CC BY
138
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 534
Г. И. Павлов, А. В. Кочергин, О. Р. Ситников,
К. А. Кочергина, С. Ю. Гармонов
УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ГОРЮЧИХ ОТХОДОВ
Ключевые слова: пульсирующее горение, твердые и жидкие горючие отходы, экологическая безопасность.
Для комбинированного сжигания твердых и жидких горючих отходов разработана установка на принципе пульсирующего горения. Приведены результаты исследований по разработке способа обезвреживания горючих отходов. Показано, что данная установка не окажет существенного влияния на загрязнение окружающей среды.
Keywords: pulsating combustion, solid and liquid combustible waste, environmental safety.
The plant for combined incineration of solid and liquid combustible waste was designed on the principle of pulsating combustion. The results of research to develop ways of combustible waste disposal are shown. It is declared that this plant will have no impact on pollution.
Камеры сгорания, работающие в пульсирующем режиме, по своим основным характеристикам превосходят традиционные камеры сгорания. Преимуществами таких камер сгорания, являются: полнота сгорания, низкий градиент температуры газов в камере, практически полное отсутствие химического и механического недожега и т.д. Пульсации газового потока в камере вызывают высокую турбулентность, способствующую интенсивному перемешиванию горючей смеси и увеличению скорости ее горения. Кроме того, в камере отсутствуют области с очень высокой температурой, в которых обычно образуются оксиды азота NOx. Наиболее перспективны камеры горения, работающие на закрученных пульсирующих потоках [1-4]. Опыт показывает, что такие камеры позволяют сжигать с высокой эффективностью не только товарные топлива, но и различные виды горючих отходов.
Известно, что скорость горения топлива лимитирована скоростью процессов массопереноса кислорода к горящей поверхности и оттока продуктов горения от нее. При пульсирующем горении более тяжелые частицы жидких топлив не успевают следовать за колебаниями среды, вследствие чего область вокруг частицы освобождается от продуктов сгорания, и в нее периодически попадает кислород. Эти эффекты способствуют увеличению скорости сгорания. Скорость горения топливовоздушной смеси сильно зависит от скорости перемешивания горючего с окислителем. Воздействие акустических колебаний резко меняет характер горения топливовоздушной смеси. Например, при горении диффузионного факела сильно сокращается длина «холодного» ядра, характерного для обычного горения и зона воспламенения приближается к горелке. Кроме того, примерно, в четыре раза увеличивается глубина выгорания топлива. Изменение характера горения объясняется возникновением турбулентных вихрей в связи с сильным затуханием и рассеиванием акустических колебаний на границе раздела сред.
При пульсационном горении значительно снижается выход оксидов азота. Этому способствуют следующие факторы, характерные пульсационному горению [5,6]:
- равномерность температурных и концентрированных полей очень высока по сравнению с обычным горением, коэффициент избытка воздуха близок к 1,0;
- среднерасходная скорость потока составляет десятки метров в секунду, поэтому время пребывания реагентов в зоне горения - доли секунды;
- температура в камере ниже, чем в стационарном факеле;
- в камере возможно расположение теплоотводящих элементов без снижения качества горения.
Вышеуказанные преимущества пульсирующего горения наиболее полно проявляются при термическом обезвреживании жидких отходов. В технологическом процессе с использованием камер пульсирующего горения, жидкие горючие с негорючими отходами предварительно не смешиваются, а сжигаются в отдельном модуле - горелочном узле. Опыт показывает, что многие компоненты, входящие в состав негорючих отходов могут выступить в роли ингибиторов горения и, как следствие, сильно ухудшают экологические показатели горелочного устройства. Продукты сгорания жидких горючих отходов истекающие из сопла в пульсирующем режиме могут использоваться в качестве распыливающего агента для диспергирования жидких негорючих отходов. Это особенно актуально при сжигании отходов, содержащих высоковязкие смолистые компоненты и механические включения. Для сжигания твердых отходов высоконагретые продукты сгорания жидких горючих отходов используются с целью интенсификации тепломассообменных процессов, протекающих в термическом реакторе [1-3].
На рис. 1 приведена пневмогидравлическая схема универсального горелочного устройства, работающего в пульсирующем режиме. Данное горелочное устройство является основой установок, входящих в состав технологической линии.
5 6 7 8 9 10
Рис. 1 - Пневмогидравлическая схема установки: 1 - уровнемер; 2 - бак
дополнительного топлива; 3 - насос; 4 - электрический нагреватель топлива; 5 -отсечной клапан; 6 - камера пульсирующего горения; 7 - фотодатчик; 8 - люк поджига; 9 - вихревая камера; 10 - воздушный короб; 11 - вентилятор; 12 - датчик давления; 13 -резонаторная труба; 14 - термометр; 15 - регулятор расхода; 16 - шнековый питатель; 17 - бак основного топлива
Для комбинированного сжигания твердых и жидких горючих отходов разработана установка, которая включает в себя следующие узлы и механизмы: термический реактор, загрузочное устройство, емкость для жидких горючих отходов, горелочный узел, механизм подачи обезвреживаемых отходов, камера дожига, теплообменный блок, дымовая труба, высотой 3 м. Общий вид установки представлен на рис. 2.
169
Рис. 2 - Технологическая схема обезвреживания твердых и жидких горючих отходов
Термический реактор закреплен на бетонированной площадке размеров 15 м2, под навесом. Слева от реактора расположено загрузочное устройство. Камера дожига и дымовая труба находятся за реактором. Горелочный узел установлен на двух рельсовых направляющих, что обеспечивает его мобильность и возможность применения в других технологиях.
Данная технология позволяет обезвреживать следующие виды твердых отходов:
- отходы использованных кожаных изделий;
- отходы упаковочных материалов из бумаги и картона;
- отходы бумаги и картона с синтетическим покрытием;
- отходы рубероида, толи и бумаги, пропитанной битумом;
- фильтровочные и поглотительные отработанные массы, незагрязненные и загрязненные опасными веществами;
- опилки и стружки древесные, загрязненные маслами, растворителями, бензином;
- обтирочный материал, загрязненный маслами, нефтепродуктами;
- шнуры синтетические, потерявшие потребительские свойства;
- отходы формовочных масс (термореактивной пластмассы) затвердевшие;
- отходы твердого полистирола, полистирольной пены или пленки;
- отходы гетинакса, текстолита, вулканизированной фибры, пленкосинтетического картона;
- отходы затвердевших полиэтилена, полипропилена, стеклопластиков;
- отходы твердых сополимеров стирола;
- отходы твердых производственных материалов, загрязненные нефтяными и минеральными жировыми продуктами (окалина замасленная, сальниковая набивка асбестографитовая, промасленная);
- отходы тканей, старая одежда.
В качестве топлива могут использоваться следующие виды жидких отходов:
- отработанные масла;
- остатки дизельного топлива;
- промывочные жидкости.
Основу технологического процесса составляет установка пульсирующего горения -горелочный узел (3). Технологическая схема обезвреживания твердых и жидких горючих отходов приведена на рис. 2.
Для запуска горелочного устройства необходимо подвести окислитель (воздух), который нагнетается электровентилятором. Туда же из бака для вспомогательного топлива (2), шестерёнчатым насосом подается дизельное топливо. При помощи свечи осуществляется поджиг горючей смеси дизтоплива с воздухом. Продукты сгорания дизельного топлива распыляют и подогревают жидкие отходы, которые поступают в горелочный узел из емкости (1). Емкость для жидких отходов снабжена смесительным устройством, обеспечивающим однородность жидкостей. Жидкие отходы проходят через фильтр грубой очистки и с помощью гидравлического насоса подаются в горелочный узел. Смесь жидких отходов и продуктов горения поджигаются через специальное отверстие для поджига. Сопло горелочного агрегата формирует высокотемпературную газовую струю, работающую в пульсирующем режиме. Через бункер (8), в термический реактор (7) загружаются твердые отходы. Шлюзовый тип бункера обеспечивает непрерывный режим работы. Горелочный узел с пульсирующей струёй пламени подключается к термическому реактору со стороны сопла при помощи специального крепления. Под воздействием факела пламени отходы возгораются. По мере сгорания, твердые отходы, в термическом реакторе, перемещаются с помощью загрузочного устройства шнекового типа (10). Горелочный узел, кроме розжига твердых отходов выполняет функцию генератора пульсаций газо-воздушного потока. Благодаря этой функции в топочном пространстве существенно активизируются тепло- и массообменные процессы.
Стенки термического реактора изготовлены из жаропрочной стали, которые от перегрева защищены пристенным воздушным слоем. Воздух в реактор нагнетается вентилятором. Причем, вентиляторная установка прикреплена тангенциально, что обеспечивает в топке вихревые эффекты и создает воздушный пристенный слой. Закрученный воздушный поток направляется вдоль стенок топки. Благодаря такой схеме движения потока обеспечивается нагрев воздуха и надежное охлаждение стенок корпуса установки. При прямом контакте высоконагретых газов с твердыми отходами продукты сгорания обогащаются горючими газовыми компонентами. Их обезвреживание осуществляется в кольцевом пространстве, выполняющем камеру дожига (5).
К топочной камере прикреплена цилиндрическая обечайка, образующая дожиговую камеру (5) в виде кольцевого завихрителя, по которому продукты сгорания движутся в виде закрученной струи в теплообменник (6). Такое движение газов сильно турбулизирует поток и обеспечивает оптимальные условия для догорания несгоревших компонентов. Наличие цилиндрической обечайки препятствует преждевременному перемешиванию нагнетаемого воздуха с газообразными продуктами сгорания и обеспечивает подвод подогретого воздуха к горящим углям и зольному остатку. В теплообменнике осуществляется нагрев теплоносителя (воды), направленного потребителю. Отработанные газы через дымовую трубу (9) выбрасываются в атмосферу. Со временем на сетчатом колоснике накапливается твердый остаток, который складируется в зольнике (4), выполненном воедино с дожиговой камерой. В холодное время года и жидкие отходы, и дизельное топливо подогреваются с помощью электронагревателей.
Продукты сгорания серо-, хлорсодержащих отходов нейтрализуются известковым раствором, подаваемым непосредственно в камеру дожига. Это позволяет обеспечить требуемые экологические показатели продуктов сгорания. Опыт показывает, что в среднем расходуется до 3% известкового раствора от общего количества сжигаемых твердых отходов.
Ориентировочные расчеты показали, что себестоимость обезвреживания отходов на данной установке ниже по сравнению с существующими печами. Например, стоимость
обезвреживания твердых отходов на устанвке «Турмалин» в 1,8-2 раза выше, чем на предлагаемой установке. Это объясняется использованием в качестве горючего жидких горючих отходов или низкосортного жидкого топлива, а также высокой теплонапряженностью топочного пространства, характерное для пульсирующего горения. В таблице приведены технические характеристики установки.
Таблица 1 - Технические характеристики установки для обезвреживания твердых и жидких горючих отходов
Технические характеристики Значение параметра
Количество обезвреживаемых твердых отходов, кг/ч 100-150
Количество обезвреживаемого жидкого горючего отхода, л/ч 30-90
Расход дизельного топлива, л/ч 3-5
Расход воздуха, подаваемого в горелочный узел, м /ч 3000
Расход воздуха, подаваемого в термический реактор, м3/ч 3000
Температура газов в термическом реакторе, 0С 1300-1400
Потребляемая электрическая мощность, кВт (суммарная) 10
В таблице 2 представлены результаты замеров выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух непосредственно в устье источника выбросов. Эти результаты соответствуют следующим режимам работы установки: частота пульсаций составляет 86 Гц, коэффициент избытка воздуха а = 1 ^ 3, влажность твердых отходов - 42 ^ 45%.
Таблица 2 - Концентрации основных загрязняющих веществ в устье источника выброса
Вид сжигаемых отходов (морфологический состав) Ингредиент Место измерения Выброс, м3/с Концентрация максимальная, мг/м3
1. Жидкие отходы: Оксиды азота 83,42 ± 16,7
- отработанные масла (углеводороды-97,95%; присадки-1,02%; механические примеси-1,03%, сера-до 1%). 2. Твердые отходы: - пластмассы; Диоксид серы 52,33 ± 10,5
Углерод чёрный (сажа) 83,30 ± 6,7
Диоксид углерода Устье трубы 0,127 657,00 ± 164,3
- отходы ткани; - поролон; - искусственная кожа; - обтирочный материал, загрязненный нефтепродуктами до 18% Предельные углеводороды (С1-С5) 8,10 ± 2,0
Кроме концентраций веществ, представленных в таблице 2, методом газовой хроматографии с масс-спектральным детектором были определены концентрации других специфических загрязняющих веществ в устье источника выброса. В выбросах содержались такие вещества, как тетрадекан, пентадекан, гексадекан, пропановая, бутановая и пентановая
кислоты, сквален и др. Однако их концентрации очень малы и не превышают ПДК и ОБУВ ни по отдельности, ни с учетом эффекта суммации [7].
Расчёты концентраций и рассеивания выбросов загрязняющих веществ показали, что при самых неблагоприятных метеоусловиях с учётом эффекта суммации максимальная расчётная приземная концентрация Э02, СО, С1-С10 в расчётных точках и на границе санитарно-защитной зоны не превышает установленных нормативов ПДК при любой высоте дымовой трубы. По таким веществам, как взвешенные соединения и Ы0Х зафиксированы незначительные превышения ПДК. По Ы0х превышений предельно-допустимых концентраций при высоте дымовой трубы 8 м не зафиксировано, при высоте трубы 3 м они отсутствуют на расстоянии 80 и более метров. Из вышесказанного следует, что размер санитарно-защитной зоны для данной установки при высоте дымовой трубы 3 м равен 190 м, а при высоте трубы 8 м - 130.
На основании приведенных расчетов можно сделать вывод - при комбинированном сжигании жидких и твердых отходов данная установка не окажет существенного влияния на загрязнение атмосферного воздуха.
В ходе пуско-наладочных работ горелочного узла исследовались уровни шума и инфразвука. Замеры проводились в 4-х точках: на расстоянии 1, 2, 3 и 5 метров от горелочного узла, при работающих вентиляционных двигателях и при пульсирующем горении. Результаты измерений показали следующее:
- шум носит непостоянный, колеблющийся, широкополосный характер. Параметры шума на расстоянии 1 м от установки (при горении) превышают установленные ПДУ на 2,7 дБА, из чего следует, что пульт управления горелочного узла должен размещаться на расстоянии более 1 м;
- характер инфразвука постоянный, широкополосный. Параметры инфразвука не превышают установленные ПДУ.
На основании приведенных расчетов можно сделать вывод - при комбинированном сжигании жидких и твердых отходов данная установка не окажет существенного влияния на загрязнение окружающей среды.
Литература
1. Бернадинер М.Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М., Химия, 1990.
2. Воловик А. В. Шелков Е.М., Долгоносова И.А. Переработка бытовых и промышленных отходов в высокотемпературной шахтной печи // Экология и промышленность России. - 2001 № 10. - С. 9 - 12.
3. Термические методы обезвреживания отходов / Г.П. Беспямятнов, К.К. Богушевская, Л.А. Зеленская и др. - Л.: Химия, 1975. 176 с.
4. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах / Б.Г. Новицкий. - М.: Химия, 1983. - 190 с.
5. Северянин В.С. Технологическое пульсационное горение / В.С. Северянин [и др.]. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 318 с.
6. Кочергин А.В. О перспективах использования пульсационного горения / А.В. Кочергин, В.С. Северянин, Г.И. Павлов. - Казань: КФВАУ, 2000.
7. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов. — М.: Химия, 1996.
© Г. И. Павлов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. специальных образовательных технологий КУИМЦ КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева; А. В. Кочергин - д-р техн. наук, проф., директор КУИМЦ КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева; О. Р. Ситников - канд. техн. нак, профессор каф. специальных образовательных технологий КУИМЦ КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева; К. А. Кочергина - канд. техн. нак, доцент той же кафедры; С. Ю. Гармонов - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, [email protected].
