Моделювання процесу сумісного спалювання природного газу з паливами із твердих побутових відходів

С.Г. Кобзар^{1, 2}, канд. техн. наук, О.І. Топал¹, канд. техн. наук,
Л.С. Гапонич¹, канд. техн. наук, І.Л. Голенко¹, канд. техн. наук
¹ Інститут вугільних енерготехнологій НАН України
Україна, 04070, Київ-70, вул. Андріївська, 19,
тел. (+38044) 4253350; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
² Інститут технічної теплофізики НАН України
Україна, 03057, Київ-57, вул. Марії Капніст, 2а,
тел. (+38044) 4532853;e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Èlektron. model. 2020, 42(6):72-90
https://doi.org/10.15407/emodel.42.06.072

АНОТАЦІЯ

З метою визначення вихідних даних для моделювання процесів спільного спалювання па­лива проаналізовано типовий морфологічний склад твердих побутових відходів (ТПВ), очікуваний елементний склад вторинного палива ((RDF) Refuse Derived Fuel) та твердого відновлювального палива ((SRF) Solid Recovered Fuel) з ТПВ, їх енергетичні ха­ракте­ристики, підходи та стандарти їх класифікації. В Україні щорічно накопичується значний обсяг ТПВ (близько 11—12 млн т /рік), з якого можна вилучити близько 2—3 млн т RDF (SRF) з теплотою згоряння 10—25 МДж/кг. Визначено, що спалювання RDF може заоща­дити близько 0,6 млрд м³ природного газу на рік. Водночас, при спільному спалюванні RDF із природним газом у газомазутних котлах малої (середньої) потужності необхідно застосовувати математичне моделювання для визначення граничної частки RDF у сумі­ші. Методами розрахункової гідродинаміки вивчено вплив додавання RDF на процес спільного спалювання для визначеної геометрії елементу камери згоряння. Отримано розрахункові залежності температур та розподілу залишку вуглецю у твердій фазі уздовж камери вигоряння, концентрації оксидів азоту тощо. Показано, що додавання 20 % RDF під час спільного з природним газом спалю­вання суттєво не змінює техніко-екологічні показники роботи камери згоряння.

КЛЮЧОВІ СЛОВА:

паливо з твердих побутових відходів, відходи в енергію, комп’ю­терне моделювання, спалювання, оксиди азоту

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Directive 2008/98/EC of the European Parliament and of the Council of 19 November 2008 on waste and repealing certain Directives // Official Journal of the European Union. 22.11.2008. L 312, р. 3–30. URL: http://data.europa.eu/eli/dir/2008/98/oj.
2. Neuwahl F., Cusano G., Benavides J.G. et al. Best Available Techniques (BAT) Referen­ce Document for Waste Incineration, 2019, 764 p.; EUR 29971 EN; DOI:10.2760/761437.
3. Haponych S., Golenko I.L., Topal А.І. Legislation, current situation and prospects of using municipal solid waste as energy resource in Ukraine // The problems of general energy, 2019, 3(58), pp. 45–54. URL: DOI: https://doi.org/10.15407/pge2019.03.
4. Буляндра О., Гапонич Л., Голенко І., Топал О. Перспективи використання палива з твердих побутових відходів на ТЕЦ цукрових заводів // Наукові праці НУХТ, 2020, 26, №3, с. 137–147. DOI: 10.24263/2225-2924-2020-26-3-16.
5. Saveyn H., Eder P., Ramsay M. et al. Towards a better exploitation of the technical potential of waste-to-energy // The European Commission's science and Knowledge service, 2016. URL: DOI: 10.2791/870953.
6. Соломин А., Афанасьева И. Состав и свойства твердых коммунальных отходов, учи­тываемые при выборе технических методов обращения с отходами // Природообустройство, 2017, № 3, с. 82–90.
7. Komilis D., Evangelou A., Giannakis G., Lymperis C. Revisiting the elemental composition and the calorific value of the organic fraction of municipal solid wastes // Waste Management, 2012, Vol. 32, Issue 3, p. 372—381. URL: https://doi.org/10.1016/j.wasman. 2011.10.034.
8. Nasrullah, Vainikka P., Hannula J. et al. Mass, energy and material balances of SRF production process. Part 3. Solid recovered fuel produced from municipal solid waste, 2015. URL: https://doi.org/10.1177/X14563375.
9. Chen , Liu M., Fan R., Ma S. et al. Mercury speciation and emission from municipal solid waste incinerators in the Pearl River Delta, South China // Science of The Total Environment, 2013, Vol. 447, pp. 396—402. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.01.018.
10. Zhang , Hai J., Cheng J. et al. Evaluation of PCDD/Fs and metals emission from a circulating fluidized bed incinerator co-combusting sewage sludge with coal // Journal of Environmental Sciences, 2013, Vol. 25, Issue 1, pp. 231—235. https://doi.org/10.1016/ S1001-0742(12)60009-6.
11. Li , Wang H., Jiang L. et al. HCl and PCDD/Fs emission characteristics from incineration of source-classified combustible solid waste in fluidized bed // RSC Adv., 2015, 5, pp. 67866—67873.
12. Integrated Pollution Prevention and Control, Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration / European Commission, Brussel, 2006, 602 p. URL: http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/BREF/wt_bref_0806.pdf.
13. Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Vol. 5, Waste. Chapter 5: Incineration and open burning of waste // IPCC, 2006, 26 p. URL: https://www.ipcc-nggip. iges.or.jp/public/2006gl/vol5.html.
14. European Commission – Directorate General Environment Refuse Derived Fuel, Current Practice And Perspectives (B4-3040/2000/306517/Mar/E3) / Final Report: Wrc Ref: Co5087-4. 2003, 219 p. URL: http://ec.europa.eu/environment/waste/studies/pdf/rdf.pdf.
15. Mutz D., Hengevoss D., Hugi C., Gross T. Waste-to-Energy Options in Municipal Solid Waste Management. A Guide for Decision Makers in Developing and Emerging Countries // Deutsche Gesellschaftfür Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH. Eschborn, 2017, 58 р. URL: https://www.giz.de/en/downloads/GIZ_WasteToEnergy_Guidelines_2017.pdf.
16. Refuse derived fuel, current practice and perspectives (B4-3040/2000/306517/MAR/E3) / WRc, 2003. URL: http://ec.europa.eu/environment/waste/studies/pdf/rdf.pdf.
17. Гапонич Л.С., Голенко И.Л., Топал А.И. Перспективы использования SRF и RDF на цементных заводах Украины // Екологічні науки, 2020, № 3(30), с. 92— DOI https://doi.org/10.32846/2306-9716/2020.eco.3-30.15.
18. Lin , Ma X. Simulation of co-incineration of sewage sludge with municipal solid waste in a grate furnace incinerator // Waste Management, 2012, Vol. 32, Issue 3, pp. 561—567, https://doi.org/10.1016/j.wasman.2011.10.032/
19. Rada E.C., Cioca L.I., Lonescu G. Energy recovery from Municipal Solid Waste in EU: proposals to assess the management performance under a circular economy perspective // Web of Conferences 121, 2017, DOI: 10.1051/matecconf/20171210 MSE 2017 5006.
20. Boavida D., Abelha P., Gulyurtlu I., Cabrita I. Co-combustion of coal and nonrecyclable paper and plastic waste in a fluidized bed reactor // Fuel, 2003, Vol. 82, pp. 1931—
21. CEWEP Energy Report III (Status 2007–2010). Results of Specific Data for Energy, R1 Plant Efficiency Factor and NCV of 314 European Waste-to-Energy (WtE) Plants / D.O. Reimann // Confederation of European Waste to Energy Plants (CEWEP), Germany, 2012, 35 p. https://www.cewep.eu/wp-content/uploads/2017/10/1069_13_01_15_cewep_ pdf
22. Directive 2010/75/EU of the European Parliament and of the Council of 24 November 2010 on industrial emissions (integrated pollution prevention and control) // Official Journal of the European Communities, 2010, L 334, pp. 17–119.URL: http://data.europa.eu/eli/dir/2010/75/oj.
23. Cai P.-T., Zhan M.-X., Ma H.-C. et. al. Pollutant Emissions during Co-incineration of Landfill Material Refuse-Derived Fuel in a Lab-Scale Municipal Solid Waste Incineration Fluidized Bed Furnace // Energy Fuel, 2020, 34, 2, pp. 2346—2354, https://doi.org/ 1021/acs.energyfuels.9b03793
24. Astrup T., Møller J. Thilde Fruergaard. Incineration and co-combustion of waste: accounting of greenhouse gases and global warming contributions // Waste Management & Research, 2009, 27, pp. 789–799. DOI: 10.1177/0734242X09343774.
25. Psomopoulos C.S. Residue Derived Fuels as an Alternative Fuel for the Hellenic Power Generation Sector and their Potential for Emissions Reduction // AIMS Energy, 2014, Vol. 2, Issue 3, pp. 321— DOI: 10.3934/energy.2014.3.321.
26. Vekemans O., Chaouki J. Municipal Solid Waste Co-firing in Coal Power Plants: Combustion Performance // Developments in Combustion Technology, 2016, рр. 117— DOI: 10.5772/63940.
27. Chyang C.S., Han Y.L., Wu L.W. et al. An investigation on pollutant emissions from co-firing of RDF and coal // Waste Management, 2010, 30, pp. 1334—
28. O N.-C., Pak H.-S., Sin Y.-C. et al. A feasibility study of energy recovery of RDF from municipal solid waste // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environmental Effects, 2018, 40:24, pp. 2914—2922, DOI: 1080/15567036.2018.1514431.
29. Refuse derived fuel, current practice and perspectives (B4-3040/2000/306517/ MAR/E3) // WRc, 2003. URL: http://ec.europa.eu/environment/waste/ studies/pdf/rdf.pdf/
30. Weber , Quicker P., Hanewinkel J. Status of waste-to-energy in Germany, Part I – Waste treatment facilities // Waste Management & Research, 2020, Vol. 38(1), pp. 23—44. https://doi.org/10.1177/0734242X19894632
31. Magnussen B.F., Hjertager B.W. On the structure of turbulence and a general is ededdy dissipati on concept for chemical reaction in turbulent flow // 19th AIAA Aerospace Meeting, 1981, USA: St. Louis.
32. Westbrook C.K., Dryer F.L. Simplified Reaction Mechanisms for the Oxidation of Hydrocarbon Fuels in Flames // Combustion Science and Technology, 1981, Vol. 27, pp. 31—
33. Bartok W., Sarofim A.F. et al. Fossil Fuel Combustion: A Source Book. NY: JohnWiley& Sons, 1991, 866 p.
34. Liedann B., Arnold W., Kruger B. et al. An approach to model the thermal conversion and flight behaviour of refuse derived fuel // Fuel, 2017, Vol. 200, pp. 252— https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.03.069
35. Weber R, Kupka T, Zajac K. Jet flames of a refuse derived fuel // Combust Flame, 2009, Vol. 156, pp. 922— http://dx.doi.org/10.1016/j.combustflame.2008.12.011.
36. ANSYS FLUENT Theory Guide. ANSYS FLUENT Release 14.0, 1996–2011. USA: ANSYS Ltd, 2011, 862 p.
37. http://www.pmt.usp.br/academic/martoran/notasmodelosgrad/ANSYS%20Fluent%20Theory%20Guide%2015.pdf

Повний текст: PDF