Проблема створення промислових агрегатів для утилізації твердих вуглецевих відходів. Можливості її рішення

Кандидати техн. наук А. С. Парфенюк, С. П. Веретельник, І. В. Кутняшенко, А. А. Топоров, А. Г. Мельниченко (ДонНТУ, Україна)

Проблема утилізації твердих відходів промислового і побутового походження набуває нині все більш гострий характер у зв'язку з тим, що обсяги генерування відходів постійно ростуть, у той час як темпи їх переробки незрівнянно малі. В результаті до теперішнього часу накопичені сотні мільйонів тонн різних твердих відходів, які необхідно переробити і знешкодити.

Масштаби щорічного продукування та накопичення твердих відходів вимагають якнайшвидшого створення потужних переробних установок продуктивністю, яка вимірюється мільйонами тонн на рік з їх промисловим освоєнням. Це є здійсненним на базі вже наявних проектів, методів переробки вуглецевих матеріалів і напрацювань для коксохімічної галузі з їх реалізацією на існуючих підприємствах коксохімічної промисловості, на вуглезбагачувальних фабриках, а також на металургійних комбінатах з коксохімічним виробництвом. Ситуація, що виникла в промисловості у зв'язку зі зниженням споживання коксу та виведенням частини виробничих потужностей коксохімічних підприємств з експлуатації, може бути використана для залучення інфраструктури, потужностей і кадрів коксохімічних виробництв в систему переробки твердих органічних відходів.

вуглецеві Тверді відходи (Туо), основну масу яких становлять відходи вуглезбагачення, різні шлами та побутові відходи є специфічним видом відходів, мають високий потенціал енергохіміческій і не такі токсичні, як багато видів промислових твердих відходів. У цілому можна зробити їх переробку економічно вигідною [1]. Специфіка Туо полягає в тому, що в малих кількостях вони не роблять помітного впливу на навколишнє середовище, а у великих скупченнях стають екологічним лихом. Тому в даний час в усьому світі активно ведуться дослідження і розробки техніки і технологій для переробки та знешкодження Туо. Їх пропозиція дуже швидко наростає на рівні публікацій і попередніх досліджень [2].

Проблема полягає в тому, що доведення цих пропозицій до практичної реалізації в промисловості наштовхується на численні труднощі фінансового, соціального та технічного характеру. Основний технічною проблемою, на нашу думку, є перехід від великої кількості різних технологічних пропозицій до реальних конструкцій великомасштабних агрегатів і машин для Туо переробки. Створення надійного і ефективного промислового устаткування - об'єктивно складніше завдання, ніж розробка, лабораторні випробування та пропозиція технології переробки Туо.

Застосовувані в даний час на практиці способи вирішення проблеми твердих відходів у переважній більшості зводяться до пасивних методів, що включає компактування, капсулювання, поховання або складування на полігонах. Активні методи переробки пов'язані в основному з термічним та іншими впливами на Туо, що призводять до їх структурно-хімічних перетворень. До них відносяться спалювання, піроліз, термоліз (термічне розкладання без доступу повітря), газифікація, каталіз, різні біотехнологічні процеси і т.д. З активних методів домінуючим є спалювання, застосування якого, однак, не дозволяє повністю вирішити екологічні питання і тим більше забезпечити глибоке використання хімічного потенціалу Туо.

Апаратна реалізація активних методів переробки Туо наштовхується на ряд труднощів, головна з яких-це нестабільність фізико-механічних, хімічних і теплофізичних властивостей, що не дозволяє безпосередньо і ефективно застосувати для переробки Туо наявне типове обладнання інших виробництв. Під час пошуку та аналізу шляхів реалізації активних способів і засобів переробки сформульовані вимоги до такої техніки і технології, відзначені основні особливості властивостей Туо. Встановлено, що тільки спалювання з утилізацією тепла або тільки термічного впливу на Туо явно недостатньо для високої екологічної ефективності та економічності промислового процесу утилізації. Необхідно комплексне вплив, який складається з механічного, термічного і хімічного і забезпечує глибоку переробку та утилізацію Туо. При цьому термічне вплив видається, як правило, завершальною стадією комплексу дій, в результаті чого повинні бути отримані енергія, газоподібні і рідкі продукти, будівельні матеріали.

Основні вимоги до техніки для переробки Туо, що сформувалися в результаті аналізу [3],-це перш за все висока продуктивність і надійність при глибокому використанні енергохіміческого потенціалу відходів; екологічність, гнучкість в управлінні, стійкість режиму при зміні властивостей перероблених відходів, високий рівень автоматизації.

Взаємозв'язок фізико-механічних властивостей твердих відходів з параметрами переробної техніки

Різноманіття властивостей Туо як сировини, що переробляється, його неоднорідність і нестабільність особливо негативно позначаються на ефективній роботі устаткування і взагалі на його працездатності.

У вирішенні проблеми створення техніки для переробки твердих промислових і побутових відходів важливі достовірні знання про різні фізико-механічні характеристики відходів, оскільки вони є вихідними розрахунковими величинами під час проектування обладнання. Ці характеристики змінюються в дуже широкому діапазоні; зокрема, насипна щільність не менше 350-900 кг/м3, вміст вологи не менше 50%, кут природного укосу 30-80 °, крупність - від пилоподібних класів до крупнокускових і т.д. Слід зазначити, що різні склади Туо істотно відрізняються за своїми фізико-механічними характеристиками в залежності не тільки від складу компонентів, а й від вологості.

При розробці або вибору техніки для попередньої підготовки Туо, у тому числі подрібнювачів, змішувачів, брикетних пресів та ін, які можуть застосовуватися для обробки Туо, вихідними даними служать об'ємна щільність матеріалу, його крупність, початкове опір зсуву, коефіцієнти внутрішнього та зовнішнього тертя, паспорт міцності, параметри компресійної кривої, енергоємність і ін Крім того, використовують ряд характеристик, специфічних для конкретних агрегатів.

Облік зсувних та структурних характеристик Туо необхідний для розрахунків і вибору, що транспортують, дозуючих і змішувальних пристроїв. Компресійні характеристики дозволяють спроектувати брикетні і пресувальне пристрої, визначити силові параметри механізмів і енерговитрати на брикетування і пресування матеріалу перед термічною переробкою. Характеристики міцності спресованих Туо дозволяють розрахувати основні геометричні та конструктивні параметри переробних агрегатів і визначати раціональні технологічні режими.

Стабілізацію фізико-механічних характеристик при наявному розмаїтті Туо можна досягти тільки шляхом попереднього підготовки грам і механічною обробкою значних мас сировини, що переробляється. Однак така підготовка не тільки поліпшить якість сировини, але і може привести до подорожчання технології переробки. Тому завдання стабілізації характеристик сировини має бути вирішено з мінімальними витратами при створенні техніки, зі зниженням енергетичних витрат на його підготовку, шляхом організації процесу з можливо малим числом операцій.

Таким чином, підготовка твердих відходів до переробки видається важким самостійної проблемою. Однак навіть за успішному її вирішенні переробка сировини в агрегатах, аналогічних горизонтальним коксових печей періодичної дії, не представляється можливою через складнощів урахування змін його фізико-механічних характеристик і їх впливу на хід процесу, труднощів видачі печей і інших технічних причин. Ефективне вплив всіх раніше означених видів комплексного впливу на Туо в одному агрегаті типу коксової печі утруднене, оскільки практично неможливо одночасно забезпечити в печі оптимальні режимні параметри для різних стадій процесу переробки та управляти власне процесом. Забезпечення оптимального ведення процесу переробки Туо шляхом поділу його на стадії, кожна з яких протікає в окремому агрегаті, різко ускладнить і зробить дорогою всю технологію. Тому краще здійснювати ці керуючі впливу в процесі переробки Туо в певних зонах одного агрегату, де створюються найкращі режимні умови.

Визначальні властивості твердих відходів і закономірності їх зміни при переробці.

Як вже було показано, для обгрунтування конструктивних параметрів і режимів роботи машин і агрегатів визначальними є дані про фізико-механічні характеристики відходів, які багато в чому залежать від характеру, величини, способу програми діють на сировину механічних навантажень. При цьому переробляється буде набувати на стадії попередньої підготовки відповідну навантаженні структуру і властивості, змінюються в широкому діапазоні: від погано сипкої волокнистої пухкої дисперсної маси до суцільних великорозмірних квазіоднородних пресованих блоків, що володіють певною механічною міцністю.

Залежно від конструкції агрегату, режиму його роботи, способу переробки матеріалу, що переробляється веде себе по-різному: як сипучих середовище; в'язке тіло, що моделюється квазіоднородной суцільний середовищем; ущільнюється дисперсна маса, що володіє компресійними властивостями; як тверде тіло, що підкоряється законам опору матеріалів, пружності і пластичності.

Механічний вплив на Туо безпосередньо в агрегаті, що впливає на подальший процес термічної переробки, є за суті компактування, що істотно підвищує продуктивність агрегату, може сприяти видаленню надлишкової вологи з переробляється сировини і знижувати енергетичні та економічні витрати на переробку.

Всі фізико-механічні характеристики можуть бути встановлені тільки експериментальним шляхом, причому умови випробувань повинні бути максимально наближені до виробничих, тобто враховувати весь можливий діапазон зміни факторів, що впливають. Для визначення значень визначальних характеристик твердих відходів та аналізу характерних особливостей і ступеня їх зміни при механічній дії були виконані експериментальні дослідження за відомими методиками [4-6], апробованим на різних дискретних матеріалах, зокрема на вугільної шихти і брикетних масах. Важливим завданням було також визначення реального діапазону зміни характеристик для різних видів попередньої обробки відходів та складання композицій, що складаються з Туо побутового та промислового походження.

Було проведено кілька десятків серій зсувних, компресійних і міцних випробувань в діапазоні тисків від 0,1 до 15 МПа з статистичної обробки даних. Випробовувані суміші складалися з зневодненого шламу вуглезбагачення ОФ Авдіївського коксохімічного заводу з різними видами добавок. Ступінь подрібнення шламу з утримання класу <3 мм становила 100%. Добавки представляли собою усереднені побутові відходи, а також поліхлорвінілових і деревну стружку розміром не більше 5 мм.

зсувне випробування дозволили встановити характер зміни коефіцієнтів внутрішнього і зовнішнього