ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ РАЗЛИЧНОГО ВИДА

Корнилова Н.В.¹, Трубаев П.А.²

¹ORCID: 0000-0003-4240-8488, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

²ORCID: 0000-0003-1710-1599, Доктор технических наук, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ РАЗЛИЧНОГО ВИДА

Аннотация

В работе приведены результаты промышленного эксперимента с целью анализа состава газов, образующихся при сжигании отходов. Результаты замеров показали, что по всем определяемым показателям расчетные приземные концентрации вредных веществ не превышают предельно допустимых концентраций. При сжигании отходов в пиролизных котлах вредных веществ образуется в 2–10 раз меньше, чем при слоевом сжигании. Содержание вредных выбросов в отходящих газов, кроме  характеризующего полноту сгорания монооксида углерода, от режимных параметров котлов не зависит.

Ключевые слова: отходы, сжигание, выбросы.

Kornilova N.V. ¹, Trubaev P. A.²

¹ORCID: 0000-0003-4240-8488, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov

²ORCID: 0000-0003-1710-1599, PhD in Engineering, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov

DEFINITION OF POLLUTANTS EMISSIONS IN THE HOT-WATER BOILER AT BURNING OF THE DIFFERENT HARD WASTE

Abstract

Results of industrial experiment for the purpose of the analysis of a compound of the gases formed at burning of a waste are in-process resulted. Results of indications have shown that on all defined parameter’s settlement ground concentration of harmful substances do not exceed maximum permissible concentration. At burning of a waste in pyrolysis  boiler of harmful substances time is formed at 2-10, than at burning in a layer less. The maintenance of harmful emissions in a waste-heat, except characterizing completeness of combustion CO, does not depend on operating conditions of boiler.

Keywords: Waste, burning, emissions.

В настоящее время не существует экономически эффективного и одновременно экологически безопасного  решения для утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) [1, 2]. Существующая система управления отходами в России ориентирована преимущественно на их захоронение на полигонах. Это приводит к выводу из использования больших земельных площадей, загрязнению атмосферы биогазом, а почвы и водоемов – вредными веществами, вымываемыми с полигонов атмосферными осадками  [2].

Сжигание бытового мусора является наиболее привычным и широко распространенным способом его утилизации. По данным работы [2] в Европейских странах (без России)  структура утилизации ТБО следующая:

– захоронение на полигонах 61%;

– сжигание 16%, в том числе с получением энергии 11%;

– вторичная переработка 13%.

– компостирование 8%;

– иное 2%.

В этой же работе приведены данные, что в США объём сжигаемых ТБО после 2000-х годов стал сопоставим с объем отходов, размещаемых на полигонах.

Термическое обезвреживание отходов при температурах свыше 850-1000°С в современных установках обеспечивает практически полное разрушение органических вредных веществ. Технология сжигания ТБО на колосниковой решетке не требует предварительной подготовки мусора, отличается высокой надежностью, является экономичной [3]. Но эта технология на промышленном уровне реализована только в котлах большой производительности. Вместе с тем для нашей страны является актуальным утилизация небольшого количества отходов  [3, 4], образующихся в небольших населенных пунктах, промышленных технологий для которой не существует. Одной из главных проблем при этом является наличие вредных выбросов.

В работе произведена оценка отдельных выбросов при сжигании отходов различного вида в двух водогрейных котлах небольшой производительности. Для этого проведен промышленный эксперимент, в котором проводились измерения содержания вредных веществ  в дымоходе после котла, затем определялась расчетная приземная концентрация веществ, которая сравнивалась с нормами предельно допустимой концентрации (ПДК) выбросов в атмосферном воздухе населенных мест.

Испытания  [5] проводились на базе двух котлов, эксплуатируемых ТК «Экотранс» (г. Белгород):

– пиролизный отопительный котел мощностью 100 кВт марки «КО-100» производства ООО «Боркотломаш» (Воронежская обл.);

– твердотопливный отопительный котел с колосниковой решеткой и дитьевым вентилятором мощностью 200 кВт производства ТК «Экотранс».

В ходе испытаний проводилось сжигание материалов, представленных в табл. 1.

Таблица 1 – Характеристика сжигаемых отходов

№	Состав	Форма
Пиролизный котел
1	Железнодорожные шпалы	Крупные неизмельченные фрагменты
2	Древесина (сосна)
3	Древесина (окна, двери, мебель)
4	Древесные гранулы	Брикеты
5	Смесь древесных гранул и RDF-топлива
6	RDF-топливо
Котел со слоевым сжиганием
7	Древесина 70%, пластик 30%	Брикеты
8	Древесина 50%, пластик 50%

Топливо № 1–3 сжигалось в виде крупных фрагментов. Подготовка топлив № 4–8 велась в виде прессованных брикетов из предварительно измельченных отходов [6, 7] диаметром 50 мм и длиной до 400 мм (рис. 1).

Рис. 1 – Топливные брикеты

Для определения выбросов использовался измерительный комплекс – газоанализатор ГАНК-4. Характеристика вредных веществ, концентрация которых измерялась, приведена в табл. 2. Для каждого вещества в таблице приведены предельно допустимые концентрации, приведенные согласно ГН 2.1.6.1338-03 (с изменениями 2005–2009 г.). Содержание NH₃ и H₂S не определялось для топлив № 1–6, а бензола – для топлив 7 и 8.

Таблица 2 - Характеристика вредных веществ

Наименование вещества	Химическая формула	Предельно-допустимая концентрация в атмосферном воздухе населенных мест, мг/м3		Класс опасности
		максимально-разовая ПДКмр	среднесуточная ПДКсс
Азота оксид	NO	0,4	0,06	3
Углерода оксид	CO	5	3	4
Фенол	C6H6O	0,01	0,003	2
Бензол	C6H6	0,3	0,1	2
Аммиак	NH3	0,2	0,04	4
Сероводород	H2S	0,008	–	2

Расчет значения приземной концентрации вредных веществ производился по методике ОДН-86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий». Соотношение расчетной приземной концентрации и ПДК приведены в табл. 3. Как видно из данных, концентрация всех веществ значительно ниже ПДК  для всех видов топлив.

Таблица 3 – Отношение расчетной приземной концентрация выбросов вредных веществ к максимально разовой и среднесуточной ПДК

№	NOх (в пересчете на NO)	CO	C6H6O	C6H6	NH3	H2S
1	0,06/0,35%	0,02/0,04%	0/0%	0,29/0,88%	–	– / –
2	0/0,02%	0,04/0,06%	0,07/0,23%	0,01/0,02%	–	–
3	0,15/0,93%	0,05/0,08%	1,07/3,57%	0,49/1,48%	–	–
4	0,06/0,37%	0,05/0,08%	0,07/0,23%	0,01/0,02%	–	–
5	0,16/0,97%	0,05/0,08%	0/0%	0,19/0,58%	–	–
6	0,01/0,11%	0,02/0,03%	0,01/0,02%	0,09/0,26%	–	–
7	0,42/2,12%	1,86/3,1%	1,25/4,16%	–	7,71/38,53%	1,49%/ –
8	1,26/6,31%	1,37/2,29%	0,06/0,2%	–	2,63/13,14%	2,12%/ –

 

Для интегральной оценки выбросов использовался показатель V:

V = 28 NO_х / ПДК_{сс NOx} + 36 CO / ПДК_{сс CO} +

+ 18 C₆H₆O ПДК_{сс С6H6O}+ 18 C₆H₆ / ПДК_{сс С6H6}, %,

где   NO_х, CO, C₆H₆O, C₆H₆  –приземная концентрация, мг/м³; 28, 36, 18, 18 – весовые коэффициенты, пропорциональные классу опасности вещества.

Сравнение выбросов для различных топлив приведено на рис. 2. Полученные результаты не полностью характеризуют указанные топлива, так как кроме состава на содержание выбросов так же влияет режим сжигания (температура и избыток воздуха), но позволяют качественно сопоставить экологические характеристики котлов и топлив.

Рис. 2 – Сравнение выбросов при сжигании различных топлив

Одновременно с анализом отходящих газов на содержание вредных веществ проводились теплотехнические испытания котла с определением:

– температуры отходящих газов t_ог  и содержания в них кислорода в дымоходе за ктолом для расчета коэффициента избытка воздуха a (показатели определялись с использованием газоанализатора дымовых газов Testo 330L, работающего в режиме автоматической регистрации параметров);

– температура горения t_г (периодически определялась по температуре топлива в топке с использованием инфракрасного пирометра Testo 845).

По результатам измерений между температурой отходящих газов и коэффициентом избытка воздуха в топке котла имеется линейная зависимость (рис. 3). Поэтому в дальнейшем содержание вредных выбросов

Рисунок 3 – Данные регистрации параметров отходящих газов

Для анализа количества выбросов от режима сжигания топлива использовались данные серии измерений, приведенные в табл. 4, где значение содержания вредных выбросов являются результатом разовых измерений, а температуры и коэффициент избытка воздуха усреднены за промежуток время выполнения газового анализа.

Таблица 4 – Режимные параметры котла и содержание вредных выбросов

№ топлива	Температура, °С		a	Содержание в охлажденных отходящих газах, мг/м3
	tог	tг		CO	NO2	Аммиак	Меркап­таны	H2S	C6H6O
7	222	–	5,67	1085	14,1	105	19,4	0,71	0,462
7	273	670	5,00	725	15,0	142	13,9	1,44	1,98
7	284	–	3,50	440	11,04	0	15,7	0,66	0,711
7	302	650	6,65	920	7,04	163	9,1	1,17	1,21
7	340	760	3,72	445	12,5	190	12,5	2,22	2,44
Среднее	313	–	4,97	582	18,6	98	5,8	1,51	0,798
8	257	–	5,67	1235	57,2	60	3,48	1,53	0,052
8	298	–	4,69	475	37,3	53	0	2,36	0
8	380	–	3,53	207	15,2	37,1	0	1,08	0
Среднее	254	–	4,95	920	27,4	55	3,5	0,97	0,408

Зависимость содержания вредных выбросов от режимных параметров котла обнаружена только между содержанием СО и температурой отходящих газов (коэффициент корреляции –0,80) или коэффициентом избытка воздуха (–0,84). Между содержанием остальных выбросов и t_ог или a зависимости нет (модуль коэффициента корреляции не превышает 0,39). Так же нет зависимости между содержанием различных выбросов. Таким образом кроме полноты сгорания, которую характеризует содержание СО, содержание выбросов в области рабочих диапазонов функционирования водогрейных котлов  от режима их работы не зависит.

Выводы. Результаты замеров состава газов после котлов, сжигающих отходы различного вида, показали, что по всем определяемым показателям расчетные приземные концентрации вредных веществ не превышают ПДК. Таким образом сжигание древесных отходов и ТБО в котлах малой производительности не оказывает неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. При сжигании отходов в пиролизных котлах вредных веществ образуется в 2–10 раз меньше, чем при слоевом сжигании. Содержание выбросов в отходящих газов, кроме  характеризующего полноту сгорания монооксида углерода, от режимных параметров котлов не зависит.

Список литературы / References

1. Левин Б. И. Использование  твердых  бытовых  отходов  в  системах  энергоснабжения.  – М.:  Энергоиздат, 1982. – 224  с.
2. Европейская практика обращения с отходами: проблемы, решения, перспективы. – С.Пб.: НП РЭП, 2004. – 73 с.
3. Тугов А.Н., Москвичев В.Ф. Энергия из мусорного бака // Энергоэффективность и энергосбережение. 2012. № 4. С. 9-13.
4. Порожнюк Л. А., Василенко Т. А., Порожнюк Е. В. Роль экологического аудита в обращении с отходами в Белгородской области // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 4. – С. 177-180.
5. Кожевников В. П., Токач Ю. Е., Огнев М. Н. Современные решения по переработке твердых бытовых отходов в БГТУ им. В.Г. Шухова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2015. – № 1. – С. 172-174.
6. Исследование процессов теплообмена в материалах и аппаратах цементной технологии / Трубаев П.А., Гришко Б.М., Украинский В.А., Сухорослова В.В. – Белгород: Изд-во БГТУ, БИЭИ, 2013. – 190 с.
7. Ресурсо-энергосберегающие модули для комплексной утилизации техногенных материалов / С.Н. Глаголев, В.С. Севостьянов, А.М. Гридчин и др. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 6. – С. 102-106.
8. Севостьянов М.В. Ресурсосберегающее оборудование для комплексной переработки техногенных материалов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2016. № 4. С. 140-145.

Список литературы латинскими символами / References in Roman script

1. Levin B. I. Ispolzovanie  tverdykh  bytovykh  othodov  v  sistemakh  energosnabzheniia  [Use of a hard human refuse in power supply systems].  M.:  Energoizdat. 1982. 224 p. [in Russian].
2. Evropejskaja praktika obrashhenija s othodami: problemy, reshenija, perspektivy [The European practice of the reference with a waste: problems, solutions, prospects]. – S.Pb.: NP REP, 2004. – 73 с. [in Russian]
3. Tugov A.N., Moskvichev V.F. Energiia iz musornogo baka [Energy from a garbage forecastle] // Energoeffektivnost` i energosberezhenie. 2012. № 4. С. 9-13. [in Russian].
4. Porozhnjuk L. A., Vasilenko T. A., Porozhnjuk E. V. Rol' jekologicheskogo audita v obrashhenii s othodami v Belgorodskoj oblasti [Ecological audit role in circulation with a waste in the Belgorod region] // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2012. # 4. P. 177-180. [in Russian].
5. Kozhevnikov V. P., Tokach Ju. E., Ognev M. N. Sovremennye reshenija po pererabotke tverdyh bytovyh othodov v BGTU im. V.G. Shukhova [Modern solutions on rehash of a household waste in BGTU after V.G. Shukhov] // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2015. # 1. P. 172-174. [in Russian].
6. Trubaev P.A., Grishko B.M., Ukrainskij V.A., Suhoroslova V.V. Issledovanie processov teploobmena v materialah i apparatah cementnoj tehnologii [Research of processes of heat exchange in materials and apparatuses of cement production engineering] – Belgorod: Izd-vo BGTU, BIEI, 2013. – P.173. [in Russian].
7. Glagolev S.N., Sevost'janov V.S., Gridchin A.M., Ural'skij V. I., Sevost'janov M. V., Jadykina V. V. Resurso-jenergosberegajushhie moduli dlja kompleksnoj utilizacii tehnogennyh materialov [Resurso-power saving up modules for complex salvaging of technogenic materials] // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2013. # 6. P. 102-106. [in Russian].
8. Sevost'janov M.V. Resursosberegajushhee oborudovanie dlja kompleksnoj pererabotki tehnogennyh materialov [The resursosberegajushchee equipment for complex rehash of technogenic materials] // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2016. # 4. P. 140-1456. [in Russian].