Нефёдова Ю.А., Щепилло Л.В., Москвичев В.Ф. Энергетическая переработка отходов. Доклад «Техника и технология экологически чистых производств». М., 2002. С. 50-52.

13. Strategic Waste Disposal in London Planning Advisory Committee, apr. 1995.

14. Установки для очистки топочных газов. ЭИ. Сер. Благоустройство и санитарное содержание населенных мест. Ин-т экономики ЖКХ, Вып. 17 (33). 1990.

15. Гонопольский A.M., Нефёдова Ю.А., Фёдоров Л.Г., Щепилло Л.В., Москвичев В. Ф. Твердые бытовые отходы как энергетическое топливо. Сб. «Инженерная защита окружающей среды». М.: МГУИЭ, 2002. С. 56-60.

16. Очистка газа, образующегося при сжигании отходов. ЭИ. Сер. Благоустройство и содержание населенных мест. Ин-т экономики ЖКХ, Вып. 8(17). 1990.

17. Управление отходами. Экспресс-информация. М., ГП «Экотехпром», АОЗТ «ПЭТ», вып. №3, 1995.18. «Разработка предложений по перспективным технологиям термической переработки ТБО в России». Отчет НПО «Алгон» и ГНЦ «Гинцветмет», М., 1995.

18. Chem. Ing. -Techn., №7. 1993. С.780.

19. Систер В.Г., Гонопольский A.M., Нефёдова Ю.А., Щепилло Л.В., Современные технологии производства энергии на заводах по термической переработке ТБО. Сб. докладов Межд. Конгресса ЭТЭВК-2003. Ялта, 2003. С. 375-379.

20. Шталъберг Р., Фойерригель У. Термоселект — получение энергии и сырья, часть 1: основы способа непрерывной утилизации остаточных отходов. «Химическая техника», №5, 1994. С. 257-266.

21. Шталъберг Р., Фойерригель У. Термоселект получение энергии и сырья, часть 2: исследования, проведенные на установке Термоселект в Фондоточе (Италия). «Химическая техника», №1, 1995. С. 1-10.

22. Шергинев Е.С. и др. Экология и промышленность России. 1999. С. 42-44.

23. Багдасаров Р.С. Управление отходами в Москве. ГП «Экотехпром», М., Спецвыпуск, 1997, С. 21-26.

24. Систер В.Г., Гонополъский A.M., Нефёдова Ю.А., Щепилло Л.В., О возможности перевода печей кипящего слоя МСЗ №4 в пиролизный режим. Сб. тезисов и докладов «Доркомэкспо. Дорожное и коммунальное хозяйство». М., 2003. С. 69-70.

25. Управление отходами. Экспресс информация. М., ГП «Экотехпром», АОЗТ «ПЭТ», вып. 2, 1999.

26. Управление отходами. Экспресс информация. М., ГП «Экотехпром», вып. №3, 1995.

27. Управление отходами. Экспресс информация. М., ГП «Экотехпром», АОЗТ «ПЭТ», вып. №2, 1995.

28. Хельтер X., Левин Б.И. О новых подходах к технологии термической переработки твердых бытовых отходов. «Чистый город», № 1. С. 23-27. 1999.

29. Виллевалъд Р.С., Беньямовский Д.Н. Проектирование и эксплуатация мусоросжигательных заводов. М.: Стройиздат. С.52. 1982.

30. Фёдоров Л.Г. Тенденции развития мусороперегрузочных станций в Московском регионе. «Чистый город», № 2. С. 8-16. 1998.

31. Любина Ю.Л., Сурис А.Л. Газификация твердых органических веществ в шахтном реакторе. ХНГМ, № 1, 2000. С. 12-15.

32. Сурис А.Л. Термодинамика высокотемпературных процессов. Справочник. М.: Металлургия, 1985. С. 568.

33. The Development a Waste management policy in Northern Ireland, Wilcock D.N., J. Inst. Water and Environ. Manag (Gr. Brit.). 1994, № 5. C. 546551.

34. Систер В.Г., Мирный А.Н. Современный технологии обезвреживания и утилизации твердых бытовых отходов. М.: Академия коммунального хозяйства, 2003. С.304.

35. Родионов A.M., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности. Калуга: Изд. Н. Бочкаровой, 2000. С. 800.

36. Паровые и газовые турбины. Под. ред. Кастюка А.Г. и Фролова В.В. М.: Энергоатомиздат, 1985.

37. Систер В.Г. Химико-термические технологии переработки твердых бытовых отходов. М.: ФГУП «ВИМИ», 2003. С.80.

38. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976.

39. Овчинников О.Н. Влияние входного профиля скорости на работу диффузоров. Труды Ленингр. политех, ин-та. №76. 1955.

40. Бедржицкий E.JI. Исследование дозвуковых диффузоров. Серия пром. аэродинамика. № 1 (33). Сб. Аэродинамика лопаточных машин, каналов и струйных течений. М.: Машиностроение. 1980.

41. Борисов С.Ю. Исследование работы эжектора и диффузора трансзвуковой аэродинамической трубы. Труды ЦАГИ. № 2439. 1990.

42. Григорян С.С. К теории газового эжектора. Сб. Теоретическая газодинамика. № 13. 1954.

43. Пузырев В.М., Тагиров Р.К. Теоретическое иледование совместного течения двумерного высоконапорого и одномерного низконапорного потоков идеального газа в эжекторных соплах. Изв. АН СССР. Мех. жидкости и газа. № 6. 1978.

44. Блюдов В.П. Конденсационные устройства паровых турбин. Госэнергоиздат, 1951.

45. Каменев П.Н. Гидроэлеваторы и другие струйные аппараты. Машстройиздат, 1950.

46. Христианович С.А., Рябинков Г.М., Миллионщиков М.Д., Требин Ф.А. Применение эжекторов в газосборных сетях. Изв. ВТИ №9 и №11, 1950.

47. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. М.: Энергия, 1970.

48. Маланичев В.А. Экспериментальной исследование сверхзвукового газового эжектора. Ученые записки ЦАГИ. XX. № 4. 1989.

49. Pearson Н., Hollidey J.B., Smith S.F.A. Theory of the Cylindrical Ejector Supersonic Propelling Nozzel "J. Of the RAS", №574, 1958.

50. Пальгунов П.П., Сумароков M.B. Утилизация промышленных отходов. М., Стройиздат, 1990.

51. Михеев В.П. Газовое топливо и его сжигание. Изд. «Недра», Ленингр. отд., Ленинград, 1966.

52. Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства. М., Недра, 1972.

53. Быков В.В., Файзулина Т.С. Газопламенные горелки. М.: Наука. 1974.

54. АрсеевА.В. Сжигание природного газа. М.: Металлургиздат. 1963.

55. Спейшер В.А. Сжигание газа на электростанциях и в промышленности. М., Госэнергоиздат, 1966.

56. Льюис Б. И Эльбе Г. Горение, пламя и взрыв в газах. М., изд-во ИЛ, 1951.

57. Богородская М.Т. Изучение процесса сжигания сланцевого газа и его смесей с природным газом. Изд. АКХ им. К.Д. Памфилова, 1958.

58. Хоттелъ Г., Гаурсон В. Дифузия в пламени в ламинарном потоке. «Вопросы горения». №1. М.: ИЛ. 1953.

59. Левин A.M. Теория и практика сжигания газа. М., Гостоптехиздат, 1958.

60. Маланичев В.А. Иследование оптимальности критического режима работы сверхзвукового газового эжектора. Труды ЦАГИ, № 2519. 1994.

61. Никольский А.А., Шустов В.И. Критические режимы газовых эжекторов больших перепадов давлений. Сб. работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. БНИ ЦАГИ. 1961.

62. Васильев Ю.Н. Газовые эжекторы со сверхзвуковыми соплами. Сб. работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. 1961.

63. Зайцев Е.Г., Рябинков Г.М. Исследование течения газа в камере смешения эжектора. Труды НАГИ, № 2398. 1988.

64. Локотко А.В., Харитонов A.M., Чернышев А.В. исследование процесса смешения в канале прямоугольного сечения со сверхзвуковой скоростью течения. Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск. 1998.

65. Урюков Б.А. Теория дифференциального эжектора. ПМТФ, № 5. 1963.

66. Васильев Ю.Н Газовые эжекторы со сверхзвуковыми соплами. Сб. работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. БНИ ЦАГИ. 1961.

67. В.З. Компаниец, А.А. Овсянников, Л.С. Полак. Химические реакции в турбулентных потоках газа и плазмы. М.: Наука. 1979. С.242.

68. Ван Драйст. Турбулентный пограничный слой в сжимаемых средах. В кн.: Механика, 1952, № 1/11, с. 27—55.

69. Груза Г. В. Макротурбулентность в общей циркуляции атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1961. С. 104.

70. Численные методы исследования течений вязкой жидкости: Пер. с англ./ А. Д. Госмен, В. М. Пан, А. К. Ранчел, Д. Б. Сполдинг, М. Вольф-штейн. М.: Мир, 1972. С. 324.

71. Keller L. W. Uber die Ausstellung eines System von Charakteristiken der atmospharischen Turbulenz.— Журн. геофиз. метеор., 1925, т. 2, № 34, с. 275—290.

72. Keller L. W., Fridman A. A. Differentialgleichung fur die turbulente Bewegung einer komperssiblen Flussigkeit.— Proc. 1st. Intern. Congr. Appl. Mech. Delft, 1962,395—405.

73. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса.— Докл. АН СССР, 1941, т. 30, № 4, с. 299—303.

74. Компаниец В. 3., Полак Л. С., Эпштейн И. Л. Методы математического моделирования турбулентных течений.— В кн.: Плазмохимические реакции и процессы. М.: Наука, 1977, с. 135—162.

75. Монин А. С. О макротурбулентном обмене в земной атмосфере. Изв. АН СССР. Сер. геофиз., 1956, № 4, с. 452—463.

76. Ферцигер К, Капер Г. Математическая теория процессов переноса в газах: Пер. с англ. М.: Мир, 1976. 554 с.

77. Donaldson С. du P. Atmospheric turbulence and the dispersal of atmospheric pollutants.— Environ. Protection Agency Rept, 1973, N EPA-R4-73-016.

78. Donaldson C. du. P. On the modeling of the scalar correlations necessary . to construct a second-order closure description of turbulent reacting flows. Aeronaut. Res. Assoc. Princeton, Rept, 1974, N 229.

79. Donaldson C. du P., Sullivan Л. D. An invariant second-order closure mod 1 of the compressible turbulent boundary layer on a flat plate.— Aeronaut. Res. Assoc. Princeton, Rept, 1972, N 178.

80. Favre A. Statistical equations in turbulent gases.— In: Problems of hydrodynamics and continuum theory, 1969, p. 483—511.

81. Hanjalic K, Launder В. E. Contributions towards a Reynolds-stress closure for low-Reynolds-Number turbulence.— J. Fluid Mech., 1976, vol. 74, pt. 4, p. 593—610.

82. Hllst G.R., Donaldson C., du P., Teske M. E., Contilliano Д., Freiberg J. The development and preliminary application of an invariant coupled diffusion and chemistry model. NASA, 1973, CR—2295.

83. Hoffman G. Improved form of the low-Reynolds-number к — 8 model.— Phys. Fluids, 1975, vol. 18, N 3, p. 3C9—312.

84. Karman Tk Sorbonne lectures. Paris, 1950—1951.

85. Launder В. E., Spalding D. B. Mathematical models of turbulence. London: Acad. Press, 1972. 310 p.

86. Launder В. E., Spalding D. B. The numerical computation of turbulent flows.— Computer Methods Appl. and Eng., 1974, vol. 3, N 2, p. 291—305.

87. Launder В. E., Reece G., Body W. Progress in the development of a Reynolds-stress turbulents closure.— J. Fluid Mech., vol. 68, N 3, 1975, p. 537— 566.

88. Lewellen W. S., Teske M. E., Contilliano L. M, Hilst G.R., Donaldson C. du P. Invariant modeling of turbulent diffusion in the planetary boundary layer.— Environ. Protection Agency Rept, 1974, NE PA-650/4-74-035.

89. Mason H. В., Spalding D. B. Prediction of reaction rates in turbulent pre-mixed boundary layer flows.— Combust. Inst. Symp., 1973, p. 601—606.

90. Patancar S. V., Spalding D. B. Numerical prediction of some three dimensional fluid flows.— Imp. Coll. London, Heat Transfer Sect Kept, 1972, N HTS/72/4.

91. Penner S. S. Introduction to the study of chemical reactions in flow systems.— London: Butterworths Sci. Publ, 1955.

92. Prandtl L. Bemerkungen zur Theorie der freien Turbulenz.— Z. angew. Math, und Mech., 1942, Bd. 22, N 5, S. 241—243.

93. Rotta J. Beitrag zur Berechnung der turbulenten Grenzschichten. Ingr-Arch., 1951, Bd. 19, № 1, S. 31—41.

94. Rotta J. Statistische Theorie nichthomogener Turbulenz. 1 — Z. Phys., 1951, Bd. 129, N 5, S. 547—572.

95. Rotta J. Statistische Theorie, nichthomogener Turbulenz. 2.— Z. Phys., 1951, Bd. 131,N1,S. 51—71.

96. Spalding D. B. A Two-equation model of turbulence.— VDI-Forschungsh., 1972, Bd. 549, p. 5-16.

97. Spiegler E., Wolfshtein M, Manheimer-Timnat Y. A model of unmixed-ness for turbulent reacting flows.— Acta astronaut., 1976, vol. 3, p. 265— 280.

98. Varma A. K, Beddim JI. A., Sullivan Л. D., Donaldson C. du P. Application of an invariant second-order closure model to compressible turbulent shear layers.— AIAA Paper, 1974, N 74—592.

99. Yen J. 0. Kinetic theory of turbulent flow.— Phys. Fluids, 1972, vol. 15, N 10, p. 1728—1734.

100. Материалы ИПХФ РАН в Черноголовке, 1998.

101. Ольховский Г.Г. Разработка перспективных энергетических ГТУ //Теплоэнергетика. -1996. №4. С. 66-75.

102. Gas turbine plan report published //Eur. Power News. 1992. - Vol. 17. №5. P. 5-12.

103. Gas turbine world: The 1990 Handbook. Vol. 15. 1990. 219 p.

104. Uteley R. Small Gas turbines for CHP //Eur. Power News. 1992. - Vol. 17. P. 22-25.

105. Систер В.Г., Гонополъский A.M., Нефёдова Ю.А., Щепилло Л.В. Положительное решение по заявке на патент № 203131092 «Камерасгорания для сжигания пиролизных газов».

106. Систер В.Г., Гонополъский A.M., Нефёдова Ю.А., Щепилло JI.B. Исследование течения реагирующей смеси оходящих пиролизных газов с воздухом в камере сгорания эжекторного типа. «Химическое и нефтехимическое машиностроение», №5, 2004. С. 33-37.

107. Инженерная методика измерений потока запыленных газов. «НИИОГАЗ», 1990. С.30.

108. Бисенгалиева М.К. Хоть на уровне датчан // Химия и жизнь. 1992.5

109. НПФ «Термоэкология». Схема «Пироксэл»: Рекламный листок. М.: АО «ВНИИЭТО», 1995.

110. Крайко А.Н., Старков В.К., Стернин JI.E. Решение в одномерном приближении вариационных задач о построении сопла максимальной тяги при течении газа с инородными частицами. Изв. АН СССР, МЖ, №1, 1968.

111. Галюн Н.С., Крайко А.Н. Об одной вариационной задаче одномерной неравновесной газовой динамики. Изв. АН СССР, МЖ, №2, 1966.

112. Крайко А.Н., Стернин JI.E. К теории течений двухскоростной сплошной среды с твердыми и жидкими частицами. ПММ, вып. 3, т.29, 1965.

113. Крайко А.Н., Слободкина Ф.А. К решению вариационных задач одномерной магнитной гидродинамики. ПММ, вып. 3, т.29, 1965.

114. Колонина Л.И., Урюков Б. А. Определение начала зоны взаимодействия дуги, стабилизированной закрученным потоком газа пристеночным пограничным слоем. Изв. СО АН СССР (сер. техн. наук), вып. 3, №13, 1968.

115. Систер В.Г., Гонополъский A.M., Нефёдова Ю.А., Щепилло JI.B. Положительное решение по заявке на патент № 203131091 «Способобработки твердых бытовых отходов (ТБО)».