Численное исследование закономерностей сжигания твердых бытовых и промышленных отходов в тепловом реакторе и оценка эффективности утилизации.

Проведена численная оценка влияния внешнего источника тепловой энергии на горение полимеров в реакторе по сжиганию с попутным режимом течения компонентов. Разработана методика для применения внешнего источника энергии в виде фиксированной температуры в определенном положении в газовой фазе. Представлена одномерная сопряженная постановка для расчета тепло- и массопереноса в гетерогенной системе «твердый полимерный материал – газофазное пламя». Уравнения, описывающие газовую среду, решаются в модификации программного пакета с открытым исходным кодом Cantera. Уравнения, описывающие состояние твердого материала, решаются в программе собственной разработки. Рассмотрено несколько механизмов горения в газовой фазе, их тестирование проведено на задачах горения продуктов пиролиза полимерных материалов в конфигурациях горелки и свободного пламени при различных условиях. Представлены результаты численных расчетов горения некоторых полимеров (полиформальдегида и полистирола), такие как профили температур и концентраций компонентов, массовая скорость горения, температура поверхности и диффузионный и радиационный тепловые потоки от газофазного пламени к поверхности полимера. Показано, что использование внешнего источника тепловой энергии в газофазной зоне реактора по сжиганию позволяет изменить как состав смеси при горении газообразных продуктов пиролиза полимеров, так и тепловой поток в полимерный материал, и массовую скорость горения полимера. Добавление внешнего теплового источника, в целом, увеличивает концентрации нежелательных компонентов, таких как NO и CO, однако, локально концентрации некоторых веществ могут быть уменьшены (например, NO2). При горении полистирола применение внешнего источника энергии сдвигает химическое равновесие удаляемой из реактора в окружающую среду газовой смеси существенно для таких компонентов как CO (бедная смесь) и NO, однако, например, концентрация CO2 практически не изменяется. Выявлено, что радиационный тепловой поток вносит сопоставимый вклад в общий процесс переноса энергии от газофазного пламени в полимерный образец. Проведено исследование влияния геометрических размеров реактора на сжигание твердых бытовых отходов (таких как полимеры). Варьировались следующие размеры реактора: входная часть для забора окислителя (воздуха) из окружающей среды, ширина реактора (ширина полимерного образца) и высота реактора. Воздух поступает в реактор за счет естественной конвекции. Математическая модель сформулирована в двумерной постановке и разрешает большую часть значимых процессов при сжигании, таких как ламинарное течение многокомпонентного реагирующего газа, тепло- и массоперенос, теплоперенос излучением, газофазное горение и пиролиз полимерного материала. Для решения сформулированной математической модели разработаны модификации на базе пакета OpenFOAM с открытым исходным кодом. В результате расчетов показано распределение гидродинамических и тепловых параметров в реакторе. Выявлен двумерный характер процесса горения полимеров в реакторе. Горение полимеров в реакторе протекает в диффузионном режиме. Общий баланс смещается в сторону бедной смеси. Массовый расход воздуха через входное сечение минимум в 8 раз больше, чем общее выделение газообразного горючего с поверхности полимера. Распределение температуры поверхности в зависимости от безразмерной длины количественно и качественно совпадает для всех расчетных вариантов. При сравнении распределения температуры в газе на 15 мм от поверхности полимера наблюдаются количественные различия, обусловленные влиянием потока воздушных масс из входного сечения. Отличия профилей молекулярного и радиационного тепловых потоков между рассмотренными вариантами конструкций реактора несущественные. Молекулярный тепловой поток имеет наибольшее значение в области края полимера, где газофазное пламя наиболее близко расположено к поверхности. Основной вклад в процесс теплопередачи от горячего пламени в твердый полимерный материал вносит диффузионная составляющая, однако, вблизи центральной части полимерного образца величина радиационного теплового потока сопоставима с молекулярной. Получены соотношения горючего и окислителя с целью их применения для проведения оценок эффективности сжигания твердых бытовых отходов, в том числе с применением внешнего источника тепловой энергии.