Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ДОРОНКИНА ИРИНА ГЕННАДИЕВНА
ОПТИМИЗАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ К ИХ ГАЗИФИКАЦИИ
05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание
ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена на кафедре Инженерные системы ФГБОУ ВПО
Российский государственный университет туризма и сервиса
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
ШУБОВ Лазарь Яковлевич
Официальные оппоненты: КОЛЬЦОВ Владимир Борисович
доктор химических наук, профессор
кафедры Промышленная экология
ФГОУ ВПО Национальный
исследовательский университет
МИЭТ
ХЕРСОНСКАЯ Ирина Иосифовна
кандидат технических наук, ученый
секретарь ФГУП Институт
ГИНЦВЕТМЕТ
Ведущая организация: Федеральное бюджетное учреждение Научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами (ФБУ НИЦПУРО)
Защита состоится л___ ______________ 20__ года в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.150.05 в ФГБОУ ВПО Российский государственный университет туризма и сервиса по адресу: 141221, Московская обл., Пушкинский р-он, пос. Черкизово, ул. Главная, 99, ауд. 1209 Зал заседаний советов.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Российский государственный университет туризма и сервиса.
Автореферат разослан л__________________20__года.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент Ю.Я. Тюменев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Твердые бытовые отходы (ТБО) являются многотоннажными отходами потребления (отслужившие свой срок товары и изделия, а также ненужные человеку продукты и их остатки, образовавшиеся в системе городского хозяйства, бытового обслуживания населения, туристического бизнеса и пр.). ТБО представляют собой гетерогенную смесь различных по свойствам, крупности и степени опасности компонентов.
Проблема ТБО является весьма актуальной, поскольку ее решение связано с необходимостью обеспечения нормальной жизнедеятельности населения, санитарной очистки городов, охраны окружающей среды, ресурсо- и энергосбережения. Проблема ТБО характерна для каждого города, но особенно острой она является для такого крупного мегаполиса как Московский регион, где ежедневно образуется и вывозится на объекты захоронения до 20 тыс.т ТБО. Актуальная задача - создание эффективной системы управления таким потоком отходов, тем более, что сбор, удаление и переработка ТБО - это вид коммунальных услуг, оплачиваемых населением. Минимальная оплата коммунальных услуг базируется на создании эффективной системы управления ТБО.
Управление потоками техногенного сырья и его переработка становятся все более сложной задачей со многими неизвестными, которая должна решаться с единой методологической позиции современной системотехники. Общая эффективность системы управления ТБО зависит от параметров, связывающих все элементы системы. В то же время на сегодня каждый элемент системы (сбор, удаление, сортировка, переработка, захоронение) существует как бы сам по себе.
Цель настоящей работы - изучение и совершенствование технологических процессов с позиции ресурсо- и энергосбережения в смежных с химической отраслях промышленности, обеспечивающих минимизацию отходов, их использование в качестве вторичного сырья и нетрадиционного источника энергии в процессе газификации (экологически наиболее приемлемого термического процесса), включая методы оптимизации механических процессов подготовки ТБО к процессу газификации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
- исследование состава отходов и оценка их обогатимости;
- анализ оптимизируемой системы управления ТБО;
- анализ и выбор критериев оптимизации (эффективности) сепарационных процессов, влияющих на моделирование и результат оптимизации;
- повышение комплексности использования ТБО на основе оптимизации процессов управления отходами как единой технологической и экономической системы путем регулирования качества и количества входящих в систему потоков отходов, повышения эффективности функционирования каждого элемента системы и отдельных технологических устройств и аппаратов;
- сокращение потока отходов на захоронение до 10-20% от исходного (достигнутый уровень европейской практики).
Методы исследований: экспериментально-статистические методы, моделирование технологической системы сбора, транспортировки и сортировки ТБО, моделирование процесса сепарации волокнистых компонентов (на основе метода полного факторного эксперимента), гранулометрический и морфологический анализ ТБО, физические методы сепарации ТБО.
Научная новизна защищаемых положений:
- впервые процесс управления ТБО рассмотрен как иерархическая структура, в которой определены отношения последовательной соподчиненности уровней и в итоге предложено решение задачи оптимизации механических процессов подготовки ТБО к термообработке (на основе масштабной сортировки ТБО и создания рациональной системы раздельного сбора отходов);
- впервые разработана технологическая модель совместного функционирования системы сбора и транспортировки ТБО, их сортировки и газификации, учитывающая гетерогенный состав ТБО и задачи их переработки; согласно критерию оптимальности требуется получить такое содержание целевых компонентов в исходном сырье на стадии сбора отходов, чтобы обеспечить максимальный выход полезной продукции на стадии сортировки и снизить экологический риск практических действий на стадии газификации;
- на основании регрессионных зависимостей извлечения целевых компонентов и их содержания в продуктах сепарации от изменения влияющих факторов определены оптимальные значения технологических показателей процесса сепарации и уточнены конструктивные параметры сепаратора волокнистых компонентов.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Разработана, с учетом требований процесса газификации, технологическая схема комплексного управления ТБО, учитывающая специфический состав и физические свойства отечественных ТБО как объекта для переработки и обеспечивающая их рациональное использование как техногенного сырья. Предложено решение задачи оптимизации системы управления муниципальными отходами; в качестве критерия оптимальности приняты степень утилизации ТБО, экономические и технологические критерии.
2. Положения диссертации в части селективного сбора вторсырья и газификации подготовленных остаточных отходов использованы на стадии предпроектной проработки комплексного управления ТБО в Смоленской области.
Положения выносимые на защиту:
1. Оптимизированная система комплексного управления ТБО.
2. Установленная взаимосвязь извлечения ценных компонентов, состава сырья и производительности процесса сортировки ТБО.
3. Технология сортировки обогащенных ценными компонентами фракций отходов жилого и нежилого сектора города и подготовки к газификации остаточных после выделения вторсырья отходов.
4. Аппарат и модель технологического процесса выделения из ТБО волокнистых и пленочных компонентов.
Апробация работы
Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на: международной специализированной выставке WASMA Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии (г. Москва 2008г.); всероссийских научных конференциях: Современные проблемы туризма и сервиса (РГУТиС, 2009-2011гг.), Наука Сервису (РГУТиС, 2010г.), подготовлен отчет о научно-исследовательской работе Разработка технологических решений, повышающих эффективность сепарации твердых бытовых отходов (ТБО) по крупности ГБ-ФС-02-10.
Публикации
По результатам исследований опубликовано 14 статей, в т.ч. 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, выводов по работе и библиографического списка. Объем диссертации 178 страниц машинописного текста, в т.ч. 48 рисунков, 17 таблиц, 110 источников, приложение на 14 страницах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
Глава 1. Анализ оптимизируемой системы управления ТБО и
задачи исследования
Стратегия решения проблемы ТБО в мировой практике - максимально возможное сокращение потока отходов на захоронение за счет их вовлечения в комплексную переработку, которая обеспечивает их материально-энергетическую утилизацию как техногенного сырья. При этом технологические решения должны учитывать обеспечение приоритета переработки и утилизации отходов над их захоронением на основе реализации иерархической последовательности управления отходами: своевременное выделение из ТБО ресурсов, пригодных для вторичного использования; вовлечение вторичных материальных ресурсов (ВМР) в хозяйственный оборот; переработка остаточных после выделения вторсырья отходов с утилизацией их энергетического потенциала с наименьшими затратами и экологическим риском; захоронение остаточных отходов.
Достигнутый уровень мировой практики показывает, что главный эффект в решении проблемы ТБО связан с их вовлечением во вторичное материальное использование. В Германии, например, в повторное использование вовлекают 60% ТБО, сжиганию подвергают 25% ТБО, захоронению - 15% (данные Eurostat); в Нидерландах эти показатели составляют соответственно 65%, 33% и 2%. Для сравнения: в РФ захоронению подвергают 98% ТБО (в Москве 80-85%).
В российских городах управление ТБО сводится к организации контейнерного сбора отходов и их своевременного удаления из мест образования. При этом не делается различия, куда направлять поток отходов - на захоронение, ручную сортировку или сжигание. Проблема минимизации количества отходов, направляемых на объекты их обработки и захоронения, не решается (из схемы управления выпала операция сортировки ТБО и выделения ресурсов пригодных для вторичного использования: все отходы собирают в одну кучу, что не удовлетворяет требованиям ресурсосбережения и санитарной очистки города с наименьшими затратами). Актуальная задача - создать в РФ рациональную систему обращения с ТБО (никакая монотехнология проблему ТБО не решает).
В ведущих странах ЕС базовой основой ресурсосберегающих технологий управления ТБО является раздельный покомпонентный сбор отходов в местах их образования. Недостатки зарубежной практики: неудобство для населения (на кухне нужно иметь 5-6 емкостей для покомпонентного сбора вторсырья), громоздкость транспортной системы доставки вторсырья на сортировочные комплексы (раздельная транспортировка каждого вида вторсырья), относительная сложность покомпонентного сбора (трудно сориентироваться, в какой из пяти-шести пакетов класть данный компонент).
Недостатки зарубежной практики учтены в диссертационной работе при создании модели отечественной системы селективного сбора. За основу принят принцип управления ТБО по критерию ресурсосбережения, согласно которому требуется получить такое содержание ценных компонентов в исходном сырье на стадии сбора отходов, чтобы обеспечить максимальный выход полезной продукции на стадии сортировки. Эффективность сепарации характеризуется извлечением на сортировочной установке ценных компонентов и себестоимостью получаемой продукции и во многом зависит от качества исходного техногенного сырья (в частности, от содержания в нем как полезных компонентов, так и примесей).
Исходя из достигнутого уровня мировой практики, целевая задача диссертационной работы (в контексте с решением проблемы ТБО в РФ) - сокращение массы захораниваемых отходов до 10-20% (от исходного).
Основной путь решения поставленной задачи - комбинация ресурсо- и энергосберегающих технологий: выделение из ТБО ВМР на основе создания системы их селективного сбора и сортировки и вовлечение в переработку остаточных после выделения ВМР отходов (выход 40-60%) с применением прогрессивных, в т.ч. термических технологий (с энергетической утилизацией сырья).
Для подготовки остаточных отходов к термической переработке необходима реализация их механизированной сортировки с выделением горючей фракции и её направлением предпочтительно, как показали диссертационные исследования, в процесс газификации с получением синтез-газа и его энергетической утилизацией.
Российская технология паро-воздушной газификации (разработка Института проблем химической физики РАН в Черноголовке) превосходит другие методы термической переработки ТБО по экологическим и экономическим критериям. Она имеет неоспоримые преимущества при решении проблемы ТБО в малых и средних городах (при производительности объекта 100-150 тыс.т/год). В этом случае в 3-4 раза снижаются капзатраты на создание промышленного объекта.
Российская технология газификации (производительность одного реактора - до 3т/ч) пока не находит применения для переработки ТБО из-за отсутствия технологии подготовки отходов к процессу газификации. Основные требования к технологическому сырью на входе в процесс: крупность не более 200мм (допускаются отдельные куски размером до 250мм) и не менее 70мм; отсутствие опасных бытовых компонентов (металлы, отработанные сухие гальваноэлементы и т.п.); теплотворная способность не менее 1500 ккал/кг.
Глава 2. Исследование состава ТБО как объекта сепарации и переработки
Для технологических расчетов материальных потоков отходов и массовых балансов морфологический и фракционный состав ТБО принимался по данным проведенных в работе исследований (табл.1и2).
Таблица 1. Усредненный морфологический и фракционный состав ТБО
Компоненты | Общее | Содержание, % | ||
Фракции, мм | ||||
80 | 200+80 | +200 | ||
Бумага, картон и т.п. | 22,0 | 4,0 | 11,4 | 6,6 |
Пищевые и растительные отходы | 35,0 | 25,8 | 9,2 | 0,0 |
Черные металлы | 4,0 | 0,2 | 2,5 | 1,3 |
Цветные металлы (алюминий) | 0,7 | 0,0 | 0,7 | 0,0 |
Текстиль | 5,5 | 0,2 | 2,0 | 3,3 |
Стекло | 7,0 | 0,2 | 6,8 | 0,0 |
Пластмасса (высокой плотности) | 2,0 | 0,25 | 1,6 | 0,15 |
Полимерная пленка | 4,0 | 0,05 | 2,5 | 1,45 |
Кожа, резина | 1,5 | 0,0 | 1,45 | 0,05 |
Дерево | 1,5 | 0,0 | 0,2 | 1,3 |
Камни, керамика | 1,5 | 0,2 | 0,55 | 0,75 |
Кости | 1,0 | 0,7 | 0,3 | 0,0 |
Прочее (включая отсев -15мм) | 14,3 | 8,3 | 5,0 | 1,0 |
ИТОГО: | 100,0 | 39,9 | 44,2 | 15,9 |
Примечание: 1. Стекло в составе исходных ТБО на 97% представлено целыми бутылками (все в классе 200+80мм).
2. Черный металл на 50% представлен консервными банками (белая жесть); почти все банки находятся в классе 200+80мм
Таблица 2. Усредненный состав отходов нежилого сектора города
Компоненты | Содержание, % |
Макулатура | 57 |
Стекло, керамика | 6,0 |
Пластмасса (в т.ч. полимерная пленка) | 5,9 |
Пищевые и растительные отходы | 4,2 |
Дерево | 1,6 |
Текстиль | 1,4 |
Кожа, резина | 1,2 |
Черные металлы | 0,9 |
Цветные металлы | 0,8 |
Прочее (в т.ч. фракция - 30мм) | 21 |
ИТОГО | 100,0 |
Основная масса ТБО приходится на фракцию - 300мм (выход 85-90%).
На рис.1 представлен график ситового анализа ТБО и некоторых их компонентов (отходы характерны для жилого сектора города). В результате анализа установлено, что основная часть отходов, образующихся у населения, приходится на класс 150мм (более 80% от массы ТБО); в этом классе концентрируется около 80% черного металла, около 80% луженой тары, более 95% лома алюминия, более 60% бумаги (от общего содержания этих компонентов в ТБО).
Как видно из сравнения таблиц, отходы нежилого сектора города значительно обогащены макулатурой и содержат незначительное количество пищевых и растительных остатков.
Рис.1.Гранулометрическая характеристика ТБО и некоторых их компонентов
1-твердые бытовые отходы, 2-металлолом, 3-лом оловосодержащих компонентов, 4-лом алюминия, меди и их сплавов, 5-бумага.
При обогащении ТБО стоит техническая задача селективного разделения компонентов, входящих в узкий класс крупности -200(-150)+0мм, а также отделения крупнокусковых компонентов. Для ручной сортировки ТБО наиболее пригодна фракция +80мм.
Глава 3. Оптимизация режима сортировки ценных компонентов ТБО
Ценные компоненты должны быть извлечены из ТБО в качестве вторсырья до процесса газификации.
Анализ критериев оптимизации сепарационных процессов (их предложено около100) показывает, что универсального критерия не существует.
Технологические критерии сепарации в большинстве случаев представляют собой комбинацию основных параметров обогащения (содержание в исходном), (извлечение), (выход продукта), и (содержание соответственно в продукте сортировки и в хвостах). Технологические критерии позволяют сравнивать технологию процесса без учета производительности и экономических характеристик.
Сепарация ТБО - относительно простая система, поэтому технологические и экономические зависимости можно представить в одной математической модели.
Исходя из этого, выбор технологического критерия сепарации во многом определяется экономическими соображениями, т.е. сопоставлением ценности извлекаемого компонента с себестоимостью процесса сортировки.
В качестве обобщенного технологического критерия сепарации ТБО как многокомпонентной смеси удобно использовать формулу на основе известного в обогащении критерия Фоменко:
, (1)
где i - выход i-го ценного компонента при сортировке.
Критерий Фоменко оценивает эффективность сепарации с точки зрения полноты извлечения ценных компонентов в соответствующие продукты. Формула имеет два недостатка: она не характеризует эффективность с точки зрения конечной цели процесса; не учитывает относительную ценность извлекаемых компонентов (все компоненты сепарируемой смеси в формуле равноправны независимо от их относительной ценности).
Если в формулу ввести коэффициенты ценности ai, учитывающие стоимость каждого компонента, можно получить обобщенную функцию ценности работы сепарации (по выделению данного компонента):
. (2)
Практически эту простую формулу можно использовать для оптимизации режима сепарации ТБО. Интегральное выражение эффективности процесса сортировки в стоимостном выражении включает в себя количество полученных продуктов сепарации, извлечение (степень использования сырья), производительность (степень использования оборудования), эксплуатационные затраты.
, (3)
где Рi - масса концентрата i-го компонента;
Q - масса переработанных ТБО;
ai - коэффициент ценности i-го компонента;
i - содержание i-го ценного компонента в исходном материале;
m - число извлекаемых компонентов.
Цель оптимизации процесса - получение максимальной прибыли П:
, (4)
где Цк - цена k-го продукта;
к - количество продукта, полученного из 1т ТБО;
З - затраты.
Эту формулу можно записать в виде:
, (5)
где - содержание k-го компонента в хвостах;
- выход хвостов.
Себестоимость продукции в значительной степени зависит не только от эксплуатационных затрат, но во многом от расхода ТБО на 1т конечного продукта, т.е. от извлечения и содержания ценного компонента в исходном.
Эффективность технологии масштабной сортировки отходов с выделением вторсырья повышается при переходе на технологию пофракционного сбора ТБО в местах их образования (раздельно в жилом и нежилом секторе, причем в жилом секторе осуществляется принцип делим на два: в емкость для вторсырья собираются незагрязненные макулатура, пластмассы, стекло, алюминиевые банки и пр.; остаточные отходы собираются в другую емкость и направляются в процесс подготовки к газификации). Обогащенные вторсырьем отходы доставляются на сортировочные комплексы.
По расчетам, соотношение коэффициентов производительности ТБО при сортировке неподготовленных отходов жилого сектора и фракций вторсырья составляет 1:5, т.е. эффективность сортировки фракций вторсырья существенно выше (одновременно существенно улучшаются санитарно-гигиенические условия труда). При пофракционном сборе экономически выгодно вовлекать во вторичное использование даже малоценные компоненты (например, стеклобой), увеличивая выход полезной продукции.
Направление на сортировку отходов, достаточно обогащенных ценными компонентами является необходимым условием самоокупаемости процесса (рис.2): доходы от реализации вторсырья превышают расходы на сортировку при выходе полезной продукции более 10% (от исходного). Таким условиям, как показывают расчеты, отвечает вовлечение в сортировку коллективно собранного у населения вторсырья и отходов нежилого сектора города, характеризующихся повышенным содержанием незагрязненной макулатуры, металлов, пластмассы и др. При выходе полезной продукции около 50% (от исходного) и производительности установки 70 тыс.т/год (две линии сортировки, до 7т/час каждая) срок окупаемости составляет 3-4 года. Объект по сортировке (и компактированию) ТБО становится центром, объединяющим всю систему управления потоками отходов и вторсырья.
Рис.2. Зависимость годовой прибыли сортировочного комплекса от выхода полезной продукции
(с учетом расходов)
Хвосты сортировки объединяются с остаточными отходами жилого сектора и подвергаются комплексной переработке, включающей процесс газификации.
Глава 4. Оптимизация технологического процесса сепарации ТБО
по крупности (подготовка отходов к термообработке)
Процесс сепарации ТБО как подготовительной операции перед газификацией существенно усложняют крупные волокнистые и пленочные компоненты. Наибольшее негативное влияние эти компоненты оказывают на процесс сепарации ТБО по крупности, резко снижая эффективность операции грохочения. В этой связи актуальна задача оптимизации процесса сортировки ТБО по крупности (исходя из требований процесса газификации).
Эта задача, как показывает анализ, решается в мировой практике двумя путями:
- предотвращение попадания волокнистых и пленочных компонентов в операцию грохочения (стабилизация состава отходов по содержанию этих компонентов на входе в процесс грохочения - за счет их своевременного выделения перед грохочением);
- селективное выделение волокнистых и пленочных компонентов из потока отходов в самом аппарате грохочения (комбинированный процесс сепарации - по крупности и по видам компонентов техногенного сырья).
В работе экспериментально изучены оба варианта. Предпочтение отдано способу удаления из ТБО волокнистых и пленочных компонентов перед операцией грохочения.
Все методы извлечения из потока отходов волокнистых и пленочных компонентов основаны на использовании свойства таких компонентов фиксироваться на рабочих элементах специальных сепараторов.
Из различных типов сепараторов-текстилеотделителей наиболее перспективны аппараты с захватывающими элементами (крючья, штыри, штифты и т.п.).
Разнообразие предлагаемых технических решений, разработанных в различных странах, свидетельствует об отсутствии эффективных методов и конструкций, позволяющих отделить волокнистые материалы из ТБО сложного состава.
Основные недостатки существующих процессов и аппаратов: либо ограниченная область применения (сепарация только дробленного материала), либо невысокая вероятность зацепления волокнистых и пленочных компонентов (работа в прямоточном режиме, совпадение направления гиба крючьев, закрепленных на барабане или ленте, с направлением движения потока ТБО). Поэтому исследования в направлении совершенствования технологии сепарации волокнистых и пленочных компонентов актуальны.
На рис.3 показана схема стендовой установки для исследования процесса выделения волокнистых и пленочных компонентов из потока отходов. Установка включает два аппарата - сепаратор и ленточный конвейер с регулируемой скоростью. Материал загружался на конвейер и транспортировался в зону сепарации, пересекаемую вращающимися штангами с крючьями различного вида.
Ввиду сложности описания разделительного процесса с помощью уравнений, выведенных на основе физических законов (сложно учесть воздействие многих факторов в различных для разных компонентов условиях) и невозможности получения детерминированных выражений в работе использовано моделирование описания процесса, учитывающее влияние наиболее важных факторов и позволяющее выбрать оптимальный технологический режим процесса.
Общая формула линейной модели:
, (7)
где, - коэффициент регрессии;
- параметр оптимизации;
- влияющий фактор;
- число опытов;
j- номер фактора (j=1,2Е.К);
i- номер опыта (i=1,2Е).
Рис.3. Схема стендовой установки с использованием сепаратора-текстилеотделителя:
1-корпус; 2- вал; 3 - крючья; 4 - штанга (с крючьями); 5 - загрузочный конвейер; 6 - разделительная кромка;
7 - гребенка - съемник; 8 - вал гребенки-съемника.
Степень влияния данного фактора на параметр оптимизации показывают коэффициенты регрессии. Коэффициент значим, если его абсолютная величина больше доверительного интервала.
Доверительный интервал для строится обычным образом с использованием t - критерия Стьюдента
(8)
где, Sв - ошибка воспроизводимости.
Изучена зависимость технологических показателей сепарации от крупности компонентов, их влажности, способа загрузки в аппарат и элементов конструкции аппарата.
Результаты опытов обрабатывали с получением аналитических зависимостей извлечения и содержания компонентов от изменения влияющих факторов. На основании значимости коэффициентов в полученных уравнениях оценивали эффективность работы сепарационного аппарата в различных условиях, уточняли элементы его конструкции, а также определяли оптимальные технологические параметры процесса сепарации.
Наиболее значимые факторы:
X1 - скорость питающего конвейера Vк;
X2 - положение разделительной кромки P;
X3 - расстояние от среза питающего конвейера до крючьев L.
Аналитические выражения, описывающие содержание и извлечение в концентрат текстильных компонентов в зависимости от влияющих факторов, имеют вид:
Содержание текстиля = 52,1 - 1,8Х1 +4,4Х2 - 5,2Х3
Извлечение текстиля = 59,9 + 4,8Х1 - 3,2Х2 - 14,0Х3
Оценка значимости коэффициентов в полученных уравнениях показывает, что предельно значимый коэффициент равен соответственно 1,52 и 3,2, т.е. все коэффициенты, а следовательно и факторы являются значимыми и оказывают существенное влияние на процесс сепарации. Подставляя в уравнение конкретные значения факторов (в пределах интервала варьирования от уровня Ц1 до уровня +1), получаем расчетные значения параметров оптимизации. Например, для режима сепарации
Vк = 0,4 м/с (-1)
P = 0 (среднее положение) (-1)
L = 35 мм (-1)
получаем расчетное значение содержания текстиля в концентрате равное 54,7%, а извлечение 72,3%. Экспериментальные значения соответственно равны 57,9% и 77,6%, что свидетельствует о достаточно хорошем совпадении экспериментальных и расчетных величин.
Наибольшее влияние на эффективность процесса сепарации оказывает фактор Х2 - положение разделительной кромки (рис. 4). Оптимальное значение данного параметра Р=0+50 (в этой области кривые содержания и извлечения, имеющие противоположную направленность, пересекаются).
Рис. 4. Влияние положения разделительной кромки на содержание и извлечение текстиля в концентрат:
1- о- содержание при влажности: текстиль - 50%; 2 - - содержание при влажности: текстиль - 50%; картон-20%, бумага - 50%; 3- Х - извлечение при влажности: текстиль - 50%; 4- - извлечение при влажности: текстиль - 50%; картон-20%, бумага - 50%.
По результатам исследований определены основные технологические и конструктивные параметры аппарата.
Глава 5. Технологическая схема комплексного управления ТБО
(оптимизированная система сбора, сортировки и газификации отходов)
Проведенные исследования позволяют обоснованно сформулировать принципы построения технологической схемы комплексного управления ТБО и объединения отдельных операций в единую технологию, повышающие её эколого-экономическую значимость:
- раздельный пофракционный сбор ТБО в жилом и нежилом секторе города с направлением обогащенных ценными компонентами фракций отходов на сортировку вторсырья;
- объединение хвостов сортировки вторсырья и остаточных отходов жилого сектора и их направление на механизированную сортировку (доизвлечение вторсырья и подготовка к процессу газификации);
- выделение в голове процесса механизированной сортировки компонентов, затрудняющих последующую сепарацию и подготовку отходов к газификации (крупнокусковые и волокнистые компоненты, лом черных металлов);
- минимизация количества отходов для дробления;
- реализация в схеме возможности регулирования массового потока отходов с помощью грохочения;
- максимально возможное удаление балластных и экологически опасных компонентов из фракции ТБО, направляемой на термообработку (при максимальном обогащении этой фракции горючими компонентами).
Оптимизированная схема комплексного управления качеством и количеством ТБО по критериям ресурсосбережения и экологической безопасности (на основе разделения отходов на несколько несмешивающихся потоков методами сепарации) приведена на рис.5.
Технологическая схема сортировки и переработки ТБО, включая термическую переработку подготовленных отходов, соответствует тенденциям развития и уровню мировой практики и является конкурентоспособной - решает задачу ресурсосбережения (выделение из ТБО ценных компонентов и их использование в качестве ВМР) и энергосбережения (выделение из остаточных отходов горючей фракции и её использование в качестве ВЭР).
Комбинация отечественных процессов сортировки и газификации позволяет снизить количество захораниваемых отходов в 5 раз - до 10-20% от исходного (достигнутый уровень европейской практики). Расчеты, представленные на рис. 5,
базируются на производительности завода 100 тыс. т ТБО в год (завод обслуживает около 250 тыс. жителей).
75% 25%
~4,3т/час
~3,4т/час
Селективный сбор Сортировка
Вторсырье Остат.отходы Вторсырье Хвосты
20 тыс.т/год 55 тыс.т/год 10 тыс.т (неж.с.) 20 тыс.т/год
15 тыс.т (ж.с.)
~9,4т/час
~12,8т/час 75 тыс.т/год
Магнитная сепарация Компактирование
~12,5 т/час
Fe На захоронение
~0,3 т/час Выделение волокнистых и
пленочных компонентов
~1,8т/час Волокнистые и ~10,7т/час
пленочные
компоненты
Грохочение ~1,8т/час
Дробление -250мм +250мм
~7,7 т/час ~3,0т/час
Дробление
~23,4 тыс.т/год
Грохочение ~23%
-70мм +70мм
~3,7т/час ~4,0т/час ~4,8т/час
Магнитная сепарация
Fe На извлечение пищевых отходов
~0,1 т/час ~3,6т/час 21 тыс.т/год Хвосты (~21%) (разработка РГУТиС)
Перечистка 8,8т/час
Черный Хвосты~0,03т/час 51 тыс.т/год
металл теплотворная способность~2100ккал/кг
~2,3тыс.т/год
Рис.5. Оптимизированная схема комплексного управления ТБО
Выводы
- На основе исследования состава ТБО и оптимизации процесса управления отходами разработаны технологические решения, повышающие комплексность использования отходов в качестве ВМР и ВЭР.
- Обоснована методология подхода к повышению эффективности управления ТБО: все элементы управляемой системы (сбор, удаление, сортировка, переработка, захоронение) рассматриваются во взаимосвязи, все задачи управления решаются на основе системного подхода (при этом на различных ступенях иерархии использованы разные критерии оптимальности - степень утилизации ТБО, экономические критерии, технологические критерии).
- Предложено решение задачи оптимизации процесса комплексного управления ТБО как единой технологической и экономической системы на основе регулирования качества и количества входящих в систему потоков отходов, повышения эффективности функционирования каждого элемента системы и отдельных технологических устройств и аппаратов.
- Показано, что объединяющим процессом в схемах комплексного управления ТБО является сепарация, изменяющая качественный и количественный состав отходов и решающая задачи рационального использования техногенного сырья и минимизации количества отходов, направляемых на объекты переработки и захоронения.
- Разработана простая и экономически эффективная технология селективного сбора вторсырья, базирующаяся на раздельном пофракционном сборе отходов в жилом и нежилом секторе города.
- Разработана технологическая схема малоотходной ресурсо- и энергосберегающей технологии комплексной переработки ТБО на основе комбинации процессов сортировки и газификации, повышающей её эколого-экономическую значимость.
Основные положения диссертации изложены в работах:
- Доронкина И.Г., Борисова О.Н., Шубов Л.Я. Разработка технологических решений, повышающих эффективность комплексного управления твердыми бытовыми отходами// Сервис в России и за рубежом. 8 (27) 2011. 0,9п.л.
- Шубов Л.Я., Доронкина И.Г., Борисова О.Н. Проблема твердых бытовых отходов - глобальная проблема XXI века. //Сервис в России и за рубежом. - 1(20).-2011. 0,3п.л.
- Шубов Л.Я., Доронкина И.Г Разработка основ рационального управления коммунальными отходами.// Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса. 2010 №4(15), 0,9п.л.
- Доронкина И.Г., Борисова О.Н., Гречишкин В.С. Оптимизация процесса утилизации твердых бытовых отходов.// Сервис в России и за рубежом. - 1(20).-2011. 0,3п.л.
- Шубов Л.Я., Доронкина И.Г., Борисова О.Н. Разработка и исследование технологии сепарации биоразлагаемой фракции твердых бытовых отходов по плотности (выделение грубого концентрата).//Сервис в России и за рубежом. - 1(20).-2011. 0,4п.л.
- Шубов Л.Я., Доронкина И.Г. Инновационный пилотный проект малоотходной переработки ТБО (в рамках реализации концепции оптимизации комплексного управления ТБО в Московской области)// Материалы Международной научно-практической конференции Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии, М., 12 ноября 2008, 0,4п.л.
- Шубов Л.Я., Борисова О.Н., Доронкина И.Г. Ситуация с отходами в московском регионе: планы и реалии//ТБО (твердые бытовые отходы) научно-практический журнал 2010 №1, 0,9п.л.
- Шубов Л.Я., Борисова О.Н., Доронкина И.Г. Ситуация с отходами в московском регионе: планы и реалии//ТБО (твердые бытовые отходы) научно-практический журнал 2010 №2, 0,9п.л.
- Шубов Л.Я., Доронкина И.Г., Борисова О.Н. О профессиональной подготовке специалистов в системе сервиса при решении в российских городах проблемы коммунальных отходов // Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса. 2009 №2(9), 0,4п.л.
- Шубов Л.Я., Доронкина И.Г., Борисова О.Н. Оптимизация процессов управления твердыми бытовыми отходами как единой технологической и экономической системы.// Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса. 2009 №4(11), 0,9п.л.
- озовецкий В.В., Кондратенко М.В., Пелевин Ф.В., Доронкина И.Г. Биогаз источник энергии для регенеративных теплообменников, работающих в пиковом режиме//Материалы Международной конференции Энергетические установки: Теплообмен и процессы горения Рыбинск, 17-19 сентября 2009г, 0,8п.л.
- Шубов Л.Я., Доронкина И.Г., Борисова О.Н. В системе управления ТБО нужны специалисты новой формации // ТБО (твердые бытовые отходы) научно-практический журнал, 2011 №5, 0,4п.л.
- Шубов Л.Я., Доронкина И.Г. Эколого-экономические аспекты сервиса в системе управления муниципальными отходами// Материалы всероссийской научной конференции аспирантов и молодых ученых Современные проблемы туризма и сервиса часть II, М., 16 апреля 2009, 0,4п.л.
- Шубов Л.Я., Доронкина И.Г., Борисова О.Н. Технологии обращения с отходами: преимущества и недостатки, мифы и реалии// ТБО (твердые бытовые отходы) научно-практический журнал, 2011 №10, 0,6п.л.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям