Ту хабаршысы

● Техникалыќ єылымдар

ЌазЎТУ хабаршысы №5 2014  

289

Металл 

3,1 

2,4 

1,5 

1,8 

2,4 

2,7 

3,0 

3,0 

Пластмасса 

2,1 

1,8 

1,6 

1,4 

1,2 

2,9 

3,6 

3,8 

Кожа, резина 

0,8 

1,1 

1,4 

1,5 

1,6 

1,8 

2,4 

2,4 

Прочие отходы 

14,2 

20,1 

25,7 

23,0 

20,3 

16,7 

14,3 

13,1 

Итого: 

100 

100 

100 

100 

100 

100 

100 

100 

Влажность, % 

53,4 

50,8 

47,2 

45,6 

42,4 

42,5 

43,0 

43,0 

Технология получения энергетического топлива из ТКО. 

Для  компостирования  будут  использованы  ТКО  заскладированные  в  период  от  5  до  10  лет, 

заскладированные в период с 2002 по 2007 годы. Предварительные экспериментальные исследования 

показали,  что  в  лежалых  отходах  наиболее  интенсивно  протекают  биоразложения  с  образованием 

биогаза.  По  предлагаемой  технологии  отходы  будут  отбираться  с  полигона  с  глубины  1,5-2  метра. 

Данные  отходы  транспортируются  на  площадку  компостирования  и  подвергаются  сортировке 

(магнитная  сепарация  и  ручная  сортировка),  при  этом  удаляются  не  разложившиеся  крупные 

фракции  отходов.  Далее  отходы  поступают  на  измельчение  и  просеивание  для  удаления  не 

разложившихся средних фракции отходов. Отходы размещаются в закрытое помещение для первой 

стадии компостирования, при которой происходит регулирование влажности, внесение биодобавок и 

аэрации.  Созревание  компоста  протекает  в  течение  8-10  суток  при  постоянном  перемешивании. 

Далее созревший компост выгружается на компостные ряды, и укладываются в штабеля. В процессе 

перегрузки  компост  просеивают  для  удаления  крупных  фракций  компоста.  В  компостных  рядах 

происходит  вторая  стадия  компостирования  –  дозревание  компоста  на  открытых  площадках  в 

течение  20-30  суток.  Готовый  компост  подвергают  контрольному  дроблению  и  измельчению  с 

получением товарного продукта – энергетического топлива для отгрузки потребителям. 

Предпочтение  отдается  гранулированному  топливу,  так  как  сжигания  измельченного  топлива 

сопровождается большим пылевыносом, а использования брикетов создает трудности при загрузке в 

печь и поддержания устойчивого горения. Кроме того, при сжигании гранулированного топлива на 

много выше КПД котла. 

Технология получения и использования биогаза с полигонов ТКО.  

Такой  технологический  подход  к  обезвреживанию  твердых  бытовых  отходов  связан  с 

получением  биогаза  и  последующим  использованием  его  в  качестве  топлива.  С  этой  целью  ТКО 

засыпают  по  определенной  технологии  слоем  грунта  толщиной  0,6-0,8  м  в  уплотненном  виде. 

Биогазовые  полигоны  снабжены  вентиляционными  трубами,  газодувками  и  емкостями  для  сбора 

биогаза. Наличие в теле полигона пористости и органических компонентов создаст предпосылки для 

активного  развития  микробиологических  процессов.  Толщу  полигона  условно  можно  разделить  на 

несколько 

зон 

(аэробную, 

переходную 

и 

анаэробную), 

различающихся 

характером 

микробиологических  процессов.  В  самом  верхнем  слое,  аэробном  (до  1≈1,5  м),  ТКО  благодаря 

микробному  окислению  постепенно  минерализуется  до  двуокиси  углерода,  воды,  нитратов, 

сульфатов  и  ряда  других  простых  соединений.  В  переходной  зоне  происходит  восстановление 

нитратов  и  нитритов  до  газообразного  азота  и  его  оксидов,  т.е.  процесс  денитрификации. 

Наибольший объем занимает нижняя анаэробная зона, в которой интенсивные микробиологические 

процессы  протекают  при  малом  (ниже  2%)  содержании  кислорода.  В  этих  условиях  образуются 

самые различные газы и летучие органические вещества. Однако центральным процессом этой зоны 

является образование метана. Постоянно поддерживающая здесь температура (30-40 

о

С) становится 

оптимальной  для  развития  метанообразующих  бактерий.  Таким  образом,  полигоны  представляют 

собой наиболее крупные системы по производству биогаза из всех существующих систем. Например, 

1  га  полигона  выделяет  такое  количество  метана,  как  (2-4)х10

3

  га  дерново-подзолистой  почвы. 

Учитывая,  что  1  т  бытовых  отходов  выделяет  не  менее  100  м

3

  биогаза,  можно  определить 

потенциальные  возможности  полигонов,  как  энергетического  источника.  Использование  биогаза 

возможно  как  минимум  через  5-10  лет  после  создания  полигона,  а  его  рентабельность  проявляется 

при  объемах  отходов  более  1  млн.  т.  В  процессе  сжигания  биогаза  происходит  разрушение 

содержащихся  в  свалочных  газах  токсичных  компонентов,  обеспечивающее  безопасные  для 

окружающей  среды  выбросы.  Можно  предположить,  что  и  в  перспективе  роль  полигонов  ТКО 

заметно  не  уменьшится,  поэтому  извлечение  биогаза  из  них  с  целью  его  полезного  использования 

будет  оставаться  актуальным.  Однако  возможно  и  существенное  сокращение  полигонов  за  счет 

максимально  возможного  вторичного  использования  бытовых  отходов  путем  селективного  сбора 

составляющих его компонентов - макулатуры, стекла, металлов и т.д. [1, 2]. 

● Технические науки

№5 2014 Вестник КазНТУ  

290 

Для  повышения  эффективности  работы  энерготехнологического  комплекса  полигона  ТКО 

были рассмотрены различные методы интенсификации выработки энергии.  

Рис. 2. 

Блок-схема энерготехнологического комплекса полигона ТКО 

На основе анализа было установлено, что наиболее эффективным методом является внедрение 

дополнительного  источника  энергии,  для  обеспечения  бесперебойной  работы  комплекса.  Данным 

источником является гелиоустановка.  

Для  обоснования  использования  гелиоустановки  были  изучены  климатические  особенности 

расположения  Карасайского  полигона  ТКО.  Который  показал,  что  климат  в  районе  расположения 

полигона  резко  континентальный,  с  малым  количеством  осадков  (120  мм  в  год),  большим 

количеством солнечных дней; лето длительное и жаркое, зима морозная и ветреная (снежный покров 

невысокий). 

Среднее число дней с явлениями погоды за год: осадки 58 (январь 9, июнь 2), туман 27, метель 

6, гроза 7. Число ясных дней по общей облачности — 119, пасмурных по нижней облачности — 17. 

Так как в Казахстане нет аналогов технологии совместного получения энергии, то параметры ее 

выбора должны определяться исходя из минимизации экологической нагрузки на окружающую среду 

и максимальной экономической выгоды (рисунок 2): 

1. Необходимо рассчитать объем образования биогаза для полигона ТКО.

2. Разработать газосборную сеть - технологию вертикального и горизонтального сбора биогаза,

с  учетом  рельефа  местности,  гидрогеологического  режима,  произвести  гидравлический  расчет 

газосборной сети. 

3. Определить  параметры  системы  сбора  биогаза,  рассчитать  длину  газосборных  труб,  узлов,

их диаметр, диаметр отверстий. 

4. При  эксплуатации  системы  сбора  биогаза  предусматривается  его  очистка  и  осушка.

Показатели  влагосодержания  и  состав  биогаза  свидетельствуют  о  необходимости  его  осушки  и 

очистки от вредных примесей, наиболее активным из которых является сероводород. 

Процессы улавливания сероводорода по различным признакам разделяют на несколько групп. 

По назначению эти группы можно разделить на две: с поглощением серы и без. В зависимости от 

● Техникалыќ єылымдар 

 

ЌазЎТУ хабаршысы №5 2014  

 

291

агрегатного состояния сорбента процессы поглощения сероводорода делят на твердофазные и 

жидкофазные. 

На полигоне ТКО для очистки получаемого биогаза рекомендуется использовать твердофазный 

процесс, т.е. сухую очистку без утилизации серы. В качестве сорбента может быть использован оксид 

железа. 

5.  Определить  экономическую  эффективность  энерготехнологического  комплекса  по 

показателям чистого дисконтированного дохода, индекса доходности, расчетной цены производства 

электроэнергии, внутренней нормы доходности и срока окупаемости. 

Сочетание  работы  гелиоустановки  в  составе  энерготехнологического  комплекса  позволит 

обеспечить  надежное  и  экономичное  электроснабжение  для  местных  нужд.  Данная  схема 

энергокомплекса  может  использоваться  как  на  малых,  так  и  на  крупных  полигонах  ТКО.  По 

выполненным  нами  расчетам  к    2038  году  на  Карасайском  полигоне  ожидается  снижение  образования 

биогаза и предлагаемая гелиоустановка будет использоваться для нужд самого полигона [3]. 

Данная  технология  может  применяться  практически  на  всех  полигонах  ТКО  Республики 

Казахстан.  

Выводы: 

1.  Разработана блок-схема  энерготехнологического комплекса полигона ТКО. 

2.  Разработана схема газосборной системы биогаза и определены ее основные параметры [4]. 

3.  Проведена  оценка  снижения  выбросов  парниковых  газов  при  использовании 

энергетического потенциала полигона ТКО [3]. 

 

ЛИТЕРАТУРА 

1 Шубов, Л.Я. Технология твердых бытовых отходов. – М.: Альфа, 2013. – 400 с .  

2 Демьянова В.С., Овчаренков Э.А. Процессы и аппараты переработки ТБО. – Пенза: ПГУАС, 2007. –80 с. 

3 Айкынбаев  А.Е.  Автореф.  доктор.  дис.:  Снижение  эмиссий  парниковых  газов  из  геотехнической 

системы полигона путем организации выбросов. Алматы: КазНТУ, 2010. 

4 Baibatchaev А., Nurkieiev S. Ensuring environmental safety at the municipal solid waste // GeoConference on 

Energy and clean technologies /. Albena, Bulgaria, 2013. – C. 359-365. 

  

REFERENCES 

1 Shubov L. Tekhologiya tverdykh bytovykh otkhodov. – М.: Al’fa, 2013. – 400 s.  

2   D e m ’ y a n o v a   V . ,   O v c h a r e n k o v   E .   P r o t s e s s y   i   a p p a r a t y   p e r e r a b o t k i   T B O .   –  Penza: 

PGUAS, 2007. –80 s. 

3  Aikynbaev  A.,  Avtoref.  doctor.  diss.:  Snizhenie  emissiy  parnikovykh  gazov  iz  geotekhnicheskoi  sistemy 

poligona putem organizatsii vybrosov. Аlmaty: KazNTU, 2010. 

4 Baibatchaev А., Nurkieiev S. Ensuring environmental safety at the municipal solid waste // GeoConference on 

Energy and clean technologies /. Albena, Bulgaria, 2013. – C. 359-365. 

 

Нуркеев С.С., Кезембаева Г.Б., Нурмакова С.М., Усербаева А.Т. 

ҚКҚ энергетикалық потенциалын пайдаланудағы технологиялық кешенді өңдеу

  

Түйіндеме.

 Бұл мақала қатты коммуналдық қалдықтардың (ҚКҚ) энергетикалық потенциалын кешенді 

пайдалану  мəселесіне  арналған.  Қазіргі  уақытта  қайта  қалпына  келетін  энергетикалық  ресурстардың  əр  түрлі 

түрлерін  пайдалану  мəселесі  əлем  бойынша  өзекті  мəселе  болып  отыр.  Өңделген  қатты  коммуналдық 

қалдықтарды  энергетикалық  пайдалану  технологиясы  бойынша  брикеттер  мен  гранулдар  түрінде 

энергетикалық отынды алу, сонымен қатар электр энергиясын, жылуды жəне суықты алу мақсатында биогазды 

өндіру  ұсынылып  отыр.  Қатты  коммуналдық  қалдықтардың  морфологиялық  құрамында  қағаз  фракциясының 

үлесінің өсуі, сонымен қатар пластмассаның, дубляждалған жəне композициялық материалдардың 30 %-ға өсуі 

байқалып отыр. Талдаулар негізінде, кешеннің тиімдірек жұмыс істеуі үшін қосымша энергия көздерін енгізу 

керек – кешеннің үздіксіз жұмыс істеуін қамтамасыз ететін гелиоқондырғыдарды орнату керек.  

Түйін сөздер.

 Қатты коммуналдық қалдықтар, биогаз, биоотын, компост, морфологиялық құрамы 

 

Nurkeev S. Kezembayeva G., Nurmakova S., Userbayeva A. 

Development of technological complex for use of the energy potential of solid municipal waste 

The summary.

 This article is devoted to the complex FOR use of the energy potential of municipal solid waste. 

At the moment the problem of the use of different types of renewable energy resources is an actual in the world. We 

have developed a technology of power use of  MSW involves getting energy fuel in the form of briquettes and pellets, 

as well as biogas to generate electricity, heat and cold. In the morphological composition of MSW tends to increase the 

proportion of the paper fraction of  MSW and plastics, and composite materials duplicated by almost 30%. Based on the 

● Технические науки 

 

     

                                               

№5 2014 Вестник КазНТУ  

          

292 

analysis also found that for the most efficient operation of the complex is necessary to introduce an additional source of 

energy is the solar unit, that will ensure uninterrupted operation of the complex.  

Key words: 

Municipal solid waste, biogas, biofuels, compost, morphological composition.

  

 

 

УДК 533+53 

С.А. Филько 

(Жетысуский государственный университет им. И.Жансугурова, г. Талдыкорган) 

 

РЕЛАКСАЦИЯ КВАЗИЧАСТИЦ В ПРОСТРАНСТВЕ СКОРОСТЕЙ  

КАК ДИФФУЗИЯ ПРИ НАЛИЧИИ ВНЕШНЕЙ СИЛЫ 

 

Аннотация.

  В  статье  изучается  возможность  моделирования  релаксации  газа  в  методе  кинетической 

силы на основе аналогии между движением квазичастиц в пространстве скоростей и диффузией вещества под 

действием внешней центральной силы. Получены расчетные формулы для ускорений квазичастиц, выполнены 

тестовые расчеты релаксации однородного газа, которые подтвердили работоспособность этого подхода.  

Ключевые слова:

 метод кинетической силы, квазичастицы, диффузия. 

 

Введение. 

Как известно, молекулярная модель газа описывает корпускулярную структуру газа 

как  множество  дискретных  молекул  и  в  идеале  содержит  информацию  о  положениях  и  скоростях 

каждой  молекулы  в  любой  момент  времени.  Большое  число  молекул,  содержащихся  в  1  см

3 

газа, 

требует вероятностного описания процессов в газе в терминах функции распределения или плотности 

вероятности, которая дает вероятность нахождения молекулы в каждой точке фазового пространства. 

Основным  инструментом  описания  динамики  разреженных  газов  является  кинетическое  уравнение 

Больцмана [1, 2]:  

 

где 

 

 

–  интеграл  столкновений.  Здесь  υ,  u    –  скорости  молекул  газа  до  столкновения,  υ', u'      –  их 

скорости  после  столкновения,  f(υ)  –  функция  распределения  молекул  по  скоростям,  v  =  υ  -  u  – 

относительная  скорость  сталкивающихся  молекул,  σ

θ

  –  дифференциальное  сечение  рассеяния,  μ  – 

косинус  угла  рассеяния,  dΩ

ν'

  –  элемент  телесного  угла,  т

0

  –  масса  молекулы.  Сложная  нелинейная 

структура  интеграла  столкновения  и  большое  количество  переменных  затрудняют  аналитическое 

решение  уравнения  Больцмана.  Поэтому  большое  внимание  уделяется  исследованию  возможностей 

его численного решения.  

В 2002 г. интеграл столкновений Больцмана был переписан в дивергентном виде, и уравнение 

Больцмана приобрело вид уравнения Лиувилля для одно-частичной функции распределения с силой 

coll

F

, зависящей от функции распределения частиц газа [3]: 

 

                                       (1) 

где 

 

 

Подобно  уравнению  Лиувилля,  уравнение  (1)  позволяет  трактовать  функцию  распределения 

f(υ) как плотность модельных частиц (квазичастиц), которые двигаются в пространстве скоростей под 

действием  суммы  сил,  включающей  кинетическую  силу  Fcoll,  по  гладким  траекториям  и  не 

совершают  скачков,  как  молекулы  при  столкновениях.  Функция  распределения  квазичастиц 

совпадает  с  функцией  распределения  реальных  молекул,  открывая,  тем  самым,  новые  возможности 

для моделирования. Вместо копирования (как это делается в традиционном методе DSMC) движения 

молекул,  совершающих  перескоки  в  пространстве  скоростей  при  столкновениях,  можно 

● Техникалыќ єылымдар 

 

ЌазЎТУ хабаршысы №5 2014  

 

293

организовать  математический  эксперимент  на  основе  принципиально  нового  способа  описания, 

наблюдая за движением квазичастиц.  

Этот  подход  активно  разрабатывался  в  последние  годы,  благодаря  чему  появился  новый 

численный  метод  расчета  динамики  газа  в  кинетическом  режиме  с  использованием  квазичастиц  – 

метод  кинетической  силы  [4,  5].  В  методе  кинетической  силы  получены  формулы  для  расчета 

ускорений  квазичастиц  и  разработана  процедура  восстановления  функции  распределения  по  их 

ограниченному набору, сглаживающая малые флуктуации, – редукция малых масштабов; тем самым 

реальная функция распределения заменяется на приближенную. Если даны N квазичастиц υ

i

, i =1,…N 

то функция распределения записывается так:  

                                     (2) 

 

Параметр  κ  определяет  минимальное  число  квазичастиц,  которые  необходимы  для 

моделирования  [6].  Алгоритм  метода  кинетической  силы  на  основе  кинетического  уравнения  для 

двухчастичной  функции  распределения  гарантирует  сохранение  энергии  и  импульса  при 

«квазистолкновении» в каждой отдельной паре квазичастиц [7-9].  

Но  расчеты  согласно  имеющимся  алгоритмам  метода  кинетической  силы  требуют 

сравнительно  больших  затрат  времени  работы  компьютера,  что  побуждает  искать  альтернативные 

пути  построения  алгоритмов.  Наблюдение  траекторий  квазичастиц  в  пространстве  скоростей, 

построенных  по  формулам  метода  кинетической  силы  в  ходе  расчета  релаксации  газа  в  различных 

задачах,  приводит  к  выводу  об  их  качественном  подобии  с  движением  макрочастиц  вещества  в 

процессе  диффузии  при  действии  внешней  центральной  силы.  Тогда  кинетическую  силу  Fcoll, 

действующую  на  квазичастицы  можно  представить  как  сумму  двух  сил,  аналогично  тому  как 

диффузию  интерпретируют  как  движение  вещества  под  действием  внешней  силы  давления  и 

внешней силы [10]. 

В  данной  статье  изучаются  возможности  для  численного  моделирования,  которые  можно 

извлечь  из  аналогии  между  движением  квазичастиц  в  пространстве  скоростей  и  диффузией  при 

наличии внешней центральной силы. Для упрощения изложения рассматривается только однородный 

газ,  расчет  релаксации  которого  является  наиболее  трудным  в  моделировании  газовых  течений. 

Предполагается также, что вектор средней скорости газа равен нулю.  

Обоснование  алгоритма-диффузии

.  При  описании  диффузии  случайные  скачки  молекул  не 

учитываются, а их среднее движение трактуют как дрейф под действием давления и внешней силы F, 

причем в равновесии градиент давления уравновешивает внешнюю силу. Если имеется внешняя сила, 

то уравнение диффузии для концентрации частиц n=ρ/т

0

 и уравнение для потока массы (т.е. массы, 

протекающей через единичную поверхность в единицу времени) в случае силового поля F(x) имеют 

вид соответственно [10, 11]: 

                                                       (3) 

                                                         (4) 

 

где    ρ  –  плотность,  α̃,  β̃  –  коэффициенты  диффузии,  ∆    –  оператор  Лапласа.  Поток  массы 

пропорционален  скорости  течения  вещества:  dт/dt=υρ.  Процесс  диффузии  при  наличии  внешней 

постоянной по времени силы, стягивающей частицы к некоторому центру, приводит к нормальному 

распределению вещества. Например, такой вид имеет закон изменения плотности в изотермической 

атмосфере в зависимости от высоты.  

Численные  эксперименты,  в  которых  траектории  квазичастиц  в  пространстве  скоростей 

строились  по  формулам  метода  кинетической  силы,  показали,  что  в  процессе  релаксации 

квазичастицы двигаются по гладким устойчивым слабо изогнутым траекториям. В ходе релаксации 

квазичастицы  (как  и  молекулы)  всегда  приходят  к  нормальному  распределению  в  пространстве 

скоростей. Кроме того, для квазичастиц в пространстве скоростей выполняются законы сохранения 

энергии,  импульса  и  массы  так  же,  как  эти  законы  выполняются  для  обычных  газовых  течений  в 

обычном  физическом  пространстве.  Следовательно,  эмпирически  движение  квазичастиц  в 

пространстве скоростей эквивалентно диффузии при наличии внешней силы, постоянной по времени, 

жүктеу/скачать 15,98 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: