Анализ теплового и массового балансов печи для термического обезвреживания жидких отходов

Цитирование: Тимченко Б. Е. Анализ теплового и массового балансов печи для термического обезвреживания жидких отходов / Б. Е. Тимченко // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2026, 19(5). С. 605–611. EDN: LXKLKF

Актуальные вопросы термического обезвреживания жидких отходов

В условиях интенсификации промышленного производства и роста объемов жидких отходов промышленного и коммунального происхождения проблема их эффективного и экологически безопасного обезвреживания приобретает особую актуальность. Значительная часть таких отходов характеризуется высоким содержанием токсичных и трудноокисляемых компонентов, что существенно ограничивает возможности их утилизации методами физико-химической очистки и захоронения [6].

Эффективность термического обезвреживания жидких токсичных отходов подтверждена результатами промышленных и экспериментальных исследований, в которых показано, что высокотемпературная обработка обеспечивает глубокое разрушение опасных органических соединений и снижение экологических рисков [1].

Инсинераторы данного типа представляют собой сложные энергетические системы, в которых одновременно протекают процессы испарения значительных объемов жидкости, химического превращения топлива и теплообмена. Эффективность их функционирования в значительной степени определяется режимами подачи топлива, воздуха и жидких отходов, а также термодинамическими параметрами процесса горения.

Существующие методы расчета инсинераторов, как правило, основаны на упрощенных термодинамических моделях, не в полной мере учитывающих влияние впрыска воды, фазовые превращения и температурную зависимость теплофизических свойств продуктов сгорания. Это приводит к расхождениям между расчетными и фактическими температурными режимами и затрудняет оптимизацию эксплуатационных параметров установок.

Рис. 1. Типичная установка для сжигания жидких отходов

Fig. 1. Typical liquid waste incineration plant

В связи с этим актуальной является разработка расчетных методик, основанных на строгом учете теплового и массового балансов процесса горения с привлечением аналитических зависимостей теплофизических характеристик компонентов дымовых газов. Типичная конфигурация инсинератора этого типа показана на рис. 1.

Описание расчетной модели процесса горения в инсинераторе

В рамках настоящей работы процесс горения рассматривается с использованием топлива обобщенного элементного состава CmHnOpSqNr [2]. Жидкие отходы в расчетной модели представлены в виде чистой воды (100 % H₂O), что позволяет сосредоточить анализ на энергетическом влиянии влаги на процесс горения без усложнения модели дополнительными химическими реакциями.

Для упрощения расчетов анализ проводится при расчетной базе 100 г топлива, что обеспечивает удобство определения коэффициентов m, n, p, q и r на основе массового элементного состава. Такой подход широко применяется в инженерных расчетах и позволяет оперативно адаптировать модель под конкретные виды топлива и отходов [3].

Стехиометрический анализ совместного сжигания топливаи жидких отходов

Стехиометрическое уравнение процесса горения при нормированном избытке воздуха ( α ) имеет следующий вид:

CmHnOpSqNr + Yрн2о + ayO2 + 3.76ayN2 « /n 50 \                 z          r\

«-> mCO2 + к+ y H ' H2O + qS02 + ^3-76ay + -J N2 + (a - l)y где – переход от массовой доли к киломолям при базе 100 г топлива; β – безразмерный коэффициент, характеризующий отношение массового расхода отходов (или дополнительного компонента) к массовому расходу основного топлива, используемый для учета совместного сжигания в стехиометрическом уравнении горения; α – нормированный коэффициент избытка воздуха; y – стехиометрическая потребность топлива в кислороде, y = m + q + n/4 – p/2 [2];

– вода, образованная при сгорании водорода топлива [3]; 3,76 – соотношение азота к кислороду в воздухе.

Полученное стехиометрическое уравнение горения с учетом нормированного коэффициента избытка воздуха α и коэффициента β, характеризующего соотношение расходов жидких отходов и топлива, позволяет учитывать влияние совместного сжигания на состав и количество продуктов реакции.

Использование данной модели обеспечивает комплексный анализ процесса термического обезвреживания с учетом дополнительного впрыска воды и связанных с ним энергетических эффектов.

Энергетический баланс и температурный режим инсинератора

Энергетический баланс горения, учитывающий нагрев продуктов с конечной температурой и фазовыми превращениями воды, с существенным участием водяного пара и с учетом реального термического КПД процесса:

В формуле (2) полезная часть теплового эффекта реакции, определяемая произведением энтальпии сгорания топлива ΔH на термический коэффициент полезного действия процесса η, расходуется на нагрев продуктов сгорания от начальной температуры T_н до конечной температуры T к и на осуществление дополнительных энергетических затрат, связанных с фазовы-

ми превращениями, прежде всего с испарением воды. Интегральный член описывает суммарное изменение энтальпии всех компонентов дымовых газов, где ni – количество молей i-го компонента продуктов сгорания, а cpi (T) – его удельная теплоемкость при постоянном давлении, зависящая от температуры, что позволяет корректно учитывать нагрев газовой смеси в широком температурном диапазоне. Слагаемое ΔH₁ вводится для учета энтальпии фазового перехода воды при начальной температуре процесса и отражает затраты энергии на испарение жидкой воды или, в более общем случае, на переход воды между различными агрегатными состояниями.

При использовании инсинератора с циклонно-вихревыми предтопками термический КПД может достигать 95 % [4].

Для аналитического расчета энергетического баланса процесса сжигания водосодержащих отходов необходимо учитывать температурную зависимость удельных теплоемкостей компонентов дымовых газов. Экспериментальные данные показывают, что в диапазоне температур, характерных для процессов горения, теплоемкости газообразных продуктов существенно зависят от температуры, вследствие чего использование постоянных значений cp приводит к значительным погрешностям при определении температуры продуктов сгорания. В связи – 608 – с этим в настоящей работе теплоемкости основных компонентов дымовых газов аппроксимированы аналитическими функциями температуры, допускающими замкнутое аналитическое интегрирование.

Для каждого i-го компонента продуктов сгорания теплоемкость при постоянном давлении представлена в виде:

cpi(T) = a, + bjT + с;Т2 + d,T~2,                                             (3)

где коэффициенты ai, bi, ci, di определены по табличным термодинамическим данным [5] методом наименьших квадратов в соответствующем температурном интервале. Выбор данной формы аппроксимации обусловлен тем, что она широко применяется в термодинамике и теории горения, адекватно описывает экспериментальные данные и позволяет аналитически вычислять изменение энтальпии при нагреве газов.

Используя значения n i , определенные уравнением (1), и вводя функции зависимости удельных теплоемкостей c_pi компонентов дымовых газов от температуры T в уравнении (2), после интегрирования получаем следующее выражение:

lOOqAH = [10.34m + 8.22 ^) + ^) + 7.70q + 6.50 (з.76ау + 0 + 8.27(a - l)y] X

Г            ,                 c/n 50B\, x (TK - TH) + 11.37 x 10“3m + 7.50 x 10“5          + 2.65 x 10“5q + 5.00 x x 10“4 (з.76ау + 0 + 1-29 x 10“4(a - l)y] (T2 - T2) +(4)

г             /n 50B\i

+ 14.47 X 10“7 I- +     - 2.77 X 10-7ql (T3 - T3) +

+[(195500m + 187700(a - l)y] (—-—) + 578500

Левая часть 100ηΔH соответствует полезной части теплового эффекта сгорания, отнесенной к расчетной базе 100 г топлива, что согласуется с использованием энтальпии в единицах кал/г и введением коэффициента полезного действия η. Правая часть уравнения описывает суммарное изменение энтальпии продуктов сгорания при нагреве от начальной температуры Тн до конечной температуры Тк, причем каждая группа коэффициентов при величинах m, n 50                 r

^ + у₽), q, (3.76ay + -) и (α-1) y непосредственно соответствует количествам молей CO₂,

H₂O, SO₂, N₂ и избыточного O₂, следующим из уравнения горения. Величины cpi были введены в единицах кал/моль для соответствующих компонентов дымовых газов. Поскольку вывод уравнения проводился для 100 г топлива, приведенное выше уравнение можно напрямую использовать для расчета Tк как функции α и β, если Tн составляет 25 °C (298,16 К), а ΔH выражено в кал/г топлива.

Энергетический баланс процесса горения составлен с учетом нагрева продуктов сгорания до конечной температуры и фазовых превращений воды. Существенная роль водяного пара в формировании теплового баланса обусловливает необходимость учета энтальпии фазового перехода воды, поскольку затраты теплоты на испарение могут составлять значительную долю суммарного теплового эффекта реакции, что также отмечается в работах, посвященных термической утилизации водосодержащих отходов и осадков сточных вод.

Применение аналитических зависимостей теплоемкостей компонентов дымовых газов от температуры позволяет корректно описывать процесс нагрева газовой смеси в широком температурном диапазоне и существенно повышает точность определения температурного режима инсинератора.

Основные результаты и выводы

В работе разработана и обоснована методология инженерного расчета теплового и массового балансов инсинератора, предназначенного для термического обезвреживания жидких отходов. В основу подхода положено строгое термодинамическое описание процесса горения топлива обобщенного состава C m H n O p S q N r с учетом совместного сжигания водосодержащих отходов, представленных в виде чистой воды.