Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А
спектру «прямоугольных» колебаний.
В последнее время в исследованиях, связанных с проблемой понижения эмиссии оксидов азота при горении, возрастает роль математического моделирования. Так как большинство реальных процессов горения происходит в турбулентном режиме, проблема сводится к расчету образования оксидов азота при турбулентном горении. В настоящей работе проводится оценка механизмов формирования NOх в аппаратах пульсирующего горения, в частности, в аппаратах пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном. Что касается самих моделей образования оксидов азота в пламени, то к основным механизмам образования NOх можно отнести [3]:
1.Тепловой или «термический» механизм (схема Зельдовича);
2.Радикальный механизм (образование NO за счет так называемых быстрых реакций);
3.Механизм образования NO за счет азотосодержащих соединений в топливе. Большинство расчетов образования оксидов азота проводится в рамках модели Зель-
довича, то есть когда образование NO связывается с протеканием трех основных реакций, а концентрация атомарного кислорода находится из условий равновесия. Более детальное рассмотрение кинетики химических реакций и подробный учет кинетической схемы приводит к значительному усложнению задачи. Так, в работе [4] рассмотрена цепочка из 196 прямых и обратных реакций, приводящих к образованию NO. Такое неоправданное усложнение задачи привело авторов к необходимости пренебрежения турбулентностью, рассматривалось ламинарное распространение пламени. Экспериментальные исследования, приведенные в работе [5], показали, что образование NOх является реакцией, на которую наибольшее воздействие оказывают турбулентные пульсации температуры и концентраций реагирующих веществ. Об экологических показателях аппаратов пульсирующего горения можно судить по суммарному выходу NOx. В работе [6] авторами показано, что при стационарном горении топлива «термический» путь образования NOх по механизму Я.Б. Зельдовича вносит основной вклад в загрязнение окружающей среды выбросами оксидов азота. В работах [4, 5] был произведен теоретический анализ выхода оксидов азота в аппаратах пульсирующего горения. В них было доказано, что, в отличие от факельного горения, основной вклад в итоговое содержание оксидов азота, образующихся при сгорании топлива в аппаратах пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном, вносят «быстрые» оксиды азота, рис. 1.
Конечная концентрация «быстрых» оксидов азота практически не зависит от температуры в камере сгорания. Их содержание в продуктах сгорания примерно одинаково как для аппаратов пульсирующего горения, так и в установках факельного сжигания топлива. Следует отметить, что в отличие от стационарного горения, в аппаратах пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном равновесные характеристики не достигаются, и, именно поэтому, действительный выход «термических» оксидов азота на несколько порядков ниже равновесных. Это связано с тем, что время пребывания компонентов топлива в камере сгорания не превышает 0,02 с (для равновесных процессов требуется не менее 0,05 с).
Таким образом, конечное снижение концентрации NOx во многом определяется снижением «термических» оксидов азота в аппаратах пульсирующего горения.
Благодаря методике учета неравновесности процессов при образовании NOx, описанной в работе [7], получены результаты по выходу оксидов азота в аппарате пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном тепловой мощностью 326,8 кВт, которые представлены на рис. 2, 3 [8]. Стоит отметить, что расчетные и экспериментальные данные для данного теплогенератора удовлетворительно совпадают.
136
Концентрация NO, кг/м3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2∙10-4 |
|
|
|
|
1 – |
термические NO |
|
|
|
1,8∙10-4 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
3 |
2 – |
быстрые NO |
|
|
||
|
|
|
2 |
|
|
||||
1,6∙10-4 |
|
|
3 – |
суммарные NO |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
1,4∙10-4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,2∙10-4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1∙10-4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8∙10-5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6∙10-5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4∙10-5 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2∙10-5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
τ,с |
0 |
0,002 |
0,004 |
0,006 |
|
0,008 |
0,01 |
0,012 |
0,014 |
|
|
|
||||||||
Рис. 1. Концентрация оксида азота при горении метана в воздухе в аппарате пульсирующего горения в течение цикла пульсаций
На рис. 2 отчетливо видно существенное влияние неравновесности процесса на образование «термических» оксидов азота. Из-за недостижения равновесного состояния процесса образования «термических» NO их концентрация значительно ниже, чем могла бы быть в случае равновесного процесса. При этом вклад «термических» оксидов азота в общее количество NO, образующихся в АПГ с аэродинамическим клапаном, незначительный, рис. 3.
Рис. 2. Зависимость «мгновенной» концентрации «термического» оксида азота и изменения температуры при горении водорода
137
Концентрация NO, кг/м3 |
|
|
|
|
||
1·10-2 |
|
|
|
|
|
|
1·10-3 |
|
|
|
|
|
|
1·10-4 |
|
|
|
|
|
|
1·10-5 |
|
1 – |
состояние |
|
||
1·10-6 |
|
|
|
|
|
|
1·10-7 |
|
2 – |
|
процесс в АПГ |
|
|
|
|
|
|
|
||
1·10-8 |
|
|
|
|
|
|
1·10-9 |
|
|
|
|
|
|
1·10-10 |
|
|
|
|
|
|
1·10 |
-11 |
|
|
|
|
τ, с |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0,005 |
0,01 |
0,015 |
0,02 |
|
|
|
Рис. 3. Изменение концентрации термических NO в цикле клебаний в АПГ |
||||
|
|
мощностью 326,8 кВт при горении водорода |
|
|||
Поскольку образование и «термических», и «быстрых» оксидов азота растет с ростом температуры, то на их образование в АПГ влияет главным образом изменение коэффициента избытка воздуха, которое определяет амплитуду колебания температуры. В АПГ с углеводородным топливом, определяющим механизмом образования оксидов азота является образование «быстрых» оксидов, который дает на порядки больший выход, чем образование «термических» оксидов.
Литература
1.Терещенко М.А. Термовлажностная обработка материалов с использованием аппаратов пульсирующего горения [научная статья]: Н.В. Мозговой - Первые Международные Лыковские научные чтения «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе». - Москва, 2015. - С. 412-415.
2.Мозговой Н.В. Влияние процессов пульсации в камере сгорания аппаратов пульсирующего горения на выход оксидов азота [научная статья]: М.А. Терещенко - Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж, 2008. - Т.4. - №7.- С. 7376.
3.Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - Л.: Недра, 1977. -
С. 294.
4.Бочков М.В., Ловачев Л.А., Хвисевич С.Н. и др. Образование оксида азота при распространении ламинарного пламени по гомогенной метановоздушной смеси // Физика горения и взрыва, 1998. - Т.34. - №1. - С. 9-19.
5.Терещенко М.А. Экспериментальное исследование парогенератора на основе пульсирующего горения и оценка его экологичности [научная статья]: Н.В. Мозговой, В.И. Быченок. – Теплоэнергетика. - Москва, 2009. - №6. - С. 69-72.
6.Терещенко М.А. Парогенератор для термовлажностной обработки грунта на основе пульсирующего горения [научная статья]: И.Н. Мозговой, А.В. Бараков - Материалы 15-ой Всероссийской научно-практической конференции «Энергетики и металлургии настоящему
138
ибудущему России». – Магнитогорск, 2014. - С. 122-125.
7.Мозговой Н.В., Терещенко М.А. Расчет выхода «термических» оксидов азота для различных видов топлива в аппаратах пульсирующего горения / Труды десятой всероссийской научнотехнической конференции. – Воронеж: АКТ-2009. - С. 438-445.
8.Быченок В.И. Парогенератор на основе пульсирующего горения для термовлажностой обработки материалов / В.И. Быченок, Н.В. Мозговой, М.А. Терещенко // Вестник ВГТУ. - Воронеж, 2006. - Том №2. - №6. - С. 32-36.
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
M.A. Tereshchenko, N.V. Mozgovoy
REDUCTION OF EMISSIONS OF NITROGEN OXIDES IN THERMOGENERATING
INSTALLATIONS
The article considers pulsating combustion devices as a possible direction for upgrading heat generating equipment to reduce environmental pollution. An example of a reduction in nitrogen oxide emissions when using apparatus of this type is given. The main mechanisms for the formation of nitrogen oxides are listed and an analysis of these processes is made, taking into account the characteristics of pulsating combustion apparatus with an aerodynamic valve
Key words: technospheric security, efficiency increase, heat generating plants, pulsating combustion apparatus, heat generator, aerodynamic valve, nitrogen oxides
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «The Voronezh state Technical University»
УДК 69: 657. 92
В.Г. Булаев, Р.В. Брызгалов
УТИЛИЗАЦИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ НА РОССИЙСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ
Приведены результаты анализа работы установки КУЩ-40 при утилизации железобетонных шпал Ключевые слова: утилизация, железобетонная шпала, себестоимость, рентабельность
Ежегодно при выполнении работ по разборке, реконструкции и ремонту железнодорожных путей образуется огромное количество отслуживших свой срок железнодорожных шпал, тонны которых скапливаются на территориях железных дорог ОАО «Российские железные дороги».
Между тем, железобетонные шпалы, отслужившие свой срок, могут быть успешно переработаны в щебень для последующего повторного использования в качестве материала для отсыпки территории, в фундаментных и ландшафтных работах, для создания временных дорог. Образующийся в процессе переработки железобетонных шпал очищенный лом арматурной стали может найти свое применение в металлургической промышленности.
Специально под задачи переработки железобетонных шпал, отслуживших свой срок,
ООО «Ресайклинговые инновационные технологии» был разработан Комплекс утилизации железобетонных шпал на железнодорожном транспорте КУШ–40, позволивший решить задачи переработки столь специфического по своим прочностным и составным характеристикам материала, которым являются железобетонные шпалы.
В настоящее время из-за возрастающего количества подлежащих замене шпал и ужесточения требований по охране окружающей среды серьезным вопросом для транспортной отрасли является проблема утилизации железнодорожных шпал. Ежегодно на сети железных дорог выводится из производственного использования более 1 млн. штук деревянных шпал, которые меняют на железобетонные конструкции. Для предотвращения гниения они обрабатываются пропиточным маслом (креозотом), эффективным антисептиком, но экологически
139
опасным продуктом. Утилизация шпал путем прямого сжигания невозможна, в результате горения пропиточного масла образуется еще более опасный токсин 1 класса опасности – диоксин.
Решение острейшей для транспортной отрасли экологической проблемы, связанной с хранением и утилизацией отработанных шпал, путем применения новой технологии переработки, в процессе которой они утрачивают токсичную составляющую, а полученные в результате продукты, используются вторично.
Объем поставки: от 651 тыс.шт./год до 1,33 млн. шт./год (в среднем около 1 млн. шт./год на ППС). Планируемая цена утилизации: 148,54 руб.шт. Как отмечают путейцы, что в советские годы, что во времена новой России серьѐзной головной болью был для них пресловутый вопрос – куда, собственно, девать отработавшие железобетонные шпалы. Каких-то специальных программ по их утилизации не существовало. Нередко приходилось изыскивать специальные места для складирования никому не нужного материала. За долгие годы скопилось его немало. Кое-что, правда, отдавали гражданам для ограждения дачных участков, а что-то использовали для ограждения полосы отвода от дикого или домашнего скота. При этом следили за судьбой железобетонных шпал не так пристально, как за деревянными шпалами. И неудивительно: они совершенно неогнеопасные. Несмотря на то, что территории в России хватит ещѐ на многие миллионы и даже миллиарды отработавших шпал, засорять родную землю, тем более, когда государство начинает всѐ более активно интересоваться сферой природоохраны, – далеко не тот вектор развития, которому должно следовать ОАО «РЖД». Отчасти, исходя из таких соображений, в последние годы стали разрабатывать программы по борьбе с таким «неликвидом». Одним из наиболее перспективных проектов в этом направлении стала утилизация отработавших шпал на специализированных установках типа КУШ-40.
Данная разработка – отечественная. Над еѐ созданием работали, в том числе и отраслевые институты и предприятия ОАО «РЖД». Установка обеспечивает полную утилизацию шпал, которые в естественных условиях практически не разлагаются (то есть решает серьѐзную задачу бережного отношения к природе нашей страны). По информации, предоставленной разработчиками, использование КУШ-40 дало возможность полностью отказаться от затрат на выделение земельных участков для складирования отслуживших свой срок шпал, а также вернуть в производственно-хозяйственный цикл до 90 % отходов в виде строительного щебня и очищенного лома арматурной стали. Налицо должен быть экономический эффект.
Однако внедрение дробильных установок ведѐтся отнюдь не ударными темпами. Как сообщают путейцы с Московской магистрали, первая такая установка появилась у них на дороге в 2005 году. С той поры компания закупила ещѐ четыре аналогичные машины. Сегодня их можно встретить также на Октябрьской магистрали, Свердловской и Южно-Уральской. Дело в том, что КУШ – удовольствие не из дешѐвых машин. Его стоимость свыше 20 млн. руб., а окупаемость, несмотря на «щебѐночный голод», – 7 лет.
Большим плюсом дробильных установок путейцы называют то, что такие машины дают возможность принимать шпалы к дроблению без предварительной подготовки, что позволяет утилизировать их целиком. Непосредственно утилизация шпалы происходит следующим образом. Бывшие в употреблении и отслужившие срок шпалы доставляются погрузчиком или платформой в зону действия манипулятора. Манипулятор подаѐт их в приѐмный лоток дробильной установки. Измельчают шпалы щѐковой дробилкой. Полученная масса по выходному лотку поступает на разгрузочный транспортѐр. Затем железоотделитель забирает арматуру, а очищенный щебень по боковому транспортѐру поступает на виброгрохот и выводится наружу через три отсека под разный размер щебня.
Только за сутки в течение трѐх рабочих смен он может перерабатывать до 960 шпал. Однако на данный момент, по информации представителей путевого хозяйства компании, дробильная техника работает отнюдь не на полную мощность. Так, только за прошлый год силами всех пяти установок было переработано в щебень лишь 150 тыс. таких шпал. С одной
140