Установлено, что для устойчивого зажигания топлив на основе кека с добавлением мелкодисперсных типичных твердых бытовых отходов необходимо, чтоб температура воздуха составляла не менее 450 0C. Несмотря на то, что температура, необходимая для зажигания отдельных компонентов, например, картона, древесины, резины существенно ниже 450 0C (табл. 3), но вклад этих компонентов не является определяющим для значения предельной температуры, необходимой для зажигания топлива. Как было отмечено выше добавление разных компонентов влияет на интенсификацию процесса зажигания. На рис. 3 показаны отличия времен задержки зажигания. Длительность индукционного периода для составов с добавлением твердых бытовых отходов меньше td кека без каких-либо добавок. При добавлении древесины в состав кека времена задержки зажигания уменьшаются на 7 %, при добавлении резины – на 13 %, пластика – на 17 %, картона – на 22 %. Полученный результат свидетельствует о возможности оптимизации на практике режимов работы теплогенерирующего оборудования при добавлении разных твердых горючих компонентов в состав топлива, а также при варьировании их концентрации.

Также в результате выполненных исследований установлено, что при температурах воздуха более 1000 0C интенсивность инициирования горения высока, процессы тепломассопереноса оказывают менее существенное влияние на характеристики зажигания, чем при температурах Tg=450–1000 0C. В условиях лучистого нагрева при Tg>1000 0C времена задержки зажигания для одного и того же состава топлива отличаются несущественно. Например, при Tg=1100 0C и Tg=1200 0C отличие td составляет менее 5 %. Полученные результаты (рис. 3) позволяют сделать вывод, что температура 450 0C является предельной, необходимой для инициирования процесса горения. Полученный результат позволяет сделать важный для практического применения вывод о том, что эффективная утилизация типичных твердых бытовых отходов возможна на объектах промышленной теплоэнергетики, причем добавление таких компонентов в состав основного топлива позволит уменьшить объемы его потребления без ухудшения энергетических характеристик технологического процесса (см. значения теплоты сгорания в табл. 1).

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Анализ концентраций вредных газов в продуктах сгорания композиционного топлива выполнен для двух основных компонентов: NOx (рис. 4) и SOx (рис. 5). Концентрация оксидов углерода в дымовых газах при сжигании топлива с разными компонентами из числа типичных твердых бытовых отходов отличается менее существенно.

Рис. 4. Зависимость концентрации NOx в газообразных продуктах сгорания композиционного топлива от температуры воздуха, при которой происходило инициирование процесса горения.

Рис. 5. Зависимость концентрации SOx в газообразных продуктах сгорания композиционного топлива от температуры воздуха, при которой происходило инициирование процесса горения.

Согласно элементному составу компонентов топлива (табл. 2) содержание азота и серы в типичных твердых бытовых отходах в 2–10 раз меньше, чем в исходном кеке. Таким образом, в результате приготовления топливного состава массовая концентрация кека снижается за счет добавления твердого горючего компонента (древесины, резины, пластика, картона), содержащего меньшее количество азота и серы. Соответственно в результате сжигания такого топлива при условиях, идентичных условиям сжигания состава № 1 (кек 100 %) уменьшается концентрация основных антропогенных выбросов NOx и SOx в атмосферу. Стоит отметить, что при добавлении твердых бытовых отходов (например, пластика) в состав топлива теплота, выделяющаяся в процессе его горения, эквивалентна аналогичной характеристике при сжигании кека без каких-либо добавок (табл. 1). В некоторых случаях, например при добавлении резины, тепловой эффект процесса горения топлива превосходит это значение при сжигании кека (табл. 1). Можно сделать вывод, что при добавлении типичных твердых бытовых отходов в состав композиционного топлива в процессе его горения выделяется эквивалентное количество энергии с меньшей концентрацией основных антропогенных выбросов в дымовых газах.

Результаты, представленные на рис. 4 и 5, хорошо соответствуют данным элементного состава компонентов топлива (табл. 2). Установлено, что концентрация NOx и SOx в продуктах сгорания разных составов топлива снижается в следующей последовательности при добавлении компонентов в кек: резина, картон, древесина, пластик. Для состава № 4 (кек 90 % + пластик 10 %) характерны минимальные концентрации оксидов азота и серы в дымовых газах по сравнению с другими составами при идентичных условиях сжигания. Установлено, что для составов № 1 и 4 максимальное отличие концентраций NOx составляет 70 %, SOx – 45 %. В абсолютных единицах значения этих отличий составляют 125 ppm и 50 ppm, соответственно. Такие отличия являются достаточно существенными, т. к. максимальные концентрации NOx и SOx в газообразных продуктах сгорания кека составляют около 300 ppm и около 130 ppm (рис. 4 и 5), соответственно.

При инициировании и протекании процесса горения топлива в условиях больших температур возрастает концентрация антропогенных компонентов в дымовых газах. При варьировании температуры среды окислителя в диапазоне 700–1000 0C концентрация NOx и SOx увеличивается в 4–6 раз для всех исследованных составов композиционного жидкого топлива. Полученный результат объясняется увеличением интенсивности и полноты взаимодействия исходных компонентов топлива с окислителем. В области относительно высоких температур скорость реакции окисления азота и серы также высока. Это является причиной достаточно существенного отличия полученных результатов при Tg=700–1000 0C (рис. 4 и 5).

Выводы

Большие объемы невостребованных твердых бытовых отходов определяют перспективы их сжигания в составе композиционных жидких топлив. Разработка эффективных технологий сжигания таких топлив характеризуется положительными экологическими и экономическими эффектами. Поэтому в рамках выполненного исследования экспериментально установлены закономерности и необходимые условия зажигания капель композиционных жидких топлив на основе кека с добавлением типичных твердых бытовых отходов в количестве 10 % (древесина, резина, пластик, картон) в условиях лучистого нагрева. Условно выделены основные стадии взаимосвязанных физико-химических процессов: инертный прогрев капли, испарение влаги из приповерхностного слоя, термическое разложение твердых горючих компонентов (уголь и бытовые отходы), смешение горючих газов с окислителем, воспламенение газовой смеси и ее выгорание, прогрев твердого остатка, его гетерогенное зажигание и горение. Установлено, что температура воздуха 450 0C является минимальной, необходимой для устойчивого зажигания капли композиционного жидкого топлива. Интенсивность процесса зажигания для рассмотренных составов возрастает в следующей последовательности при добавлении компонентов в кек: древесина, резина, пластик, картон. Для состава кек 90 % + картон 10 % характерны минимальные времена задержки зажигания по сравнению с другими составами при идентичных условиях нагрева. Максимальное отличие времен задержки зажигания для составов с разными компонентами составляет 22 % в условиях лучистого нагрева (в диапазоне температур воздуха 450–1000 0C). При Tg>1000 0C времена задержки зажигания для одного и того же состава топлива отличаются несущественно (менее 5 % при td≈2.5 с). При добавлении типичных твердых бытовых отходов в состав композиционного жидкого топлива в процессе его горения выделяется эквивалентное количество энергии с меньшей концентрацией основных антропогенных выбросов в составе газообразных продуктов сгорания по сравнению с топливом без добавления отходов. Максимальное отличие концентраций NOx и SOx для таких составов топлив составляет 70 % и 45 %, соответственно. В абсолютных единицах значения этих отличий составляют 125 ppm и 50 ppm. Полученный результат характеризует достаточно существенное влияние добавок из числа твердых бытовых отходов на снижение концентрации оксидов азота и серы в дымовых газах, т. к. максимальные концентрации NOx и SOx в газообразных продуктах сгорания кека составляют около 300 ppm и около 130 ppm, соответственно.

Исследование выполнено в рамках программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского политехнического университета среди ведущих мировых научно-образовательных центров.

Литература

Hoornweg D., Bhada-Tata P. What a Waste: a Global Review of Solid Waste Management. USA, Washington DC. The World Bank. 2012. – 98 p. Moriguchi Y., Hashimoto S. Material Flow Analysis and Waste Management. Taking Stock of Industrial Ecology. Springer. 2015. P. 247–262. Edjabou M. E., Martнn-Fernбndez J. A., Scheutz C., Astrup T. F. Statistical analysis of solid waste composition data: Arithmetic mean, standard deviation and correlation coefficients. Waste Management. 2017. V. 69. P. 13–23. Wang Y., Liang S. Carbon dioxide mitigation target of China in 2020 and key economic sectors. Energy Policy. 2013. V. 58. P. 90–96. Tanguy A., Villot J., Glaus M., Laforest V., Hausler R. Service area size assessment for evaluating the spatial scale of solid waste recovery chains: A territorial perspective. Waste Management. 2017. V. 64. P. 386–396. Song J., Song D., Zhang X., Sun Y. Risk identification for PPP waste-to-energy incineration projects in China. Energy Policy. 2013. V. 61. P. 953–962. Urbancl D., Zlak J., Anicic B., Trop P., Goricanec D. The evaluation of heat production using municipal biomass co-incineration within a thermal power plant. Energy. 2016. V. 108. P. 140–147. Touљ M., Pavlas M., Putna O., Stehlнk P., Crha bined heat and power production planning in a waste-to-energy plant on a short-term basis. Energy. 2015. V. 90. P. 137–147. Milutinoviж B., Stefanoviж G., Рekiж P. S., Mijailoviж I., Tomiж M. Environmental assessment of waste management scenarios with energy recovery using life cycle assessment and multi-criteria analysis. Energy. 2017. V. 137. P. 917–926. Tan H., Zhao Y., Ling Y., Wang Y., Wang X. Emission characteristics and variation of volatile odorous compounds in the initial decomposition stage of municipal solid waste. Waste Management. 2017. V. 68. P. 677–687. Islam K. M.N. Municipal solid waste to energy generation: An approach for enhancing climate co-benefits in the urban areas of Bangladesh. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. V. 81. P. 2472–2486. Ripa M., Fiorentino G., Giani H., Clausen A., Ulgiati S. Refuse recovered biomass fuel from municipal solid waste. A life cycle assessment. Applied Energy. 2017. V. 186. P. 211–225. Faitli J., Magyar T., Erdйlyi A., Murбnyi A. Characterization of thermal properties of municipal solid waste landfills. Waste Management. 2015. V. 36. P. 213–221. Tabakaev R., Shanenkov I., Kazakov A., Zavorin A. Thermal processing of biomass into high-calorific solid composite fuel. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2017. V. 124. P. 94–102. Zasypkin I. M., Murko V. I., Fedyaev V. I., Baranova M. P. Systems of ignition and combustion stabilization for water-coal fuel // Thermal Science. 2012. V. 16(4). P. 1229–1238. Syrodoy S. V., Kuznetsov G. V., Zhakharevich A. V, Gutareva N. Yu., Salomatov V. V. The influence of the structure heterogeneity on the characteristics and conditions of the coal–water fuel particles ignition in high temperature bustion and Flame. 2017. V. 180. P. 196–206. Glushkov D. O., Strizhak P. A. Ignition of composite liquid fuel droplets based on coal and oil processing waste by heated air flow. Journal of Cleaner Production. 2017. V. 165. P. 1445–1461. Glushkov D. O., Strizhak P. A., Chernetskii M. Y. Organic coal-water fuel: Problems and advances (Review). Thermal Engineering. 2016. V. 63(10). P. 707–717. Nyashina G. S., Legros J. C., Strizhak P. A. Environmental potential of using coal-processing waste as the primary and secondary fuel for energy providers. Energies. 2017. V. 10(3). Article number 405. P 1–11. Dmitrienko M. A., Strizhak P. A. Coal-water slurries containing petrochemicals to solve problems of air pollution by coal thermal power stations and boiler plants: An introductory review. Science of the Total Environment. 2018. V. 613-614. P. 1117–1129. Dmitrienko M. A., Strizhak P. A., Tsygankova Y. S. Technoeconomic analysis of prospects of use of organic coal-water fuels of various component compositions. Chemical and Petroleum Engineering. 2017. V. 53(3-4). P. 195–202. Оценка теплотехнических свойств твердых бытовых отходов исходя из их морфологического состава. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2013. № 3 (11). С. 125–137.

Ignition characteristics of the composite fuel droplets containing municipal solid waste

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4