Влияние расхода плазмообразующего воздуха на теплотворную способность синтетического газа при плазменном сжигании ТБО

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние расхода плазмообразующего воздуха на теплотворную способность синтетического газа при плазменном сжигании ТБО

Риполь-Сарагоси Татьяна Леонидовна, Керест Андрей Юрьевич, Мовсесян Егиязар Мелидосович

Аннотация

Очевидно, что наиболее эффективным методом утилизации ТБО являются термические методы, а среди термических методов лидируют пиролиз и плазменная газификация. Для проведения плазменной газификации при определенных температурных режимах в технологии используется плазмообразующий воздух. Материал статьи посвящен исследованию влияния расхода плазмообразующего воздуха на величину теплотворной способности синтетического газа. Полученные результаты визуализированы и прокомментированы.

Ключевые слова: плазмообразующие воздух, термические методы, пиролиз, плазменная газификация, твердые бытовые отходы, технология.

Annotation: It is obvious that thermal methods are the most effective method ofsolid waste disposal, and pyrolysis and plasma gasification are the leaders among thermal methods. Plasma-forming air is used in the technology to carry out plasma gasification under certain temperature conditions. The material of the article is devoted to the study of the effect ofplasma-forming air consumption on the value of the calorific value of synthetic gas. The obtained results are visualized and commented on.

Key words: plasma-forming air, thermal methods, pyrolysis, plasma gasification, solid household waste, technology.

Очевидным является тот факт, что наиболее эффективным методом утилизации ТБО являются методы термической их обработки. Среди термических методов обработки наиболее перспективными считаются пиролиз и плазменная газификация. При пиролизе и плазменной газификации образуются жидкие, газообразующие и твердые продукты, которые впоследствии можно использовать в качестве дизельного топлива для получения тепловой энергии и продуктов коммерциализации.

Наиболее современной технологией переработки ТБО из вышеперечисленных все-таки можно считать плазменную переработку или газификацию, поскольку этот метод обладает всеми плюсами пиролиза, но конечный и основной продукт - синтез-газ получается чище, чем при высокотемпературном пиролизе [1]. Помимо этого, вследствие использования высокой температуры процесса возможно получать полностью очищенный от вредных примесей твердый остаток, который можно использовать в строительстве. Известно, что для осуществления процесса плазменной газификации ТБО необходимо использовать плазменный воздух, количество которого будет влиять на теплотворную способность синтез -газа. Безусловно, воздух - это самый универсальный плазмообразующий газ, не самый дорогой, но и далеко не самый дешевый ингредиент, участвующий в реализации процесса плазменного сжигания ТБО, поскольку требует специальной подготовки, а именно очистки от твердых частиц, масла и влаги. Процесс плазменной газификации описывается следующими химическими реакциями:

X1(2C + O2 = 2CO + 58,86 ккал/моль);

Х2(С + Н₂О = CO + Н₂ - 28,38 ккал/моль);

Х3(С + Н₂О = CO₂ + Н₂ + 10,41 ккал/моль).

Х1, Х2, Х3 - коэффициенты. Поскольку в уравнениях газификации присутствуют четыре неизвестные величины (Н₂, СО, СО₂, Н₂О), то для решения этой системы привлекается еще одно уравнение, описывающее условие газификации - уравнение равновесия фаз при заданной температуре (давление предполагается атмосферное):

где K - константа равновесия фаз при заданной температуре для СО, Н₂О, Н2 и СО2;

[СО], [Н₂О], [Н₂], [CO₂] - мольное содержание СО, Н₂О, Н₂, CO₂ в синтез-газе. плазмообразующий воздух термический пиролиз

Следовательно, для каждого компонента процесса газификации можно составить уравнение материального баланса. При этом предполагается, что в равновесном состоянии весь углерод вступил в реакцию с кислородом и водой и весь исходный кислород вступил в реакцию с углеродом либо с водородом.

С использованием справочных данных определим константу равновесия фаз:

- при среднемассовой температуре в реакторе 1000 °С константа равновесия фаз равна K = 1,656;

- при t = 1100 °С - K = 2,065;

- при t = 1200 °С - K = 2,506;

- при t = 1300 °С - K = 2,965.

Решение системы уравнений химических реакций позволяет определить теоретический состав синтез-газа при условии термодинамического равновесия в плазменном газификаторе.

Таблица - 1 Расчетный состав синтез-газа,

где G - расход плазмообразующего воздуха, поступающего на 1 кг отходов.

Анализируя данные таблицы 1 таблицы приходим к выводу о том, что при увеличении количества плазмообразующего воздуха к величине сжигаемых отходов уменьшается доля горючих компонентов (СО + Н ₂) в синтез- газе и увеличивается количество транзитного азота и СО ₂, но удельные затраты энергии при этом значительно уменьшаются, сохраняется восстановительная атмосфера в реакторе. При дальнейшем увеличении расхода воздуха процесс плазменной газификации переходит в процесс горения. При G = 0 органическая часть всех исследуемых отходов переходит в синтез-газ, имеющий более 90 % горючих компонентов. Этот газ пригоден для использования в энергетике при получении тепловой и электрической энергии. Рассчитаем теплоту сгорания синтез-газа в зависимости от расхода плазмообразующего воздуха, поступающего на 1 кг отходов[2].

Далее рассчитаем низшую теплоту сгорания синтез газа при выше обозначенных расходах плазмообразующего воздуха.

Низшая теплота сгорания (ккал/нм³) синтез-газа для ТБО при (G = 0) составит:

Q р = 30,18 * CO + 25,79 * H₂, ккал / нм³ н 2

Q^р = 30,18 * 37,9 + 25,79 * 56,1 = 2590,6 ккал / нм³, Q^р = 2590,6 * 4,1868 = 10846,32 кДж/нм³ = 10,85 МДж/нм³.

где 30,18 ккал/нм³; 25,79 ккал/нм³ - низшая теплота сгорания газов,

входящих в состав газообразного топлива.

Низшая теплота сгорания синтез-газа, для ТБО при (G = 0,18 кг/кг), составит:

Q р = 30,18 * CO + 25,79 * H, ккал / нм³, H 2

Q^р = 30,18 * 32,2 + 25,79 * 47,97 = 2208,9 ккал / нм³,

Q^р = 2208,9 * 4,1868 = 9248,4 кДж / нм³ = 9,25 МДж / нм³.

Низшая теплота сгорания синтез-газа, для ТБО при (G = 0,36 кг/кг), составит:

Q р = 30,18 * CO + 25,79 * H, ккал / нм³, н 2

Q^р = 30,18 * 29,5 + 25,79 * 39,6 = 1911,6 ккал / нм³,

Q^р = 1911,6 * 4,1868 = 8003,5 кДж / нм³ = 8 МДж / нм³.

Низшая теплота сгорания синтез-газа, для ТБО при (G = 0,9 кг/кг), составит:

Q Р = 30,18 * CO + 25,79 * H, ккал / нм³, н2

Q^р = 30,18 * 19,7 + 25,79 * 22,7 = 1179,9 ккал / нм³,

Q^р = 1179,9 * 4,1868 = 4940,3 кДж / нм³ = 4,94 МДж / нм³.

Таблица 2 - Теплотворная способность синтез-газа при различных значениях расхода плазмообразующего воздуха

Для визуализации данных, представленных в таблице 2 построим гистограмму изменения значений расхода плазмообразующего воздуха.

Рис. 1 Теплотворная способность синтез-газа в зависимости от расхода плазмообразующего воздуха.

Анализ полученных расчетным путем зависимостей влияния расхода плазмообразующего воздуха на теплотворную способность полученного в результате плазменного сжигания ТБО синтетического газа показывает, что с уменьшением его количества повышается теплотворная способность синтетического газа, который можно использовать в различных отраслях промышленности для получения тепловой и электрической энергии при его сжигании в топках котлов. Совершенно очевидно, что доказательство такой обратной зависимости позволит снизить энергетические издержки процесса плазменной газификации за счет уменьшения расходов на подготовку плазмообразующего воздуха, а именно его очистку от взвешенных частиц, масла и влаги.

Использованные источники:

1. Риполь-Сарагоси, Т.Л. Плазменная газификация твердых бытовых отходов как технология энергосбережения на предприятиях ОАО "РЖД" / Т. Л. Риполь-Сарагоси, Н. Э. Ибрагимова // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2018. - № 4. - С. 82-85. - EDN YURPQL.

2. Muraviev A., Innovative technology for reducing the rate of sediment formation in the power plants channels Muraviev A., Nadeev A., Naumov A., Pereslavtseva I.B сборнике: E3S Web of Conferences. Topical Problems of Green Architecture, Civil and Environmental Engineering, TPACEE 2019. 2020. С. 01033.

Размещено на Allbest.ru