CC BY
15
УДК 519.87:532.525.3
ПОДГОТОВКА ВЫСОКОВЛАЖНЫХ ОТХОДОВ К ТЕРМИЧЕСКОЙ УТИЛИЗАЦИИ В СТАЦИОНАРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
В.Н. Делягин, доктор технических наук, зав. лабораторией Н.М. Иванов, доктор технических наук, зам. директора Сибирский федеральный научный центр агробиотехнологий РАН В.И. Мурко, доктор технических наук, директор В.И. Федяев, ген. директор В.П. Мастихина, ст. научный сотрудник ЗАО «Научно-производственное предприятие «Сибэкотехника» E-mail: sib_eco@mail.ru
Аннотация. В статье рассмотрены результаты исследований по подготовке высоковлажных отходов к термической утилизации в стационарных энергетических установках. Технология утилизации реализуется путем приготовления и сжигания отходов различных производств на энергетических установках. Целью работы является разработка элементов новой энергоэффективной и экологически чистой технологии утилизации высоковлажных отходов жизнедеятельности животных и некондиционной угольной мелочи путем сжигания водоугольного топлива и отходов производства на автоматизированной теплоэнергетической установке. Отличительными особенностями создаваемой технологии является двух-стадийная система сушки отходов с доведением влажности продукта утилизации до значений, позволяющих осуществить процесс термической утилизации в топках, работающих на водоугольном топливе, с минимальными выбросами вредных веществ. В ходе проведения исследований определены количественная оценка выброса вредных веществ при двухстадийной системе утилизации отходов и их предельная влажность для разрабатываемой технологии.
Ключевые слова: отходы животноводства, термическая утилизация, топка, водоугольная суспензия.
Введение. К настоящему времени очень остро проявилась проблема экологически безопасного и экономически целесообразного уничтожения осадка (твердой фазы после разделения отходов жизнедеятельности животных - ОЖЖ) для крупных животноводческих комплексов [1]. Наиболее радикальное решение данной проблемы - термическая утилизация отходов, что сопряжено со значительными затратами на топливо.
В производственном цикле свинооткормочного комплекса на 70 тыс. голов ежесуточно образуется до 1350 м3 жидких стоков. Стоки подвергают механическому обезвоживанию в осадительной центрифуге. После центрифуги фугат (жидкая фаза) направляется в пруды-отстойники для биохимической очистки, а осадок (твердая составляющая) складируется в бункер. Из бункера масса вывозится автотранспортом на полигон, что
наносит ощутимый вред окружающей природной среде. Количество осадка, подлежащего уничтожению, составляет до 150 т/сут., влажность осадка составляет около 75%.
В СФНЦА РАН совместно с "ООО Экотехника" предложено использовать в качестве топлива водоугольную суспензию (ВУС), приготовленную из отходов углеобогащения. Стоимость топлива в данном случае уменьшается в 4-10 раз, что позволяет классифицировать данный способ утилизации как один из наиболее эффективных. Утилизация высоковлажных отходов при использовании ВУС требует предварительной термической обработки с доведением до влажности, обеспечивающей стабильный процесс горения в топке.
При предварительной сушке (нормализации) выделяются вредные компоненты утилизируемого сырья. Для оценки эффективно-
Journal of VNIIMZH №2(26)-2017
129
сти разрабатываемой технологии необходимо провести количественную оценку выброса вредных веществ при двухстадийной системе утилизации отходов.
Цель исследований - определение эффективности предложенного способа нормализации влажности ОЖЖ и оценка безопасности газов, образующихся при работе сушильной установки.
При выполнении данной работы были решены следующие задачи:
- проанализированы различные технологии сушки и выбраны наиболее приемлемые для данного технологического процесса;
- выполнены экспериментальные исследования аэрофонтанного способа сушки на созданной экспериментальной установке;
- исследован состав газов, выделяющихся при работе экспериментальной сушильной установки;
- обоснованы требования к аэрофонтанной сушилке.
Методы исследования. При проведении экспериментов по высушиванию навоза проводились измерения количества вредных веществ в составе отходящих газов на экспериментальной установке СибИМЭ СФНЦА РАН. Измерения проводились специалистами аккредитованной лаборатории ЗСИЦ (Западно-Сибирского испытательного центра, г. Новокузнецк).
Последовательность действий при проведении измерений была принята следующей.
1. Настраивается режим дутья. Для этого включается вентилятор, затем поворотом пластины поворотного затвора устанавливается давление перед завихрителем. В процессе проведения экспериментов давление устанавливалось и поддерживалось в пределах 60-70 мм вод. ст.
После установки давления устанавливается температура дутья. Изменение температуры достигается перемещением горелки относительно среза раструба. Изменяя расстояние от сопла горелки до раструба на входе вентилятора за счет изменения соотношения в потоке всасываемого газа между воздухом и пламенем, добиваются требуемого значения температуры дутья.
При необходимости корректируется положение пластины поворотного регулятора для установления заданного значения начального давления в установке.
2. При настроенном режиме дутья в установку подается порция навоза. После подачи в сушильное пространство порции навоза проводятся следующие измерения:
- интенсивность подачи навоза в сушильный объем;
- влажность материала, выносимого из сушильного объема;
- содержание вредных веществ в газообразных продуктах, отходящих из сушильного объема.
Кроме измеряемых параметров в процессе наблюдения за высушиваемым материалом фиксируется реологические характеристики массы, находящейся в сушильном объеме.
Экспериментальная база. Установка представляет собой расширяющийся кверху конус, переходящий в цилиндр. Снизу к конической части подходит цилиндрический участок, в котором последовательно размещены поворотный затвор, датчики давления и температуры и непосредственно перед входом в узкую часть конуса завихритель. Ниже поворотного затвора входной цилиндрический участок соединен с пластиной, которая предназначена для крепления установки на вентилятор.
Для создания потока сушильного агента с необходимой температурой применялся вентилятор с вертикальным выпуском, на котором и была закреплена установка. Для обеспечения необходимой температуры к входному патрубку вентилятора была присоединена камера с раструбом. Перед входом в раструб устанавливалась горелка, работающая на дизельном топливе. Изменяя расстояние от среза сопла горелки до входа в раструб, можно изменять температуру газа на выходе из вентилятора (в нашем случае - на входе в сушильную установку). На рисунке представлен вид работающей установки. Внешний вид массы после центрифуги напоминает глинистую массу с включениями. Плотность этой массы около 1000 кг/м3.
Рис. Вид работающей экспериментальной сушильной установки
Разрушение крупных кусков показывает, что в структуре навоза присутствуют самые разные включения: волокнистые, зернистые, илистые (глиноподобные), частички шерсти животных и другие. При подаче навоза в сушильное пространство масса преднамеренно не дробилась, не диспергировалась. В сушильное пространство масса подавалась единым куском, масса которого составляла 400-500 г.
Результаты исследований. При исследовании сушки были проведены замеры содержания вредных веществ в газообразных продуктах сушильной установки. Результаты замеров представлены в таблице 1. На всех режимах работы выбросы вредных и опасных веществ при сушке не превышают допустимых норм. Средняя влажность вынесенных гранул составила 50-52%.
Таблица 1. Результаты исследования выбросов
Повторный пропуск гранул через сушильную установку обеспечил остаточную влажность материала на уровне 34-35%.
Проведенные исследования показали, что предложенный способ утилизации технически осуществим. Выявлена необходимость использования диспергатора для обеспечения более мелкого дробления утилизируемого агента. Образование более мелких гранул существенно снижает остаточную влажность материала, то есть повышает эффективность процесса предварительной сушки. Кроме того, установлено, что предварительное подсушивание осадка до остаточной влажности 40-45% существенно облегчает проведение процесса сжигания, позволяет уменьшить мощность установки и расход топлива. Так, для термического уничтожения осадка в количестве 150 т в сутки потребуется установка полезной мощностью около 7,1 Гкал/ч, из которых около 2 Гкал/ч будет расходоваться для предварительного подсушивания массы до остаточной влажности 40-45%, а приблизительно 5,1 Гкал/ч будет направляться для покрытия тепловых нагрузок предприятия.
Проведенные ранее исследования по горению топлив в вихревой адиабатической топке показали, что в топке устойчиво горят топлива, низшая теплота сгорания которых составляет 2000 ккал/кг и более.
В таблице 2 приведены расчетные величины параметров процессов сушки в зависимости от степени высушивания исходного навоза. Расчет выполнен для значения исходной влажности навоза 75% без учета потерь и КПД сушильной установки.
вредных веществ при сушке отходов
Определяемые показатели Результат Метод испытания и номер НД
Массовая концентрация, мг/м3 бенз(а)пирена < 0,001 ГОСТ Р ИС011338-2-2008
аммиака 5,1 ПНД Ф 13.1.33-02
метана 2,3 ПНД Ф 13.1:2:3.27-99
сероводорода < 1,0 М-МВИ-173-06
Массовый выброс, мг/с3 бенз(а)пирена < 0,0002 Методическое пособие по аналитическому контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
аммиака 0,9
метана 0,4
сероводорода < 0,18 М-МВИ-173-06
Таблица 2. Расчетные величины параметров _для процесса сушки_
Остаточная влажность
Параметр после высушивания, %
60 50 40 30 20 15
Кол-во испарен- 375 500 583 642 687 706
ной воды, кг/т
Выход продукта, кг/т 625 500 417 358 313 294
Затраты энергии на сушку, Гкал/т 0,225 0,30 0,35 0,39 0,41 0,42
Требуемая мощность, Гкал/ч 1,4 1,87 2,2 2,4 2,6 2,65
Лоигпа! оГ УШТ^Н №2(26)-2017
131
Как видно из таблицы, предварительное высушивание позволит существенно сократить поступление воды в составе навоза в пространство топки. Высушивание даже до остаточной влажности 60% снижает количество воды в каждой тонне «исходного» материала на 375 кг. Высушивание до остаточной влажности 40% снижает содержание воды почти на 600 кг в каждой тонне «исходного» навоза.
Выводы.
1. Проведенные исследования установили техническую возможность и целесообразность применения сушилок аэрофонтанного типа для нормализации по влажности осадка центрифуги очистных сооружений.
2. Исследования показали необходимость применения диспергатора при подаче массы в сушильное пространство. Несмотря на неизбежность разрушения крупных кусков в сушильном пространстве, применение дис-пергатора обеспечит дальнейшее более мелкое дробление кусочков, образование более мелких гранул и существенное снижение остаточной влажности материала, то есть существенное повышение эффективности сушильной установки.
3. Обоснованы исходные требования на разработанный аэрофонтанный способ нормализации отходов жизнедеятельности жи-
вотных. Выбросы вредных и опасных веществ при данном способе сушке не превышают допустимые нормы.
Литература:
1. Ковалев Н.Г., Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. М., 1989. 160 с.
2. Термическая утилизация отходов АПК с использованием вихревой адиабатической топки / В. Делягин и др. // Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и с.-х. производства. Краснодар, 2015.
3. Thermal utilization of livestock toxic waste / V. Dely-gin I dr. // Proceedings of Inernational Scientific 23 CIO-STA&CIGR. SPb., 2015. Р. 309-310.
4. Мурко В.И., Делягин В.Н., Иванов Н.М. Разработка и создание теплогенераторов малой мощности на суспензированном водоугольном топливе для предприятий АПК // Горение топлива: теория, эксперимент, приложения. Новосибирск, 2015. С. 257.
Literatura:
1. Kovalev N.G., Glazkov I.K. Proektirovanie sistem utili-zacii navoza na kompleksah. M., 1989. 160 s.
2. Termicheskaya utilizaciya othodov APK s ispol'zova-niem vihrevoj adiabaticheskoj topki / V. Delyagin i dr. // Problemy rekul'tivacii othodov byta, promyshlennogo i s.-h. proizvodstva. Krasnodar, 2015.
3. Thermal utilization of livestock toxic waste / V. Dely-gin I dr. // Proceedings of Inernational Scientific 23 CIO-STA&CIGR. SPb., 2015. R. 309-310.
4. Murko V.I., Delyagin V.N., Ivanov N.M. Razrabotka i sozdanie teplogeneratorov maloj moshchnosti na suspen-zirovannom vodougol'nom toplive dlya predpriyatij APK // Gorenie topliva: teoriya, ehksperiment, prilozheniya. Novosibirsk, 2015. S. 257.
PREPARATION OF HIGH MOISTURE WASTE FOR THERMAL UTILIZATION IN STATIONARY
ENERGY POWER UNITS V.N. Delyagin, doctor of technical sciences, laboratory chief N.M. Ivanov, doctor of technical sciences, deputy director Siberian federal scientific center of RAS agrobiotechnology V.I. Murco, doctor of technical sciences, director V.I. Fedyaev, gen. director V.P. Mactichina, senior research worker ZAO "Scientific-and-productive enterprise "Sibecotechnics"
Abstract. The article discusses the results of research on preparation of high moisture wastes for a thermal utilization in stationary energy power units. The utilization technology is implemented by way of various industries wastes' preparation and combustion in energy power units. The aim of this work is developing of elements of a new high efficient and ecologically friendly technology of animal and non-conforming coal fines' high moisture waste products utilization by the coal-water fuel and product's wastes on an automated thermal energy power unit combustion. Distinctive features of the created technology is a two-stage system of wastes' drying by the product moisture content bringing to the recycling values allowing to carry out the thermal utilization process in furnaces operating on hydrocarbon fuel with harmful minimal substances emissions. During the studies the quantitative evaluation of harmful substances of emissions at the two-stage system of wastes' utilization and their limiting moisture for scatter technology are defined.
Keywords: animal waste, thermal utilization, furnace, coal-water suspension.
