МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Л.Н. ГУМИЛЕВ АТЫНАҒЫ ЕУРАЗИЯ ҰЛТТЫҚ
УНИВЕРСИТЕТI
ЕВРАЗИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Л.Н. ГУМИЛЕВА L.N. GUMILYOV EURASIAN
NATIONAL UNIVERSITY
ХАБАРШЫ
1995 жылдың қантарынан жылына 6 рет шығады
I бөлiм
№ 6 (97) · 2013
ВЕСТНИК
выходит 6 раз в год с января 1995г.
I часть
HERALD
Since 1995
I part
Астана
УДК 628.474
1Н.С. Серикбаев, 2А.К. Махамбетова, 2С.Т. Жакупаева
Элементарный состав и низшая теплота сгорания ТБО г. Астана и продуктов его переработки методом пиролиза
(1Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан)
( 2 ТОО Казахстанский научно-технический центр развития жилищно-коммунального хозяйства, г. Астана, Казахстан)
В данной работе были рассчитаны элементарный состав и низшая теплота сгорания твердых бытовых отходов (ТБО) г. Астана, а также была рассчитана низшая теплота сгорания газообразных продуктов утилизации ТБО. Данная работа может быть использована при планировании переработки ТБО методом пиролиза.
Ключевые слова: твердые бытовые отходы (ТБО), элементарный состав, морфологический состав, пиролиз, пиролизный газ, низшая теплота сгорания
Во всем мире переработка ТБО является весьма сложной технической, технологической, экономической и экологической проблемой одновременно.
На сегодняшний день во всем мире переработка ТБО является одной из острейших проблем, так как высокий темп роста населения и развития науки и техники приводят к постоянной тенденции роста объемов образуемых ТБО, в том числе трудноразлогаемых, т.е. искусственных материалов.
Морфологический состав ТБО по г. Астана, % от массы
В нашей стране сокращение объемов накопления бытовых и промышленных отходов является одной из основных задач Концепции экологической безопасности на 2004-2015 гг. В настоящее время в Казахстане основной технологией хранения и переработки ТБО является полигонное захоронение. Данная технология считается не эффективной как с экономической так и с экологической точки зрения, так как, углеродсодержащие компоненты ТБО формируют экологическую нагрузку при размещении ТБО в окружающей среде.
Существует достаточно много способов переработки ТБО, в том числе и термическое. Само термический метод разделеляется на несклько и и принципиальными отличиями между ними являются температура воздействия на отходы, доступ кислорода к ним и экологические последствия. Как известно, термическое обезвреживание отходов на современном уровне развития технологического процесса гарантирует почти полное разрушение находящихся в отходах органических вредных веществ. Это достигается с помощью высоких температур без доступа кислорода, т.е.пиролиз. При термическом разложении углеродсодержащих отходов в обедненной кислородом среде и температуре не менее 1000·C, образуются пары воды, горючий пиролизный газ и твердый остаток. Утилизация ТБО методом пиролиза применяется с целью получения горючего газа, дальнейшее сжигание которого используются в качестве топливного компонента. При данной температуре смолообразные вещества практически полностью газифицируются, и образуется пиролизный газ.
В данной работе изучено применение метода пиролиза для утилизации ТБО в г. Астана, морфологический состав которого приведен на рисунке 1. Для получения пиролизного газа была взята 500г. пробы ТБО [1].
В расчете на 500г исходного материала это: бумага (65г), текстиль (47,5г), кожа, резина (1,5г), пластмассы и полимеры (92,0г), стекло (72,5г), металлы (4,5г), пищевые отходы (140г), древесные отходы (7,5г), строительные отходы (7г), отсев (62г).
Расчетным методом был определен элементарный состав ТБО г.Астана [2], который приведен в таблице 1.
Таблица 1.- Элементарный состав ТБО
Элементарный состав твердых бытовых отходов в % по массе
Ctp Htr Otr Ntr Srt Art Wtr
30,17 4,05 16,67 1,04 0,16 11,35 36,53
Доли компонентов в горючей массе ТБО (Ii) равны: пищевые отходы-0,3612; бумага, картон-0,1599; пластмасса-0,2514; текстиль-0,1314; отсев менее 16мм-0,0715; древесина-0,0229;
кожа, резина-0,0017.
Низшая рабочая теплота сгорания и удельная теплота сгорания горючей массы компонентов ТБО, приведены в таблице 2.
Таблица 2.- Расчетные характеристики отдельных компонентов ТБО Пищевые
отходы
Бумага, картон
Пласт- масса
Текстиль Отсев менее 16 мм
Древе- сина
Кожа, резина Низшая
рабочая теплота сгорания компонента Qp, МДж/кг
3.34 9.94 24.37 15.72 4.6 14.46 25.79
Удельная теплота сгорания горючей массы компонентов Qг, МДж/кг
22.28 16.85 30.18 22.53 17.01 20.27 31.06
Определим низшую рабочую теплоту сгорания ТБО г. Астана:
QrH
total=Qr1·I1+Qr2·I2+Qr3·I3+Qr4·I4+Qr5·I5+Qr6·I6+Qr7·I7= 11,69. (1) Определим удельную теплоту сгорания горючей массы ТБО:
Qgtotal= 23,02. (2)
Определим, насколько изменяются значения теплоты сгорания исходного ТБО и его горючей массы:
Qgtotal−Qrtotal= 23,02−11,69 = 11,33. (3) Проверим верность расчета Qrtotal при помощи формулы Менделеева:
Qrtotal= (81Ctotalr + 300Htotalr −26(Ortotal−Stotalr )−6(9Htotalr +Wtotalr ))·4.18, (4)
Qrtotal= 11.79. (5) Как видно, расхождение составляет на 0,8%, что для предварительных оценочных подсчетов является допустимым.
Далее рассмотрим процесс пиролиза ТБО, где источником высокой температуры является электрическая дуга. Для осуществления процесса пиролиза ТБО при температуре 900·C в течении 10 мин., затрачивается около 0,525 кВт*ч электроэнергии (I=200A, U=25B).
При пиролизе взятой пробы ТБО образуется газовая смесь [3], состоящая из следующих компонентов: (29%), H2(27%), CH4(12%), C2H6(4,5%), CO2(18%).
В процессе пиролиза ТБО происходят следующие реакции:
Cs+ 0,5O2(g) =COg, (6)
Cs+O2(g)=CO2(g), (7)
Cs+H2Ov =COg+H2(g), (8) Cs+ 2H2(g)=CH4(g), (9)
2Cs+ 3H2(g)=C2H4(g). (10)
Объем образовавшегося газа [дм3] при нормальном условии (н.у), рассчитывается по формуле:
Vg =n(P G)g·22.4, (11)
где 22,4 дм3- объем занимаемый одним молем идеального газа при н.у.
Cуммарное количество пиролизного газа вычиляются по формуле:
n(P G)g =n(CO2)g+n(CO2)gp+n(CH4)g+n(C2H6)g+n(H2)g. (12) Расчет количества газов CO2, CH4, C2H6 пиролизного газа производится по формуле:
n(G)gi =k·n(C)g·µ(G)gp, (13) где k-суммарный стехиометрический коэффициент для реакции (6)-(10), среднестатистическая величина k = 3. Теперь рассчитаем количество молей n [моль]
основных элементарных составов пиролизного газа.
n(C)g = 1,0867,
n(CO)g = 0,94,
n(CO2)g = 0,59,
n(CH4)g = 0,39,
n(C2H6)g = 0,15,
n(H2)g = 0,88.
Тогда суммарное количество нашего пиролизного газа равна:
n(P G)g = 2,95, а объем:
Vg=n(P G)g·22,4 = 66.
По итогом расчета, объем образовавшегося пиролизного газа составил 66 дм3 при н.у.
Далее приводим основные формулы для вычисления получаемую электроэнергию от образовавшегося пиролизного газа теоретическим расчетом. Низшая теплотворная способность получаемого горючего газа вычисляется по формуле:
QH =
n
X
i=1
Qi·Ci, (13)
где Qi - низшая теплота сгорания i-го компонента газа; Ci - доля i-го компонента в газе.
Выделяемая теплота при сгорания приролизного газа рассчитывается по следующей формуле:
Q=QH ·Vg. (14)
Следовательно, если коэффициент полезного действия (КПД) электрогенератора, используемого для выработки электроэнергии из полученного пиролизного газа, равна 0,9, то получаемая электроэнергия Ntheor [кВт*ч], рассчитывается по следующей формуле (1 кВт*ч
= 3,6МДж):
Ntheor=Q·0,9/3,6. (15)
Теперь рассчитаем получаемую электроэнергию от нашего образовавшегося приролизного газа из ТБО г. Астана. По формуле (13) вычислим теплотворную способность приролизного газа:
QH =QCO·C(CO) +QCH4 ·C(CH4) +QC2H6 ·C(C2H6) +QH2 ·C(H2) = 13,78. (16) Так как у нас объем пиролизного газа равна 66 дм3, то получаемая энергия при сгорании пиролизного газа будет составлять:
Q=QH ·Vg= 13,78·66/1000 = 0,91. (17)
И получаемая электроэнергия равна:
Ntheor = 0,23. (18)
Как видно, из полученного газа можно вырабатывать 0,23 кВт*ч электроэнергии, что покрывает примерно 44% затраченной энергии на реактор.
Таким образом, в данной работе расчетным методом был определен элементарный состав горючей и рабочей массы ТБО г. Астана. Определена низшая рабочая теплота сгорания ТБО, котороя составляет 11,69 МДж/кг. Изучена процесс пиролиза и показано, что выбранная температура, т.е. 900·C не является эффективной. В дальнейшем будет исследован процесс пиролиза на более высоких температурах и проанализированы состав пиролизного газа и твердых остатков.
ЛИТЕРАТУРА
1 Serikbaev N.S., Abilhadirova R.I., Zhakupaeva S.T., Katarbaeva A.Zh Kolichestvennyj i kach- estvennyj sostav tverdyh bytovyh othodov Respubliki Kazahstan. Sravnitel’nyj analiz termicheskih metodov utilizacii tverdyh bytovyh othodov. Analiticheskij obzor.– Astana: AF AO «NC NTI», 2013.- 40 s.
2 Grigor’ev K.A., Rundygin Ju.A., Trinchenko A.A. Tehnologija szhiganija organicheskih topliv.
Jenergeticheskie topliva. Uchebnoe posobie, 2006. - 92 s.
3 Korovin I.O., Medvedev A.V., Bagabiev R.R. Utilizacija tverdyh bytovyh othodov piroliznym metodom. Metodicheskie ukazanija. - Tjumen’, 2002. - 21 s.
Серiкбаев Н. С., Махамбетова А. Қ., Жакупаева С. Т.
Астана қаласының қатты тұрмыстық қалдықтарының және оның пиролиз әдiсiмен өңделген өнiмдерiнiң элементтi құрамы мен төменгi жану жылуы
Осы жұмыста Астана қаласының қатты тұрмыстық қалдықтарының элементтi құрамы мен төменгi жану жылуы есептелiндi, сонымен қатар қатты тұрмыстық қалдықтарының газтәрiздес пиролиз өнiмдерiнiң төменгi жану жылуы есептелiндi. Осы жұмысты қатты тұрмыстық қалдықтарды пиролиз әдiсi арқылы қайтаөңдеуiн жобалау кезiнде қолдануға болады.
Түйiн сөздер: қатты тұрмыстық қалдықтар, элементтi құрам, морфологиялық құрам, пиролиз, пиролиздi газ, төменгi жану жылуы
Serikbayev N.S., Makhambetova A.K., Zhakupaeva S.T.
Elemental composition and lower heating value of hard domestic waste of Astana city and its processed products by pyrolysis method
In this paper, elemental composition and lower heating value of hard domestic waste of Astana city have been calculated, also had been calculated lower heating value of the gaseous products of hard domestic waste. This paper can be used in the planning of processing hard domestic waste by pyrolysis method.
Keywords: hard domestic waste, elemental composition, morphological composition, pyrolysis, pyrolysis gas, lower heating value.
Поступила в редакцию 03.10.13 Рекомендована к печати 21.10.13
Об авторах:
Серикбаев Н. С.- к.ф.-м.н., ст. преподаватель кафедры Общая и теоретическая физика Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева
Махамбетова А. К.- с.н.с. лаборатории Коммунальных отходов ТОО Казахстанский научно-технический центр развития жилищно-коммунального хозяйства
Жакупаева С. Т. - с.н.с. лаборатории Коммунальных отходов ТОО Казахстанский научно-технический центр развития жилищно-коммунального хозяйства.
