«Разработка программного обеспечения по расчёту тепловых процессов пиролизной установки»

1.2.Обзор и анализ конструкций существующих пиролизны установок
Пиролиз - это метод термической переработки отходов, твердого и жидкого топлива без доступа воздуха, обеспечивающий их высокоэффективное обезвреживание. В результате пиролиза отходов образуются пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкие продукты и твердый углеродистый остаток. Количество и качество продуктов пиролиза зависят от состава отходов и температуры процесса. В зависимости от температуры различают три вида пиролиза:
-- низкотемпературный пиролиз, или полукоксование (450-550 ⁰С), при котором максимален выход жидких продуктов и твердого остатка (полукокса) и минимален выход пиролизного газа с максимальной теплотой сгорания;
-- среднетемпературный пиролиз, или среднетемпературное коксование (до 800 ⁰С), при котором выход газа увеличивается при уменьшении его теплоты сгорания, а выход жидких продуктов и коксового остатка уменьшается;
-- высокотемпературный пиролиз, или коксование (900-1050 ⁰С) при котором минимален выход жидких продуктов и твердого остатка и максимален выход пиролизных газов с минимальной теплотой сгорания [8].
Термическое разложение отходов может проводиться на режиме, обеспечивающей либо получение газа и твердого остатка при минимальной выходе или даже полной отсутствии смолы, либо получение смолы в качестве одного из целевых продуктов. В условиях постепенного нагрева и быстрой эвакуации парогазовой смеси из реактора при этой температуре достигается максимальный или близкий к максимальному выход жидких продуктов. Для увеличения выхода газа и твердых углеродистых продуктов необходимо обеспечить условия для вторичных превращений парогазовых продуктов первичного разложения.
Преимущественное получение тех или иных продуктов определяется возможностями их использования и может быть достигнуто путем соответствующего аппаратурного оформления процесса пиролиза твердых отходов [9]. В настоящее время разработаны различные системы пиролиза смешанных отходов (промышленных и бытовых).
Известен способ утилизации отходов полимерных материалов, включающий термическое разложение их при 400-980°С с образованием парогазовых продуктов и твердого углеродного остатка, охлаждение их, разделение на жидкую и парообразную фазы и твердый углеродный остаток, измельчение углеродного остатка, гранулирование его со смачивающей жидкостью, сушку гранул [10].
Для снижения вредных выбросов в окружающую среду, увеличения выхода углеродных гранул и их насыпной плотности, жидкую фазу разделяют путем отстаивания на легкие углеводороды и смесь тяжелых углеводородов и воды, указанную смесь используют в качестве смачивающей жидкости для гранулирования.
Известен способ пиролиза углеводородного сырья в присутствии воды с получением пирогаза, охлаждением его циркулирующей водой, разделением на газовый поток и жидкий поток, содержащий углеводородный конденсат и воду при температуре 80-90 ⁰С; жидкий поток подвергают частичному самоиспарению под вакуумом с последующей конденсацией образующихся паров и разделением конденсата на водную и углеводородную фазы [11]. утилизация термический пиролиз топливо
Описан способ переработки органического мусора [12], согласно которому органические отходы с целью снижения энергозатрат подвергаются разложению в оснащенном шнеками герметизированном двухкамерном сосуде при температурах в первой камере 355-455 ⁰С и 50-95 ⁰С во второй камере. При этом отходы обрабатываются в первой камере, а продукты пиролиза - во второй.
Разработана установка для пиролиза отходов, содержащая газогенератор с размещенной внутри его швельшахтой, загрузочное устройство, устройство для подачи воздуха и газоход, в котором установлены конденсатор для жидких продуктов и заслонка, дополнительный газоход для отвода дымовых газов, в котором установлены заслонка и газоанализатор, соединенный с исполнительными механизмами заслонок [13].
Известна установка для пиролиза промышленных и бытовых отходов, содержащая загрузочный бункер, подающий механизм, печь и устройство для выгрузки, которая с целью повышения эффективности процесса пиролиза отходов, снабжена камерой пиролиза, выполненной в виде усеченного конуса, размещенной в печи под углом 15-30є к горизонтали, переходной насадкой, установленной за подающим механизмом соосно камере пиролиза, а устройство для выгрузки выполнено в виде водоохлаждаемой камеры с размещенными в ней механизмами дробления и отвода продукта пиролиза [14].
Фирма Monsanto Enviro-Chemical Systems (США) разработала пиролизную систему Landgard, в которой в качестве реактора используется вращающаяся печь [8]. Пиролиз отходов осуществляется во встречном потоке горячих дымовых газов, образующихся в результате сжигания части отходов и дополнительного жидкого топлива на воздушном дутье. Получаемый в процессе и используемый для производства пара газ имеет теплоту сгорания 3,4-3,8 мДж/м³. Углеродсодержащий остаток после флотации в виде шлама вывозится на свалку.
Фирма Occidental Petroleum (США) разработала процесс Occidental Flash для получения из твердых отходов жидкого топлива [15]. Для получения максимального выхода жидких продуктов требуется умеренная температура и высокая скорость теплопередача. Указанные обстоятельства определяют выбор реакторного устройства. В процессе Occidental Flash пиролиз частиц осуществляется в восходящем потоке теплоносителя в вертикальном реакторе, представляющем собой футерованную изнутри металлическую трубу [16]. Смола является товарным продуктом. Выход ее в расчете на пиролизуемый материал достигает 40 %.
Наряду с развитием методов пиролиза, использующих принцип плотного слоя, разрабатываются и постоянно совершенствуются способы в устройства для термической переработки изношенных шин в псевдоожиженном слое теплоносителя.
В Гамбургском университете опробован метод пиролиза отходов синтетических материалов в косвенно нагреваемом псевдоожиженном слое кварцевого песка [17]. Псевдоожижение слоя осуществлялось при помощи собственного пиролизного газа, а нагревание - за счет излучения от трубок, через которые проходили продукты сгорания пиролизного газа. При переработке измельченных шин и различных полимеров на нагревание слоя затрачивалось около 50% получаемого газа.
Одним из качественно новых процессов является высокоскоростной пиролиз [18]. Если процесс обычного пиролиза известен, по крайней мере, два столетия, то процесс высокоскоростного пиролиза разработан примерно 20 лет тому назад. В отличие от высокотемпературного процесса обычный пиролиз протекает при более низких параметрах, например при более низкой температуре.
Процесс высокоскоростного пиролиза включает мгновенный нагрев исходной смеси (отхода) и последующее разложение его, возникающее при достижении температуры перегрева, с образованием газообразной и твердой фаз. При охлаждении газовая фаза может частично конденсироваться. В процессе наблюдаются разрыв цепи линейных высокомолекулярных соединений по закону "случая" и отрыв боковых групп цепи, "взрывное" вскипание низкомолекулярных соединений, например воды, или их химическая модификация; сшитые полимеры подвергаются термической деструкции. Неорганические соединения в большинстве случаев остаются в осадке. Вследствие получения различных продуктов процесса происходит разделение неорганических и органических соединений.
Наиболее близка к разрабатываемой технологии утилизации полимерных отходов технология переработки органических материалов путем пиролиза.
Согласно данному способу масса исходного органического материала непрерывно перемещается по трубе, по всей длине которой поддерживается температура 427-815 ⁰С (предпочтительно 538 ⁰С), практически при отсутствии воздуха и/или кислорода. Материал по мере прохождения сквозь трубу вращается или перемешивается, а газы и пары удаляются из близкого к выходному концу детали отверстия с помощью вакуума, составляющего 50-180 мм.рт.ст. (предпочтительно около 127 мм.рт.ст.).
В качестве органических материалов могут быть применены использованные резиновые шины, промышленные и городские отходы, мусор.
Ниже приведено описание технологической схемы процесса переработки органических материалов путем пиролиза, согласно [19]
Термическое разложение отходов может проводиться на режиме, обеспечивающей либо получение газа и твердого остатка при минимальной выходе или даже полной отсутствии смолы, либо получение смолы в качестве одного из целевых продуктов. В условиях постепенного нагрева и быстрой эвакуации парогазовой смеси из реактора при этой температуре достигается максимальный или близкий к максимальному выход жидких продуктов. Для увеличения выхода газа и твердых углеродистых продуктов необходимо обеспечить условия для вторичных превращений парогазовых продуктов первичного разложения.
Преимущественное получение тех или иных продуктов определяется возможностями их использования и может быть достигнуто путем соответствующего аппаратурного оформления процесса пиролиза твердых отходов [2]. В настоящее время разработаны различные системы пиролиза смешанных отходов (промышленных и бытовых).
Известен способ утилизации отходов полимерных материалов, включающий термическое разложение их при 400-980°С с образованием парогазовых продуктов и твердого углеродного остатка, охлаждение их, разделение на жидкую и парообразную фазы и твердый углеродный остаток, измельчение углеродного остатка, гранулирование его со смачивающей жидкостью, сушку гранул [3].
Для снижения вредных выбросов в окружающую среду, увеличения выхода углеродных гранул и их насыпной плотности, жидкую фазу разделяют путем отстаивания на легкие углеводороды и смесь тяжелых углеводородов и воды, указанную смесь используют в качестве смачивающей жидкости для гранулирования.
Известен способ пиролиза углеводородного сырья в присутствии воды с получением пирогаза, охлаждением его циркулирующей водой, разделением на газовый поток и жидкий поток, содержащий углеводородный конденсат и воду при температуре 80-90 ⁰С; жидкий поток подвергают частичному самоиспарению под вакуумом с последующей конденсацией образующихся паров и разделением конденсата на водную и углеводородную фазы [4]. утилизация термический пиролиз топливо
Описан способ переработки органического мусора [5], согласно которому органические отходы с целью снижения энергозатрат подвергаются разложению в оснащенном шнеками герметизированном двухкамерном сосуде при температурах в первой камере 355-455 ⁰С и 50-95 ⁰С во второй камере. При этом отходы обрабатываются в первой камере, а продукты пиролиза - во второй.
Разработана установка для пиролиза отходов, содержащая газогенератор с размещенной внутри его швельшахтой, загрузочное устройство, устройство для подачи воздуха и газоход, в котором установлены конденсатор для жидких продуктов и заслонка, дополнительный газоход для отвода дымовых газов, в котором установлены заслонка и газоанализатор, соединенный с исполнительными механизмами заслонок [6].