авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Экспериментальные и теоретические исследованияпроцессов плазменной газификации углеродсодержащихтехногенных отходов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ДАНИЛЕНКО

Андрей Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПРОЦЕССОВ ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ
ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ

Специальность: 01.04.14 –
Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Новосибирск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Чередниченко Владимир Семенович

Официальные оппоненты: Дьяченко Юрий Васильевич
доктор технических наук, профессор
Новосибирский государственный технический
университет, профессор кафедры ТТФ

Лукашов Владимир Петрович
кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Институт теоретической и прикладной
механики им. С.А. Христиановича
Сибирского отделения РАН, старший научный сотрудник лаборатории физики плазменно-дуговых и лазерных процессов

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики
им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск

Защита состоится 25.05.2012 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.02 Новосибирского государственного технического университета по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан «___» апреля 2012 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета Чичиндаев А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Существующая категоричная оценка сложившейся экологической ситуации практически во всех странах мира является индикатором остроты проблемы роста образования отходов производства и потребления, связанного как с изменением экономических, социальных и технологических условий существования человека, ростом урбанизации, так и с очевидным отсутствием соответствующей инженерно-технологической философии, определяющей поиск решений, предупреждающих неблагоприятные для окружающей среды последствия. Удовлетворение всевозрастающих материальных потребностей человечества осуществляется в результате последовательных превращений изъятого из окружающей среды сырья в конечный продукт потребления, что сопровождается выделением газообразных, жидких и твердых отходов практически на всех технологических этапах и завершается по окончании использования продукта или потери им потребительских свойств очередным образованием все тех же отходов. Этот очевидный цикл уже давно приобрел «индустриальные масштабы», что в совокупности с синтетическими продуктами, не свойственными естественной природе и, следовательно, не имеющими естественных механизмов ассимиляции, требует разработки индустриальных методов их уничтожения (утилизации) и обезвреживания.





Потребность в создании новых способов индустриальной переработки отходов определяет необходимость разработки не только оборудования, но и энерготехнологии, включая определение рациональных рабочих режимов, обеспечивающих устойчивую экологическую безопасность оборудования, процесса и продуктов переработки в условиях вероятностного изменения исходного сырья (отходов) в широких пределах.

Вышеизложенное обуславливает актуальность темы диссертационной работы, направленной на разработку теплофизических принципов создания нового энерготехнологического оборудования на основе высокотемпературных технологий, формирования технических требований к промышленному оборудованию для переработки углеродсодержащих отходов различного происхождения.

Диссертация выполнена на основании результатов научно-исследовательских работ, проведенных в Новосибирском государственном техническом университете в соответствии с целевой программой и финансированием мэрии г. Новосибирска и государственного контракта № 02.515.11.5010 от 6 марта 2007 года.

Целью работы является разработка научно обоснованных теплотехнических требований к оборудованию для переработки углеродсодержащих отходов различного происхождения; в научном плане изучение отходов различного происхождения как исходного сырья для реализации оптимальных энерготехнологий их переработки и утилизации, выработка научно обоснованных теплофизических принципов создания нового электротехнологического оборудования на основе плазменных газификаторов с получением синтез-газа и остеклованного экологически устойчивого шлака; в прикладном плане разработка технических требований к оборудованию для переработки и уничтожения углеродсодержащих отходов, включая ТБО, сельскохозяйственные, промышленные, медицинские и другие отходы.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ исходных теплофизических характеристик углеродсодержащих отходов как сырья для промышленной переработки в зависимости от методов утилизации и технологий последующего обращения с отходами, в том числе при наличии сортировки как метода, влияющего на теплотворную способность отходов перед их переработкой; сравнение теплоэнергетических свойств отходов, как возобновляемого сырья с используемым в энергетике ископаемым энергетическим сырьем (бурыми углями).

2. Разработка физико-математических моделей теплоэнергетических процессов высокотемпературной плазменной газификации твердых отходов.

3. Исследование материального и энергетического балансов термической переработки углеродсодержащего сырья; разработка принципов сравнения электротехнологий пиролиза и газификации, как основы промышленной электротехнологии, базирующихся на высокотемпературной газификации с использованием в качестве окислителя паров воды (естественной влажности отходов) и получением в качестве основного продукта высококалорийного синтез-газа и экологически устойчивого остеклованного шлака; обоснование ее экологических и энергетических преимуществ, в первую очередь, в решении диоксиновой проблемы.

4. Экспериментальная проверка теплофизической и энергетической эффективности процессов плазменной газификации техногенных отходов с использованием плазмотронов различной конструкции; изучение влияния подшихтовки углеродом на удельные энергетические затраты и калорийность синтез-газа, влажности, дополнительного окислителя и температурного поля на энергозатраты газификации, изучение методов интенсификации процессов для повышения эффективности работы промышленного оборудования.

5. Оценка энергетических и экологических параметров высокотемпературных технологий, разработанных в России.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые исследованы теплофизические процессы высокотемпературной плазменной газификации углеродсодержащих техногенных отходов; выявлены основные этапы теплофизических циклов и требования, предъявляемые при реализации этих процессов; разработаны новые принципы сравнения технологий переработки углеродсодержащих отходов и на основании этих принципов проведен анализ существующих методов; получено подтверждение, что несортированные бытовые отходы, а также углеродсодержащие отходы различного происхождения (зараженная фенолформальдегидными смолами древесина, бумага и маслянистые отходы, обезвоженные осадки сточных вод, медицинские отходы, рисовая лузга, животно-белковая мука и пр.) относятся к возобновляемому энергетическому сырью и имеют сопоставимую теплотворную способность с бурыми углями;

определен диапазон режимно-конструктивных параметров (включая рециркуляцию продуктов газификации), обеспечивающих устойчивую работу промышленного оборудования и гарантирующих разложение высокомолекулярных соединений углерода, в том числе – диоксинов, преимущественное образование молекулярного азота (вместо его оксидов), предотвращение повторного образования вредных соединений за счет интенсивной закалки синтез-газа;

впервые с использованием научно обоснованной физико-математичес­кой модели теплоэнергетических процессов газификации проведены расчеты материального и энергетического балансов установок для переработки разнообразных углеродсодержащих отходов; сформулирована методика расчета основных параметров плазменных газификаторов и сравнение основных параметров высокотемпературных установок – электрошлаковых печей (процесс «Пироксел»), барботажной плавки в печи Ванюкова и плазменных теплоэнергетических установках.

На основе теплофизических расчетов и экспериментальных исследований газификации конкретных видов отходов, охватывающий практически возможный диапазон изменений их свойств, доказаны преимущества высокотемпературных энерготехнологий, использующих в качестве окислителя естественную влажность сырья (отходов); доказано, что конструктивно-технологические решения новой энерготехнологии гарантируют отсутствие в получаемых продуктах токсичных и высокотоксичных соединений, а также снижают выбросы [CO2] в расчете на единицу получаемой энергии. Используемые операции обработки минеральной части сырья с переводом его в расплавленное состояние обеспечивает возможность получения нетоксичных сертифицированных материалов.

Методы проведения исследований. Взаимосвязанность поставленных задач обусловила необходимость применения комплексного метода исследований, включающего теоретические исследования, получение расчетных характеристик и закономерностей энерготехнологических процессов с последующей экспериментальной проверкой основных выводов работы на опытно-промышленной установке.

Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила расчетно-экспериментально доказать эффективность применения плазменного нагрева для процессов переработки техногенных отходов с использованием в качестве окислителя паро-воздушной смеси и создать новое энерготехнологическое оборудование для утилизации любого сырья. Окисление углерода до монооксида [CO] и исключение из технологического цикла транспортного азота позволило снизить количество отходящих газов в 5 раз по массе и в 3 раза по объему по сравнению с технологиями полного окисления воздухом до [CO2]. Меньшая масса получаемого синтез-газа, который состоит на 90% из смеси монооксида углерода и водорода (соответственно 40% и 50%) без транспортного азота, позволила производить закалку газа в центробежно-барботажных аппаратах с большей эффективностью (скорость охлаждения получаемого синтез-газа (105 К/с) с уровня среднемассовой температуры реактора 1200…1500 °С до 10…50 °С и получением шлама в 2 раза меньше по массе, так как часть вредных веществ переводится путем остеклования в жидкий шлак. В работе сформулированы принципы конструктивного исполнения электропечей и разработаны инженерные методы их расчетной оценки, обоснована целесообразность рециркуляции продуктов газификации из верхней зоны газификатора в нижнюю (высокотемпературную) и отбора синтез-газа из области газификатора с температурой 1200 °С. Такое конструктивное решение гарантирует разложение особо токсичных высокомолекулярных соединений углерода и отсутствие их в синтез-газе.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов высокотемпературного пиролиза и газификации углеродсодержащих отходов различного состава и происхождения с получением синтез-газа из смеси монооксида углерода и водорода;

- научно обоснованные теплофизические и технические требования к организации рабочего процесса в плазменных электропечах для газификации углеродсодержащих отходов различного состава и происхождения, включающих методы обеспечения высокотемпературного пиролиза и газификации, использования принудительно циркулирующих продуктов газификации в качестве теплоносителя и обеспечением среднемассовой температуры >1400 °С с последующим охлаждением до температуры 1200 °С в зоне отбора синтез-газа из рабочего пространства печи;

- инженерный метод расчета плазменных установок с гарантированным поддержанием оптимальных режимов газификации, температуры синтез-газа перед его закалкой (охлаждением); способ управления электротехнологическим процессом путем распределенной подачи окислителя по высоте шахты.

Реализация результатов работы. На основе научных положений, полученных в диссертации, принципов конструирования, инженерных методов расчета и способа организации рабочих процессов создана промышленная плазменная шахтная электропечь для переработки твердых углеродсодержащих отходов, разработаны конструктивные схемы плазменных электропечей различной мощности и технологического назначения. Результаты балансовых исследований обработки различных отходов и экспериментальные результаты, полученные на опытно-промышленной установке, использованы при разработке и пуске в эксплуатацию шахтной плазменной электропечи для уничтожения слаботоксичных отходов мощностью 500 кВт (Южная Корея, фирма «Самсунг») и положены в основу разработки технико-экономического обоснования (ТЭО) строительства завода по переработке твердых бытовых отходов методом высокотемпературной газификации производительностью 35 тыс. тонн в год.

Научные и прикладные результаты диссертации включены в учебные материалы, используемые при подготовке инженерных кадров и магистров в Новосибирском государственном техническом университете.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5-й Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (Крым, Алушта, 2003), научно-технической конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» с международным участием (Новосибирск, НГТУ, 2003), 12 Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, Крым, Украина, 2008).

Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 19 печатных работах, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, вошедших в перечень рекомендованных ВАК РФ, 2 – в сборниках научных трудов, 13 – в материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 156 наименований. Общий объем диссертации изложен на 213 страницах и включает 54 рисунка, 30 таблиц и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы проблемы, цель и научные задачи исследований. Выполнено аннотирование полученных научных и практических результатов, их новизны и практической реализации.

В первой главе рассмотрены основные факторы, определяющие теплофизические свойства и состав углеродсодержащих отходов как первичного сырья, подлежащего высокотемпературной плазменной обработке, приведен обзор литературы по проблемам обращения с твердыми бытовыми отходами; рассмотрены основные принципы политики в области обращения с отходами в ряде государств; приведена укрупненная классификация методов уничтожения твердых бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов; рассмотрена сортировка отходов как метод влияния на исходный состав ТБО перед утилизацией.

Разработана классификация технологий, включающая эколого-технические и технико-экономические параметры самостоятельных задач: уничтожение отходов, сжигание отходов, переработка отходов, утилизация отходов, сортировка отходов, переработка отсортированных отходов и др. Предложено при сравнении способов обращения с отходами базироваться на двух терминах: уничтожение – прекращение существования чего-либо, и утилизация – употребление с пользой.

Проведенный анализ современного состояния технологий переработки ТБО показал, что прямое или полное копирование принципов обращения с отходами в зарубежных странах для использования в России практически не приводит к существенным успехам, так как организация жизни населения, сложившаяся исторически, оказывает существенное влияние на конечный результат принятой технологии или последовательности технологий, реализующих общую постановку проблемы обращения с отходами. Подтверждено существование обратной связи уровня развития техники в конкретных странах с возможностью реализации различных методов обращения с отходами. Именно по этой причине оборудование, используемое в различных странах существенно отличается даже по принципам его работы.

Наиболее распространенное за рубежом промышленное оборудование второго поколения – это одно- или двухстадийное полное окисление углерода отходов до [CO2] с использованием в качестве окислителя воздуха, а энергетического источника – природного газа. Это ограничивает уровень температур, что сопровождается получением твердых шлаков, запрещенных для захоронения и требующих дополнительной переработки с использованием экологически безопасных технологий. Использование воздуха в качестве окислителя создает паразитную составляющую газового продукта за счет азота, большие объемы и массы газовых потоков СО2, N2, усложняют эколого-технологическую обработку с одновременным увеличением скоростей больших объемов газов.

Доказано, что уровень достигаемых температур в газовых потоках, ограниченное время пребывания всего объема газа при этих температурах (число Дамкелера Da > 1,0) не исключают возможностей синтеза диоксинов, фуранов и им подобных ксеонобиотиков. Стоимость экологического блока для очистки газов таких установок соизмерима и может превышать стоимость основного технологического оборудования не только по капитальным, но и эксплуатационным затратам. Системы очистки отходящих газов создают твердые и жидкие собственные отходы, которые необходимо подвергать дополнительной переработке для нейтрализации их вредности для окружающей среды. Существующие технологии не позволяют в принципе снизить количество СО2, выбрасываемого в атмосферу, при оценке массы СО2 на единицу получаемых полезных продуктов (например, энергии).

Противоречия информации рекламно-технического характера с сообщениями о загрязнении атмосферы, прежде всего, диоксинами при эксплуатации мусоросжигающих установок потребовало анализа этой проблемы. Показано, что термическое разложение диоксинов начинается при температуре 750С и до 1200С носит обратимый характер. Только выдерживание их в течение 4—7 секунд при температуре >1200С и выше приводит к необратимой фрагментации.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.