Источник: Сборник докладов IV Международной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Техника экологически чистых производств в 21-м веке: Проблемы и Перспективы" – Москва:МГУИЭ, 2006.
Отходы – один из важнейших факторов антропогенного загрязнения. Ориентировочно, глобальный антропогенный материальный баланс представлен в таблице [1], из которой следует, что ежегодно в производство и потребление вовлекается 120 млрд.т. вещества, 94% которого поступает в окружающую природную среду в виде отходов. При этом личное потребление людей – 1,5 млрд.т/год.
Общая характеристика глобального экологического кризиса: с 1950 по 1995 года по В.Л. Солветкину, вредные выбросы возросли в 18 раз, 25% площади океана покрылось пленкой нефти, сброс в океан бытовых отходов достиг 6,5 млн.тонн, фосфора 6млн., свинца 2 млн. В результате этого продуктивность океана упала на 15-25%. Уровень загрязнения многих промышленных центров Украины ныне превышает десятки ПДК.
Статистика свидетельствует: в год на одного человека Украины приходится более 300 кг бытового мусора, т.е. объем свалок увеличивается на 50 млн.м3. Только в Донецкой области накопилось более 400 млн.м3 твердых бытовых отходов, а занимают они более 3000 гектаров. Как видно из таблицы [1], одним из наиболее эффективных способов ликвидации мусора является мусоропереработка, при этом сама стоимость утилизации 1 т мусора составляет до 70 долл., масса мусора снижается на 90% и он используется повторно для получения энергии.
Кафедра МАХП ведет разработку одного из наиболее эффективных методов переработки мусора – термолизно-энергетическая рекуперация, которая включает одну из важнейших стадий – спекание. В данном процессе спекание – это химическое сваривание уплотненного материала промбытотходов при их пластическом контакте в присутствии жидкой фазы с получением твердого топлива.
Цель работы – установить влияние технологических факторов на процесс спекания углеродистого сырья и свойства получаемого твердого топлива для управления качеством последнего.
Из опыта процесса коксования известно, что на свойства спекаемого материала влияют: компонентный состав, крупность частиц, структура и химический состав компонентов, наличие связующего, спекающих и отощающих добавок, скорость нагрева, плотность смеси и другие факторы. Для повышения спекаемости промбытотходов и для увеличения выхода химических продуктов пиролиза используют органические добавки: масла, пеки, смолы, мазуты и другие органические вещества.
Влияние содержания связующего на прочность твердого термолизного топлива (ТТТ) приведено в таблице 1 [2]. Видно, что с увеличением ее содержания прочность ТТТ на растяжение увеличивается в 3 раза. Плотность брикетов после термолиза увеличивается в 0,5 раза, т.е. происходит более лучшее спекание за счет плотного контакта между частицами промбытотходов.
Добавка несет одновременно две функции: в процессе пиролиза оказывает пластифицирующее и цементирующее действие на зерна смеси. В зависимости от природы самой смеси и жидкой добавки в одних случаях может преобладать цементирующее, в других – пластифицирующее действие добавки [3].
Связующее должно обладать следующими характеристиками: хорошая смачиваемость, как можно меньшая вязкость, все добавки интенсивно влияют на спекание только при малых концентрациях.
Предпочтение можно отдавать добавкам 4% полимеров бензольного отделения [4], либо использовать фусы, которые обладают одинаковыми связующими свойствами со смолой, несмотря на присутствие в них достаточно большого количества твердой фазы.
Наличие связующего обеспечивает следующие свойства спекаемой смеси: делает пластичным зерно, увеличивает пластическую массу, способствует уменьшению адгезии.
Измельчение приводит к увеличению реакционной способности поверхностного слоя, который активно адсорбирует кислород воздуха и подвергается окислению, т.е. образуются перекисные соединения, способные изменять химическую структуру поверхностного слоя зерна. Этот процесс протекает вначале на поверхности, а затем проникает внутрь тела через поры и трещины. Когда окисление сопровождается повышением температуры, то структура поверхностного слоя претерпевает значительные изменения. Процесс пиролиза при этом будет идти по-разному, в зависимости от глубины окисления.
Укрупнение исходной смеси характеризуется в процессе пиролиза увеличением концентрации жидких продуктов, которые способствуют пластификации и спеканию. Из крупной смеси уменьшается выход газа и содержание водорода, вязкость в пластическом состоянии, увеличивается количество экстрагируемых веществ и выход жидкоподвижных нелетучих продуктов. Более крупные зерна вспучиваются раньше и сильнее и температурный интервал их пластического состояния намного шире. Увеличение крупности спекающейся смеси повышает ее способность переходить в пластическое состояние.
В результате измельчения материала увеличивается свободная энергия и кривизна частиц, уменьшается путь диффузии, что благоприятно влияет на спекание. Установлено, что порошки длительного сухого помола более активны в спекании, чем порошки мокрого помола при равной их дисперсности [3].
При относительно медленном нагреве материала распад молекул на свободные радикалы происходит избирательно и последовательно, по наиболее слабым связям, которые требуют при данной температуре наименьшие затраты энергии для разрыва [5].
При быстром нагреве разрыв связей протекает случайно из-за перегрева материала, что приводит к одновременному разрыву как наиболее слабых так и более прочных связей.
Следствием увеличения скорости нагрева является то, что изменяется состав образующихся продуктов.
Из [3] видно, что вязкость пластической массы зависит от газового давления и кривые индекса вспучиваемости и давления газа носят одинаковый характер, т.е. природа их влияния на вязкость имеет схожие механизмы.
Анализ факторов, влияющих на процесс спекания, оказывает, что:
1. Наличие связующего является необходимым только в минимальном количестве.
2. Наиболее эффективно использование тонкоизмельченной исходной смеси, т.к. при этом происходит более быстрое удаление летучих веществ за счет увеличения свободной энергии и кривизны частиц, уменьшения пути диффузии.
3. Необходимо проводить пиролиз при наличии движущей силы – постепенном увеличением скорости нагрева.
4. Предварительное уплотнение увеличивает прочность ТТТ.
5. Система промбытотходов не является аддитивной, т.е. поведение смеси в процессе спекания будет значительно отличаться от поведения ее компонентов в отдельности.
6. Спекание позволяет определить фактическую прочность получаемого продукта.
Литература
1. Гринин А.С., Новиков В.Н. Промышленные и бытовые отходы: хранение, утилизация, переработка. М.: ФАИР-ПРЕСС, 2002.
2. Антонюк С.И. Обоснование технологии компаундирования твердых углеродистых отходов для экологически чистой термической переработки в камерных печах.- Автореферат.
3. Грязнов Н.С. Пластическое состояние и спекание углей. Свердловск, 1962.
4. Малый Е.И. Модифицирующее влияние органических веществ на превращение в системе связующее-наполнитель. // УглеХимический журнал. 2003.-№1-2.-с.44-46.
5. Гроязнов Н.С. Пиролиз углей в процессе коксования. М.: Металлургия, 1983.