Разработка математической модели реактора-газификатора утилизации твердых коммунальных отходов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный технический университет

им. Н.Э. Баумана

Разработка математической модели реактора-газификатора утилизации твердых коммунальных отходов

Попова Елизавета Владимировна

В современном мире перспективными возобновляемыми источниками энергии являются биоресурсы, в частности, отходы сельского хозяйства, лесной промышленности, а также твердые коммунальные отходы (ТКО), которые могут использоваться для получения энергоресурсов. Но непосредственное использование сырья ТКО в когенерационных системах, а также для получения электроэнергии затруднительно, в связи с чем целесообразно организовывать получение промежуточного теплоносителя-синтез-газа. Для получения такого синтез-газа используют энерготехнологические комплексы с применением реакторов-газификаторов.

Процесс пароплазменной газификации проходит в плазмохимическом реакторе. Реактор конструктивно включает в себя реакционную камеру, средство для вывода из нее целевого продукта, два плазматрона в реакционной камере, размещенных таким образом, что при подаче на них электрического напряжения в нем возникает дуговой электрический разряд, и средство для снабжения реакционной камеры плазмообразующим газом.

В г. Калуге, согласно имеющимся данным, образуется широкий спектр отходов производства и потребления, различных видов и всех классов опасности. В среднем, на 343 предприятиях города Калуги, в течение календарного года образуется 932867,18 т опасных отходов [1].

Из общего годового количества, образовавшихся на территории города отходов предприятиями было использовано 294704,89 т отходов, что составляет 31,6 %. Также было обезврежено 2054,12 т отходов, что составляет 0,22 %. Основную долю отходов, подлежащих обезвреживанию, составляют ртутные лампы, люминесцентные ртутьсодержащие трубки, отходы деревянной упаковки (невозвратной тары) из натуральной древесины в объеме 1890,884 т (92 % от общего объема обезвреженных отходов). Для размещения на полигоне ТБО г. Калуги предприятиями было направлено 72983,0 т отходов, что составляет 7,8 % от общего количества образовавшихся отходов. Основную долю захороненных на полигоне отходов составляют отходы потребления на производстве, подобные коммунальным - 46523,8 т (63,7 % от общего объема захороненных отходов), отходы производства пищевых продуктов - 7853,14 т (10,8 % от общего объема захороненных отходов), отходы бумаги и картона - 7512,32 т (10,3 % от общего объема захороненных отходов) [2].

На основе анализа различных публикаций [3-11] и математической модели процессов, происходящих в реакторе [6] выделены основные химические реакции, протекающие в отдельных зонах реактора. В реакциях константа скорости i-ой реакции обозначена как Кi, индекс ос соответствует зоне осушки, п - зоне пиролиза, о - зоне окисления, г - зоне газификации.

В зоне осушки происходит реакция:

где: индексы: ж - жидкая фаза, г - газовая фаза.

Зона пиролиза включает в себя следующие реакции:

Зона окисления характеризуется реакциями:

Получающаяся окись углерода вступает во взаимодействие с кислородом и водяным паром:

В зоне газификации происходят реакции:

а диоксид углерода может реагировать с углеродом:

Фактическое соотношение между окислами углерода зависит от температуры, давления, длительности взаимодействия, реакционной способности ТКО.

Также в реакционной зоне реактора образуется метан:

который в свою очередь вступает в реакцию с водяным паром:

Для перечисленных выше химических реакций характерны скорости, которые можно описать следующими зависимостями. В зоне осушки скорость реакции представлена следующим уравнением:

где: ri - скорость реакции i, моль/м3·с;

Сj - молярная концентрация j-того вещества, моль/м3;

Kj - константа скорости.

Зона пиролиза содержит следующие скорости реакции:

где: индексом ТКО обозначаем твердые коммунальные отходы.

В зоне окисления скорости реакции описываются следующими уравнениями:

где: мj - молекулярная масса j-того вещества, кг/кмоль;

н4 - счетная концентрация частиц биогаза, 1/м;

Kj - константа скорости;

Kmj - коэффициент массопереноса реакции;

Тг - температура газа, К.

В зоне газификации скорости реакции можно описать зависимостями:

где: K' - константа скорости обратной i-той реакции.

Для определения константы скорости реакции использовано уравнение Аррениуса [13]:

где: Аj - предэкспоненциальный множитель, с-1;

Ej - энергия активации, кДж/моль;

R - универсальная газовая постоянная, кДж/мольК;

Т - температура среды, К.

Для вычисления величины предэкспоненциального множителя А и значения энергии активации Е при определении констант скоростей химических реакций использованы данные авторов [14].

Расчет значений коэффициента массопереноса Кm выполняется с помощью числа Шервуда [13]:

где: Re - число Рейнольдса; Sc - число Шмидта.

На основе составленных уравнений и зависимостей разработана система дифференциальных уравнений материального и энергетического баланса реактора-газификатора.

Масса ТКО определяется уравнением:

где: молярный поток вещества, моль/с; z - координата по оси реактора, м; площадь поперечного сечения реактора в зоне пиролиза, м

rn -- скорость реакции, моль/м3·с.

Количество образованной влаги найдем в соответствии со следующим уравнением:

где: молярный поток вещества, моль/с;

z - координата по оси реактора, м;

площадь поперечного сечения реактора в зоне пиролиза, м;

скорость реакции, моль/м3·с.

Количество образуемого кислорода и водяного пара следует из следующих уравнений: плазмохимический реактор газификация отход

где: So - площадь поперечного сечения реактора в зоне окисления, м2;

но2 - стехиометрический коэффициент кислорода в реакции ri ;

Фо2,га - количество кислорода в агенте газификации, моль/м·с.

нН2ОГ, ос - стехиометрический коэффициент водяного пара в реакции;

rг - rг1, rг4, rг5;

ФH2Oг,га - количество водяного пара в агенте газификации, моль/м·с.

Уравнения материального баланса для диоксида и моноксида углерода примут следующий вид:

где: нСО2Г, г2 - стехиометрический коэффициент диоксида углерода в реакции;

Sг - площадь поперечного сечения реактора в зоне газификации, м2.

нСО - стехиометрический коэффициент моноксида углерода в реакции;

i1 - o1, o2, o4; i2 - г1, г2, г4, г5.

Ранее были определены параметры реактора плазменной газификации для переработки твердых коммунальных отходов г. Калуги [15]. Для переработки количества отходов, поступающих на полигон, принята производительность реактора 5 т/ч. Производительность разогрева плазматроном при скорости газификации с температурой 1100 °С составляет 500 кг/м2ч, следовательно разогреваемая площадь должна быть в соответствии с рекомендациями [16] не менее 10 м2. Согласно проведенным расчетам внутренний диаметр плазмохимического реактора составит 3,3 метра, высота высокотемпературной зоны -- 2,5 метра, минимальный объем высокотемпературной зоны -- 46 м3, высота зоны нагрева -- 4,5 метра. Общая высота плазмохимического реактора суммируется из высокотемпературной зоны и зоны подогрева и составит 7 метров.

Содержание метана описывается уравнением:

где: нСН4 - стехиометрический коэффициент метана в реакции.

Твердая фаза и газовая фазы описаны следующими уравнениями материального баланса:

где: ЕТ - поток энергии твердой фазы, Дж/с;

qI - тепловой поток энергии, переданный излучением, Вт/м2;

Qcт - объемный поток энергии, переданный конвекцией, Вт/м3;

Нi - полная энтальпия вещества j, Дж/моль;

индексы т - твердая фаза, ст - стенка, г - газовая фаза.

лг - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К).

Коэффициент теплопередачи рассчитывается с помощью числа Нуссельта [13]:

где: Pr - число Прандтля.

Решения составленной системы дифференциальных уравнений позволяет определить температуру газовой и твердой фаз ее распределение в реакторе-газификаторе, а также количественный состав твердой и газовой фаз вдоль оси z реактора.

Таким образом, на основе современных представлений о кинетике процессов, происходящих в реакторе, разработана математическая модель реактора генерации синтез-газа из твердых коммунальных отходов.

Разработанная математическая модель позволяет описать физико-химические процессы, протекающие в зонах осушки, пиролиза, окисления и газификации. Модель описана системой дифференциальных и энергетических уравнений материального энергетического баланса плазмохимического реактора утилизации твердых коммунальных отходов. Утилизация ТКО в таком реакторе, в сравнении другими технологиями, обладает рядом преимуществ, в числе которых: возможность осуществления технологического процесса непосредственно в месте сбора и накопления отходов; достижение минимальных показателей выбросов и образования твердых остатков; полнота обезвреживания токсичных отходов и разрушения диоксинов.

В условиях развития потребления в обществе и постоянно увеличивающегося количества образующихся отходов, применение плазменных технологий позволит эффективно утилизировать твердые коммунальные отходы г. Калуги и получать из них вторичные коммерческие продукты.

Список литературы

1. Попова Е.В., Морозенко М.И. Технология плазменной газификации твердых бытовых отходов // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы Региональной научно-технической конференции. - 2016 г. -- Т. 2. - С. 37-40.

2. Доклады о состоянии природных ресурсов и охране окружающей среды на территории Калужской области. - Калуга: РА «Типограф», ИП Лазарев П. А. 2013-2015 гг.

3. Моссэ А.Л. Плазменные технологии и устройства для переработки отходов // Минск: Белорусская наука, 2015. - 414 c.

4. Морозенко М.И., Кусачева С.А., Черняев С.И. Оценка технико-экономических показателей технологии пароплазменной газификации твердых коммунальных отходов, а также отходов производства и потребления. Современные наукоемкие технологии. 2016, № 6 (часть 1), с. 60-64.

5. Морозенко М.И., Черняев С.И., Попова Е.В., Морозенко Д.Н., Карева Е.О. Исследование характеристик генераторного газа при пароплазменной газификации ТБО // Успехи современного естествознания ИД. «Академия естествознания» №5, 2016. - с. 141-148.

6. Попова Е.В., Карева Е.О. Утилизация твердых коммунальных отходов в плазмохимическом реакторе // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе. Изд.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калуга, 2016. - Т.2, С. 64-68

7. Ahmed I, Nipattummakul N, Gupta AK. Characteristics of syngas from co-gasification of polyethylene and woodchips. Appl Energy 2011, vol. 88, P. 165-74.

8. Moustakas K, Datta D, Malamis K, Loizidou M. Demonstration plasma gasification/vitrification system for effective hazardous waste treatment. J Hazard Mater 2013, vol. 123, P. 120-6.

9. Thomas M. Novel and innovative pyrolysis and gasification technologies for energy efficient and environmentally sound MSW disposal. Waste Manage 2014, vol. 24, P. 53-79.

10. Tinaut F.V., Melgar A., Perez J.F., Horrillo A. Effect of biomass particle size and air superficial velocity on the gasification process in a downdraft fixed bed gasifier. An experimental and modeling study // Fuel Processing Technology. - 2008, vol. 89, P. 1076-1089.

11. Мельников М.Я. Экспериментальные методы химии высоких энергий // учебное пособие. -- М.: Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 2009. - с. 824 c.

12. Козлов А.В., Теренченко А.С., Ливанский А.Н. Разработка математической модели реактора получения синтез-газа из отходов лесной промышленности // Вестник МАДИ, вып. 2 (29), 2011 г.

13. Попова Е.В., Морозенко М.И. Определение параметров реактора плазменной газификации для переработки твердых коммунальных отходов // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе. Изд.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калуга, 2017, Том 2. С. 45-50.

14. Клименко Г.К., Ляпин А.А. Генераторы плазмы: методические указания к выполнению курсового проекта -- М.: Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, 2010. -- 64 c.

Аннотация

В статье исследована возможность использования плазмохимического реактора для газификации твердых коммунальных отходов. На основе данных морфологического состава твердых коммунальных отходов полигона г. Калуги разработана математическая модель физико-химических процессов в реакторе-газификаторе утилизации отходов.

Ключевые слова: плазменная газификация, утилизация отходов, синтез-газ.

The article investigated the possibility of using the plasma chemical reactor for gasification of municipal solid waste. Based on the data of the morphological composition of solid municipal waste polygon in Kaluga, a mathematical model of physicochemical processes in the reactor-gasifier of waste utilization has been developed.

Keywords: plasma gasification, waste utilization, synthesis gas.

Размещено на Allbest.ru