ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Останні десятиліття характеризувалися стрімким зростанням досягнень в науці і техніці. Все більше природних ресурсів залучається в господарський оборот. Однак майже 90% видобутої сировини перетворюється на відходи, які потрапляють на полігони або відразу, або після спалювання. При розкладанні відходів утворюються отруйні речовини, що забруднюють грунт і грунтові води, а від спалювання виділяється багато шкідливих викидів у повітря. Оптимальним вирішенням цих екологічних проблем є вторинна переробка, яка до того ж є економічно вигідною. Завдяки їй можна отримати якісну сировину з низькою вартістю. На сьогоднішній день в Україні вже розроблено обладнання і технологія, що забезпечують комплексну утилізацію промислових і побутових відходів. У Донецькому національному університеті на кафедрі МАХП розроблений метод термолізного-енергетичної рекуперації відходів (ТЕРО). У своїй магістерській роботі я проводжу дослідження взаємодії відходів з робочими поверхнями обладнання для їх переробки та визначаю вплив цієї взаємодії на технологічні параметри методу ТЕРО.

1. Актуальність теми

Термолізного-енергетична рекуперація відходів дозволяє переробляти широкий спектр твердих промислових та побутових відходів і синтезувати з них корисні продукти. Цей метод екологічно безпечний за рахунок високої герметичності агрегатів термолиза і замкнутого циклу переробки.

Для ефективної роботи комплексу устаткування ТЕРО необхідно забезпечити кероване переміщення сировини, що переробляється по технологічному ланцюжку від одного обладнання до іншого. Проблему некерованного протікання технологічних процесів може ініціювати неконтрольована взаємодія (адгезійне налипання, корозія, абразивне зношування тощо) матеріалу, що переробляється з технологічними поверхнями агрегатів.

Властивості відходів у процесі їх переробки істотно змінюються, що впливає на взаємодію матеріала з поверхнями технологічного обладнання. Визначення оптимального ступеня цієї взаємодії дозволить оптимізувати технологічні параметри і конструкцію устаткування для методу ТЕРО, що вельми актуально для його впровадження.

2. Мета і задачі дослідження

Мета: визначення оптимальних умов для переробки твердих дисперсних відходів.

Задача: вивчення взаємодії між матеріалом поверхонь обладнання і матеріалом, що переробляється, дослідження в лабораторних умовах зміни структури і адгезійної активності досліджуваних матеріалів під впливом теплових та інших факторів.

3. Світовий досвід переробки відходів

В Америці ще в кінці XIX століття прийшли до висновку, що збір сміття і його переробка - вигідна справа. Так, в 1895 році в Нью-Йорку була запущена перша в світі система попереднього сортування сміття. Городян зобов'язали розділяти органічні відходи, папір, метал і викидати їх в окремі контейнери. Відходи вдавалося перепродавати і отримувати додатковий дохід для міського бюджету.

Сьогодні збором побутових відходів у США займаються не тільки численні спеціалізовані компанії, а й муніципалітети, які заохочують своїх жителів розсортовувати побутові відходи, а також встановлюють спеціальні дні для їх прийому, які потім використовуються в комерційних цілях - продаються переробним компаніям. У більшості випадків місцева влада просто заздалегідь інформує мешканців про дні прийому сміття і просять винести коробки, стару оргтехніку та інше в спеціальні пункти збору сміття, розташовані у проїзної частини. Потім все сміття, призначене до переробки, збирають спеціальні машини [1].

В Японії проблема з відходами актуальна тому, що там просто немає місця для заховання відходів. Спроби організації нових сміттєвих звалищ часто наштовхуються на активний протест мешканців довколишніх поселень.

Щорічно в Японії утворюється близько 400 млн. т промислових і 50 млн. т побутових відходів. У перерахунку на душу населення це 3,75 т всіх видів відходів на рік. Таким чином, середній японець щодня «виробляє» понад 10 кг відходів, у тому числі понад 1 кг побутового сміття.

Переробка відходів - одна з найбільш динамічно розвиваючихся в сучасній Японії галузей. Сприяння утилізації побутових відходів та повторної переробки сировини оголошено одним із пріоритетів державного регулювання. У Японії налічується близько 2 тис. спеціалізованих підприємств з переробки побутових відходів, де їх в основному спалюють, але є і цехи з повторної переробки (там розбирають старі велосипеди і меблі, різноманітну побутову техніку і т.п.) [2].

Збір та переробка відходів в Німеччині це ціла промислова галузь. Весь тверде побутове та промислове сміття надходить у спеціальні сміттєпереробні фірми, де він буде спочатку відсортований ще раз, потім подрібнений, частина його піде на електростанції де він, подаючись по форсунках в дрібнодисперсному стані буде, спалений, зола піде в якості добавки в бетон і асфальт , особливо шкідливі залишки підуть на полігон. Завдяки спеціальним системам отчистки і фільтрації викид в атмосферу шкідливих речовин практично нульовий і з труби може йти тільки легкий водяній пар. Велика частина сміття буде спресована, сбрікетована і транспортована спеціальними машинами на великі заводи з переробки вторинної сировини [3].

Економіка Росії та Україні характеризується порівняно невисоким рівнем виробництва і споживання полімерних матеріалів у порівнянні з розвиненими країнами світу. Разом з тим, освіта полімерних відходів в Росії становить значну величину – близько 900 тис.т на рік, що створює чимало екологічних проблем, оскільки середній рівень їх збирання і переробки не перевищує 13%.

За оцінкою науково-дослідного центру з проблем управління ресурсозбереженням і відходами (НДЦПУРВ) в структурі полімерних відходів 34% становлять відходи з поліетилену, 20,4% – з поліетилентерефталату (ПЕТФ), 17% – з ламінованого паперу, 13,6% – з полівінілхлориду (ПВХ), 7,6% – з полістиролу, 7,4% – з поліпропілену.

Найбільшим рівнем збору та переробки характеризуються відходи з поліетилену – 20%, відходи ПВХ переробляються – на 10%, полістиролу – на 12%, поліпропілену – на 17%, ПТЕФ – на 12%. Відходи з ламінованого паперу практично не збираються і не переробляються.

Для переробки полімерних відходів використовуються, головним чином, те ж обладнання, що і для переробки первинної сировини, як вітчизняного так і зарубіжного виробництва.

Піроліз полімерних відходів з отриманням цінних компонентів поки не знаходить широкого промислового застосування [4].

Багато проблем впровадження глибокої комплексної переробки відходів могли б бути зняті при вирішенні питань стабілізації адгезійної взаємодії матеріалів, що переробляються з поверхнями агрегатів.

4. Теоретичні основи адгезійної взаємодії

Адгезія – поверхневе явище, яке полягає у виникненні механічної міцності при контакті поверхонь двох різних тіл (конденсованих фаз). Причиною адгезії є молекулярне тяжіння контактуючих фаз або їх хімічна взаємодія. Явище адгезії лежить в основі утворення міцного контакту (склеювання) між твердим тілом – субстратом і клеїчим агентом – адгезивом, які є основними компонентами адгезійного з'єднання.

Кількісною характеристикою адгезії є робота адгезії Wа – робота, необхідна для оборотного ізотермічного поділу двох наведених в контакт конденсованих фаз по площі одиничного перетину. Її можна представити в наступному вигляді:


Wа = wN


де

w – середня енергія одиниці зв'язку, що забезпечує адгезію,

N – число зв'язків, що припадають на одиницю площі контакту адгезиву і субстрату. Число N визначається площею фактичного контакту між адгезивом і субстратом, яка залежить від властивостей поверхонь адгезиву і субстрату: енергетичних характеристик поверхонь контактуючих фаз, шорсткості поверхні субстрату, умов формування адгезійного з'єднання, теплових і механічних властивостей адгезиву і субстрату [5].

Щоб отримати співвідношення між роботою адгезії і поверхневим натягом взаємодіючих компонентів, уявімо собі дві конденсовані фази 2 і 3, які мають поверхні на кордоні з повітрям 1, які рівні одиниці площі. Це можуть бути дві рідини або рідина і тверде тіло. Для спрощення виводу будемо вважати, що вони взаємно нерозчинні. При поєднанні цих поверхонь, тобто при нанесенні одної речовини на інші, відбувається адгезія. Оскільки система залишиться двофазною, то виникє міжфазний натяг, рівний у2,3. В результаті первісна енергія Гіббса системи зменшується на величину, рівну роботі адгезії, т. е:


G + Wa = 0 или Wa = - G


Для початкового і кінцевого станів системи маємо:


Gпоч = у2,3 + у3,1 и Gкін = у2,3


де

у2,1 , у3,1, у2,3 – відповідно поверхневий натяг другого і третього тіла на кордоні з газом і міжфазний натяг на кордоні другого тіла з третім.

Зміна енергії Гибса системи у процесі адгезії


G = Gкін - Gпоч = у2,3 - у2,1 - у3,1


або


Wа = у2,1 + у3,1 - у2,3


Це рівняння Дюпре. Воно відображає закон збереження енергії при адгезії. З нього випливає, що робота адгезії тим більше, чим більше поверхневий натяг вихідних компонентів і чим менше кінцевий міжфазний натяг. У той же час чим більше робота адгезії, тобто міжфазна взаємодія, тим менше міжфазний натяг. Міжфазний натяг стане рівним нулю, коли зникне міжфазна поверхня, що відбувається при повному розчиненні фаз.

Від роботи адгезії необхідно відрізняти адгезійну міцність Wn – роботу, витрачену на руйнування адгезійного з'єднання. Ця величина відрізняється тим, що в неї входить як робота розриву міжмолекулярних зв'язків (робота WWa), так і робота, витрачена на деформацію компонентів адгезійного з'єднання (робота деформації Wдеф):


Wп = Wа + Wдеф


Очевидно, чим міцніше адгезионное з'єднання, тим більшою мірою піддаються деформації компоненти системи до моменту її руйнування. Робота деформації іноді може перевищувати оборотну роботу адгезії в кілька разів. З ростом швидкості прикладання навантаження на систему роль деформації зростає [6].

5. Установка для термолізного-енергетичної рекуперація відходів

5.1 Переваги технології комплексної термолізного-енергетичної рекуперації відходів


Метод ТЕРО дає можливість комплексно вирішити проблему твердих вуглецевих промбитвідходов з використанням наявних в Донбасі потужностей. Базою для практичного застосування даної технології можуть стати підприємства коксохімічної промисловості із залученням заводської інфраструктури, територій і кадрів. Донецька область, в найбільшій мірі страждає від забруднень твердими відходами, має в цьому відношенні найкращі можливості завдяки наявності тут більше 10 коксохімічних заводів. Установки для переробки сумішей промбитотходов за методом ТЕРО можуть бути створені безпосередньо на території з використанням будівель та інфраструктури частини вуглезбагачувальних фабрик, в безпосередній близькості від яких знаходяться запаси шламів вуглезбагачення, відстійники мулу, породні відвали. Універсальність технології полягає в тому, що можна переробляти широкий спектр композицій з додаванням рідких відходів шляхом складання комбінацій промислових і побутових відходів з отриманням складних сумішей [7].

У порівнянні з іншими технологіями переробки відходів запропонована технологія має наступні переваги:

5.2 Принципова схема технології комплексної термолізного-енергетичної рекуперації відходів


Технологія переробки має таку послідовність основних операцій:

Принципова схема технологічного процесу ТЕРО

Рисунок 1 – Принципова схема технологічного процесу ТЕРО

Позначення на малюнку:


1. – Засоби доставки побутових відходів;
2. – Ділянка прийому побутових відходів;
3. – Магнітний сепаратор чорних металів;
4. – Магнітний сепаратор кольорових металів;
5. – Роторна дробарка;
6. – Аеродинамічний сепаратор;
7. – Змішувач;
8. – Бункер-накопичувач промислових вуглецевмісних відходів (шламів);
9. – Батарея похилих термолізних печей;
10. – Теплова електростанція;
11. – Хімічний цех уловлювання летючих продуктів термолізу;
12. – Гуркіт;
13. – Накопичувальний бункер;
14. – Барабанна дробарка;
15. – Додаткові тракти подачі рідких і однорідних відходів;
16. – Пакетувальний прес;

*** Тверді холодні матеріали транспортуються стрічковими конвеєрами, тверді гарячі - пластинчастими, газоподібні і рідкі - трубопроводами.

СМО – суміш промислових і побутових відходів
Зола1 – зола після спалювання горючих компонентів;
ЛП – летючі продукти термолізу;
Г – очищений термолізний газ на обігрів батареї;
ХП – хімічні продукти;
Н – витяг не перероблених і не дроблених відходів;
Зола2 – зола після відділення чорних металів;
Зола3 – зола після відділення всіх металів.
БО1 – побутові відходи;
БО2 – побутові відходи після відділення чорних металів;
БО3 – побутові відходи після відділення всіх металів;
ЧС – чорні метали;
ЦМ – кольорові метали;
ИО – подрібнені побутові відходи;
ТО – важка фракція (будівельне сміття, скло, кераміка);
ЛВ – легка фракція (ТПВ органічного походження);
Ш – шлами вуглезбагачення;

Кольорами показані фактори, що впливають на взаємодію матеріалу з поверхнями обладнання: зелений – підвищена абразивність сировини, червоний – високі температури, синій – вологість

Завантаження суміші відходів, її пресування і термоліз, спалювання твердого палива відбуваються в єдиному агрегаті. Екологічність процесу досягається за рахунок замкнутого простору герметичної камери, безперервності, хорошої керованості і ступеня автоматизації процесу.

6. Власні результати


Для визначення параметрів адгезійної взаємодії різних видів відходів з конструкційними матеріалами в лабораторіях кафедри МАХП виконуються експериментальні дослідження взаємодії твердих дисперсних відходів при різній температурі і вологості. В якості досліджуваних матеріалів взято два види вуглеродвмісних пилоподібних матеріалів з заводу ТОВ Солотвин. Більша їх частина не утилізується, а викидається.

Хімічний склад пилоподібних зразків отримано із заводської лабораторії.


Пилоподібний материал №1
C – 75-80%
Al2O3 – 4-6%
CaO – 2-4%
SiO2 – 2-2,5%
Fe2O3 – 4,5-6%
інщі – 5-8,5%
Вміст фракції – 1,6-0 мм
Волога – до -1%

Углеродосодержащий пылевидный материал№1. Увеличение в 80 раз

Рисунок 2 – Вуглевміснмй пилоподібний материал№1. Збільшення у 80 разів


Пилоподібний материал №2
C – 25-40%
Al2O3 – 10-2%
CaO – 30-40%
SiO2 – 8-10%
Fe2O3 – 2-4%
інщі – 2-8%
Вміст фракції – 1,6-0 мм
Волога – до -1%

Углеродосодержащий пылевидный материал№2. Увеличение в 80 раз

Рисунок 3 – Вуглевміснмй пилоподібний материал№2. Збільшення у 80 разів

Дослідження адгезійної взаємодії проводяться наступним чином: металевий зразок разом з пластиною і нанесеним на неї шаром суспензії розташовують в муфельній пічі для нагрівання до певної температури. Після нагрівання пластина виймається і проводиться замір зусиль відриву зразка від неї. Випробування проводяться на спеціально розробленій установці, яка складається з основи із закріпленим на ній двигуном, ваг, і важільного механізму. При включенні двигуна починається намотування нитки на вал. Це призводить до руху механізм важеля і забезпечує відрив металевого зразка від поверхні пластини. Ваги показують зусилля, що припадає на них від відриву зразка, оскільки важиль . Ця зусилля в два рази більше, ніж реальні зусилля відриву. знаючи розміри зразків, що відриваються і робляючи нескладні обчислення можна визначити напругу, що виникає при відриві.

Установка для измерения усилий отрыва (кількість кадрів 10, 5 циклів повторення, размер 34 Кб)

Рисунок 4 – Установка для вимірювання зусиль відриву
(анимация: 10 кадров, 5 циклов повторення, 34 килобайт)
(1 – основа, 2 – электродвигун, 3 – вал, 4 – ваги, 5 – важільний механізм, 6 – нитка, 7 – верхній образець, 8 – нижній образець)

Деякі результати дослідів представлені в таблицях.


Таблиця 1 – Характеристики металевих зразків

Діаметр, мм Матеріал Маса, г
Зразок 1 15 бронза 53
Зразок 2 30 сталь
низьколегована		 50

Таблиця 2 – Зусилля і напруги при відриві, пил №1

№ Зразок Час
нагріву,
хв		 Початкова
температура,
град		 Кінцева
температура,
град		 Показання
терезів, г		 Зусилля
відриву, Н		 Навантаження,
КПа
1 1 зразок 10 22 110 116 0,049 0,277
2 зразок 300 0,98 1,387
2 1 зразок 5 110 196 218 0,548 3,1
2 зразок 423 1,5827 2,24
3 1 зразок 7 196 264 118 0,0588 0,333
2 зразок 445 1,6905 2,393
4 1 зразок 6 264 300 198 0,04508 2,55
2 зразок 534 2,1266 3,01
5 1 зразок 7 300 400 117 0,0539 0,305
2 зразок 112 0,0588 0,00

Таблиця 3 – Зусилля і напруги при відриві, пил №2

№ Зразок Час
нагріву,
хв		 Початкова
температура,
град		 Кінцева
температура,
град		 Показання
терезів, г		 Зусилля
відриву, Н		 Навантаження,
КПа
1 1 зразок 10 22 92 312 1.0094 5.715
2 зразок 823 3.5427 5.014
2 1 зразок 6 92 196 635 2.5921 14.675
2 зразок 608 2.4892 3.523
3 1 зразок 13 196 340 121 0,0735 0,416
2 зразок ні ні ні
4 1 зразок 6 284 400 ні ні ні
2 зразок ні ні ні

Отримані дані показують зміну властивостей пилу на поверхні пластин. При випробуванні зразків на установці після нагріву до 200оС зафіксовані великі значення зусиль відриву. В обладнанні таке явище може призвести до залипання матеріалу і зниження продуктивності. Подальші випробування допоможуть знайти оптимальне співвідношення вологості суспензії, часу перебування зразків в печі і температурою їх нагрівання.

Висновки

Дослідження знаходяться на початковому етапі, тому будь-які висновки робити зарано. Планується провести досліди з різними матеріалами нижнього зразка (пластини), з витримкою зразків у печі після нагріву, узагальнити результати досліджень і дати рекомендації щодо поліпшення методу ТЕРО.Рекомендується аналогічні дослідження проводити на підприємстві з комплексної переробки відходів для коригування технологічних параметрів (температура, час термолізу, швидкість переміщення сировини тощо) і особливо при зміні морфологічного складу матеріалів, що надходять на переробку.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не була завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Российская газета [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rg.ru...
  2. Журнал «География» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://geo.1september.ru...
  3. Завод по переработке мусора «Эко» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://musoropererabotka.ru...
  4. Справочно-информационная система «Отходы.ру» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.waste.ru...
  5. Адгезия и ее роль в обеспечении прочности полимерных композитов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://nano.msu.ru...
  6. 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.
  7. Научные труды ДонНТУ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.library.donntu.ru...
  8. Кафедра МАХП. ТЭРО [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://donntu.ru...