Характеристики зажигания капель композиционных топлив, содержащих твердые бытовые отходы (стр. 1 )

УДК 620.9.002.68

Характеристики зажигания капель композиционных топлив, содержащих твердые бытовые отходы

© Глушков* Дмитрий Олегович, Шабардин+ Дмитрий Павлович,

Кафедра автоматизации теплоэнергетических процессов. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. пр. Ленина, 30. г. Томск, 634050. Томская область. Россия. Тел.: [phone] (доп. 3439). E-mail: *****@***ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: твердые бытовые отходы, утилизация, композиционное жидкое топливо, зажигание.

Аннотация

Выполнены экспериментальные исследования процессов зажигания и горения капель композиционного жидкого топлива с добавлением в качестве твердого горючего компонента мелкодисперсных частиц типичных твердых бытовых отходов: древесины, резины, пластика, картона. Относительно небольшая концентрация (около 10 % по массе) этих компонентов в составе топлива интенсифицирует процесс зажигания при прочих равных условиях. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стенда, который позволяет изучать условия нагрева капель топлива размером около 1 мм в муфельной печи при варьировании температуры в диапазоне 400–1000 0С. В результате выполненных исследований установлены минимальные температуры, необходимые для реализации устойчивого зажигания капель композиционного жидкого топлива с добавлением типичных твердых бытовых отходов, а также зависимости времени задержки зажигания от температуры. Также установлено, что для топлив с добавлением твердых бытовых отходов характерны меньшие концентрации оксидов азота и серы в газообразных продуктах сгорания по сравнению с топливом без добавления отходов. Максимальное отличие концентраций NOx и SOx для таких топлив составляет 70 % и 45 % (в абсолютных единицах измерения 125 ppm и 50 ppm).

Введение

В настоящее время во всем мире достаточно серьезной экологической проблемой является проблема переработки и утилизации твердых бытовых отходов [1–12]. Ежегодный прирост таких отходов во всем мире составляет 1.3–1.6 млрд. тонн [1–3]. Под твердыми бытовыми отходами понимают остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, которые образовались в процессе жизнедеятельности человека, а также продукция, утратившая свои потребительские характеристики. Если оценивать степень влияния таких отходов на ухудшение экологической ситуации, то по некоторым показателям она соизмерима с влиянием угольных тепловых электрических станций и автомобильного транспорта [4], т. к. 70–80 % бытовых отходов являются невостребованными и не перерабатываются, а складируются на полигонах и загрязняют окружающую среду в результате медленно протекающего процесса термического разложения.

Согласно мировому опыту переход от складирования и захоронения отходов к их полной переработке и повторному использованию требует реализации промежуточного этапа – утилизации отходов путем сжигания с выработкой тепловой и электрической энергии [8, 12]. Такие мероприятия позволят утилизировать уже накопленные отходы, которые непригодны для повторного применения вследствие процессов термического разложения, гниения и т. д. Таким образом, актуальной задачей является разработка мероприятий для полезного использования твердых бытовых отходов с целью снижения загрузки полигонов и улучшения экологической обстановки в окрестностях этих объектов. Как правило, такие задачи решают путем непосредственного сжигания диспергированной смеси исходных компонентов с получением полезной энергии [6]. Однако, из-за относительно низкой теплотворной способности твердых бытовых отходов [13] по сравнению с традиционными углеводородными топливами [14], а также из-за высокой концентрации вредных газов (при горении пластмасс и синтетических материалов выделяются токсины и канцерогены [10]) полноценная замена углеводородного топлива горючими отходами является экономически, экологически и технически нецелесообразной.

Альтернативным вариантом решения этих проблем является применение твердых бытовых отходов в качестве компонентов жидких композиционных топлив. Такие топлива, как правило, состоят из трех основных компонентов [15–18]: низкокачественного угля, воды и отработанной горючей жидкости (трансформаторные, турбинные, автомобильные масла и т. д.). Процессы сжигания композиционных топлив характеризуются повышенными экологическими и экономическими показателями по сравнению с твердым натуральным топливом. Причиной этого являются высокая полнота сгорания топлива, состоящего из типичных промышленных отходов углеобогащения и нефтепереработки, за счет низкотемпературной активизации реакционной способности топлива на стадии воспламенения и интенсификации процесса горения при взаимодействии углерода топлива с водяным паром, протекающим параллельно с основной реакцией окисления [15–18]. Данное топливо характеризуется не только относительно высокими температурами горения, соизмеримыми с температурами горения твердого натурального топлива, но и низким содержанием вредных веществ в дымовых газах [19, 20] по сравнению с широко распространенными технологиями сжигания твердых бытовых отходов. Установленные преимущества процесса сжигания композиционного жидкого топлива по сравнению со сжиганием угля способствуют повышению рабочего ресурса основных агрегатов и вспомогательных систем ТЭС за счет меньших тепловых напряжений.

На основании оценок [21] введение типичных твердых бытовых отходов в состав композиционных жидких топлив в количестве 10–20 % позволит снизить на 20–30 % площадь территорий, вводимых для захоронения твердых бытовых отходов, и обеспечить экономию исчерпаемых углеводородных топлив, сжигаемых для производства тепловой и электрической энергии. Твердые бытовые отходы можно использовать в качестве компонентов композиционного жидкого топлива не только на объектах теплоэнергетики, но и на асфальтобетонных заводах, в цементной промышленности и т. д.

Основными компонентами твердых бытовых отходов являются: бумага и картон в количестве 25–30 % от общего объема отходов; органические отходы (включая пищевые) – 26–35 %; металл и стекло – 5–12 %; пластик – 7–10 %; древесина, текстиль и резина – по 2–4 % каждого [1–3]. Таким образом, содержание энергетических фракций (картон, бумага, дерево, текстиль, полимерные отходы) составляет около 82 % от общего объема твердых бытовых отходов.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование процессов зажигания и горения капель композиционных топлив с разными дополнительными компонентами из числа наиболее характерных твердых бытовых отходов.

Экспериментальная часть

Исследование проводилось для пяти образцов топлива на основе кека коксующегося каменного угля (кек К), полученного с обогатительной фабрики «Северная» Кемеровской области. Такие отходы являются побочным продуктом углеобогащения, который может широко применяться в теплоэнергетике в качестве топлива. При подготовке добытого на месторождении угля к транспортировке на дальние расстояния осуществляют его обогащение, которое заключается в промывке угля водой для удаления мелкодисперсных фракций. Это предотвращает загрязнение окружающей среды угольной пылью при движении железнодорожных составов с открытыми вагонами, а также снижает пожарную опасность твердого топлива при воздействиях внешней среды. После промывки угля жидкость отстаивается в резервуарах, мелкодисперсные частицы (размером до 80 мкм) оседают на дно. Этот осадок пропускают через пресс-фильтры для удаления излишней жидкости. Влажный остаток является кеком. Массовая концентрация воды составляет около 40 %. На углеобогатительных фабриках кек складируется на открытых полигонах. Из-за этого загрязняются большие площади территории.

Результаты исследований [17–21] позволяют сделать вывод, что кек является одним из перспективных горючих компонентов композиционных жидких топлив. Поэтому в данной работе кек К использован в качестве основного компонента композиционного топлива. Исследования выполнены для пяти разных составов: № 1 – кек К 100 %; № 2 – кек К 90 % + древесина 10 %; № 3 – кек К 90 % + резина 10 %; № 4 – кек К 90 % + пластик 10 %; № 5 – кек К 90 % + картон 10 % (приведены массовые концентрации компонентов).

Размеры частиц измельченных твердых бытовых отходов соизмеримы с размером частиц угля. Основные характеристики компонентов композиционного топлива приведены в табл. 1–3. Характеристики кека получены для образцов в сухом состоянии, для этого их высушивали при температуре 105 0C до полного испарения влаги.

Табл. 1. Характеристики компонентов топлива [13, 18, 22].

компонент	Wa (%)	Ad (%)	Vdaf (%)	Qas, V (Ч 106 Дж/кг)
кек К	–	26.5	23.1	24.83
древесина	20.0	2.0	–	16.45
резина	2.0	1.8	–	33.50
пластик	2.0	0.2	–	22.00
картон	5.0	3.0	–	17.50

Табл. 2. Элементный состав компонентов топлива [13, 18, 22].

компонент	Cdaf (%)	Hdaf (%)	Ndaf (%)	Sdaf (%)	Odaf (%)
кек К	87.2	5.1	2.1	1.1	4.5
древесина	50.3	6.0	0.2	0.1	43.4
резина	97.9	1.2	0.3	0.6	–
пластик	66.7	7.9	–	–	25.4
картон	46.3	6.3	0.3	0.2	46.9

Табл. 3. Температура вспышки и температура зажигания компонентов топлива.