Исследование термического разложения твердых коммунальных отходов на основе моделирования в ПК ASPEN PLUS
О.Б. Колибаба, И.И. Феоктистов, С.Н. Петин, А.А. Валинеева
Вестник ИГЭУ, 2025 г. выпуск 4, сс. 5—11
Скачать PDF
Состояние вопроса. Актуальной задачей современности, требующей незамедлительного решения, является утилизация и обезвреживание твердых коммунальных отходов, объемы которых ежегодно растут. Перспективным экологически безопасным методом переработки твердых коммунальных отходов является пиролиз, позволяющий получить комбинацию твердых, жидких и газообразных продуктов в различных пропорциях за счет изменения рабочих параметров процесса. На практике применяются два основных метода пиролиза – «сухой» и окислительный, от организации и характера протекания которых зависит снижение объемов отходов и выбросов парниковых газов, характеристики и стоимость получаемого газа и др. На процесс пиролиза и, следовательно, на режим работы пиролизной установки оказывает влияние ряд факторов, таких как температурный уровень процесса, содержание кислорода в газе, поступающем в реактор, влажность и морфологический состав исходного сырья. Оценить степень воздействия на процесс и взаимного влияния этих факторов позволяет привлечение методов математического моделирования. Целью настоящего исследования является прогнозирование выхода и теплоты сгорания продуктов пиролиза твердых коммунальных отходов среднего морфологического состава в зависимости от исходной влажности твердых коммунальных отходов и температуры процесса на основе математического моделирования.
Материалы и методы. В качестве метода исследования выбран метод имитационного математического моделирования с использованием программной среды Aspen Plus.
Результаты. Разработана имитационная модель «сухого» и окислительного пиролиза твердых коммунальных отходов усредненного морфологического состава, позволяющая оценить влияние удельного теплопоглощения сырья в процессе пиролиза и исходной влажности твердых коммунальных отходов на режимные параметры процесса: состав, удельный выход, теплоту сгорания и температуру пиролизного газа. Установлено, что в результате «сухого» пиролиза твердых коммунальных отходов среднего морфологического состава наиболее калорийный газ с теплотой сгорания 8133 кДж/м3 образуется при температуре 300 °C и влажности сырья 0 %, а самый низкокалорийный газ (Qрн = 3092 кДж/м3), но с самым большим удельным выходом получается при температуре 600 °C и влажности твердых коммунальных отходов 60 %; в результате окислительного пиролиза наиболее калорийный газ с теплотой сгорания 4141 кДж/м3 образуется при температуре 600 °C и влажности сырья 0 %, а самый низкокалорийный газ, имеющий Qрн = 490 кДж/м3, соответствует температуре 600 °C и влажности сырья 60 %; наибольший удельный выход газа соответствует влажности 40 % и температуре 600 °C.
Выводы. Разработанная имитационная модель «сухого» и окислительного пиролиза твердых коммунальных отходов показала нецелесообразность проведения пиролиза твердых коммунальных отходов исследуемого состава при исходной влажности выше 40 %.
1. Михайлова Н.В., Ясинская А.В. Современные технологии энергетической утилизации ТКО // Экология и промышленность России. – 2020. – Т. 24, № 8. – С. 4–11.
2. Власов О.А. Технологии переработки твердых бытовых отходов: учеб. пособие. – Красноярск: СФУ, 2019. – 244 с.
3. Пиролитические методы термической переработки твердых коммунальных отходов / В.В. Хасхачих, О.М. Ларина, Г.А. Сычев и др. // Теплофизика высоких температур. – 2021. – Т. 59, № 3. – С. 467–480. DOI: 10.31857/S0040364421030078.
4. Киселев М.В., Шантарин В.Д. Пиролиз углеродсодержащих отходов с получением топливных горючих газов // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2008. – № 3(69). – С. 117–119.
5. Обзор развития и применения технологии пиролиза для переработки отходов / О.А. Мишустин, В.Ф. Желтобрюхов, Н.В. Грачева, С.Б. Хантимирова // Молодой ученый. – 2018. – № 45(231). – С. 42–45.
6. Колибаба О.Б., Габитов Р.Н. Термическая переработка твердых коммунальных отходов методом пиролиза. – Иваново, 2022. – 136 с.
7. Попов С.К., Свистунов И.Н., Ипполитов В.А. Моделирование высокотемпературных процессов и установок в среде Aspen Plus: учеб. пособие. – М.: Изд-во МЭИ, 2017. – 56 с.
8. Торрефикация – ресурсосберегающее направление термохимической переработки биомассы / А.А. Валинеева, В.А. Масловский, С.К. Попов, И.Н. Свистунов // Вестник МЭИ. – 2021. – № 4. – С. 22–36. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-4-22-36.
9. Simulation of biomass and municipal solid waste pellet gasification using Aspen Plus / A.D.D. Diallo, M.F.R. Alkhatib, M.Z. Alam, M. Mel // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2021. – Vol. 1192, Nо. 1. – Р. 012023.
10. Begum S.A., Rasul M.G., Akbar D. Numerical investigation of municipal solid waste gasification using aspen plus // Procedia engineering. – 2014. – Р. 710–717.
11. Экспериментальное исследование окислительного пиролиза твердых бытовых отходов / Р.Н. Габитов, О.Б. Колибаба, К.В. Аксенчик, В.А. Артемьева // Вестник ИГЭУ. – 2017. – Вып. 3. – С. 14–19. DOI: 10.17588/2072-2672.2017.3.014-019.
12. Basu P. Biomass Gasification and Pyrolysis: practical design and theory // Academic Press, 30 Corporate drive. – Burlington, USA, 2010. – 365 p.