Визначення параметрів безпечної утилізації твердих побутових відходів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 628.4: 504

ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ БЕЗПЕЧНОЇ УТИЛІЗАЦІЇ ТВЕРДИХ ПОБУТОВИХ ВІДХОДІВ

Спеціальність 21.06.01 - Екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луньова Оксана Володимирівна

Донецьк 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент, Матлак Євгеній Семенович, ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», професор кафедри природоохоронної діяльності.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Висоцький Сергій Павлович, ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», Автомобільно - дорожний інститут, завідувач кафедри екології і безпеки життєдіяльності;

кандидат технічних наук, доцент, Бреус Роман Володимирович, Луганський національний аграрний університет, доцент кафедри архітектури будівель та споруд.

Захист відбудеться 16 лютого 2010 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.051.09 Донецького національного університету за адресою: 83001, м. Донецьк, пр. Театральний, 13.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного університету за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Університетська, 24.

Автореферат розісланий 15 січня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н. Н.В. Биковська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Безпека людини та навколишнього природного середовища (НПС) - найважливіша характеристика якості життя. Людина постійно перебуває під впливом його факторів, тому що вона дихає атмосферним повітрям, п'є воду, вживає в їжу рослинні продукти. Приблизно 70% шкідливих речовин в організм людини потрапляє з їжею, через продукти тваринного і рослинного походження. Шкідливі речовини в організмі накопичуються поступово, а потім виявляється їх патологічний вплив - порушення обмінних процесів, системи травлення, ураження центральної нервової системи, виявляється здатність викликати віддалені імуномоделюючі наслідки - онкологічні, алергійні захворювання, мутацію генної структури клітин (виявляється під час народження дитини).

В цілому людська діяльність приводить до істотних змін у НПС і в перспективі може привести до глобальної екологічної кризи. Однією з основних причин небезпечного впливу відходів на довкілля є постійно зростаючі обсяги твердих відходів. Надходячи в навколишнє природне середовище, вони накопичуються, окислюються, гниють і стають небезпечними для всього живого. За даними Державної екологічної інспекції Мінприроди щорічно в Україні утворюється більше 700 млн. т. відходів, які займають землі загальною площею 1600 тис. га.

За останні десятиліття спостерігається стрімка тенденція до зростання кількості відходів. Щорічний приріст твердих побутових відходів (ТПВ) в Україні становить близько 35 млн.м³, а накопичена за всі роки їх кількість досягає більше 3 млрд. м³. Тільки в Донецькій області щорічний приріст ТПВ становить 6 млн.м³ (350 - 400 кг/рік на 1 людину). Усі ці відходи вивозяться приблизно на 700 міських смітників, з яких 80% експлуатуються без дотримання заходів щодо охорони НПС. Технологічне обладнання сміттєспалювальних заводів застаріло та не відповідає сучасним вимогам екологічної безпеки. Маса накопичених у Донецькій області відходів становить приблизно 4 млрд. т., а площа земель, зайнятих відходами, наближається до 2% території всієї Донецької області, що по площі відповідає території, яка перевищує площу м. Донецька в 1,5 раза. В Україні на сьогоднішній день 4% усієї території зайнято смітниками. Усього в нашій країні функціонує близько 12,5 тис. смітників.

Результатам досліджень у сфері утворення, акумулювання, депонування, поводження, утилізації та ліквідації ТПВ присвячена велика кількість наукових праць, як вітчизняних, так і зарубіжних. Внесок у розвиток основ мінімізації утворення відходів, їх переробки, розробку питань еколого-економічних пріоритетів поводження з відходами, а також їх нормативно-методичного забезпечення зробили такі вчені, як Г.М. Алексєєв, Д.Н. Бен'ямовський, Р.В. Бреус, З.С. Бройде, О.А. Вахрушев, Г.П. Виговська, С.П. Висоцький, В.І. Горда, Б.О. Горлицький, А.В. Гречко, П.В. Даруліс, О.М. Касімов, М.Ю. Краснянський, Б.І. Левін, А.Н. Мірний, О.С. Парфенюк, В.Р. Пурім, Т.А. Сафранов, В.Г. Сістер, В.І. Сметанін, Т.П. Шаніна, Т.Г. Шендрік та інші.

Основним способом вирішення проблеми накопичення твердих побутових відходів є їх спалювання. Однак, при його перевагах (можливість знешкодження ТПВ без попереднього сортування; висока швидкість процесу; значне скорочення обсягу й маси вихідного матеріалу; можливість утилізації енергетичного потенціалу газів, що відходять, і шлаків) цей спосіб має екологічні недоліки: викид в атмосферу леткої золи та шкідливих димових газів, в яких містяться небезпечні компоненти. Вони характеризуються високою токсичністю навіть при досить малих концентраціях, дуже стійкі та здатні накопичуватися в НПС.

Переваги термічної обробки відходів вказують на актуальність пошуку шляхів удосконалення даного методу з метою усунення його недоліків. Одним із таких підходів є обробка відходів методом високотемпературного піролізу. Однак, як свідчить досвід, класичний піроліз також не дозволяє повною мірою запобігти утворення небезпечних сполук на виході з реактора.

З урахуванням переваги термічної обробки ТПВ і значимості проблеми існує необхідність теоретичного й експериментального дослідження процесу переробки ТПВ з метою створення наукової бази для вдосконалення способу високотемпературного піролізу з урахуванням усіх недоліків. Завдяки цьому вирішується питання поліпшення екологічної безпеки та безпеки територій, на яких застосовується удосконалений спосіб.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами темами. Дисертаційну роботу виконано на кафедрі «Природоохоронна діяльність» Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» відповідно до плану наукового дослідження та Закону України «Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки: збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток», державної програми «Екологічно чиста енергетика й енергозберігаючі технології» і перспективної програми «Донбас - 2020» за темою «Дослідження екологічних аспектів і розробка рекомендацій зі знешкодження й утилізації твердих побутових відходів (на території Донецького регіону)» (номер держреєстрації РК 0105U002159, 2005-2007р.), за якою автор є відповідальним виконавцем (акт від 12.11.2007 р.), а також за темою Донецького державного науково-дослідного і проектного інституту кольорових металів «Исследование и разработка технологии и экспериментального образца печи для переработки промышленных отходов с извлечением цветных металлов» (номер держреєстрації 0105V007570, 2005-2009р.).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є визначення параметрів безпечної утилізації твердих побутових відходів на основі технологічних удосконалень ключових стадій процесу високотемпературного піролізу.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- проаналізувати сучасний стан, тенденції розвитку процесів переробки ТПВ, вибрати перспективний технологічний процес і визначити напрям досліджень;

- виконати теоретичні дослідження способу утилізації ТПВ, а також обґрунтувати необхідність підвищення його екологічної безпеки;

- запропонувати комплексну систему поводження з відходами, яка поєднує пріоритети, законодавчі та технологічні фактори;

- розробити математичну модель режимів технологічного процесу переробки ТПВ з метою дослідження впливу температури і складу ТПВ на характеристики газоподібних продуктів на виході з реактора;

- здійснити теоретичні й експериментальні дослідження впливу вихрового ефекту на температуру кінцевих піролізних газів і визначити основні параметри процесу їх швидкого охолодження;

- вибрати наповнювач для забезпечення утворення необхідної температури в шарі відходів;

- розробити математичну модель для дослідження розподілу щільності електричного струму у шарі наповнювачу та на цій основі вибрати раціональний режим споживання електроенергії для стабілізації процесу піролізу;

- розробити й обґрунтувати принципи вдосконалення способу утилізації ТПВ, які забезпечують підвищення його екологічної безпеки.

Об'єкт дослідження - тверді побутові відходи, які забруднюють навколишнє природне середовище.

Предмет дослідження - спосіб утилізації твердих побутових відходів та удосконалення окремих ланок технологічного процесу, що підвищують його екологічну безпеку. утилізація вдходи побутовий газ

Методи дослідження. Інформаційну основу дисертації становлять наукові праці вітчизняних і зарубіжних вчених, законодавчі й нормативні акти у сфері поводження з відходами, матеріали статистичної звітності Державного комітету статистики України й Головного управління статистики у Донецькій області, Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, власні дослідження автора й інші джерела. При виконанні роботи використано методи: логічного узагальнення й системного аналізу науково-технічної інформації - при дослідженні процесів утилізації ТПВ; метод математичного моделювання й програмування з використанням основних законів термодинаміки й тепломасопереносу для дослідження закономірностей процесу розкладання ТПВ усередині реактора й процесу переносу електричного струму для стабілізації заданих режимів; фізичного моделювання - при виконанні експериментальних лабораторних досліджень механізму впливу вихрового ефекту на швидке охолодження газу; еколого-економічного аналізу способу утилізації ТПВ.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновано комплексну систему поводження з відходами, яка об'єднує пріоритети, законодавчі та технологічні фактори.

2. Вперше встановлено умови перебігу процесу швидкого охолодження піролізного газу за межами реактора за рахунок використання вихрового ефекту.

3. Обґрунтовані технологічні умови виконання процесу швидкого охолодження газового потоку з його розподілом на гарячу та холодну складову, що дозволяє виключити емісію високотоксичних сполук після реактору піролізу.

4. Розроблено спосіб стабілізації процесу піролізу твердих побутових відходів за рахунок регулювання подачі електричного струму.

5. Розроблено математичну модель процесу утилізації твердих побутових відходів для умов запропонованого способу високотемпературного піролізу з урахуванням основних елементів, які містяться у відходах, що дозволяє забезпечити необхідні раціональні параметри процесу утилізації. Показано, що при температурі 1300°С при вологості відходів 34% («свіжі» відходи) питома витрата повітря становить 2,7 м³/кг - раціональний режим ведення процесу; при вологості відходів 17% («залежані») - 4,5 м³/кг; при вологості відходів 5% («просушені») - 19 м³/кг.

6. Встановлено залежність опору шару коксу від його фракційного складу. Обґрунтовані та встановлені зв'язки сумарного потенціалу тепловиділення за рахунок складових відходів з додатковими енерговитратами на процес розкладання відходів в загальному енергетичному балансі процесів, що протікають у реакторі.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розраховані конструктивні параметри реактора високотемпературного піролізу, розроблені технічні рішення для організації технологічного потоку під час переробки відходів, принципову технологічну й апаратно-технологічну схеми утилізації ТПВ.

2. Розробки автора покладені в основу проекту будівництва дослідно-експериментальної установки утилізації ТПВ методом високотемпературного піролізу продуктивністю 6000 т ТПВ/рік у м. Сумах (довідка № 184/01-60 від 13.06.2007р.).

3. Розробки автора по виділенню піролізних газів із реактора використані ВАТ «Український науковий центр технічної екології» в якості бази для основних технічних рішень під час розробки проектно-конструкторської документації (довідка № 0-1/190-1 від 05.04.2007 р.).

4. Основні положення, викладені автором в дисертаційній роботі, доведено до рівня методичних трудів, які використовуються в навчальному процесі під час розробки навчальних програм та викладанні курсу «Рекуперація та утилізація відходів», а також при виконанні студентами спеціалізації «Менеджмент природоохоронної діяльності» і «Екологічні технології й обладнання в гірництві» науково-дослідної роботи й дипломних проектів на кафедрі Природоохоронної діяльності в Донецькому національному технічному університеті (акт впровадження від 05.09.2007г.).

5. Розробки автора підтверджені патентами України (№ 79548 і № 18708).

Особистий внесок здобувача полягає в пошуку й аналізі літературних даних та інформації за темою дисертації, проведенні теоретичних і експериментальних досліджень та обробці отриманих даних. Постановка завдання досліджень виконувалась науковим керівником Є.С. Матлаком при особистій участі здобувача. Обговорення й узагальнення результатів досліджень, а також формулювання загальних висновків здійснювалося разом з науковим керівником. Основні результати роботи одержано автором особисто, йому належать теоретичні розробки і узагальнення, вибір методів дослідження, висновки і рекомендації, практичне впровадження результатів наукових досліджень. Автором також запропоновано використання швидкого охолодження газів за рахунок вихрового ефекту для запобігання повторної генерації небезпечних сполук.

Апробація результатів дисертації. Основні результати й головні наукові положення дисертації доповідались, обговорювались та дістали позитивної оцінки на: II і III Міжнародних наукових конференціях «Охорона навколишнього природного середовища й раціональне використання природних ресурсів» (Донецьк, 2003 - 2004 рр.); Міжнародній конференції «Співробітництво для вирішення проблеми відходів» (Харків, 2004 р.); Науково-практичній конференції «Розвиток, пріоритети, реалізація і перспективи процесу «Довкілля для Європи» (Донецьк, 2004 р.); Міжнародній науково-практичній конференції «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» (Москва, 2004 - 2006 рр.); Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми збору, переробки й утилізації відходів» (Одеса, 2004, 2007 рр.); II Міжнародній конференції «Відходи виробництва й споживання» (Київ, 2007 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 наукових статей, які відображають основний зміст дисертації, з яких 5 статей у спеціалізованих наукових виданнях, затверджених ВАК України, 10 матеріалів наукових конференцій, отримано 2 патенти України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку літератури, представленого 185 джерелами. Загальний обсяг роботи - 139 сторінки, 41 рисунок, 19 таблиць.

оСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету, завдання, предмет, об'єкт та методи дослідження, наведено наукову новизну, показано практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі розглядається проблема впливу ТПВ на НПС в Україні, зокрема в Донецькій області, та шляхи удосконалення утилізації ТПВ з метою зменшення їх негативного впливу на НПС (рис. 1). На схемі виділені шляхи, за допомогою яких відбувається зменшення негативного впливу відходів на атмосферу, гідросферу, літосферу, та, в свою чергу, здоров'я людини.

Проаналізовані основні принципи поводження з ТПВ: депонування на полігонах, сміттєпереробка та спалювання ТПВ. Встановлено, що через відсутність сміттєспалювальних і сміттєпереробних заводів в області практично всі відходи, що утворюються, складуються на полігонах і стихійних смітниках, які становлять екологічну небезпеку для населення, вимагають постійного контролю й моніторингу.

Практично всі вони не відповідають санітарно-нормативним вимогам, тобто є екологічно небезпечними через емісію фільтрату, біогазу й пилу в НПС. За даними Головного управління статистики в Донецькій області наведено баланс ТПВ з 2004 по 2007 роки (табл. 1).

Таблиця 1

Баланс ТПВ по роках за період з 2004 по 2007 роки, тис.т

№ п/п	Роки Операція	2004	2005	2006	2007
1	Разом на початок року	1532,4	1763,5	1944,9	2496,2
2	Утворено	273,6	172,4	198	514,6
3	Отримано	446	509,6	901,5	757,8
4	Використано	0	0,2	0,1	0
5	Поставлено (продано)	101,5	103	283	312,6
6	Знешкоджено	506	575,2	765,5	914
7	Разом на кінець року	1644,5	1767,1	1995,8	2542

На рис. 2 зображено динаміку утворення ТПВ на кінець року за період з 2004 по 2007 р.: з кожним роком кількість ТПВ по Україні зростає, у результаті чого збільшується негативний вплив на НПС.

Санітарне очищення міст від ТПВ сьогодні є однією з найважливіших складових забезпечення екологічної безпеки населення, тому що якість НПС істотно впливає на здоров'я людей. Проблема утилізації відходів є актуальною, в першу чергу, через негативний вплив на навколишнє природне середовище, над її вирішенням працюють вчені у багатьох країнах світу.

Способи, які застосовуються для знешкодження ТПВ (полігонне депонування, спалювання, сміттєпереробка та разом з цим сортування відходів), мають ряд незаперечних недоліків, насамперед, майже всі хімічні речовини, які містяться в ТПВ, потрапляють в НПС.

Екологічна небезпека полігонів полягає у тому, що вони генерують продукти розкладання відходів - фільтрат, який забруднює водні джерела, і безконтрольно викидають в атмосферу метан та інші гази після розкладу сміття, що негативно впливає на озоновий шар Землі. До недоліків полігонів в економічному плані можна віднести: виведення з використання на тривалий період великих площ земної поверхні; надмірно швидке переповнення існуючих полігонів; відсутність площ, придатних для розміщення полігонів на зручній відстані від великих міст. В зв'язку з розширенням міст полігони витісняються на все більш далекі відстані, що пов'язано із збільшенням транспортних витрат. Відходи після процесу компостування необхідно або складувати, або спалювати, що в економічному плані викликає додаткові витрати. Процес спалювання є високотехнологічним, але він потребує великих початкових капіталовкладень і експлуатаційних витрат, а дотримання санітарних норм вимагає впровадження складної системи газоочищення.

У Донецькій області зосереджено 25 % відходів, накопичених в Україні, при цьому тут практично відсутні установки для утилізації побутових відходів, а також немає полігонів для складування відходів, обладнаних з урахуванням сучасних вимог екологічної безпеки. Таким чином, усі розглянуті способи поводження із ТПВ через свої недоліки не є однозначно прийнятними для вирішення проблеми утилізації ТПВ, тому головним завданням у сфері поводження з відходами є створення необхідного екологічно безпечного способу й установок для утилізації ТПВ.

У другому розділі міститься аналіз та узагальнення основних термічних технологій переробки ТПВ: спалювання на колосникових решітках, спалювання в реакторі з псевдозрідженим шаром, спалювання в розплаві шлаку (піч Ванюкова) та плазмова плавка. Проаналізовані зарубіжні й вітчизняні термічні розробки в сфері знешкодження ТПВ високотемпературним піролізом. Обґрунтовано та запропоновано перспективний екологічно безпечний спосіб утилізації твердих побутових відходів, який здійснюється в реакторі. Увесь робочий об'єм реактора можна умовно розбити на технологічні зони, наведені на рис. 3.

Зона сушіння 100-200єС Зона виділення летких речовин із ТПВ 400-600єС Зона коксування ТПВ 800-1200єС Зона активного горіння коксового залишку ТПВ 1400-1600єС Зона утворення генераторного газу 1400-1200єС Зона електронагрівання шлаково-коксового шару й випуску шлаків 1600-1800єС

Рис. 3 Принципова схема роботи реактора

У наведеній нижче табл. 2 представлено порівняльний аналіз недоліків класичного способу піролізу та шляхи їх усунення за рахунок запропонованого у роботі комплексу рішень. Поставлене завдання вирішувалось для випадку розкладання несортованих ТПВ, тому що тільки такий підхід знімає на практиці численні технологічні, економічні й соціальні труднощі під час експлуатації установок.

Висока температура процесів, які відбуваються у реакторі, підвищує екологічну безпеку й ефективність даного способу утилізації відходів, у якому шляхом введення додаткових конструктивних ознак забезпечується стабільність процесу й зведена до мінімуму можливість виникнення високотоксичних речовин, які мають стійкість і здатність до накопичення в організмі людини. Крім цього, одержання енергетично корисного піролізного газу, а також нешкідливих шлаків, які утилізуються у народному господарстві, відповідає критеріям безвідхідного виробництва і зменшує його собівартість.

Таблиця 2

Порівняльний аналіз способів утилізації твердих побутових відходів

Недоліки класичного способу піролізу	Комплекс запропонованих удосконалень
1. Високі вимоги до калорійності та вологості вихідних ТПВ, співвідношення яких впливає на стабільність теплового режиму і при нестачі енергетичного потенціалу у відходах виключає перебіг процесу в цілому. 2. Потік газів йде знизу вгору крізь товщу відходів і виводиться з реактора у верхній зоні при низьких температурах (200-400°С), у результаті чого з реактора виходять органічні сполуки, які не пройшли високотемпературного знешкод-ження. Крім того, має місце повторний синтез високотоксич-них речовин, знешкоджених у нижній високотемпературній зоні.	1. Стабілізація теплового режиму за рахунок пропущення електричного струму через коксово-шлаковий наповнювач. 2. Леткі речовини, що виділяються із ТПВ, включаючи високомолекулярні сполуки, які частково розклалися, в основній масі примусово подаються в зону горіння, де розкладаються на більш прості складові до екологічно безпечного рівня. Газ, який утворився в процесі піролізу, виводиться із зони горіння при температурі 1600-1800°С, з пропусканням його через вихрову установку, завдяки чому виключається повторне насичення газу токсичними сполуками.

Таким чином, за рахунок впровадження екологічно чистих і безпечних технологій переробки ТПВ може бути досягнуто поліпшення екологічної ситуації в Україні.

У третьому розділі розроблено математичну модель основних режимів технологічного процесу переробки ТПВ, проаналізовано вплив температури і складу ТПВ на характеристики газоподібних продуктів на виході з реактора.

Проведено аналіз складу вихідної газової суміші в зоні горіння й генерації газу при різному процентному вмісті вологи у вихідних відходах (розглянуто три випадки при вологості 34% - «свіжі», 17% - «залежані», 5% - підготовлені ТПВ). Основні показники технологічного процесу залежно від питомої витрати повітря (а) при вологості 34% показано на рис. 4.

Процентний склад генераторного газу залежно від питомої витрати повітря при температурі 1300°С наведено на рис. 5. На рис. 6 наведено процентну частку основних хлор- азот- сірковмісних сполук у складі вихідного газу при різній вологості залежно від питомої витрати повітря, які можуть завдати шкоди НПС.

Перевищення гранично припустимих концентрацій шкідливих хімічних сполук знижує рівень екологічної безпеки, яка не є теоретично визначеною величиною, тому її порушення при забрудненні НПС визначається як небезпечний стан екологічної системи, що завдає шкоди як екосистемі, так і людству.

У табл. 3 наведено максимальні значення (мг/м³) основних хлор-, азот- і сірковмісних сполук при різних режимах питомих витрат повітря та різній вологості ТПВ. Аналіз величин концентрацій даних сполук показує, що необхідно додаткове традиційне обладнання для очищення газу перед подачею споживачу. При організації спалювання газу безпосередньо на виході з реактора різко зменшується концентрація сполук COS, H₂S, CS₂, та S₂, але збільшується концентрація оксидів сірки. Під раціональним режимом подачі повітря мається на увазі режим, визначений за середньоквадратичним мінімумом значень хлор-, азот- і сірковмісних сполук, отриманих при розрахунку рівнянь матеріального балансу. Для вологості 34% це відповідає 2,7; 17% - 4,5; 5% - 19 м³/кг.

Таблиця 3

Максимальна та раціональна концентрація основних хімічних сполук

Вологість ТПВ, %	Хімічні сполуки, мг/м3
	HCl	NH3	HCN	COS	H2S	S2	CS2
34	mакс.	16,5	0,03	0,98	1,2	30	1,3	8,1
	рац.	2,5	0,05	0,73	0,9	10,5	0,3	0,75
17	mакс.	11,5	0,03	1,2	2,1	30,0	1,5	9,5
	рац.	3,0	0,01	0,85	1,5	15,0	0,3	1,7
5	mакс.	23,0	0,04	1,2	2,1	50,0	1,9	10,2
	рац.	6,5	0,006	1,0	1,7	13,5	0,4	2,4

В третьому розділі також розроблено математичну модель, яка побудована на основі еквівалентної електричної схеми, обґрунтовані взаємозв'язки сумарного теплового потенціалу, що міститься у відходах з додатковими енерговитратами на процес розкладання відходів до молекулярного рівня в загальному енергетичному балансі процесів, які протікають у реакторі. Встановлені взаємозв'язки дозволили виділити закономірності, на основі яких запропоновані енергозберігаючі режими ведення розробленого способу.

Розрахунок величини електропровідності двофазної системи («кокс-розчин») може бути виконаний шляхом розв'язання рівняння Лапласа, яке характеризує розподіл потенціалу в полі струму. На межі фаз дотримується умова безперервності потенціалу й струму

. (1)

У двофазній системі питомі електропровідності суміші «кокс-розчин» визначаються функцією

(2)

де - відповідно питомі електропровідності системи (суміші) коксу й рівноважного розчину; - коефіцієнт урахування геометричних параметрів, який залежить від розмірів і форми часток коксу, його пористості й взаємного розташування і форми обох фаз.

Визначальною величиною при розрахунках за математичною моделлю є значення активного опору між елементарними об'ємами насипного матеріалу при заданому ступені розбивки всього об'єму. Система рівнянь, яка описує значення струмів в еквівалентній електричній схемі (дугах орієнтованого графа), що апроксимує повний струмопровідний об'єм насипного матеріалу, відповідно до закону Кірхгофа, має вигляд:

, (3)

де матриці Q₁, Q₂ описують властивості орієнтованого графа; R₁, R₂ - діагональні матриці елементарних опорів у гілках і хордах графа; J₁, J₂ - діагональні матриці відповідних елементарних струмів; J_T - загальний струм у вторинній обмотці живильного трансформатора; U_T - напруга на обмотках трансформатора; R - активний опір в обмотках трансформатора; Q^T - транспонована матриця.

Однотипність розбивки на елементарні об'єми й за умови стійкості температури в повному об'ємі сипучого матеріалу матриці R₁, R₂ мають вигляд:

, , (4)

де , - одиничні матриці відповідної розмірності (кількість гілок і хорд дерева графа), а - активний опір між елементарними обсягами при температурі . Після нескладних перетворень системи рівнянь (3) випливає

. (5)

Вираз (5) є узагальненим рівнянням переносу (провідності) для макрообластей гетерогенної системи, де - матриця, яка відповідає узагальненому коефіцієнту переносу й однозначно визначається структурою графа й залежить тільки від конфігурації розглянутого обЧєму сипучого матеріалу й ступеня розбивки на елементарні обЧєми. Таким чином, на простих експериментальних установках може бути накопичено великий матеріал за питомими опорами різного складу насипного матеріалу, що дозволяє вирішити економічність виробничих процесів при подальшому проектуванні промислових об'єктів.

У четвертому розділі наведено методику й результати експериментального дослідження методу швидкого охолодження піролізного газу на виході з реактора за допомогою вихрового ефекту. Дослідження виконувалися в лабораторних умовах на експериментальній установці в ДонНТУ, до якої включена модель вихрової труби. Схема й загальний вид експериментальної установки представлені на рис. 7 і 8. Підігрітий газ 1 за допомогою компресора 2 направляється у вихрову трубу 3, у якій відбувається розподіл потоку газу на гарячий ГГ і холодний ХГ.

Запропоновано реалізацію екологічно безпечного способу утилізації твердих побутових відходів методом удосконаленого високотемпературного піролізу (на основі патенту автора) з швидким охолодженням піролізного газу, який випускається з високотемпературної зони реактора (рис. 9, поз. 6).

Корисними продуктами, які одержуються, є електроенергія й товарний шлак. Шкідливі газоподібні продукти нейтралізуються, пил уловлюється. Зокрема, фільтрацією продуктів піролізу крізь розігрітий шар коксу руйнуються небезпечні хімічні сполуки, які забруднюють атмосферу, а для запобігання їх повторної генерації використовується вихрова труба.

У п'ятому розділі виконано еколого-економічне обґрунтування запропонованого в роботі способу високотемпературного піролізу. Проаналізовано його економічну та соціальну ефективність. Визначено очікуваний еколого-економічний ефект. Для установки продуктивністю 6000 т/рік розраховано чистий приведений ефект, який склав 1210,4 тис.грн., та супутній економічний ефект від утилізації відходів довільного хімічного складу на основі методу високотемпературного піролізу при виробництві газу, який склав 350,76 тис. грн.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення та удосконалене вирішення актуального наукового завдання - підвищення екологічної безпеки навколишнього природного середовища при утилізації твердих побутових відходів.

Основні наукові й практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

На основі аналізу основних вітчизняних та зарубіжних термічних технологій знешкодження твердих побутових відходів показано, що спосіб депонування твердих побутових відходів на полігонах, незважаючи на свою поширеність, не має стратегічної перспективи використання. Найбільш радикальною мірою є знешкодження відходів способом високотемпературного піролізу, використання якого з кожним роком поширюється. У зв'язку з цим обґрунтована необхідність удосконалення ключових стадій процесу для підвищення його екологічної безпеки.

Визначені основні параметри екологічно безпечної роботи піролізної установки:

температура наповнювача (1800°С) та розподіл температурного поля в реакторі;

питома витрата електроенергії (700 кВтг/т ТПВ)

забезпечення стабільності теплового режиму шляхом застосування додаткового електричного джерела енергії;

забезпечення відновлювальної атмосфери в нижній частині реактора шляхом регулювання питомої витрати повітря;

стабілізації складу піролізного газу за рахунок швидкого охолодження газу для запобігання повторної генерації високотоксичних сполук.

Розроблено математичну модель, що дозволяє здійснити прогноз зміни параметрів вихідного газу від елементного складу твердих побутових відходів, температури й кількості зовнішнього окислювача.

За одержаними характеристиками розподілу струмів в зоні електронагріву виконано розрахунок робочих параметрів реактора піролізу. Результати розрахунків використано як вихідні дані для проектування дослідно-експериментальної установки.

Обґрунтовані конструктивні параметри реактора високотемпературного піролізу. Розроблено принципову та технологічну схеми утилізації твердих побутових відходів.

Експериментально доведено можливість швидкого охолодження піролізного газу з використанням вихрового ефекту і вперше на базі експериментально виконаного фізичного моделювання обґрунтована ефективність використання вихрового ефекту для швидкого охолодження піролізного газу за межами реактора з метою запобігання повторної генерації високотоксичних сполук та встановлені робочі параметри процесу.

Розроблено математичну модель для якісного аналізу розподілу щільності електричного струму в шарі коксу теплогенератора та встановлена залежність електричного опору шару наповнювача (коксу) в залежності від його фракційного складу та температури, яка дозволяє вибрати раціональний режим споживання електроенергії для стабілізації процесу піролізу.

Сформульовано основні вимоги й рекомендації з розробки технологічної схеми процесу високотемпературного піролізу, який забезпечує його функціональну надійність та досягнення природоохоронних цілей: відсутність в кінцевих продуктах піролізу токсичних сполук та утилізація піролізного газу з додатковим одержанням електроенергії.

Обґрунтовано метод видалення піролізних газів безпосередньо із зони їх кінцевої деструкції - для підвищенні екологічної безпеки процесу, і введення електроенергії в зону максимального теплоспоживання в реакторі - для стабілізації заданого теплового режиму.

Виконано еколого-економічне обґрунтування застосування запропонованого в роботі способу високотемпературного піролізу. Проаналізовано його економічну та соціальну ефективність. Визначено очікуваний еколого-економічний ефект.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Беляева Е.Л. К решению проблемы отходов в условиях экономики рыночного типа / Е.Л.Беляева, О.В.Стародубцева / Проблемы экологии, №1. Донецк, ДонНТУ, 2002. С. 69-71.

2. Лунева О.В. Математическая модель определения электрического сопротивления насыпного материала, как нагревательного элемента в энергетических установках / О.В.Лунева, Ю.П.Вархалёв, А.И.Тесленко // Зб. наук. пр. ДонНТУ серія «Електротехніка і енергетика», вип. 112, Донецк, ДонНТУ, 2006. С. 132-137.

3. Вархалёв В.Ю. Экспериментальная проверка математической модели определения электрического сопротивления насыпного материала, как нагревательного элемента в энергетических установках / В.Ю.Вархалёв, О.В.Лунева, Ю.П.Вархалёв, В.И.Горда, А.И.Тесленко // Зб. наук. пр. ДонНТУ серія «Електротехніка і енергетика», вип. 7 (128), Донецк, ДонНТУ, 2007. С. 245-248.

4. Лунева О.В. Термодинамические и массовые характеристики высокотемпературного пиролиза твердых бытовых отходов / О.В.Лунева, Ю.П.Вархалёв // Экология и промышленность. Вип. 2. Харків, 2008. С. 60-65.

5. Луньова О.В. Підвищення екологічної безпеки способу знешкодження твердих побутових відходів / О.В.Луньова // Вісник ЖДТУ, серія «Технічні науки», вип. III (46). Т.1. Житомир, 2008. С. 174-177.

6. Пат. 79548 UA, МПК7 F 23 G5/027. Способ утилизации отходов / О.В.Лунева, В.К.Костенко, В.И.Горда, Е.С.Матлак, С.Ю.Приходько (Украина); ДонНТУ. № 09071; заявл. 26.09.2005; опубл. 10.04.2007, Бюл. № 4. 6 с.

7. Пат. 18708 UA, МПК7 F 23 G5/027 Установка для утилизации отходов / О.В.Лунева, В.К.Костенко, В.И.Горда, Е.С.Матлак (Украина); ДонНТУ. № 05842; заявл. 29.05.2006; опубл. 15.11.2006г., Бюл. № 11. 6 с.

8. Стародубцева О.В. До питання про вибір напрямку переробки і видалення твердих побутових відходів (ТПВ) / О.В. Стародубцева // Зб. доп.: II Міжн. наук. конф. аспірантів та студентів [«Охорона навколишнього природного середовища та рацiональне використання природних ресурсiв»], (Донецьк, 15 -17 квіт. 2003р.) Донецьк, ДонНТУ, ДонНУ, 2003. Т. 1. С. 69-70.

9. Стародубцева О.В. Проблема твердых бытовых отходов в Донецкой области и направления решения / О.В.Стародубцева // Тез. докл.: конф. с межд. уч. [«Сотрудничество для решения проблемы отходов»], (Харьков, 5 -6 лют. 2004р.) Харьков, 2004. С. 101-103.

10. Стародубцева О.В. О подходах к созданию системы управления обращением твердыми бытовыми отходами / О.В.Стародубцева, Е.С. Матлак // Сб. науч. ст.: V Межд. науч.-пр. конф. [«Проблемы сбора, переработки и утилизации отходов»], (Одесса,8 -9 квіт. 2004р.), Одесса: ОЦНТЭИ, 2004. C. 380-384.

11. Стародубцева О.В. Про систему управління поводженням твердими побутовими відходами / О.В.Стародубцева, О.Ю.Акінін // Зб. доп.: Ш Міжн. наук. конф. аспірантів та студентів [«Охорона навколишнього природного середовища та рацiональне використання природних ресурсiв»], (Донецьк, 13 -15 квіт. 2004р.) Донецк, ДонНТУ, ДонНУ, 2004. С. 108-109.

12. Стародубцева О.В. О системе управления обращением твердыми бытовыми отходами / О.В.Стародубцева // наук.-пр. конф. [«Розвиток, прiоритети, реалiзацiя та перспективи процессу «Довкiлля для Европи»»], (Донецьк, 14 квіт. 2004р.) Донецк, 2004. Т. 1. С. 71-75.

13. Стародубцева О.В. Об особенностях утилизации твердых бытовых отходов на основе высокотемпературного пиролиза / О.В.Стародубцева // мат. межд. науч.-пр. конф. [«Экологические проблемы индустриальных мегаполисов»], (Донецк - Авдеевка, 01-04 черв. 2004р.), Донецк, ДонНТУ, 2004. С. 466-470.

14. Лунева О.В. Автотермичность, как фактор эффективной пиролизной переработки твердых бытовых отходов / О.В.Лунева, В.И.Горда, Е.С.Матлак // Тр. II межд. науч.-пр. конф. [«Экологические проблемы индустриальных мегаполисов»], (Москва, 24 -27 трав. 2005р.), М.: МГУИЭ, 2005. С. 130-133.

15. Лунева О.В. Обеспечение экологической безопасности энергогенерирующих установок / О.В.Лунева, Е.С.Матлак, В.К.Костенко // Мат. міжн. конф. [«Форум гірників - 2005»], (Днепропетровск, 12-14 жовт. 2005р.), Днепропетровск, 2005. Т. 3(К-П). С. 114-122.

16. Лунева О.В. Безотходная технология высокотемпературного пиролиза ТБО / О.В.Лунева, Ю.П.Вархалёв, В.И.Горда, А.И.Тесленко // Труди міжн. наук.-техн. конф. [«Проблеми і рішення у сфері поводження з небезпечними та побутовими відходами»], (с. Піщане (Крим), 11-15 черв. 2007р.), Київ.: Т-во «Знання» України, 2007. С. 24-27.

17. Лунева О.В. Реактор высокотемпературного пиролиза твердых бытовых отходов / О.В.Лунева, Ю.П.Вархалёв, В.И.Горда // Сб. науч. ст. Межд. науч.-пр. конф. [«Проблемы сбора, переработки и утилизации отходов»], (Одесса, 25 -26 жовт. 2007р.), г. Одесса: ТОВ «ІНВАЦ», 2007. C. 88-91.

АННОТАЦИЯ

Лунева О.В. Определение параметров безопасной утилизации твердых бытовых отходов - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - Экологическая безопасность. Донецкий национальный университет, Донецк, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научной задачи - определению параметров безопасной утилизации твердых бытовых отходов.

Проанализированы основные принципы обращения с ТБО. Показана опасность складирования отходов на полигонах, т.е. раскрыто негативное воздействие фильтрата и биогаза на ОПС; определены основные недостатки мусороперерабоки (компост загрязнен тяжелыми металлами, а отходы, оставшиеся после переработки, требуют захоронения) и мусоросжигания (в атмосферу выбрасываются токсичные продукты, а полученная зола не пригодна для вторичного использования и требует захоронения). Установлено, что из-за отсутствия мусоросжигательных и мусороперерабатывающих заводов практически все отходы, которые образуются, складируются на полигонах и стихийных свалках, которые представляют собой экологическую опасность для населения и требуют постоянного мониторинга.

Проанализированы отечественные и зарубежные основные термические технологии обезвреживания твердых бытовых отходов. Установлено, что перспективным направлением утилизации ТБО является способ их обезвреживания высокотемпературным пиролизом. Сформулированы основные принципы экологически безопасной работы пиролизного реактора. Предложена реализация экологически безопасного способа обезвреживания твердых бытовых отходов методом усовершенствованного высокотемпературного пиролиза с быстрым охлаждением отходящих газов.

Экспериментально доказана возможность быстрого охлаждения пиролизного газа, также обоснована эффективность использования вихревого эффекта для быстрого охлаждения пиролизного газа за пределами реактора с целью предотвращения повторной генерации высокотоксических соединений. Рассчитаны конструктивные параметры реактора высокотемпературного пиролиза, разработана принципиальная и технологическая схемы утилизации ТБО.

Разработана математическая модель, позволяющая осуществить прогноз изменения параметров исходного газа от элементного состава ТБО, температуры и количества внешнего окислителя. Разработана математическая модель для качественного анализа плотности электрического тока в слое теплогенератора. По полученным закономерностям распределения токов выполнен расчёт рабочих параметров реактора пиролиза. Результаты расчётов использованы в качестве исходных данных для проектирования опытно-экспериментальной установки.

На основании полученных результатов сформулированы основные требования и рекомендации по изменению технологической схемы ведения процесса высокотемпературного пиролиза для обеспечения его функциональной надежности и достижения природоохранных целей: отсутствия в конечных продуктах пиролиза токсичных соединений и утилизации пиролизного газа для получения электроэнергии и шлака в стройиндустрии.

Выполнено эколого-экономическое обоснование применения предложенного в работе способа высокотемпературного пиролиза. Проанализированы его экономическая и социальная эффективность. Рассчитан чистый приведенный и сопутствующий экономический эффект от утилизации отходов на основе предложенного запатентованного способа высокотемпературного пиролиза.

Ключевые слова: экологическая безопасность, окружающая природная среда, твердые бытовые отходы, утилизация, обезвреживание, высокотемпературный пиролиз, реактор.

Анотація

Луньова О.В. Визначення параметрів безпечної утилізації твердих побутових відходів - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - Екологічна безпека. Донецький національний університет, Донецьк, 2010.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального наукового завдання - визначенню параметрів безпечної утилізації твердих побутових відходів. Проаналізовано сучасний стан, тенденції розвитку процесів переробки ТПВ. Встановлено, що найбільш перспективним напрямом утилізації ТПВ є спосіб їх знешкодження методом високотемпературного піролізу. Сформульовано основні принципи екобезпечної роботи піролізного реактора. Запропоновано екологічно безпечний спосіб утилізації твердих побутових відходів методом високотемпературного піролізу із швидким охолодженням газів, які відходять. Здійснено теоретичні й експериментальні дослідження впливу вихрового ефекту на температуру кінцевих піролізних газів. Розроблено математичну модель режимів технологічного процесу переробки ТПВ з метою дослідження впливу температури і складу ТПВ на характеристики газоподібних продуктів на виході з реактора. Розроблено математичну модель для якісного аналізу щільності електричного струму в шарі теплогенератора. За одержаними закономірностями розподілу струмів виконано розрахунок робочих параметрів реактора піролізу. Результати розрахунків використано як вихідні дані для проектування дослідно-експериментальної установки. Розраховано чистий приведений та супутній економічний ефект від утилізації відходів на основі запропонованого в роботі способу високотемпературного піролізу.

Ключові слова: екологічна безпека, навколишне природнє середовище, тверді побутові відходи, утилізація, знешкодження, високотемпературний піроліз, реактор.

ABSTRACT

Lunеvа О. The parameters finding of safe recycling of a solid household waste. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of Candidate of Sciences on a speciality 21.06.01 - Ecological safety. - Donetsk national university, Donetsk, 2010.

Dissertation is dedicated to the solution of an actual scientific problem - to find the parameters of safe recycling of a solid household waste. In dissertation the modern condition, tendencies of solid household waste reprocessing is analyzed. It is established, that the most perspectives way of solid household waste recycling is a method of high temperature pyrolysis.

In the work the main ecological safety principles of the activities pyrolys reactor are formulated. The implementation of a safety ecological way of rendering of a solid household waste by a method of an improved hyperthermal pyrolysis with «hardening» of end gas is offered. Theoretical and experimental researches of influencing of vortical effect on the temperature of removing purolysis gases are executed.

In dissertation the modern condition, tendencies of solid household waste reprocessing is analyzed. It is established, that the most perspectives way of solid household waste recycling is a method of high temperature pyrolysis.

The mathematical model for the qualitative analysis of an electric current density in a layer of thermal generator is developed.

The calculation of performance parameters of the reactor of a pyrolysis is executed. The outcomes of calculations as input data for designing of the experimental - trial device are used.

The pure resulted and accompanying economic benefit of a waste recycling on the basis of a high-temperature pyrolysis method is calculated.

Key words: Ecological safety, ambient environment, solid household waste, utilization, rendering, hyperthermal pyrolysis, reactor.

Размещено на Allbest.ru

...