Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования
- 3. Мировой опыт переработки отходов
- 4. Теоретические основы адгезионного взаимодействия
- 5. Установка для термолизно-энергетической рекуперация отходов
- 5.1 Достоинства технологии комплексной термолизно-энергетической рекуперации отходов
- 5.2 Принципиальная схема технологии комплексной термолизно-энергетической рекуперации отходов
- 6. Собственные результаты
- Выводы
- Список источников
Введение
Последние десятилетия характеризовались стремительным ростом достижений в науке и технике. Все больше природных ресурсов вовлекается в хозяйственный оборот. Однако почти 90% добытого сырья превращается в отходы, которые попадают на полигоны захоронения или сразу, или после сжигания. При разложении отходов образуются ядовитые вещества, загрязняющие почву и грунтовые воды, а от сжигания выделяется много вредных выбросов в воздух. Оптимальным решением этих экологических проблем является вторичная переработка, которая к тому же экономически выгодна. Благодаря ей можно получить качественное сырье с низкой стоимостью. На сегодняшний день в Украине уже разработаны оборудование и технология, обеспечивающие комплексную утилизацию промышленных и бытовых отходов. В Донецком национальном университете на кафедре МАХП разработан метод термолизно-энергетической рекуперации отходов (ТЭРО). В своей магистерской работе я провожу исследования взаимодействия отходов с рабочими поверхностями оборудования для их переработки и определяю влияние этого взаимодействия на технологические параметры метода ТЭРО.
1. Актуальность темы
Термолизно-энергетическая рекуперация отходов позволяет перерабатывать широкий спектр твердых промышленных и бытовых отходов и синтезировать из них полезные продукты. Этот метод экологически безопасен за счет высокой герметичности агрегатов термолиза и замкнутого цикла переработки.
Для эффективной работы комплекса оборудования ТЭРО необходимо обеспечить управляемое перемещение перерабатываемого сырья по технологической цепочке от одного оборудования к другому. Проблема неуправляемого протекания технологических процессов может инициировать неконтролируемое взаимодействие (адгезионное налипание, коррозия, абразивное изнашивание и др.) перерабатываемого материала с технологическими поверхностями агрегатов.
Свойства отходов в процессе их переработки существенно меняются, что влияет на взаимодействие перерабатываемого материала с поверхностями технологического оборудования. Определение оптимальной степени этого взаимодействия позволит оптимизировать технологические параметры и конструкцию оборудования для метода ТЭРО, что весьма актуально для его широкомасштабного внедрения.
2. Цель и задачи исследования
Цель: определение оптимальных условий для переработки твердых дисперсных отходов.
Задачи: изучение взаимодействия между материалом поверхностей оборудования и перерабатываемым материалом, исследование в лабораторных условиях изменения структуры и адгезионной активности материалов под воздействием тепловых и других условий.
3. Мировой опыт переработки отходов.
В Америке еще в конце XIX века пришли к заключению, что сбор мусора и его переработка - выгодное дело. Так, в 1895 году в Нью-Йорке была запущена первая в мире система предварительной сортировки мусора. Горожан обязали разделять органические отходы, бумагу, металл и выбрасывать их в отдельные контейнеры. Отходы удавалось перепродавать и получать дополнительный доход для городского бюджета.
Сегодня сбором бытовых отходов в США занимаются не только многочисленные специализированные компании, но и муниципалитеты, которые поощряют своих жителей рассортировывать бытовые отходы, а также устанавливают специальные дни для приема ТБО, которые затем используются в коммерческих целях – продаются перерабатывающим компаниям. В большинстве случаев местные власти просто заранее информируют жителей о днях приема мусора и просят вынести коробки, старую оргтехнику и прочее в специальные пункты сбора мусора, расположенные у проезжей части. Затем весь мусор, предназначенный к переработке, собирают специальные машины [1].
В Японии проблема обращения с отходами актуальна потому, что там попросту нет места для захоронения отходов. Попытки организации новых мусорных свалок часто наталкиваются на активный протест жителей близлежащих поселений.
Ежегодно в Японии образуется около 400 млн. т промышленных и 50 млн. т бытовых отходов. В пересчете на душу населения это 3,75 т всех видов отходов в год. Таким образом, средний японец ежедневно «производит» более 10 кг отходов, в том числе более 1 кг бытового мусора.
Переработка отходов – одна из наиболее динамично развивающихся в современной Японии отраслей. Содействие утилизации бытовых отходов и рециклированию сырья объявлено одним из приоритетов государственного регулирования. В Японии насчитывается около 2 тыс. специализированных предприятий по переработке бытовых отходов, где их в основном сжигают, но имеются и цеха по рециклированию (там разбирают старые велосипеды и мебель, разнообразную бытовую технику и т.п.) [2].
Сбор и переработка отходов в Германии это целая промышленная отрасль. Весь твердый бытовой и промышленный мусор поступает на специальные мусороперерабатывающие фирмы, где он будет сначала отсортирован еще раз, затем измельчен, часть его пойдет на электростанции где он, подаваясь по форсункам в мелкодисперсном состоянии будет, сожжен, зола пойдет в качестве добавки в бетон и асфальт, особо вредные остатки уйдут на полигон. Благодаря специальным системам отчистки и фильтрации выброс в атмосферу вредных веществ практически нулевой и из трубы может идти только легкий водяной парок. Большая часть мусора будет спрессована, сбрикетирована и увязана специальными машинами и идет на большие заводы по переработки вторсырья [3].
Экономика России и Украины характеризуется сравнительно невысоким уровнем производства и потребления полимерных материалов в сравнении с развитыми странами мира. Вместе с тем, образование полимерных отходов в России составляет значительную величину - около 900 тыс.т в год, что создает немало экологических проблем, поскольку средний уровень их сбора и переработки не превышает 13%.
По оценке научно-исследовательского центра по проблемам управления ресурсосбережением и отходами (НИЦПУРО) в структуре образующихся полимерных отходов 34% составляют отходы из полиэтилена, 20,4% – из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), 17% – из ламинированной бумаги, 13,6% – из поливинилхлорида (ПВХ), 7,6% – из полистирола, 7,4% – из полипропилена.
Наибольшим уровнем сбора и переработки характеризуются отходы из полиэтилена – 20%, отходы ПВХ перерабатываются – на 10%, полистирола – на 12%, полипропилена – на 17%, ПТЭФ – на 12%. Отходы из ламинированной бумаги практически не собираются и не перерабатываются.
Для переработки полимерных отходов используются, главным образом, то же оборудование, что и для переработки первичного сырья, как отечественного и зарубежного производства.
Пиролиз полимерных отходов с получением ценных компонентов пока не находит широкого промышленного применения [4].
Многие проблемы внедрения глубокой комплексной переработки отходов могли бы быть сняты при решении вопросов стабилизации адгезионного взаимодействия перерабатываемого материала с поверхностями агрегатов.
4. Теоретические основы адгезионного взаимодействия
Адгезия – поверхностное явление, которое заключается в возникновении механической прочности при контакте поверхностей двух разных тел (конденсированных фаз). Причиной адгезии является молекулярное притяжение контактирующих фаз или их химическое взаимодействие. Явление адгезии лежит в основе образования прочного контакта (склеивания) между твердым телом – субстратом и клеящим агентом – адгезивом, являющимися основными компонентами адгезионного соединения.
Количественной характеристикой адгезии является работа адгезии Wa – работа, необходимая для обратимого изотермического разделения двух приведенных в контакт конденсированных фаз по площади единичного сечения. Ее можно представить в следующем виде:
где
w – средняя энергия единицы связи, обеспечивающей адгезию,
N – число связей, приходящихся на единицу площади контакта адгезива и субстрата. Число N определяется площадью фактического контакта между адгезивом и субстратом, которая зависит от свойств поверхностей адгезива и субстрата: энергетических характеристик поверхностей контактирующих фаз, шероховатости поверхности субстрата, условий формирования адгезионного соединения, тепловых и механических свойств адгезива и субстрата [5].
Чтобы получить соотношение между работой адгезии и поверхностными натяжениями взаимодействующих компонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 и 3, имеющие поверхности на границе с воздухом 1, равные единице площади. Это могут быть две жидкости или жидкость и твердое тело. Для упрощения вывода будем считать, что они взаимно нерастворимы. При совмещении этих поверхностей, т. е. при нанесении одного вещества на другие, происходит адгезия. Так как система останется двухфазной, то возникнет межфазное натяжение, равное у2,3. В результате первоначальная энергия Гиббса системы уменьшается на величину, равную работе адгезии, т. е:
Для начального и конечною состояний системы имеем
где
у2,1 , у3,1, у2,3- соответственно поверхностное натяжение второго и третьего тела на границе с газом и межфазное натяжение на границе второго тела с третьим.
Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии равно:
или
Это уравнение Дюпре. Оно отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение. В то же время чем больше работа адгезии, т. е. межфазное взаимодействие, тем меньше межфазное натяжение. Межфазное натяжение станет равным нулю, когда исчезнет межфазная поверхность, что происходит при полном растворении фаз.
От работы адгезии необходимо отличать адгезионную прочность Wn - работу, затраченную на разрушение адгезионного соединения. Эта величина отличается тем, что в нее входит как работа разрыва межмолекулярных связей (работа Wa), так и работа, затраченная на деформацию компонентов адгезионного соединения (работа деформации Wдеф):
Очевидно, чем прочнее адгезионное соединение, тем в большей степени подвергаются деформации компоненты системы к моменту ее разрушения. Работа деформации иногда может превышать обратимую работу адгезии в несколько раз. С ростом скорости приложения нагрузки на систему роль деформации возрастает [6].
5. Установка для термолизно-энергетической рекуперация отходов
5.1 Достоинства технологии комплексной термолизно-энергетической рекуперации отходов
Метод ТЭРО дает возможность комплексно решить проблему твердых углеродистых промбытотходов с использованием имеющихся в Донбассе мощностей. Базой для практического применения данной технологии могут служить предприятия коксохимической промышленности с привлечением заводской инфраструктуры, территории и кадров. Донецкая область, в наибольшей мере страдающая от загрязнений твердыми отходами, располагает в этом отношении наилучшими возможностями благодаря наличию здесь более 10 коксохимических заводов. Установки для переработки смесей промбытотходов по методу ТЭРО могут быть созданы непосредственно на территории с использованием зданий и инфраструктуры части углеобогатительных фабрик, в непосредственной близости от которых находятся запасы шламов углеобогащения, отстойники ила, породные отвалы. Универсальность технологии заключается в том, что можно перерабатывать широкий спектр композиций с добавлением жидких отходов путем составления комбинаций промышленных и бытовых отходов с жидкими с получением сложных смесей [7].
По сравнению с другими технологиями переработки отходов предложенная технология имеет следующие преимущества:
- Широкий спектр перерабатываемых твердых промышленных и бытовых отходов и синтез из них химических продуктов;
- Полное обезвреживание и утилизация токсичных углеродистых материалов;
- Экологическая безопасность за счет высокой герметичности агрегатов термолиза и замкнутого цикла переработки;
- Гибкость технологии за счет управления процессами прессования, термической обработки и продвижения перерабатываемого материала в камере термолиза;
- Полная автоматизация и надежность технологического процесса.
5.2 Принципиальная схема технологии комплексной термолизно-энергетической рекуперации отходов
Технология переработки имеет такую последовательность основных операций:
- Механизированная сортировка исходного сырья с извлечением крупных включений металлов, стекла и керамики;
- Измельчение, дозирование и смешение компонентов;
- Загрузка смеси (ТУО) в агрегат и ее прессование;
- Термолиз смеси с получением твердого углеродистого остатка и летучих химических продуктов;
- Сжигание углеродистого остатка с утилизацией тепла;
- Утилизация зольного остатка в производстве строительных материалов [8].
Рисунок 1 – Принципиальная схема технологического процесса ТЭРО
Обозначения на рисунке:
1. – средства доставки бытовых отходов;
2. – участок приема бытовых отходов;
3. – магнитный сепаратор черных металлов;
4. – магнитный сепаратор цветных металлов;
5. – роторная дробилка;
6. – аэродинамический сепаратор;
7. – смеситель;
8. – бункер-накопитель промышленных углеродсодержащих отходов (шламов);
9. – батарея наклонных термолизных печей;
10. – тепловая электростанция;
11. – химический цех улавливания летучих продуктов термолиза;
12. – грохот;
13. – накопительный бункер;
14. – барабанная дробилка;
15. – дополнительные тракты подачи жидких и однородных отходов;
16. – пакетировочный пресс;
*** Твердые холодные материалы транспортируются ленточными конвейерами, твердые горячие – пластинчатым, газообразные и жидкие - по трубопроводам.
СМО – смесь промышленных и бытовых отходов
Зола1 – зола после сжигания горючих компонентов;
ЛП – летучие продукты термолиза;
Г – очищенный термолизный газ на обогрев батареи;
ХП – химические продукты;
Н – извлечение неперерабатываемых и не дробимых отходов (автопокрышки, металлоконструкции и др.);
Зола2 – зола после отделения черных металлов;
Зола3 – зола после отделения всех металлов.
БО1 – бытовые отходы;
БО2 – бытовые отходы после отделения черных металлов;
БО3 – бытовые отходы после отделения всех металлов;
ЧМ – черные металлы;
ЦМ – цветные металлы;
ИО – измельченные бытовые отходы;
ТО – тяжелая фракция (строительный мусор, стекло, керамика);
ЛО – легкая фракция (ТБО органического происхождения);
Ш – шламы углеобогащения;
Цветами показаны факторы, влияющие на взаимодействие материала с поверхностями оборудования: зеленый – повышенное абразивность сырья, красный – высокие температуры, синий – влажность
Загрузка смеси отходов, ее прессование и термолиз, сжигание твердого топлива происходят в едином агрегате. Экологичность процесса достигается за счет замкнутого пространства герметичной камеры, непрерывности, хороших управляемости и степени автоматизации процесса.
6. Собственные результаты
Для определения параметров адгезионного взаимодействия различных видов отходов с конструкционными материалами в лабораториях кафедры МАХП выполняются экспериментальные исследования взаимодействия твердых дисперсных отходов при разной температуре и влажности. В качестве исследуемых материалов взяты два вида углеродосодержащей пылевидных материала с завода ООО «Солотвин». Большая ее часть не утилизируется, а выбрасывается.
Химический состав пылевидных образцов был получен из заводской лаборатории.
|
Рисунок 2 – Углеродосодержащий пылевидный материал№1. Увеличение в 80 раз |
|---|
|
Рисунок 3 – Углеродосодержащий пылевидный материал№2. Увеличение в 80 раз |
|---|
Исследования адгезионного взаимодействия проводятся следующим образом: металлический образец вместе с пластиной и нанесенным на нее слоем суспензии помещается в муфельную печь для нагрева до определенной температуры. После нагрева пластина вынимается и производится измерение усилий отрыва образца от нее. Испытания проводятся на специально разработанной установке, которая состоит из основания с закрепленным на ней двигателем, весов, и рычажного механизма. При включении двигателя начинается наматывание нити на вал. Это приводит в движение рычажный механизм и обеспечивает отрыв металлического образца от поверхности пластины. Весы (с точностью до грамма) показывают усилие, действующее на них при отрыве образца, так как рычаг равеоплечий. Это усилие в два раза больше, чем реальные усилия отрыва. Зная размеры отрываемых образцов и произведя несложные вычисления можно определить напряжения, возникающие при отрыве.
Рисунок 4 – Установка для измерения усилий отрыва
(1 – основание, 2 – электродвигатель, 3 – вал, 4 – весы, 5 – рычажный механизм, 6 – нить, 7 – верхний образец, 8 – нижний образец)
Некоторые результаты опытов представлены в таблицах.
Таблица 1 – Характеристики металлических образцов
| Диаметр, мм | Материал | Масса, г | |
|---|---|---|---|
| Образец 1 | 15 | бронза | 53 |
| Образец 2 | 30 | сталь низкоуглеродистая | 50 |
Таблица 2 – Усилия и напряжения при отрыве, пыль №1
| № | Образец | Время нагрева, мин | Начальная температура, град | Конечная температура, град | Показания весов, г | Усилие отрыва, Н | Напряжения, КПа |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 образец | 10 | 22 | 110 | 116 | 0,049 | 0,277 |
| 2 образец | 300 | 0,98 | 1,387 | ||||
| 2 | 1 образец | 5 | 110 | 196 | 218 | 0,548 | 3,1 |
| 2 образец | 423 | 1,5827 | 2,24 | ||||
| 3 | 1 образец | 7 | 196 | 264 | 118 | 0,0588 | 0,333 |
| 2 образец | 445 | 1,6905 | 2,393 | ||||
| 4 | 1 образец | 6 | 264 | 300 | 198 | 0,04508 | 2,55 |
| 2 образец | 534 | 2,1266 | 3,01 | ||||
| 5 | 1 образец | 7 | 300 | 400 | 117 | 0,0539 | 0,305 |
| 2 образец | 112 | 0,0588 | 0,00 |
Таблица 3 – Усилия и напряжения при отрыве, пыль №2
| № | Образец | Время нагрева, мин | Начальная температура, град | Конечная температура, град | Показания весов, г | Усилие отрыва, Н | Напряжения, КПа |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 образец | 10 | 22 | 92 | 312 | 1.0094 | 5.715 |
| 2 образец | 823 | 3.5427 | 5.014 | ||||
| 2 | 1 образец | 6 | 92 | 196 | 635 | 2.5921 | 14.675 |
| 2 образец | 608 | 2.4892 | 3.523 | ||||
| 3 | 1 образец | 13 | 196 | 340 | 121 | 0,0735 | 0,416 |
| 2 образец | нет | нет | нет | ||||
| 4 | 1 образец | 6 | 284 | 400 | нет | нет | нет |
| 2 образец | нет | нет | нет |
Полученные данные показывают изменения свойств пыли на поверхности пластин. При испытании образцов на установке после нагрева до 200оС зафиксированы большие значения усилий отрыва. В оборудовании такое явление может привести к залипанию материала и снижению производительности. Дальнейшие испытания помогут найти оптимальное соотношение влажности суспензии, временем пребывания образцов в печи и температурой ее нагрева.
Выводы
Исследования находятся на начальном этапе, поэтому какие-либо выводы делать рано. Планируется произвести опыты с различными материалами нижнего образца (пластины), с выдержкой образцов в печи после нагрева, обобщить результаты исследований и дать рекомендации по улучшению метода ТЭРО. Рекомендуется аналогичные исследования производить на предприятии по комплексной переработке отходов для корректировки технологических параметров (температура, время термолиза, скорость перемещения сырья и др.) и особенно при изменении морфологического состава поступающих на переработку материалов.
При написании данного реферата магистерская работа еще не была завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
- Российская газета [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rg.ru...
- Журнал «География» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://geo.1september.ru...
- Завод по переработке мусора «Эко» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://musoropererabotka.ru...
- Справочно-информационная система «Отходы.ру» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.waste.ru...
- Адгезия и ее роль в обеспечении прочности полимерных композитов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://nano.msu.ru...
- Семенистая Т.В., Воробьев Е.В. Конспект лекций по учебной дисциплине «Коллоидная химия» / Т.В. Семенистая, Е.В. Воробьев – Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2010. – 106 с.
- Научные труды ДонНТУ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.library.donntu.ru...
- Кафедра МАХП. ТЭРО [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://donntu.ru...