Цель работы - определение и обоснование основных режимных параметров технологии и техники бароформинга твердых углеродистых промышленных и бытовых отходов для следующей термической переработки в камерных печах с получением твердого топлива.
        Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

• проанализировать сырьевую базу разрабатываемой технологии, масштабы образования и накопления твердых бытовых отходов и известные технологии их переработки;
• оценить влияние связующего, нагревания и стадийности уплотнения смесей промбытотходов на уплотняемость и разработать метод их уплотнения;
• определить влияние влажности и давления уплотнения смесей промбытотходов на прочностные и плотностные характеристики твердого термолизного топлива;
• обосновать рациональные режимные параметры технологии бароформинга и дать рекомендации относительно выбора оснащения для ее осуществления.

• экспериментально установить, что стадия бароформинга разрешает осуществить эффективное управление свойствами промбытотходов и полученного из них в камерных печах твердого топлива;
• c использованием разработанной математической модели прессования установить влияние давления уплотнения смеси отходов на ее плотность, прочность и плотностные характеристики получаемого топлива;
• экспериментальное обосновать необходимость 2-3 кратного прессования компаунд-смесей промбытотходов перед подачей на термообработку.

        Ранее были исследованы свойства перерабатываемой смеси и и полученного твердого термолизного топлива. Проведены компрессионные испытания смеси, которая содержит 20 % твердых бытовых отходов крупностью 10-15 мм (состава на сухую массу, %: 56 - пищевых отходов, 22 - макулатуры, 12 - дерева, 5 - пластмасси (полиэтиленовой пленки, ПЕТ-тари), 2 - текстиля и З - других материалов) и 80 % усредненного шлама углеобогатительной фабрики АКХЗ с крупностью d50 = 0.3мм. Как связующее прибавляли 5-25 % кислой смолки сульфатного отделения АКХЗ или 25-35% воды. Прессование смесей проводили по схеме двустороннего уплотнения до 10 МПа.
        Эксперименты показали значительное снижение конечной плотности брикетов (до 22%) за счет наличия в смеси частиц пластмассы (смеси 5-8 на рис.1) по сравнению с смесями, где пластмасса была заменена пищевыми отходами (смеси 1-4). Это поясняется ее упругими свойствами. Увеличение содержимого воды в смеси с 25 % до 35 % неэффективное вследствие выделения во время прессования жидкости и маленького прироста плотности. Повышение содержимого кислой смолки от 5 до 10 % приводит к возрастанию прочности брикетов на раскалывание и снижение удельной энергоемкости уплотнения, которое для исследованных смесей составила 0,5-1,0 кДж/кг. Увеличение плотности и снижение упругого расширения прессовок можно достичь путем нагревания смесей перед прессованием до 70 °С, более высокая температура нежелательная через высыхание смеси.

Рис. 1. Компрессионные кривые для компаунд-смесей промбытотходов, что содержат кислую смолку (кс) ли воду (в): 1,6- 25% кс; 4, 8-15 % кс; 2, 5-35 % в; 3, 7-25% в; смеси 1-4 не содержат полиэтиленовой пленки и ПЕТ-тари, смеси 5-8 содержат 5% полиэтиленовой пленки и ПЕТ-тари.

        Уплотненная компаунд-смесь имеет слоистую, анизотропную структуру, которая упрочняется во время прессования преимущественно за счет связей механического зацепления частичек и соединений их связующим. Во время уплотнения возникают два вида контакта частичек отходов: жесткие частички шлама, вдавливаясь в мягкие частички бытовых отходов, пластически деформируют их в контактах, что приводит к повышению контактных сил сцепления, и упругий контакт частичек шлама без увеличения зацепления. Во время прибавления связующего происходит образование редких мостиков в контактах частичек, которые существенным образом повышают уплотняемость и прочность брикетов.
        Вследствие больших коэффициентов упругого расширения (1,1-1,2) компаунд-смесей необходимо 2-3 стадии уплотнения для получения стабильных высоких плотностных и прочностных характеристик. Как показали проведенные исследования многостадийного прессования, во время повторного уплотнения компаунд-смеси происходит увеличение конечной плотности и прочности прессовок, уменьшение коэффициентов упругого расширения, времени релаксации внутренних напряжений и энергоемкости уплотнения, уменьшается анизотропия прочностных свойств.
        Проведенный технический анализ показал, что компаунд-смеси промбытотходов имеют зольность 35-39 %, выход летающих 33-48 %.
        В результате увеличения давления прессования компаунд-смесей больше, чем 8 МПа, получаемое топливо становится более плотным, крепким и менее хрупким. Прибавление кислой смолки в небольших количествах (7-8%) также увеличивает его прочность и плотность

4.Что такое бароформинг

        Бароформингу необходимо подвергать так называемую некоммерческую часть ТБО, из которой нельзя уже извлечь фракции, поддающиеся восстановлению: черные и цветные металлы, камни, стекло, дерево, кожу, резину, пластик. В качестве возможного компонента при составлении компаунд-смеси предусматривается использование отходов старых свалок Осуществлять данный процесс рекомендуется прессованием, которое является достаточно эффективным способом окускования. При уплотнении компаунд-смеси в пресс-матрице, валковом или вальцевом прессе ее плотность постепенно изменяется от 350-400 кг/м³ до 1000 кг/м³ и более.
        Необходимо выделить следующие производственные операции бароформинга, как обособленного технологического процесса:

1. Обеспечение подготовки сырья к прессованию: дробление, измельчение и сушка; подготовка компаунд-смеси (препарирование связующего вещества, дозировка компонентов и их смешение), ее нагрев и охлаждение перед уплотнением.
2. Прессование компаунд-смеси с приложением требуемых усилий, определяемых в зависимости от ФМХ.
3. Обработка «сырых» брикетов с целью быстрейшего их затвердевания.
4. Транспортировка на всех стадиях процесса.

        Анализ поведения компаунд-смеси в процессе уплотнения и возможности ее прессования можно провести при обработке смеси давлением в закрытой матрице с получением компрессионных кривых. По этому способу исходную смесь промбытотходов, являющуюся полидисперсной многокомпонентной системой, можно уплотнять в слое, в виде брикетов или гранул.
        Целесообразно использовать существующий опыт прессования компаунд-смеси при проведении компрессионных испытаний отходов старых свалок. Так, уплотненная смесь имеет слоистую, анизотропную структуру, которая упрочняется во время прессования за счет связей механического зацепления частиц и соединений их связующим. Во время уплотнения возникают два вида контакта частиц отходов: жесткие частицы, вдавливаясь в мягкие, пластически деформируют их в местах контакта, что приводит к повышению контактных сил сцепления, и упругий контакт частиц отходов без увеличения зацепления.
        В связи с большими коэффициентами упругого расширения компаунд-смеси бароформинг предлагается осуществлять 2-3 стадиями прессования для получения стабильных, высоких плотностных и прочностных характеристик. Как показали проведенные исследования многостадийного прессования, во время повторного уплотнения компаунд-смеси происходит увеличение конечной плотности и прочности прессовок, уменьшение коэффициентов упругого расширения, времени релаксации внутренних напряжений и энергоемкости уплотнения, уменьшается анизотропия прочностных свойств.
        Первая стадия предусматривает смешение ТБО и отходов старых свалок со связующим и уплотнение от 250-400 кг/м³ до 450-600 кг/м³ в смесительно-пресующей машине. На второй стадии процесса необходимо обеспечить стабилизацию прочностных и структурных характеристик сырья и повысить его плотность до 850-900 кг/м³. Процесс прессования на этом этапе характеризуется давлением уплотнения порядка 10-15 МПа при относительно небольших размерах получаемых прессовок. После второй стадии прессования брикеты должны удовлетворять следующим требованиям:

• атмосфероустойчивостью - не разрушаться от температурных воздействий и атмосферных осадков;
• механической прочностью - выдерживать достаточно высокие сопротивления удару, изгибу и истиранию;
• достаточной пористостью, обеспечивающей хорошую проницаемость при высоких температурах в термолизной печи;
• содержать минимальное количество влаги, наличие которой требует дополнительного расхода тепла на испарение;
• температуроустойчивостью - не разрушаться от воздействия высоких температур.

        На третьей стадии предусматривается получение спрессованного монолитного блока, обладающего требуемой прочностью, и перемещение его в камеру термолиза. На этом этапе давление прессования не превышает 1,6-1,8 МПа. Поперечные размеры блока загрузки должны соответствовать размерам камеры прессования.
        Производительность прессующего оборудования на каждой стадии определяется производительностью термолизных агрегатов. В качестве прессующего устройства на второй стадии выбран валковый пресс, преимущества которого заключаются в непрерывности процесса, высокой производительности, отсутствии динамических нагрузок, сравнительно малом износе рабочих поверхностей, невысоком расходе энергии и отсутствии дополнительной обработки брикетов, на третьей - камера прессования с прессующе-проталкивающим устройством, представляющим собой пресс-толкатель с гидроприводом и маслостанцией.[4]
        В заключении следует отметить, что предлагаемый процесс позволит решить ряд экологических проблем и повысит в целом эффективность метода ТЭРО:

• увеличит мощность термолизных печей, за счет большей насыпной массы брикетов по сравнению с мусором;
• ликвидирует старые свалки;
• предотвратит потери мусора при транспортировании;
• снизит расход теплоэнергии;
• улучшит условия труда обслуживающего персонала, значительно повысит санитарию.

        При разработке нового оборудования для переработки сыпучих материалов, необходимо учитывать их специфические физико-механические свойства, характеризующие способность материала сохранять заданную форму или переходить в состояние движения под действием внешних нагрузок. Недостаточное внимание к экспериментальным исследованиям характеристик материала приводит к неудачному выбору параметров и конструкции валкового пресса и в конечном счете, к неудовлетворительной работе оборудования, повышенным энергозатратам. Правильный выбор параметров процесса прессования и характеристик валкового пресса позволяет получить уплотненную компаунд-смесь с заданными свойствами и характеристиками.
        Основными целями проведения исследований является:

• определение принципиальной возможности процесса уплотнения отходов старых свалок;
• установить оптимальные параметры процесса;
• получить физико-механические характеристики уплотняемого материала;
• на основании данных полученных в ходе эксперимента иметь возможность управлять процессом прессования.

        Основными характеристиками физико-механических свойств, которые используются в расчетах процессов истечения и дозирования шихты, уплотнения и брикетирования и соответствующего оборудования являются коэффициенты внешнего f и внутреннего f0 трения, бокового давления х, связность и компрессионные характеристики прессуемого материала.[3]
        При анализе поведения порошковых материалов при воздействии на них статических или динамических нагрузок (обработка давлением) применяют два понятия: «уплотняемость» и «формуемость» порошков. Под уплотняемостью понимается зависимость относительной плотности обрабатываемого продукта от давления, что наиболее ярко выражается при прессовании порошков.
        Формуемость характеризуется давлением, обеспечивающим прочность продукта. При этом не происходит расслаивания продукта, а получаемые гранулы или прессовки не разрушаются и не теряют своей формы.
        Известно, что уплотнение или деформация дисперсного материала начинаются при сдвиге или скольжении объемов частиц вдоль поверхностей скольжения. В данном случае уплотняемость компаунд-смеси может быть охарактеризована отношением касательных и нормальных напряжений на площадке, по которой осуществляется сдвиг. Взаимосвязь между касательными и нормальными напряжениями, возникающую под действием внешней нагрузки, можно выразить через коэффициент внутреннего трения f0. Следует заметить, что внутренним сопротивлением, препятствующим сдвигу, перемещению частиц, будет лишь трение, появляющееся в местах контакта частиц. Перемещению частиц исследуемого материала будут оказывать сопротивление структурные связи, вязкость характеризуется силами сцепления и принимается независимым от внешнего давления. Для несвязанных сыпучих, как в нашем случае, шихт сопротивление сдвигу определяется только их сопротивлением трению.
        Согласно представлениям механики деформируемых тел деформация шихты происходит по определенным плоскостям скольжения при силовом воздействии. При этом условие сдвига формируется следующим образом. Сдвиг или скольжение по плоскости возникает только тогда, когда предельное касательное напряжение bп на этой плоскости превысит сопротивление f0, называемое коэффициентом сцепления и некоторое дополнительное сопротивление, определяемой нормальным давлением bп на этой плоскости.
        Зависимость между касательными и нормальными напряжениями имеет вид:

        Другой важной характеристикой является уплотняемость способность шихты изменять объем (плотность) при изменении накладываемого на ее давления. В дифференциальной форме эта зависимость выразится в виде:

        Приведенные параметры используют для определения объема и насыпной массы прессовки при уплотнении. Вторым аспектом является расчет энергоемкости (работы) процесса уплотнения при помощи интеграла:

        Наиболее распространенным методом учета уплотняемости является определение вида экспериментальной зависимости между напряжениями и дефформациями в явном или неявном виде (компрессионная кривая) для конкретного материала в условиях, приблеженных к реальным, и подбор аппроксимирующей эмпирической формулы, описывающей эту зависимость.
        Важной характеристикой сыпучих материалов, проявляющейся при уплотнении, является коэффициент бокового давления x, выражающий связь между нормальными напряжениями во взаимно перпендикулярных плоскостях. Для активной формы нагружения сыпучего материала (bОС >bв) значение коэффициента бокового давления не превышает единицы и вычисляется по формуле:

        Применение коэффициента бокового давления обусловлено специфическими свойствами сыпучего материала и позволяет во многих случаях упростить применение расчетных формул.
        Так выражение после подстановки зависимости для ассимметричной задачи b2 = b3 = x*b1 примет более удобный вид:

        Отметим, что для идеальных сыпучих тел в условиях состояния предельного равновесия, которое, реализуется при первичном уплотнении, значение коэффициента бокового давления может быть выражено через значение угла внутреннего трения сыпучего материала:

        Компрессионные кривые характеризуют уплотняемость материала под нагрузкой. Обычно компрессионные кривые представляют в виде зависимости плотности р от прикладываемого к слою давления, описываемой уравнением:

        Данные зависимости позволяют не только определить исходные данные для расчета силовых параметров пресса, но и в савокупности позволяют установить оптимальные условия прессования.
        Для определени основных физико-механических свойств уплотняемой смеси необходимо провести комплексные испытания, которые позволяют построить компрессионную кривую и паспорт прочности полученных брикетов. Принцип компрессионных испытаний заключается в том, что при прессовании шихты путем вращения маховика винтовое устройство одновременно создает контролируемые деформации, что позволяет рассчитать параметры компрессионной кривой. Перемещение верхнего поршня прямопропорциональны углу поворота маховика за вычетом усадки динамометра сжатия.

        При разработке моделей приняты следующие ограничения и допущения, вытекающие из свойств сырья и конструктивных особенностей агрегатов:

• напряженное состояние рассматривается как двумерное, расчет по третьей координате проводится решением ряда двумерных задач при известном законе связи определяющих параметров между ними;
• силы инерции и тяжести не учитываются, поскольку они пренебрежимо малы по сравнению с силами прессования;
• скорость изменения давления прессования очень мала по сравнению со скоростью распространения деформаций (квазистатичность процесса прессования);
• ограничение диапазона давлений рамками применимости уравнения компрессионной кривой, отражающей способность перерабатываемого материала увеличивать объёмную плотность под действием наложенного давления;
• ФМХ компонентов и структурных элементов перерабатываемого материала постоянные в узком интервале изменения давления и температуры;
• до стадии структурных превращений "пластическая масса" структура перерабатываемого материала определяется его компонентным составом, после - структурными элементами.[5]

        Создание такой модели требует решения следующих частых задач:

• экспериментального определения зависимостей ФМХ компонентов и структурных элементов перерабатываемого материала от температуры и давления;
• решения температурной задачи по определению температуры перерабатываемого материала во всех точках области прессования по двум координатам в заданные моменты времени и последующего определения ФМХ рабочей массы в этих точках;
• определения вероятностных параметров распределения компонентов в перерабатываемом материале;
• разработки обобщающих математических моделей процесса уплотнения перерабатываемого материала с учетом его структуры, температуры и давления.

        Опыты проводились по изложенной выше методике, на описаном ранее приборе.

        На основе разработанной математической модели процессов прессования многокомпонентных углеродистых материалов можно:

• установить закономерности распределения напряжений в рабочей массе, состоящей из элементов с различными ФМХ при ее уплотнении в валковых прессах и прессующе-проталкивающем устройстве;
• определить значения технологических нагрузок, действующих на элементы прессующих устройств, что необходимо для проектирования конструкции;
• разработать метод инженерных расчетов основных конструктивных и режимных параметров прессующих устройств;
• разработать способ управления процессами прессования многокомпонентных углеродистых, материалов, обладающих широким разбросом физико-механических характеристик.

1. Парфенюк А. С., Веретельник С. П., Кутняшенко И. В., Топоров А. А., Мельниченко А. Г. / Проблема создания промышленных агрегатов для утилизации твердых углеродистых отходов. Возможности ее решения // "Кокс и химия", 1999, №3, С.40-44.
2. Парфенюк А. С., Кутняшенко И. В., Топоров А. А., Веретельник С. П., Мельниченко А.Г. / Значение физико-механических характеристик твердых отходов при проектировании техники для их переработки. // Материалы международной научно-технической конференции: "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века". Донецк, 1998, С.278-280
3. Парфенюк А.С., Мельниченко А.Г., Кугпяшенко И.В., Топоров А. A. / Исследование физико-механических свойств твердых промышленных и бытовых углеродистых отходов // Сборник научных трудов ДонГТУ.Серия: Химия и химическая технология. Выпуск №13., 2000, Донецк: ДонГТУ. С. 149-153
4. Парфенюк А.С., Кугпяшенко И.В., Топоров А. A. / Принципы разработки прессующе-проталкивающего устройства агрегатов для переработки углеродистых материалов // Материалы международной научно-технической конференции: "Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века". Донецк, 1998, с.283-286
5. Топоров А. А., Парфенюк А. С., Веретелбник С. П. / Математическое моделирование процесса прессования-проталкивания загрузки в камерных агрегатах непрерывного коксования. // Кокс и химия. 1996, №11, с. 22-25.
6. Топоров А. А., Парфенюк А. С., Мельниченко А. Г. / Оценка ресурсов для крупномасштабной переработки твердых углеролистых отходов в Донецком регионе // ''Кокс и химия", 1998, №6, с.39-41
7. Топоров А. А., Парфенюк А. С., Ткаченко В. Н., Бритов Н. А. и др./ Математическая модель теплообмена в зоне прессования агрегатов для коксования углей // "Кокс и химия". 1994, №2, с.19-21