Исследование условий и характеристик воспламенения био-водоугольных смесей на основе бытовых отходов

По прогнозам [1] среднегодовой рост потребления электроэнергии в
мире, вызванный увеличением численности населения и развитием
производственных мощностей, до 2030 года составит 2,4 %. В настоящее
время около 36% электроэнергии в мире вырабатывается на угольных
тепловых электрических станциях (ТЭС). Это связано, прежде всего, с тем,
что уголь является широко распространенным и доступным ископаемым
энергетическим ресурсом, цены на который достаточно стабильны. Известно
около 3 тыс. угольных бассейнов и месторождений, расположенных более
чем в 80 странах, в 55 из которых производится добыча угля. На долю угля
приходится более 80% мировых ресурсов ископаемых топлив, на долю нефти
и газа – 17%. Существующий ресурсный потенциал России составляет более
1трлн. тонн угля. Россия занимает пятое место в мире по добыче угля после
Китая, США, Индии и Австралии, а также третье место в мире по его
экспорту. Уголь – это 5-й крупнейший товар в России. Угольная
промышленность обеспечивает более 150 тысяч рабочих мест для занятых в
добыче и переработке угля, а также десятки тысяч рабочих мест в смежных
или зависимых отраслях промышленности и энергетики. По данным
Федерального агентства по недропользованию, в настоящее время в России
выданы более 600 лицензий на право пользования угольными
месторождениями. Обзор ключевых прогнозируемых показателей
производства первичных топливно-энергетических ресурсов в среднесрочной
перспективе позволяет спрогнозировать рост добычи угля в России, а также
увеличение его экспортных поставок. Добычей и реализацией такого
энергоносителя занимаются многие Российские и международные компании
[2, 3].
В последние годы угольная промышленность России развивает и
увеличивает объемы в основном за счет использования экспортного
потенциала: объем добычи угля в России за последние 15 лет – с 2000 по
2017 год – увеличился на 58%, с 258,3 до 408,9 млн. тонн. Объем экспорта – в
3 раза: с 60,7 до 186 млн. тонн по данным ЦДУ ТЭК [4].
Объемы экспортных поставок беспрерывно растут в течение более 20
последних лет. По прогнозам экспертов, в 2035 г. экспорт угля из России в
страны Азиатско-Тихоокеанского региона увеличится еще на 50 млн. тонн
[5]. Росту экспорта способствуют многие факторы, в том числе гибкая
ценовая политика российских угольных компаний, политика Китая
направленная на борьбу с экологическими проблемами.
При сжигании этого вида топлива с применением устаревших
технологий производства тепла и электроэнергии происходит интенсивное
выделение загрязняющих веществ (CO2, SOx, NOx, летучая зола и другие
антропогенные продукты сгорания) [2, 6]. Основные современные методы
снижения вредных выбросов, образующихся при эксплуатации угольных
тепловых электростанций, разработаны достаточно давно [6]. Большинство
из них являются дорогостоящими [6], что приводит к существенному
увеличению издержек производства тепла и электроэнергии. Но при этом в
ряде случаев (даже при очень больших затратах на очистку дымовых газов)
объем загрязняющих атмосферу выбросов остается значительным по
сравнению, например, с европейскими ТЭС [6].
Основной проблемой использования угля в качестве топлива является
загрязнение окружающей среды. Угледобывающая промышленность
является одним из основных источников потребления энергии и выбросов
CO2. Для изучения движущих сил изменения выбросов CO2 в Китае
использовался метод логарифмического индекса средней дивизии (LMDI). В
соответствии с развитием отрасли, выбросы CO2 в 2020 и 2030 годах были
предварительно прогнозированы. Результаты показывают, что в угольной
химической промышленности Китая произошло значительное увеличение
выбросов CO2: с 177,87 млн. тонн CO2 (МтCO2) до 427,19 млн. тонн CO2 в
2005–2015 годах, при этом среднегодовые темпы роста составили 9,16%. В
настоящее время доля угольной промышленности в аммиаке является
крупнейшей. Согласно анализу разложения, экономический рост и
энергоемкость являются двумя положительными факторами, а структура
отрасли является отрицательным фактором для изменения выбросов
углерода. В 2020 году выброс CO2 составит 617,34 млн. тонн CO2 при
сценарии медленного развития и 759,69 млн. тонн CO2 при сценарии
быстрого развития. В 2030 году выбросы CO2 достигнут 1041,90 млн. тонн
CO2 и 1440,13 млн. тонн CO2 при сценариях медленной и быстрой
разработки, соответственно. Кроме того, к 2030 году, если угледобывающая
промышленность будет развиваться в соответствии с планом, ее выбросы
CO2 значительно увеличатся [7].
Добыча угля приводит к загрязнению воздуха, воды и нарушению
земельных ресурсов (в частности, верхних слоев почвы), а также
образованию большого количества отходов.
Каждый год 360 млн. кубометров воздуха выдувается в российские
шахты и откачано более 200 млн. тонн воды; на карьерах от 300 миллионов
до 350 млн. тонн породы перемещается в отвалы пустой породы. В 2009 году
удельная интенсивность выбросов на предприятиях, занимающихся добычей
топливно-энергетических ресурсов, составляла около 5 кг за тонну добытого
угля.
Кемеровская область, где население восьми городов
преимущественно занято угольной промышленностью, был в центре самых
подробных исследований состояния окружающей среды в угледобывающих
регионах России. Состояние окружающей среды в Кемеровской области в
2011 году оценивает средние концентрации некоторых вредных
загрязняющих веществ в атмосферу региона на уровнях, превышающих в 2
или 3 раза максимально допустимых пределов. В ряде случаев эти
концентрации превышают допустимые пределы в 18 раз. Только в
Кемеровской области годовой суммарный выброс в атмосферу оценивается в
более 1,5 млн. тонн, а сбросы загрязняющих веществ в сточные воды
оцениваются в более чем 0,5 миллиона кубических метров в год.
Еще одна экологическая проблема, связанная с угольной
промышленностью, – это выбросы метана. От 1,5 до 2 миллиардов
кубометров метана выбрасывается в атмосфера из подземных и открытых
угольных шахт. Метан, газ, способный воспламениться даже во влажном
состоянии является одним из основных парниковых газов, влияющих на
климат и способствуя глобальному потеплению [8].
В последнее десятилетие выбросы пыли и газа в угольной
промышленности значительно повысился, достигнув 549 000 тонн по
сравнению с уровнем 233 000 тонн десять лет назад.
Согласно информации, предоставленной Инспекцией по охране
окружающей среды Нерюнгри – город в Якутии, расположенный возле
Нерюнгринского угольного разреза – «на угольных карьерах, взрывной
разрыв бесплодной породы и угольных пластов сопровождается выделением
пыли и газа облачность размером от 15 до 20 миллионов кубометров. Это
облако пыли и газа поднимается на высоту 1500 1700 метров и в течение 4-6
часов приводят к рассеиванию до 500 тонн пыли».
Загрязнение воздушного бассейна при добыче и переработке угля
связано с бурением, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания
транспортных средств, используемых для земляных работ с углем, выбросы
от котельных и пожары, вызванные самовозгоранием угля. С открытой
добычи, твердые частицы – неорганическая пыль с содержанием диоксида
кремния, угольная зола и сажа – основные загрязнители.
Воздействие угольной промышленности не ограничивается
территорией, где находится производственные предприятия по добыче угля,
но также влияет на окружающую среду близлежащих населенных пунктов.
Воркута и четыре города Кемеровской области – Новокузнецк,
Междуреченск, Ленинск-Кузнецкий, Прокопьевск, а также Ухта и Инта в
Республике Коми лидируют в стране по выбросам углеводородов и летучих
органических соединений [8].
При сжигании угольного топлива происходит интенсивное выделение
загрязняющих веществ (СО2, SOx, NOx, летучая зола и другие антропогенные
продукты сгорания) [2]. Одним из решений экологической проблемы
угольной энергетики может стать создание смесевых топлив на основе угля и
твердых бытовых отходов [9]. Что решает несколько проблем: значительное
снижение выбросов в атмосферу и уничтожение твердых бытовых отходов.
Ключевые слова: био-водоугольное топливо, эксперимент,
воспламенение, тепломассоперенос, время задержки зажигания.
Цель работы: Экспериментальные и теоретические исследования
процессов зажигания и горения существенно неоднородных био-
водоугольных композитов на основе твердых бытовых отходов.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих
задач:
1. Установление основных факторов, оказывающих значимое
влияние на характеристики получаемых смесевых топлив.
2. Разработка методик проведения экспериментальных
исследований различных смесевых топлив на основе угля и твердых бытовых
отходов.
3. Оценка влияния массовой доли твердых бытовых отходов на
энергетическую эффективность смесевых топлив.
Методы исследования. Диссертационная работа выполнена с
использованием аналитических и экспериментальных методов исследования.