Механическая, механотермическая и термическая переработка твердых отходов (ТО)

Утилизация твёрдых отходов приводит к необходимости либо их разделения на компоненты (в процессах очистки, обогащения, извлечения ценных составляющих) с последующей переработкой сепарированных материалов, либо придания им определённого вида, обеспечивающего саму возможность утилизации отходов. Совокупность наиболее распространённых методов подготовки и переработки твёрдых отходов представлена на рисунке 2.

Дробление. Интенсивность и эффективность большинства химических, диффузионных и биохимических процессов возрастает с уменьшением размеров кусков (зёрен) перерабатываемых материалов. В этой связи собственно технологическим операциям переработки твёрдых отходов обычно предшествуют операции уменьшения размеров их кусков, имеющие наряду с операциями их классификации и сортировки важное самостоятельное значение в технологии рекуперации твёрдых отходов.

Метод дробления используют для получения из крупных кусков перерабатываемых материалов продуктов крупностью преимущественно 5 мм. Дробление широко используют при переработке отходов вскрыши при открытых разработках полезных ископаемых, отвальных шлаков металлургических предприятий, вышедших из употребления резиновых технических изделий, отвалов галита и фосфогипса, отходов древесины, некоторых пластмасс, строительных и многих других материалов.

В качестве основных технологических показателей дробления рассматривают степень дробления и энергоёмкость дробления.

Степень дробления I выражает отношение размеров кусков подлежащего дроблению и кусков раздробленного материала:

, (1)

где D_max и d_max – диаметр максимального куска материала соответственно

до и после дробления;

D_ср и d_ср – средневзвешенный диаметр кусков соответственно исходного

материала и продукта дробления.

Размеры D_max и d_max определяют стадии крупного, среднего и мелкого дробления, характеризующиеся следующими показателями:

Дробление: Крупное: Среднее: Мелкое:

D_max, мм 1200-500 350-100 100-40

d_max, мм 350-100 100-40 30-5

Удельные затраты электроэнергии (в кВт · ч на 1т перерабатываемого материала) определяют энергоемкость дробления Е:

E= NIQ, (2)

где N – мощность, потребляемая двигателем дробилки, кВт;

Q – производительность дробилки, т/ч.

Значения Е зависят от необходимой степени дробления и физико-механических свойств дробимого материала.

Для дробления большинства видов твердых отходов используют щековые, конусные, валковые и роторные дробилки различных типов. Для разделки очень крупных агломератов отходов применяют копровые механизмы, механические ножницы, дисковые пилы, ленточнопильные станки и некоторые другие механизмы и приемы (например, взрыв). Выбор типа дробилки производят с учетом прочности, упругости и крупности подлежащего переработке материала, а также необходимых размеров кусков (зерен) продукта и требуемой производительности.

Рисунок 2 – Методы подготовки и переработки твердых отходов

Технология дробления может быть организована с использованием либо открытых циклов работы дробилок, когда перерабатываемый материал проходит через дробилку только один раз, либо замкнутых циклов с грохотом, надрешетный продукт которого возвращают в дробилку. Некоторые распространенные варианты схем дробления твердых отходов предоставлены на рисунке 3.

а - одностадийная с открытым циклом, б - одностадийная с поверочным грохочением, в - одностадийная с открытым циклом и предварительным грохочением, г - одностадийная с открытым циклом и поверочным грохочением, д - двухстадийная с открытым циклом, е - двухстадийная с предварительным и поверочным грохочением во 2-ой стадии, ж - трехстадийная с предварительным и поверочным грохочением в 3-й стадии, з - в открытом цикле, и - в замкнутом цикле с предварительной классификацией, к - в замкнутом цикле с совмещением предварительной и контрольной гидравлической классификации, л - в замкнутом цикле с воздушной сепарацией

Рисунок 3 - Схемы дробления для измельчения отходов

Измельчение. Метод измельчения используют при необходимости получения из кусков отходов зерновых и мелкодисперсных фракций крупностью менее 5 мм. Процессы измельчения широко распространены в технологии рекуперации твердых отходов при переработке отвалов, вскрышных и попутно извлекаемых пород открытых и шахтных разработок полезных ископаемых, а также вышедших из строя строительных конструкций и изделий, некоторых видов смешанного лома, изделий из черных и цветных металлов, топливных и металлургических шлаков, отходов углеобогащения, некоторых производственных шламов и отходных пластмасс, пиритных огарков, фосфогипса и ряда других ВМР.

Наиболее распространёнными агрегатами грубого и тонкого измельчения, используемыми при переработке твёрдых отходов, являются стержневые, шаровые и ножевые мельницы, хотя в отдельных случаях применяют и другие механизмы (дезинтеграторы, дисковые и кольцевые мельницы, бегуны, пневмопушки и т. п.). Измельчение некоторых типов отходных пластмасс и резиновых технических изделий проводят при низких температурах (криогенное измельчение).

Мелющими телами в стержневых и шаровых мельницах являются размещаемые в их корпусах стальные стержни и стальные или чугунные шары. Мелющие тела – стержни диаметром 25-100 мм и шары диаметром 30-125 мм – изготавливают из высокоуглеродистой стали, длина стержней обычно составляет 1,2-1,6 диаметра мельницы. В мельницах ножевого типа измельчение идёт в узком (0,1-0,5 мм) зазоре между закреплёнными внутри статора неподвижными ножами и ножами, фиксированными на вращающемся роторе.

Барабанные стержневые и шаровые мельницы используют как для сухого, так и для мокрого помола. Тип и размеры этих мельниц характеризуют приёмом эвакуации продукта (разгрузка через решётку или сито), внутренним диаметром D барабана без футеровки и рабочей длиной L. Различают короткие (L<D) и длинные (L>D) мельницы.

Стержневые мельницы обычно применяют для грубого измельчения отходов (содержание класса – 0,074 мм в продукте достигает 25-30 %) в открытом или замкнутом цикле с классификатором. По сравнению с шаровыми мельницами они обеспечивают более равномерный по крупности продукт и меньшее количество шламов. Шаровые мельницы также используют в открытом и замкнутом цикле с классификаторами.

Классификация и сортировка. Эти процессы используют для разделения твёрдых отходов на фракции по крупности. Они включают методы грохочения (рассева) кусков (зёрен) перерабатываемого материала и их разделение действием гравитационно-инерционных и гравитационно-центробежных сил. Эти методы широко применяются в качестве самостоятельных и вспомогательных при непосредственной утилизации и переработке подавляющего большинства твёрдых отходов. В тех случаях, когда классификация имеет самостоятельное значение, т.е. преследуется цель получения определенной фракции материала в качестве готового продукта, её называют сортировкой.

Грохочение представляет собой процесс разделения на классы по крупности различных по размерам кусков (зёрен) материала при его перемещении на ячеистых поверхностях. В качестве последних используют колосниковые решётки, штампованные решётки, проволочные сетки и щелевидные сита, выполненные из различных металлов, резины, полимерных материалов, характеризующиеся ячейками (отверстиями) различных форм и размеров.

При грохочении используют неподвижные колосниковые, валковые, барабанные вращающиеся, дуговые, ударные, плоские качающиеся, полувибрационные (гравитационные), вибрационные с прямолинейными вибрациями (резонансные, самобалансные, с самосинхронизириующимися вибраторами) и с круговыми или эллиптическими вибрациями (инерционные с дебалансным вибратором, самоцентрирующиеся, электровибрационные) грохоты. При грохочении комкующихся материалов некоторые типы этих механизмов иногда снабжают дополнительными устройствами, обеспечивающими эффективное проведение соответствующих операций.

Технологически при выделении более двух классов перерабатываемого материала грохочение может быть оформлено в виде различных вариантов (рисунок 4), каждый из которых имеет очевидные достоинства и недостатки, касающиеся интенсивности износа ячеистых поверхностей, удобства их ремонта или замены и наблюдения за их состоянием, эффективности процесса и компактности установки.

а – от крупного к мелкому; б – от мелкого к крупному; в - комбинированное

Рисунок 4 – Схемы выделения материалов различных классов при грохочении

Основными показателями грохочения являются его эффективность Е, определяемая отношением количества подрешётного продукта к его общему количеству в исходном материале (в %):

, (3)

где α и ۄ – содержание нижнего класса соответственно в исходном материале

и надрешётном продукте, %.

Для неподвижных колосниковых и валковых грохотов объёмную производительность Q, в м³/ч, выражают произведением удельной объёмной производительности по питанию q, в м³/(м² · ч), при площади решётки F (в м²):

(4)

При изменении ширины щели между колосниками от 25-200 мм значение q ориентировочно изменяется от 9 до 38 м³/(м² ∙ ч).

Барабанные грохоты выбирают с учётом размера максимального куска материала d_max при условии D/d_max ≥ 14, где D – диаметр барабана грохота. При мокром грохочении в барабанном грохоте расход воды составляет 1,3 м³/м³ для крупного материала и 2,5 м³/м³ для мелкого материала.

Дуговые грохоты используются для мокрого грохочения. Их объёмную производительность Q, в м³/ч, ориентировочно оценивают по формуле:

Q = 160Fν, (5)

где F – площадь живого сечения сита (площадь отверстий в свету), м²;

ν – начальная скорость пульпы, м/с (обычно составляет 0,5-6 м/с).

Удельная объёмная производительность грохота q, в м³/(м² ∙ ч), зависит от ширины d, в мм, щели решётки:

. (6)

Крупность исходного материала может изменяться от 0,074 до 12 мм, содержание твёрдого материала в питании – от 7 до 70 %, эффективность грохочения достигает 75-80 %, считая по номинальной крупности подрешётного продукта (условная максимальная крупность продукта, соответствующая размеру отверстий сита d_н, через которые просеивается 95% материала). Изменяющимся от 0,2 до 3 мм величинам d_н соответствует величина d в пределах 0,6-3,2 мм.

Классификаторы. Среди используемых для разделения твёрдых материалов в виде пульп классификаторов грубой (чашевые, спиральные, реечные) и тонкой (гидроциклоны, отстойные центрифуги, конусы, пирамидальные отстойники и др.) классификации наиболее распространены гидроциклоны и спиральные классификаторы с непогружённой и погружённой спиралями. Первые из них используют для получения грубых сливов крупностью от 0,2 до 0,5 мм (иногда до 1 мм), вторые – для получения тонких сливов (80-90 % класса – 0,074 мм). Оба типа характеризуют диаметром спирали и длиной заключающего её корыта.

В производственных условиях работу классифицирующих аппаратов обычно регулируют автоматически по заданной крупности слива путём измерения плотности последнего и измерения подачи воды в классификатор.

Выход продуктов классификации – слива γ_с и песков γ_п – определяют по формулам:

(7)

(8)

где α, β, ۄ – содержание данного класса соответственно в питании, сливе

и песках, %.

Полноту разделения при классификации характеризуют коэффициентом разделения К_Е:

К_Е = β- ۄ

Для разделения по крупности продуктов сухого измельчения в замкнутых или открытых циклах с мельницами используют аппараты циклонного типа – воздушно-циркуляционные и воздушно-проходные сепараторы, обеспечивающие разделение перерабатываемых материалов соответственно на границе примерно 15-60 и 150-200 мкм.

Необходимый объём сепаратора V_с, в м³, рассчитывают по формуле:

V_с = V/K_o, (10)

где V – объём проходящего через сепаратор газа, м³;

К_о – напряжённость объёма сепаратора, м³/м³, значения которой зависят

от заданной границы раздела фракций, и могут быть найдены

в специальной литературе.

Окускование – это укрупнение мелкодисперсных частиц, объединяющее различные приёмы гранулирования, таблетирования, брикетирования и высокотемпературной грануляции. Их используют при переработке в строительные материалы ряда компонентов отвальных пород добычи полезных ископаемых, хвостов обогащения углей и золы–уноса ТЭС, а также в процессах утилизации фосфогипса в сельскохозяйственной и цементной промышленности, при подготовке к переплаву мелкокусковых и дисперсных отходов черных и цветных металлов, в процессах утилизации пластмасс, саж, пылей и древесной мелочи, при обработке шлаковых расплавов в металлургических производствах и электротермофосфорном производстве и во многих других процессах утилизации и переработке ВМР.

Гранулирование. Методы гранулирования охватывают большую группу процессов формирования агрегатов обычно шарообразной или цилиндрической формы из порошков, паст, расплавов или растворов перерабатываемых материалов. Эти процессы основаны на различных приёмах обработки материалов.

Гранулирование порошкообразных материалов окатыванием проводят в ротационных (барабанных, тарельчатых, центробежных, лопастных) и вибрационных грануляторах различных конструкций. Производительность этих аппаратов и характеристики получаемых гранулятов зависят от свойств исходных материалов, а также от технологических (расхода порошков и связующих, соотношения ретура – затравки и порошка, температурного режима) и конструктивных (геометрических размеров аппаратов, режима их работы: частоты вращения, коэффициента заполнения, угла наклона и др.) факторов.

Барабанные грануляторы

1. Получившие большое распространение на практике барабанные грануляторы часто снабжают различными устройствами для интенсификации процессов, предотвращения адгезии липких порошков на рабочих поверхностях, сортировки гранул по размерам. Они характеризуются большой производительностью (до 70 т/ч, иногда выше), относительной простотой конструкции, надёжностью в работе, сравнительно невысокими удельными энергозатратами. Недостатком барабанных грануляторов является получение гранулята узкого фракционного состава, отсутствие контроля и управления процессами.