В. А. Ульянов, А. С. Парфенюк

Донецкий Национальный Технический Университет

Определение физико-механических характеристик твердых отходов для обеспечения надежности процесса их переработки// Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сборник докладов. Т.1. - Д., 2004. - №3. - С. 150-154


       В связи с нестабильностью физико-механических характеристик ТБО необходима их предварительная подготовка к последующим стадиям переработки; Предлагается процесс комплексного механического воздействия на сырье — бароформинг. Описываются основные режимные моменты и параметры данного метода подготовки. Исследованы физико-механические характеристики старых и новых ТБО с целью проектирования оборудования для осуществления бароформинга. 3 рисунка, 4 литературных источника.


       В связи с нестабильностью физико-механических характеристик ТБО необходима их предварительная подготовка к последующим стадиям переработки; Предлагается процесс комплексного механического воздействия на сырье — бароформинг. Описываются основные режимные моменты и параметры данного метода подготовки. Исследованы физико-механические характеристики старых и новых ТБО с целью проектирования оборудования для осуществления бароформинга. 3 рисунка, 4 литературных источника.
       В связи с тем, что в Донецкой области каждый год образуется около 6 млн.м3 ТБО, а накопленное за все годы количество отходов составляет около 400 млн.м3, необходимо скорейшее создание крупномасштабных предприятий для их переработки.
       Применяемые в мире способы решения проблемы твердых отходов в большинстве своем сводятся к пассивным методам, включающим компактирование, капсулирование, захоронение или складирование на полигонах. Активные методы переработки связаны в основном с термическим и другими воздействиями на ТБО, приводящими к их структурно-химическим превращениям. К ним относятся сжигание, пиролиз, термолиз, газификация, катализ, различные биотехнологические процессы и т. д. Но все они не обеспечивают должного уровня экологичности и экономической эффективности при необходимой высокой производительности.
       По составу отходы состоят на 30 - 50% из горючих материалов и на 20 -40% — из негорючего балласта: металла, стекла, керамики. Экспериментальными исследованиями установлено, что теплота сгорания ТБО может достигать в среднем 7 МДж/кг при влажности 25% и содержании горючих компонентов до 50%, что ставит их по калорийности впереди горючих сланцев, но после углей Канско-Ачинского бассейна. Такие обстоятельства делают привлекательным использование ТБО как вторичного сырья с получением энергетического топлива, полупродуктов и сырья для химической и строительной промышленности.
       В ходе поиска и анализа путей реализации способов и средств переработки ТУО установлено, что необходимо комплексное воздействие, которое состоит из механического, термического и химического и обеспечивает глубокую переработку и утилизацию ТУО. При этом термическое воздействие является завершающей стадией, в результате чего должны быть получены газообразные и жидкие продукты, энергия и строительные материалы. Универсальным и наиболее полным способом осуществления данного процесса является переработка в наклонных термолизных печах.
       Для обеспечения работоспособности печей термолиза и повышения их производительности необходимо, чтобы поступающий на термолиз материал обладал определенными структурными, плотностными и прочностными характеристиками.
       Одна из проблем переработки любого сыпучего многокомпонентного сырья состоит в стабилизации его свойств. Это особенно важно при переработке промышленных и бытовых отходов, отличающихся неоднородностью состава, плотности и других физико-механических характеристик (ФМХ), что может отрицательно повлиять на стабильность технологического процесса их переработки. Поэтому необходима подготовка сырья к последующим стадиям переработки.
       Предлагается применить к компаунд-смеси ТБО процесс бароформинга, который заключается в комплексе механических воздействий, состоящих из операций измельчения, классификации, смешения и прессования. Брикетированные и окомкованные материалы обладают лучшими свойствами в отношении процессов дозирования, загрузки, истечения и транспортирования.
       В предлагаемой технологической схеме бароформинга это осуществимо после измельчения ТБО в дробилке до мелких классов. В связи с большими коэффициентами упругого расширения компаунд-смеси предлагается осуществлять 2-3 стадии 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.

              
       Рисунок 1 — Принципиальная схема процесса бароформинга
       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-прессующей машине. На этом этапе происходит внешнее или первичное уплотнение насыпной массы "новых и старых" ТБО без изменения внутренней структуры в результате устранения пустот между частицами и создания поверхности контакта между ними.
       На второй стадии процесса необходимо обеспечить стабилизацию прочностных и структурных характеристик сырья и повысить его плотность до 850-900 кг/м3. Здесь происходит внутреннее уплотнение за счет сжатия, взаимного смещения частиц и уплотнения первичной структуры смеси; завершается процесс формирования структуры прессовки под действием молекулярных сил сцепления с образованием прочностных связей между частицами; удаляется 20-50% воздуха и избыточной влаги из ТБО. 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 привысоких 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.
       При проектирования и конструирования техники для бароформинга исходными данными служат объемная плотность материала, его крупность, начальное сопротивление сдвигу, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, паспорт прочности, параметры компрессионной кривой, энергоемкость и др. Так для обеспечения безотказной работы валкового пресса с учетом ограничений [2], должны выполняться два условия:
       - отсутствие проскальзывания валков, т.е. равенство касательных напряжений силам сухого трения на поверхности валка:
       - получение брикетов с заданной плотностью Для прессования в прессующее-проталкивающем устройстве условиями являются:
       - проталкивание обеспечивается при таких значениях действующих на рабочую массу внешних сил со стороны толкателя, когда они превышают суммарные силы сопротивления: при этом прессование прекращается и начинается процесс ее проталкивания;
       - получение спрессованных блоков, обладающих достаточной прочность, т.е. не разрушающихся от действующих нагрузок на выходе из камеры прессования Предельные напряжения связаны с модулем деформации Е и коэффициентом Пуассона и зависят от давления уплотнения:
       Для определения значений определяющих ФМХ ТБО и анализа отличительных особенностей и степени их изменения при механическом воздействии были выполнены экспериментальные исследования по имеющимся методикам [3].
       Было проведено несколько десятков серий сдвиговых, компрессионных и прочностных испытаний в диапазоне давлений от 5 до 15 МПа со статической обработкой данных.


       Рисунок 2 — Компрессионные кривые для компаунд-смесей промбытотходов.
       Прочностные характеристики зависят от состава смесей, содержания влаги, давления уплотнения и крупности частиц материала. После прессования до давления 5 МПа получены Qсж = 170-475 кПа, Qр = 62,4-94,5 кПа. При увеличении давления уплотнения до 15 МПа происходит существенное упрочнение материала (Qсж = 338-580 кПа, Qр = 84,54-128,1 кПа). Эксперименты показали значительное снижение прочности брикетов за счет присутствия в смеси частиц пластмассы. Это объясняется ее упругими свойствами. Увеличение содержания влаги приводит к упрочнению брикетов.
       Обработка результатов испытаний на прочность включала построение паспорта прочности (рис.3) и определение параметров кривой предельного равновесия.
       Сдвиговые испытания позволили установить характер изменения коэффициентов внутреннего f и внешнего f0 трения в зависимости от влажности W и количества вносимых добавок. Для всех составов смесей влияние влажности на коэффициент внутреннего трения заметно больше, чем на коэффициент внешнего трения. Касательные напряжения адгезионного сдвига ?0 при этом имеют выраженную связь с коэффициентом трения: при наличии максимума у коэффициента внутреннего трения f величина ?0 имеет минимум и наоборот.
       Рисунок 3 — Паспорт прочности для составленных смесей
       Исследования в целом показали, что предлагаемая технология комплексной переработки ТБО представляет собой эффективный процесс, позволяющий перерабатывать различные отходы с добавлением при необходимости различных компонентов. Позитивным фактором также является уплотнение отходов с целью стабилизации их свойств.

Перечень литературы:


       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, Кутняшенко И.В., Топоров А. А. / 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