CC BY
107УДК 621.9.025.7
В.Н. Гущин, В.А. Васильев, Е.А. Чернышов, И.Д. Романов, Е.А. Романова, А.Д. Романов
УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ МЕТОДОМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПИРОЛИЗА В ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Целью работы является создание комплекса по утилизации отходов переработки древесины, пластика и медицинских отходов в жидком теплоносителе методом высокотемпературного пиролиза
Ключевые слова: отходы, утилизация, высокотемпературный пиролиз, жидкий металл.
Утилизация отходов деятельности человека является актуальной в нашей жизни. По оценкам специалистов, человек "вырабатывает" в год до 250 кг бытовых отходов. В среднестатистическом мусорном баке около 25% занимают пищевые отходы, 5-10% - бумага, 50% - полимеры, остальное приходится на металл, текстиль, резину, стекло и др. Классический путь удаления отходов (контейнер - мусоровоз - свалка - рекультивация) сегодня неэффективен и, кроме того, потенциально опасен, поскольку даже тщательно обработанная и засыпанная почвой свалка является источником "свалочного газа", стимулирующего парниковый эффект. Один из самых "трудноперевариваемых" видов отходов - пластиковая упаковка, прежде всего, отходы производства и потребления полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата (PET), полистирола и поливинилхлорида (PVC).
Одними из наиболее опасных отходов являются отходы здравоохранения, которые по степени эпидемиологической, токсикологической и радиационной опасности делятся на пять классов: отходы класса А (неопасные отходы) вывозятся на полигоны ТБО без ограничений, классов Б (опасные отходы: материалы, инструменты, патологические отходы) и В (чрезвычайно опасные: материалы, контактирующие с больными особо опасными инфекциями, отходы фтизиатрических и микологических больниц) уничтожаются на специальных установках по обезвреживанию отходов, обращение с отходами классов Г и Д регулируется нормативами для токсичных и радиоактивных отходов.
Разработка экологически безопасной технологии, а также простой в обслуживании и компактной установки позволит занять значительную долю рынка утилизации отходов, в том числе в перспективе и на международном уровне.
Целью работы является создание комплекса по утилизации отходов переработки древесины, пластиковых и медицинских отходов в жидкометаллическом теплоносителе методом высокотемпературного пиролиза.
Эксперимент
Для реализации экспериментов по высокотемпературному пиролизу был разработан и создан экспериментальный стенд, состоящий из реактора с алюминиевым теплоносителем, блока управления нагревом, системы подачи исходного сырья, отвода полученных продуктов пиролиза, бескислородного разложения сырья, с возможностью пробоотбора газообразной и жидкой фракции.
Исследуемое сырье загружается индивидуально, либо по трубопроводу в установку пиролиза. Всплывая в расплаве теплоносителя происходит полный (для частиц малого размера) либо частичный (для частиц крупного размера) пиролиз отходов. Так, среднее время пиролиза материала размерами 50х50х30 мм составляет 1,5-2 мин. При ручной загрузке не измельченных твердых материалов пиролиз в процессе всплытия происходит только частично, а окончательно завершается на поверхности теплоносителя. При этом теплотворная способность отходов определяется элементным
© Гущин В.Н., Васильев В.А., Чернышов Е.А., Романов И.Д., Романова Е.А., Романов А.Д., 2012.
составом и применительно к древесным отходам практически не зависит от породы, так как содержание углерода С колеблется от 48,8 до 50,7% (масс), а водорода Н2 - от 6,00 до 6,25% (масс). Соответственно высшая теплотворная способность органической массы находится в пределах 18,64 ... 19,86 МДж/ кг. Большее влияние оказывает влажность на момент подачи сырья. До температуры 600 ... 700 0С реакция экзотермична, а выше 700 0С - эндотермична. По литературным данным исследований пиролиза древесных отходов в интервале температур 700 ... 1000 0С и скорости нагрева 250 ... 300 градусов в секунду установлено, что при 800 ... 900 0С получается в основном топливный газ, обогащенный углеводородами, а при 900 ... 1000 0С - преимущественно синтез-газ. К настоящему времени подробно изучено влияние сырьевых и режимных факторов: размера частиц древесины, породы древесины, влаги и температуры на выходе и качество получаемых продуктов газификации в установках с неподвижным и кипящим слоем [1, 2].
Принципиальными положительными особенностями безкислородных пиролизных технологий уничтожения органических материалов, позволяющих обеспечить экологическую безопасность выбросов, в том числе и хлорсодержащих, являются:
• возможность управляемого сжигания при высокой температуре концентрированной неразбавленной парогазовой смеси (теплота сгорания 6680-10450 кДж/м3), что позволяет обеспечить высокую (1200-1300 0С) температуру всего объема продуктов сгорания;
• выделяющийся при пиролизе хлорсодержащих материалов активный хлор уже в камере термического разложения немедленно реагирует с обязательным продуктом пиролиза любой органики - водородом, образуя стойкое соединение HCl, которое далее легко нейтрализуется на стадии доочистки. Тем самым предотвращается образование диоксинов и фуранов.
На рис. 1 -4 показаны отдельные этапы осуществления пиролиза по предложенной
схеме.
Ф
Рис. 1. Пиролиз частиц идет полностью, на поверхности расплава горит образующийся газ. (Система улавливания газа снята)
Рис. 2. Интенсивное газообразование «вспученная» поверхность теплоносителя. Пузырь достигает поверхности расплава, но газ еще скрыт слоем металла. (Система улавливания газа снята)
т
А
Рис. 3. Пузырь лопнул, газ имеющий температуры 700 - 1200 0С, воспламенился при контакте с кислородом воздуха. (Система улавливания газа снята)
Рис. 4. Реактор закрыт системой улавливания газов. Горение газа в сбросном окне, видны капли металла, выброшенного из реактора при скачке давления
Методика расчета прогрева частиц при всплытии в жидком теплоносителе
С точки зрения практической применимости данной технологии одной из основных задач является прогрев исходного сырья до заданных температур и обеспечение полноты прохождения реакции. Для чего была разработана математическая модель пиролиза и выполнены расчеты.
Коэффициенты теплоотдачи от потока расплава к твердым частицам определялись в зависимости от режима движения и скорости потока расплава.
При значениях критерия Рейнольдса Яе > 0,92 • 104 режим течения расплава является
турбулентным, устойчивый ламинарный поток наступает при Яе < 10 .
Коэффициенты теплоотдачи от потока расплава к твердой частицы имеют вид:
при турбулентном режиме аж = при ламинарном режиме аж = 0,75^ж
2,5 + 3,б(ш// аж )2/3 ]//;
11/2
/I,
(1) (2)
где аж -температуропроводность расплава; I - характерный размер; уж - коэффициент кинематической вязкости; ш - скорость потока.
На рис. 5 приведены зависимости изменения коэффициента теплоотдачи от потоков расплава в зависимости от его скорости при различных значениях перегрева с учетом размеров и теплофизических параметров частиц [3-4]. Из иллюстрации следует, что при скоростях, близких к нулю (в застойных зонах), аж достигает в расплаве алюминия 100 кВт / (м • К). При повышении скорости потока значение аж возрастает и достигает при ш = 0,1 м/с в расплаве алюминия 420 кВт / (м2 • К).
Для решения задачи прогрева твердых частиц можно использовать уравнения теплового баланса [5-9]:
q ёт = Мс ёТ, (3)
«-» 2
где q - плотность теплового потока на поверхность твердой частицы, Вт/м ; - эффективная тепловоспринимающая поверхность, м ; с - удельная теплоемкость, кДж/(кг-К); X - время, с; Т - температура, К; М -масса частицы, кг.
Рис. 5. Зависимости коэффициента теплоотдачи аж от расплава алюминия к твердым частицам (перегрев расплава А^ =100°С)
в зависимости от скорости потока ю:
1, 2, 3, 4, 5 - древесные отходы с диаметром частиц 2, 5, 10, 15, 20 мм; 6, 7, 8, 9, 10 - измельченные пластиковые отходы с диаметром частиц 2, 5, 10, 15, 20 мм, соответственно
Выражая плотность теплового потока через эффективный коэффициент теплоотдачи от расплава к всплывающей частице аж, интегрируя уравнение (3) и решая относительно Тп. к, получим:
Тп.к = (Тр - Тп.н) [ 1 - ехр(- аж ^ т / М с)] + Тп.н , (4)
где Тр, Тпн и Тп.к - температура расплава, начальная и конечная температуры частиц. Решая это уравнение относительно времени, будем иметь:
Т = (М С / аж ^эф) 1П[(Тр - Тп.н) / (Тр - Тп.к)].
Если обозначить массу нагреваемого частицы М = Vp (V - объем частицы; р - плотность), то получим:
т = (Ур с / ал+к ^эф) 1п[(Тр - Тп.н) / (Тр - Тп.к)]. (5)
Это уравнение показывает, что продолжительность нагрева пропорциональна размеру частиц (У/Рэф), объемной теплоемкости рс, логарифму отношения начальной и конечной разности температур расплава и частицы и обратно пропорционально коэффициенту теплоотдачи на её поверхности.
На рис. 6 приведены результаты расчета времени прогрева твердых частиц в расплавах с различным перегревом.
Рис. 6. Изменение времени прогрева твердых частиц в расплаве алюминия
в зависимости от их диаметра:
1, 2 - древесных отходов при перегреве расплава А? = 50, 100°С;
3, 4 - измельченных пластиковых отходов при перегреве расплава
А = 50, 100°С
пер '
Результаты анализа рис. 6 показывают, что прогрев измельченных отходов диаметром
2 „ до 10 мм происходит за время до 5х10- с, что достижимо при незначительной (до 0,5 м) глубине теплоносителя.
Выводы
Высокотемпературный пиролиз отходов позволяет значительно изменить кинетику протекания процессов карбонизации углеродсодержащего сырья, ускорить массообменные и термодинамические характеристики процесса, увеличить конверсию и селективность процесса, создавать технологию контролируемого и управляемого процесса. Разрабатываемая технология позволяет безопасно утилизировать отходы деревообработки, пластиковые медицинские отходы с получением синтез газа. Преимуществом является возможность создания компактной, экологически безопасной установки, высокой производительности, по сравнению с существующими технологиями.
Термическая переработка твердых отходов предусматривает предварительное разложение органической составляющей отходов в бескислородной атмосфере (пиролиз), после чего образовавшаяся концентрированная парогазовая смесь направляется в камеру дожигания, где в режиме управляемого дожига газообразных продуктов происходит перевод токсичных веществ в менее или полностью безопасные.
Во время проведения научно-исследовательской работы по утилизации отходов в установке высокотемпературного пиролиза были достигнуты следующие результаты:
• создана и прошла экспериментальные испытания установка пиролиза отходов в жидком теплоносителе
• выполнены тепловые и гидравлические расчеты установки;
• выполнены эксперименты по гидродинамическому моделированию;
• проведены экспериментальные пуски установки, по пиролизу отходов в установке с жидким теплоносителем в диапазоне температур 700-1150°С для различных режимов пиролиза;
• поданы две заявки на патенты РФ;
Библиографический список
1. Corte, P. High-temperature gasification of carbonaceous materials by flash pyrolysis / P. Corte, V. Herault, S. Castillo, J.P. Traverse // Fuel. 1987. Vol. 66, N 8. P. 2107-2114.
2. Лямин, В.А. Газификация древесины / В.А. Лямин. - М.: Лесн. промышленность, 1967.
- 260 с.
3. Кожевников, И.Г. Теплофизические свойства материалов: справочник / И.Г. Кожевников, Л.А. Новицкий. - М.: Машиностроение, 1982. - 437 с.
4. Уоллис, Г. Одномерные двухфазные течения / Г. Уоллис - М.: Мир, 1972. - 440 с.
5. Гущин, В.Н. Методы исследования и разработка градиентных промышленных технологий управления тепломассобменными процессами при разливке и формировании непрерывноли-тых и стационарных заготовок: учеб. пособие / В.Н. Гущин, В.А. Ульянов; НГТУ. - Н. Новгород, 2006. - 141 с.
6. Гущин, В.Н. Особенности физического и математического моделирования многофазных потоков / В.Н. Гущин, В.А. Ульянов // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. №7. С. 45-47.
7. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при оптимальных условиях / Ю.П. Адлер, ЕВ. Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука, 1971. - 284 с.
8. Налимов, В.В. Теория эксперимента / В.В. Налимов. - М.: Наука, 1971. - 202 с.
9. Кутателадзе, С.С. Гидравлика газожидкостных систем / С.С. Кутателадзе, М.А. Стыркевич.
- М.: Энергия, 1976. - 232 с.
10. Баниев, Р.Ф. Динамика частиц при воздействии вибрации / Р.Ф. Баниев, Л.Е. Украинский. -Киев: Наукова думка, 1975. - 127 с.
11. Гущин, В.Н. Способы интенсификации рафинирования и дегазации расплава // Современная металлургия начала нового тысячелетия: сб. научн. трудов международной конференции; ЛГТУ. - Липецк. 2006. Ч. 5. С. 13-18.
12. Ульянов, В.А. Нагрев и нагревательные устройства / В.А. Ульянов, В.Н. Гущин, Е.А. Чер-нышов. - М.: Академия, 2010. - 255 с.
Дата поступления в редакцию 10.01.2012
V.N Guschin, V.A Vasilev, E.A. Chernyshov, I.D. Romano, E.A. Romanova, A.D. Romanov
RECYCLING OF A WASTE BY A METHOD OF HIGH-TEMPERATURE PYROLYSIS
IN THE LIQUID HEAT-CARRIER
The work purpose is complex creation on recycling of a waste of processing of wood, a plastic and medical waste in the liquid heat-carrier a method of high-temperature pyrolysis.
Key words: Waste, recycling, high-temperature pyrolysis, liquid metal.
