Аннотация
A. Shrestha, R. Singh - Рекуперация энергии из твердых бытовых отходов. Процесс брикетирования: оценка физических и горючих свойств топлива В данной статье представлено экспериментальное производство брикетов из твердых бытовых отходов с использованием технологии винтовой экструзии и поршневого пресса. Горючие вещества, присутствующие в твердых бытовых отходах, таких как бумага, пластик и биомасса (представленная рисовой шелухой), обрабатывались с помощью дробилок и измельчителей, а затем уплотнялись. Две разновидности топлива, полученного из отходов, были подвергнуты нагреву (около 300 °C) в шнековой экструзионной машине, в то время как семь разновидностей селективного топлива в составе 0-70% лигнита и 5-30% полиэтилена по весу были уплотнены при постоянном давлении 3,12 т/см2 при комнатной температуре в брикетировочной машине с поршневым прессом. Известь была добавлена к одному из сортов для улавливания выбросов при сжигании топлива. Производство и анализ топливных брикетов проводились в соответствии с японскими промышленными стандартами (JIS 8811, 8812) в лаборатории биомассы НАСТ в Хумалтаре. Было отмечено, что добавление пластиковых отходов улучшает качество топлива из низкосортного угля (лигнит). Для брикетирования смеси пластиковых и бумажных отходов требуется высокая температура и высокое давление. Произведенные топливные брикеты могут быть пригодны для использования в промышленных котлах и печах для обжига кирпича, но для улавливания вредных выбросов следует применять соответствующие меры контроля.
Введение
Энергия - это жизненно важный ресурс для развития и важный ингредиент для выживания человечества. Две из основных энергетических проблем сегодня - это энергетическая безопасность и экологические последствия использования ископаемого топлива. Управление твердыми бытовыми отходами - еще одна серьезная проблема. В развивающихся странах, таких как Непал, вопросы энергетической безопасности и управления твердыми бытовыми отходами стоят более остро. Непал в основном полагается на традиционные источники (87 %) энергии, в то время как импортируемые нефтепродукты, уголь, гидроэлектроэнергия, а также возобновляемые и другие виды энергии удовлетворяют более 12 % общего спроса на энергию в стране. Все нефтепродукты, потребляемые в Непале, импортируются из Индии или из-за границы в очищенном виде для прямого потребления (WECS 2010). Нельзя отрицать, что такая бедная ресурсами страна, как Непал, в ближайшем будущем неизбежно столкнется с серьезным энергетическим кризисом из-за своей чрезмерной зависимости от импорта топлива.
С другой стороны, проблема обращения с твердыми бытовыми отходами (ТБО) вызывает серьезную экологическую озабоченность во всем мире. В Непале эта проблема стоит более остро, особенно в промышленных и городских районах из-за нехватки ресурсов, инфраструктуры, эффективных альтернатив (методов) обращения с твердыми отходами, обученных кадров и поддержки научных исследований для преобразования твердых отходов в коммерческие продукты. Хотя объем отходов, попадающих на свалки, постоянно увеличивается, пространство, доступное для захоронения, ограничено и сокращается.
Недавнее исследование показывает, что пластик и бумага составляют около 17 % твердых бытовых отходов в долине Катманду (SWMRMC 2008). Пластиковые отходы, в основном полиэтиленовые мешки, в ТБО имеют такое же высокое содержание энергии, как и керосин. Такой материал с высоким содержанием энергии, который импортируется с использованием ценной иностранной валюты, не следует выбрасывать на свалку. Его следует переработать, а затем использовать для рекуперации тепла (Heejoon 2006).
Технология брикетирования - одна из простых технологий, применяемых для производства топлива на основе биомассы, включая такие отходы, как измельченная бумага, пластик и другие горючие отходы. Муниципальные отходы Катманду лучше всего регенерировать / повторно использовать путем преобразования в топливные брикеты из твердых отходов либо в виде отработанного топлива (RDF), прессованной формы макулатуры, пластмасс, древесной стружки и других горючих материалов, либо в форме селективного топлива, смеси горючего органического компонента, такого как пластмассы ТБО, с низкосортным углем, таким как лигнит. В этом свете преобразование отходов в энергию было бы экономичным и экологически безопасным способом решения как проблем управления отходами, так и нехватки энергии одновременно.
Методология
Сырье, используемое для производства брикетов, собиралось на внутреннем уровне (газетная бумага и полиэтиленовые пакеты) и из коммерческих источников (рисовая шелуха и L3: Lelecoal-Singh 2001). Производство и лабораторный анализ топливных брикетов были выполнены в соответствии с японскими промышленными стандартами (JIS 8811 и JIS 8812) в лаборатории биомассы технологического факультета НАСТ в Хумалтаре.
Производственный процесс: сырье было измельчено до размера частиц, подходящего для брикетирования, с помощью дробилок и измельчителей, чтобы затем приступить к уплотнению. Топливо из отходов (RDF) было изготовлено в виде цилиндрических брикетов с отверстием в центре из смеси: 1) полиэтилена (35 %) и бумаги (65 %) и 2) рисовой шелухи (50 %), полиэтилена (25 %), бумаги (20 %) и извести (5 %) путем нагревания до 3000C от шнековой экструзионной машины. Брикеты таблеточного типа, то есть селективное топливо (SF), были получены из различных пропорций бурого угля 100-70% по весу и полиэтилена 0-30% по весу при постоянном давлении 3,12 т/см2 в течение десяти секунд при комнатной температуре, в поршневой пресс для брикетирования таблеток по 5 грамм. Шнековая экструзионная брикетировочная машина была изготовлена для производства цилиндрических брикетов, в то время как брикеты таблеточного типа изготавливались с использованием простого поршневого пресса, доступного в лаборатории Непальской академии наук и технологий.
Лабораторный анализ: непосредственный анализ (содержание влаги, золы, летучих веществ, фиксированное содержание углерода) проводился в соответствии с JIS 8812, а теплотворная способность сырья ( бурый уголь, полиэтилен, рисовая шелуха и бумага) определялась в колледже прикладных наук Непала в соответствии со стандартом IP-12 с использованием калиброванного бомбового калориметра.Прочность на разрыв топлива была испытана с использованием шкалы Маруто для определения прочности на разрыв. Анализ эксплуатационных характеристик полученного брикета проводился с использованием стандартного водокипящего теста (Water boiling test Version 1.5, Shell Foundation) в печи с индуцированным воздушным веером ( Bayu pankhi chulo), работающей при напряжении от 6 до 12 В, выпускаемой на заводе NAST.
Анализ дымовых газов: дымовые газы от сжигания топливных брикетов были оценены с использованием шкалы дыма Bacharach Oil Burner Smoke Scale (качественный анализ), в то время как оксид углерода (CO ppm) и процент выбросов оксидов азота, серы и диоксида углерода при сжигании топлива был проанализирован с использованием анализатора дымовых газов Hodaka HT-2300 (газоанализатор) и принадлежностей, измерителя CO Fluke и аспирационного насоса Kitagawa с трубками (количественный анализ). Кроме того, твердые частицы, ТЧ 10 и ТЧ 2,5, были измерены в ходе испытания на кипение воды с использованием Haz Dust EPA M-500.
Результаты и обсуждение
Рис.1. - Образец альтернативного топлива; Рис.2. - Образец селективного топлива
Предварительный анализ: Результат экспресс-анализа показывает, что полученные брикеты имеют высокое содержание летучих веществ. Сравнивая этот результат только с рисовой шелухой, становится ясно, что добавление пластика и бумаги увеличивает содержание летучих веществ. Пластмассы содержат почти 100% летучих веществ, а бумага - более 60% летучих веществ с очень низким содержанием углерода и золы. Добавление рисовой шелухи в RDF и бурого угля в SF способствовало значительному фиксированному содержанию углерода в топливе и увеличению зольности.
Рис.3. - Примерный анализ RDF и его сырья
Что касается селективного топлива (рис. 4), интересно отметить, что по мере увеличения количества полиэтилена в брикете содержание летучих веществ увеличивается почти в два раза (от 5% до 25% полиэтилена) и топливо легче воспламеняется. Добавление полиэтилена к низкосортному углю улучшило качество топлива за счет повышения энергоемкости и снижения зольности.
Рис.4. - Непосредственный анализ семи составов селективного топлива
Теплотворная способность: теплотворная способность (CV) RDF сопоставима с теплотворной способностью импортируемого в настоящее время индийского угля (NAST, 2007). Точно так же CV 25:75 не так уж и далеко от импортного индийского угля. Это означает, что качество топлива из низкосортного угля, такого как L-3, может быть улучшено путем введения высоколетучих веществ, таких как полиэтилен.
Теплотворная способность бурого угля и полиэтиленового брикета показывает тенденцию к увеличению теплотворной способности по мере увеличения содержания полиэтилена в брикете (рис. 5).
Рис.5. - Влияние полиэтилена на теплотворную способность
Прочность на разрыв: Эксперименты показали, что брикеты из пластика, изготовленные при низкой температуре, легко распадаются. Брикеты, полученные шнековым экструдированием (~ 3000 ° C), были прочнее, чем брикеты, полученные при комнатной температуре (270 ° C) на поршневом прессе. При комнатной температуре прочность на разрыв (BS) брикета постепенно увеличивается по мере увеличения процентного содержания полиэтилена (PE) в брикете (рис. 6). Первоначально прочность на разрыв медленно увеличивается с увеличением содержания полиэтилена. По мере увеличения содержания PE увеличивается BS, которое после этого имеет тенденцию оставаться постоянным.
Рис.6. - Разрывная нагрузка в зависимости от температуры
Анализ производительности: промышленное применение топлива было проанализировано на предмет выработки пара путем испытания на кипение воды. Предварительное испытание на кипение воды в печи с воздушным вентилятором с использованием RDF и SF (25:75) показало тепловой КПД более 20-25%, полученный для топливной древесины или рисовой шелухи.
Выбросы дымовых газов: среди топливных брикетов испытание на дымность было проведено для образца RDF (65:35) и SF (25:75). Число дыма для топливных брикетов ниже вредных пределов при достаточной подаче воздуха. Это указывает на то, что топливо подходит для отраслей, в которых используются воздуходувки. Что касается испытаний на выбросы, результаты показывают, что количество NO2 и выброс CO2 с дымовыми газами наблюдается в меньшей степени. Выбросы CO в дымовых газах высоки, но поскольку измерения проводились в зоне горения, они будут относительно выше, чем в окружающем воздухе. Добавление 5% извести в RDF показало значительное снижение концентрации CO в дымовых газах.
PM были исследованы в зоне горения в отсутствие вытяжного шкафа, и, следовательно, оба типа проб топлива - RDF и SF превышали допустимый диапазон национальных стандартов качества воздуха в помещениях для PM <10 при 24-часовом воздействии.
Результаты приблизительного анализа, теплотворной способности, прочности на разрыв и эксплуатационных характеристик показывают хорошие топливные характеристики брикетов, полученных из отходов (бумаги, пластика и рисовой шелухи). Кроме того, наблюдается, что добавление пластиковых отходов улучшает качество топлива из низкосортного угля. Производимые топливные брикеты могут быть пригодны для использования в промышленных котлах, кирпичных печах и т. д., но для улавливания вредных выбросов следует применять соответствующие меры контроля. Этот вариант преобразования отходов в энергию не только продлевает срок службы свалки, но и обеспечивает альтернативный источник энергии за счет утилизации неиспользованных отходов.
Литература
1. Heejoon, K., R.M. Singh and L. Tianji. 2006. Ecofuel - A blend of coal with plastics. Journal of World Review of Science, Technology and Sustainable Development 3(1): 49-57.
2. JIS M8811, 1976. Japanese Industrial Standards- Methods for Sampling and Determination of Total Moisture and Adherent Moisture of Coal and Coke. Japanese Standards Association, Japan.
3. JIS M8812. 1984. Japanese Industrial Standards- Methods for Proximate Analysis of Coal and Coke. Japanese Standards Association, Japan.
4. NAST, 2007. Biomass Database. Biomass Laboratory, Faculty of Technology, National Academy of Science and Technology (NAST), Khumaltar, Lalitpur, Nepal.
5. Singh, R.M., M. Toshihiko, M. Kamide, K. Taniguchi and K. Deguchi. 2001. Biobriquettes – An Alternative Fuel for Domestic and Industrial applications. Nepal Journal of Science and Technology 3: 105-114.
6. SWMRMC. 2008. A Diagnostic Report on State of Solid Waste Management in Municipalities of Nepal. Solid Waste Management and Resource Mobilisation Centre (SWMRMC), Lalitpur, Kathmandu, Nepal, pp. 5-16.
7. WECS. 2010. Energy Sector Synopsis Report 2010. Water and Energy Commission Secretariat, Kathmandu, Nepal, pp.13, 81-95.