Аннотация
Курченко Е.Н., Калинихин О.Н. Оптимизация состава топливных смесей на основе компонентов твердых бытовых отходов и побочных отходов коксохимических заводов. В статье рассмотрена проблема утилизации твёрдых бытовых и промышленных отходов. Представлены результаты анализа оптимизации состава топливных смесей на основе компонентов бытовых и промышленных отходов.
На сегодняшний день тема обращения с твёрдыми бытовыми отходами (ТБО) и отходами промышленных предприятий является экономически и экологически актуальной.
Перспективным методом утилизации отходов коксохимических заводов (КХЗ) является использование их в качестве связующих добавок при изготовлении топливных брикетов из ТБО. Совместная утилизация в этом случае будет иметь более ощутимый природоохранный эффект.
Основными теплотехническими характеристиками топливных смесей являются: теплотворная способность, влажность, зольность, наличие летучих веществ и общей серы. В случае отсутствия экспериментальных данных, опираясь на морфологический состав отходов и влажность отдельных компонентов, можно рассчитать их общую влажность отходов [1]. Аналогично определены и последующие теплотехнические характеристики отходов, при расчетах использовались значения, полученные при проведении экспериментов. Показатели технического анализа компонентов брикетируемой массы указаны в таблице 1.
Таблица 1 – Значения теплотехнических компонентов топлива
Процесс изготовления исходной смеси проводился в таком порядке: подбор основных компонентов; дробление и измельчение исходных компонентов (до среднего размера 5 мм); дозирование и смешение отдельных компонентов ТБО; доведение пробы до величины средней влажности; нагрев отходов КХЗ на водяной бане; смешение компонентов топливной смеси.
В качестве связующей добавки в топливную смесь добавлялись кубовые остатки КХЗ, при этом теплота сгорания брикета будет выше, чем у угля. При анализе значения кубовых остатков менялось от 0 до 20 %, а содержание бумаги и древесных остатков определено как 50:50% от смеси с вычетом процентного содержания кубовых остатков.
После проведения экспериментальных исследований направленных на изучения свойств брикетируемой смеси отходов, можно сделать выводы: при добавлении кубовых остатков к ТБО в количестве, превышающем 40 % масс. и дальнейшем их прессовании наблюдалось проталкивание и утечка смолистых отходов и влаги ТБО на стенки пресс-формы; избыток массы кубовых остатков приводит к отслоению компонентов ТБО, что ведет к дальнейшему их разрушению даже при изменении условий прессования; нарушения в ходе изготовления брикетов делают невозможным применение стандартных методик к дальнейшим испытаниям.
В ходе проведения работы важным моментом был выбор процентного соотношения компонентов ТБО и кубовых остатков в смесях.
При проведении оптимизационного эксперимента обработки данных использовалась программа Statistika 12, в которой изучалась топливная смесь состоящая из бумаги, древесины и кубовых остатков.
Результаты дисперсионного анализа в программе показаны на рис. 1 и рис. 2.
Рисунок 1 – Сводка результатов анализа экспериментальных данных
Рисунок 2 – Результаты дисперсионного анализа для специальной кубической модели
Из таблицы (рис.1) видно, что статистически значимые эффекты наблюдаются у специальной кубической модели.
Таблица дисперсионного анализа показывает весьма неплохие результаты для подобранной специальной кубической модели.
Чтобы наглядно увидеть полученные данные, рассмотрим график поверхности отклика (рис.3).
Рисунок 3 – График поверхности отклика
На графике хорошо видны минимум и максимум отклика, и можно приблизительно оценить относительные доли компонентов топлива, при которых достигается наибольшая прочность.
Для точного определения этих долей рассмотрим контурный график.
Контурный график проиллюстрирован на рисунке 4.
Рисунок 4 – Контурный график поверхности отклика
На графике визуально легко определить при каких значениях бумаги, древесины и кубовых остатков достигается приемлемая механическая прочность.
Таким образом, показатель прочности равен приблизительно 12, лежит вблизи доли бумаги 0,25, доли древесины 0,45 и доли кубовых остатков 0,25 (бумага - 0,266667; древесина - 0,466667 и кубовые остатки - 0,266667).
Результаты полученные в программе Statistica также были просчитаны вручную и аналогичны машинным вычислениям.
Проведен трехфакторный дисперсионный анализ [2]. При уровне значимости p=0,05 проверена гипотеза о влиянии факторов А, В и С и их комбинаций на указанный признак.
На основе проведенного расчета можно сформировать полученную модель (рис.5).
Рисунок 5 – Математическая зависимость
Была установлена математическая зависимость механической прочности топливных брикетов, в состав которых входит бумага, древесина и кубовые остатки от содержания компонентов в ней. Использование связующего, на базе кубовых остатков позволит существенно снизить себестоимость брикетов при сохранении их эксплуатационных качеств.
Список использованной литературы
1. Уланова О.В. Комплексное устойчивое управление отходами. Жилищно-коммунальное хозяйство: учебное пособие/ О.В. Уланова, С.П Салхофер., К.Н. Вюнш // М. Высш. школа, 2017. – 292 с.
2. Сидняев Н.И. Теория планирования эксперимента и анализа статистических данных: учебное пособие для магистров и аспирантов / Н.И. Сидняев. – М.: Юрайт: ИД Юрайт, 2012. – 399 с.