CC BY
12
- при паровой термохимической конверсии отходов полимеров в газообразных продуктах разложения сера присутствует в виде H2S либо COS, которые поглощаются из газа значительно более просто, чем диоксид серы;
- сжигание газообразных и жидких продуктов паровой конверсии отходов полимеров может осуществляться с высокой полнотой сгорания.
Список использованных источников
1. Какарека, С. В. Стойкие органические загрязнители: источники и оценка выбросов / С. В. Какарека, Т. И. Кухарчик, В. С. Хомич — Минск : РУП "Минсктиппроект", 2003. - 220 с.
2. Аристархов, Д. В. Паровой термолиз органических отходов / Д. В. Аристархов [и др.]. — Минск. 2001. — 135 с.
SUMMARY
Influence of technology steam thermolysis of polymers waste (steam thermochemical conversion) on an environment is estimated. The results of experimental ecological researches of some experimental installations on processing such kind of waste of polymers as the worn out autotrunks is resulted and their comparative estimation on the basic parameters of emissions in relation to emissions of motor transport are presented. The two-phasic scheme of polymers waste processing, providing decrease in formation of toxic connections, is offered.
УДК 536.248.2
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВ ИЗ ОТХОДОВ ПОЛИМЕРОВ
Г.И. Журавский, В.А. Жданок, А.С. Матвейчук, О.Г. Мартинов, А.В. Романовский
В настоящее время высокоскоростной пиролиз (термолиз) органических материалов (в первую очередь отходов) рассматривается как метод для получения максимального количества жидких или газообразных продуктов топливного и сырьевого назначения.
Основная задача при реализации данного вида процесса - это подвод необходимой для термической деструкции энергии (теплоты) в течение интервалов времени, исчисляющихся секундами. Для решения этой задачи используется диспергированный органический материал и высокая разность температур между греющей поверхностью и частицами материала. При этом техническая реализация процесса осуществляется путем использования кипящего слоя, перемешивания и ряда других способов (инфракрасный нагрев, контактирование с нагретыми телами и др.) [1, 2].
Другой важной задачей при реализации технологии высокоскоростного термолиза является подавление вторичных реакций между продуктами разложения органического материала. Широко используемый в известных технологиях способ подавления вторичных реакций - это быстрая эвакуация продуктов разложения из реактора и быстрое их охлаждение путем организации высокоинтенсивного теплообмена в системе конденсации.
В настоящей работе предлагается способ решения вышеназванных задач, заключающийся во введении перегретого до температур свыше 1000 оС водяного пара в реактор термолиза со скользящим тонким слоем отходов. Это позволяет снизить концентрации газообразных продуктов разложения органических веществ и
таким образом снизить (или полностью подавить) вероятность вторичного реагирования, а также интенсифицировать процесс подвода тепла к материалу.
Для реализации предложенного способа разработан специальный вращающийся реактор, а также система охлаждения и конденсации газообразных продуктов термического разложения органических составляющих отходов. Реактор представляет собой вращающуюся трубу с установленной внутри винтовой поверхностью, которая размещена в цилиндрической рубашке, содержащей пароперегреватель в виде змеевика. К рубашке реактора подключены горелки, в которых сжигается часть летучих продуктов разложения отходов. При вращении реактора органические отходы в виде тонкого слоя перемещаются по винтовой линии и контактируют с нагретой до температуры 600-800 оС внутренней поверхностью реактора. Таким образом, создается высокая разность температур между греющей поверхностью и частицами отходов, а необходимое для термолиза тепло передается как от нагреваемой продуктами сгорания стенки трубы, так и от перегретого водяного пара. Образующиеся в результате термолиза отходов летучие продукты разбавляются водяным паром и в виде парогазовой смеси выводятся в систему охлаждения и конденсации.
Рассмотрим два режима работы реактора I и II (см. табл. 1):
Таблица 1
I режим II режим
Тд - температура газового потока (вход и выход), оС 1200 и 650 1100 и 550
Т5 - температура пара на входе в перегреватель, оС 160 160
Т5 - температура потока перегретого пара (вход и выход), оС 750 и 550 750 и 450
Т - температура парогазовой смеси (в реакторе), оС 550 450
Обогревающая рубашка размещена вокруг реактора по винтовой линии с шагом 500 мм и имеет прямоугольное сечение 500 х 200 мм с учетом толщины стенок 10 мм. Таким образом, сечение для прохода продуктов сгорания равно 480 х 180 мм, а площадь сечения - 0,086 м2. Скорость течения газового потока в этом случае соответствует 12 м/с и 8 м/с. Расчет теплообмена при течении продуктов сгорания в обогревающей рубашке выполнен по известным соотношениям, которые приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Расчет теплообмена в рубашке с пароперегревателем
I режим II режим
(1200+650) / 2 = 925 оС - средняя температура продуктов сгорания, протекающих в обогревательной рубашке (1100 + 550)/ 2 = 825 оС;
Э 8 = 12 м/с - скорость продуктов сгорания Э 8 = 8 м/с
А = 0.331 м - характерный размер А = 0.331м
1 8 = 0.090 Вт/(моС) - теплопроводность газа при 925 оС 1 8 = 0.080 Вт/м- оС -теплопроводность при 825 оС
=130. 10-6 м2/с - кинематическая вязкость Vа =11010-6 м2/с
РГд = 0,60 Рга = 0,61
Э 6 Реа = ( 8 А) / Vg = (12.0,331) / 130 10-6 = 30554 Кед = (80,331) / 110 10-6= 27273
Ш8 = 0.023-(30554)08 • 0.6043 @ 71.5 №8 = 0.023•(27273)08 • 0.б1043 @ 65,8
Ш -1 71.5 • 0.090 . 2 а =-=-@ 19 Вт / м2 • 8 А 0.331 Ми-1 65.8 • 0.080 @ 159 В , 2 с а =-=-@ 15.9 Вт/м • С 8 А 0.331
Характерный размер (диаметр) рассчитан следующим образом:
А = {4 (0,086 м2) / 3,14}°'5= 0,331 м.
В обогревающем канале размещен пароперегреватель (труба диаметром 150 мм). Таким образом площадь проходного сечения для продуктов сгорания в обогревающем канале равна Б = 0,086 м2 - 0,017м2 = 0,069 м2.
Определим величину теплообмена излучением от продуктов сгорания к стенке обогревающего канала.
Удельный тепловой поток излучением и коэффициент теплоотдачи рассчитываются по формулам (1) и (2) соответственно:
Яи = Co ■e
f T У f % у
дг
V1°° 0
v100
(1)
н qH
< = , (2)
Тдк 1 с
где Тдг - средняя температура продуктов сгорания, Тдг = 925 оС и 825 оС; Тс -
средняя температура стенки обогревающего канала; Тс = 650 оС и 550 оС; Со -
излучательная способность абсолютно черного тела, Со = 5,67 Вт/(м2 К4); £ -степень черноты продуктов сгорания, £ = 0,18.
Расчет по соотношению (1) и (2) дает значения удельных тепловых потоков и коэффициентов теплообмена излучением в режиме I и II соответственно:
qН = 13615 Вт, аН = 49.5 Вт/(м2 К);
дти = 10152 Вт, аТ = 37 Вт/(м2К).
Суммарный коэффициент теплоотдачи при Тдг = 925 оС и Тдг = 825 оС соответственно:
^ аН = а к + а ни = 68,5 Вт/(м2К), (3)
^ аТ = а к + а Ти = 52,9 Вт/(м2К). (4)
Учитывая, что коэффициент теплоотдачи от внутренней стороны стенок обогревающего канала а с = 78 Вт/(м2 оС), определим коэффициент теплопередачи по формуле:
1 , (5)
к =
1 8 1
— + — + —
a l a с
где б - толщина стенки, б = 0,010 м; А - коэффициент теплопроводности материала стенки, А = 22 Вт/(мК).
Подставив в (5) численные значения коэффициентов теплоотдачи, получим значение коэффициента теплопередачи при Тдг = 925 оС и Тдг = 825 оС
соответственно: KH = 36 Вт/(м2К) и КТ = 28,5 Вт/(м2К).
Определяем количество тепла, передаваемое при Тдг = 925 оС и Тдг = 825 оС по соотношению (6):
Q Нр = КН F ( Тдг - ТН) (6)
В результате получим Q Пер = 497376 Вт и Q Тпер = 393756 Вт. При этом учтено, что площадь поверхности обогревающей рубашки F = 50,24м2.
Таким образом, тепловая мощность (передача тепла только от продуктов сгорания) равна 497,376 кВт (0,497МВт) и 393,756 кВт (0,393 МВт).
Тепло от цилиндрической стенки рубашки передается стенке трубы, в которой смонтирован шнек в основном излучением. В канале, образованном стенкой рубашки и стенкой трубы (расстояние между стенками а) практически отсутствует движение газовой среды и поэтому конвективный теплообмен весьма мал. Можно также пренебречь и теплообменом путем теплопроводности через газовый зазор между стенками. Расчет теплообмена от цилиндрической стенки рубашки может быть выполнен по соотношению:
г
Т
а^ = Со •£„ ■/(2 - £„ ) { 14 - 14} / (Т1 - Т2), (7)
100
Т.
100
Для значений Т = 923 К (средняя температура цилиндрической стенки рубашки), Т2 = 823 К (средняя температура стенки трубы, в которой смонтирован шнек) и е „ = 0,85 (коэффициент теплового излучения стальной стенки рубашки) расчет по вышеприведенному соотношению дает агай = 112 Вт/(м2К), а для значений Т =
823 К и Т2 = 723 К расчет по вышеприведенному соотношению дает агай = 78 Вт/(м2К).
Процесс термолиза полимеров состоит из их нагрева до 350-500 оС и последующего разрушения. В теории это можно рассмотреть как изотермический процесс [2, 3]. Для производительности по отходам = 1000 кг/ч получим необходимую мощность (без учета тепловых потерь):
д(= О, ■[ор((Г(500 - 20) + ь] , (8)
где = 230 кДж/кг - средняя теплота термолиза полимеров; Срф = 1,67 кДж/(кг К) - удельная теплоемкость отходов; 20 оС - начальная температура отходов; 500 оС - конечная температура отходов. Расчет по соотношению (8) дает значение Qt = 0,29 МВт.
Передача тепла от продуктов сгорания к водяному пару осуществляется через стенку трубы пароперегревателя. Расчет пароперегревателя для перегрева рабочего водяного пара с определением величины коэффициентов теплопередачи выполнены на основании соотношений, приведенных в табл. 3 и 4. Анализ данных таблиц показывает, что количество передаваемого от продуктов сгорания тепла к водяному пару лимитируется теплообменом от продуктов сгорания к внешней стенке пароперегревателя, а не теплообменом от внутренней стенки трубы пароперегревателя к водяному пару.
Таблица 3 - Расчет теплообмена при течении водяного пара в пароперегревателе_
I II
1 2
Сс = 0,15 м - диаметр трубы пароперегревателя с1с = 0,05 м
1 8 = 0,04 Вт/(м оС) - теплопроводность пара 1 = 0,04 Вт/(моС)
т = 2,15■Ю-6 . 2 кгс/м2 - динамическая вязкость и — 2,15■Ю-6 . 2 Г8 кгс/м2
р _ 1,0 кг/м3 - плотность пара р8 _ 1.0 кг/м3
п8 = 21 ■ 10-6 м2/с п8 — ^ — 21 ■ 10-6 м2/с
р - кинематическая вязкость Р
с =Р^ _ Рг _ — — 8 = 1 4 0.0177м2 - площадь сечения трубы Рг _ Р 1
Продолжение таблицы 3
1 2
Скорость потока: = = 1000 @ 15.7 5 3600-ра • 85 3600• 1,0• 0,0177 м/с Ке=9Ч = 15 7^,15 @0Д12.1? 5 V 2110 Ки = 0.023. Яе08 • Рг043 Ки5 = 0,023•(0,112-106)08.10'43 @ 252 Ки-1 252 • 0,04 672 В , 2 С а5 =-=-= 67.2 Вт/ м • С 5 ё 0,15 4 0,002 т2 в. = 1000 @139 5 3600 • 1,0 • 0,002 м/с Яев = 139 • 0,05 @ 0,331Ш6 5 V 21 •10-6 Ки = 0.023 • Яе08 • Рг043 Ки5 = 0,023•(0,33Ь106)"-М0-43 @ 599 Ки•Я 599• 0,04 „„„^ , 2 ^ а5 = = ' = 479 Вт / м2 • С 5 ё 0,05
Таблица 4 - Расчет теплообмена от продуктов сгорания к трубе пароперегревателя_
I II
Ш° + 650 = 925 °С 2 - средняя температура в 8 = 12 м/с - скорость нагревающего газа Сои( = 0,16 м - внешний диаметр трубы 1 8 = 0,08 Вт/(м оС) - теплопроводность газа V = 180•Ю-6 м2/с 5 кинематическая вязкость Рг @ 8 " 0,74 Яе = вЧ„ = I2• о,!« @Ю667 8 V 180 •Ю-6 Ки = 0.177 • Яе064 • Рг043 Ки8 = 0,177 • (10667) 0•б4• 0,740'43 @ 58,8 Ки •Я 58,8 • 0,08 294 В , 2 С а =-=-= 29.4 Вт / м • С 8 ё0и, 0,16 1100 + 550 = 825 -С 2 в 8 = 8 м/с сЦ( = 0.06 м 8 = 0,075 Вт/(м оС) = 170•Ю-6 м2/с Рг @ 8 " 0,74 Ке =^0- = 8•0•06б @ 2824 8 V 170 •Ю-6 Ки = 0.177 • Яе064 • Рг043 Ки8 = 0,177•(2824)0•б4• 0,740,43 @ 25.1 Ки •Я 25.1 • 0,08 „„ ^^ , 2 ^ а8 =-=--— = 33.5 Вт/м2 • С 8 ёои, 0,06
Вычисление общего коэффициента теплопередачи между продуктами сгорания и водяным паром, проходящими по пароперегревателю, представлены в табл. 5.
Таблица 5 - Расчет коэффициента теплопередачи
I
К
1
1
кСв+в) _ 1 1
-+ —
а 8 а
гаё
1 1 29.4 67.2
@ 20.4Вт / м2 • С
К
1
35.5
1
479
@ 33 Вт/м2 • С
Тепло, необходимое для перегрева пара до заданной температуры, рассчитано следующим образом (табл. 6):
Таблица 6 - Расчет необходимого тепла для перегрева водяного пара расходом 1000 кг/ч
I режим II режим
Qs = Gs - Cp(s) •(T - Ts1 ) = =10000,5 (750 - 160) = 0,295 Гкал/ч = = 0,34 МВт Qs = Gs • Cp(s) •(T - Ts1 ) = = 10000,5 (750 - 160) = 0,295 Гкал/ч = = 0,34 МВт
Определим поверхность трубы пароперегревателя и его длину (табл. 7): Таблица 7 - Расчет величины поверхности и длины трубы пароперегревателя
I
F =
0,34-106
K -AT 20.4 • 590
@ 28,2 м2
F =
0,34-106
K-AT 33 • 325
@ 31.7 m2
L = -! = .
28,2
p d 3,14 • 0,16
■ @ 56 м
L = — = ■
31.7
p d 3,14 • 0,06
@ 168м
Выполненные расчеты показывают, что технология высокоскоростного термолиза отходов полимеров для получения новых видов топлив может быть реализована с использованием вращающегося реактора. При этом из отходов полимеров, например, смеси полиэтилена, полипропилена, полистирола и резины путем высокоскоростного термолиза могут быть получены жидкие, газообразные и твердые продукты. Жидкие продукты по своим основным показателям являются аналогами жидких топлив, производимых из нефтяного сырья (мазут, печное топливо). Газообразные продукты могут использоваться как заменители природного газа, а твердые продукты могут найти применение в качестве фильтрующих материалов для очистки промышленных стоков.
Список использованных источников
1. Железная, Т. А. Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 1 / Т. А. Железная, Г. Г. Гелетуха // Промышленная теплотехника. — Том 27. — № 4. — С. 91-100.
2. Железная, Т. А. Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 / Т. А. Железная, Г. Г. Гелетуха // Промышленная теплотехника. — Том 27. — № 5. — С. 79-90.
3. D.V. Aristarkhov, G.I. Zhuravskii. Modeling of the Vapor Thermolysis of Rubber Waste // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. Vol. 74, № 6, 2001.
4. G.I. Zhuravskii, V.A. Sychevskii. Numerical Calculation of Vapor Thermolysis of Organic Wastes // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. Vol. 674, № 6, 2003.
SUMMARY
The way high-speed thermolysis of waste of polymers at which the supply of heat to a processed material is intensified by introduction overheated water steam to a zone of reaction is offered. Results of the given calculations confirm an opportunity of realization of the given technological scheme to receive new kinds of fuels are offered. The basic ways use of end-products of processing are analysed.
