ПЕРЕРАБОТКА И УТИЛИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ
В практике рекуперации твердых отходов промышленности используют способы обогащения перерабатываемых материалов: гравитационные, магнитные, электрические, флотационные и специальные. Многие процессы утилизации твердых отходов основаны на использовании способа выщелачивания (экстрагирования), растворения и кристаллизации перерабатываемых материалов.
При утилизации и переработке твердых отходов применяют различные способы термической обработки исходных твердых материалов и полученных продуктов: пиролиз, переплав, обжиг и огневое обезвреживание (сжигание) многих видов твердых отходов на органической основе.
Механическая переработка твердых отходов
Многообразие видов твердых отходов, значительное различие состава одноименных отходов усложняет задачи их утилизации. В то же время различные технологии рекуперации твердых отходов в своей основе базируются на методах, совокупность которых обеспечивает возможность утилизации вторичных материальных ресурсов или их переработки в целевые продукты.
Наиболее рациональным способом защиты литосферы от отходов производства и быта является освоение специальных технологий по сбору и переработке отходов.
Для переработки твердых отходов применяются такие процессы, как дробление и измельчение, классификация и сортировка, обогащение в тяжелых средах, отсадка, магнитная и электрическая сепарация, сушка и грануляция, термохимический обжиг, экстракция и др.
Интенсивность и эффективность большинства химических и биохимических процессов возрастает с уменьшением размеров кусков перерабатываемых материалов. В связи с этим технологическим операциям переработки твердых отходов обычно предшествуют операции уменьшения размеров их кусков.
Для тех промышленных отходов, утилизация которых не связана с необходимостью проведения фазовых превращений или воздействия химических реагентов, но которые не могут быть использованы непосредственно, применяют два вида механической обработки: измельчение и компактирование (прессование). Это в равной степени относится к отходам как органического, так и неорганического происхождения. После измельчения, за которым может следовать фракционирование, отходы превращаются в продукты, готовые для дальнейшего использования. Твердый материал можно разрушить и измельчить до частиц желаемого размера раздавливанием, раскалыванием, разламыванием, резанием, распиливанием, истиранием и различными комбинациями этих способов.
Измельчение. Измельчением называется процесс многократного разрушения твердого тела под действием внешних нагрузок, превышающих силы молекулярного притяжения в измельчаемом теле. Процесс измельчения сопровождается многократным увеличением удельной поверхности измельчаемого материала, что позволяет резко интенсифицировать химические и массообменные процессы, скорость которых определяется площадью межфазного взаимодействия.
Процессы измельчения широко распространены в технологии рекуперации твердых отходов при переработке отвалов полезных ископаемых, вышедших из строя строительных конструкций и изделий, некоторых видов смешанного лома изделий из черных и цветных металлов, топливных и металлургических шлаков, отходов углеобогащения, некоторых производственных шламов и отходов пластмасс, пиритных огарков и ряда других вторичных материальных ресурсов.
Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения i - отношением среднего размера исходных твердых отходов dH до измельчения к среднему размеру материала после измельчения dK:
(17.1)
Поскольку исходный и измельченный материал имеют полидисперсный состав, для их оценки используют различные характеристики: наибольший dmax и наименьший dmin диаметры частиц; размах варьирования R = dmax/dmin; средний диаметр частиц dcp; гранулометрический (дисперсный) состав, характеризующий долю или процент массы частиц каждого класса крупности; удельная поверхность частиц S.
Частицы твердого материала имеют неправильную форму, поэтому под их размером понимают диаметр шара, эквивалентного по объему:
(17.2)
или по удельной поверхности
(17.3)
где V - объем частицы; S = Sпол/V - удельная поверхность частицы; Sпол - полная поверхность частицы.
В полидисперсном сыпучем материале для описания его гранулометрического состава используются распределительные функции D(х) и R(x), равные отношению массы частиц, размер которых соответственно меньше и больше d, к общей их массе. При этом справедливо равенство
(17.4)
Среди различных законов, описывающих аналитически функции распределения частиц сыпучего материала по тому или иному признаку, наиболее распространены законы Розина-Рамлера
(17.5)
и нормально-логарифмический
(17.6)
где хе - диаметр частиц, при котором масса частиц крупнее хе составляет 36,8 %, а меньше - 63,2 %; n - параметр, характеризующий однородность материала по размерам; fix) - частота значений х; N - общее число наблюдений х; - средний диаметр частиц в пробе; σ - среднеквадратическое (стандартное) отклонение значений х от х.
Степень неравномерности гранулометрического состава характеризуют коэффициентом вариации
В зависимости от крупности исходного и измельченного твердого материала различают процессы дробления и помола. Под дроблением понимается процесс уменьшения крупности, в результате которого максимальный размер куска в измельченном материале равен или более 5 мм. Под помолом понимается процесс уменьшения крупности, в результате которого максимальный размер зерна в измельченном материале менее 5 мм. Эти процессы в зависимости от размера кусков исходного материала и конечной крупности получаемого материала условно разделены на несколько классов (табл. 17.1).
Таблица 17.1. Классы измельчения
Класс |
Размер кусков, мм |
Кkасс |
Размер кусков, мм |
||
до измельчения |
после измельчения |
до измельчения |
после измельчения |
||
Дробление |
Помол |
||||
крупное |
>500 |
100...300 |
крупный |
20... 100 |
1...4 |
среднее |
100...500 |
20... 100 |
средний |
5...50 |
0,1...1 |
мелкое |
50... 100 |
4...20 |
тонкий |
1...10 |
0,01...0,1 |
сверхтонкий |
0,1...1 |
0,01 |
Степень измельчения при крупном измельчении составляет i = 3...8, для мелкого и тонкого измельчения - до i = 100. Дробление твердых материалов обычно осуществляют сухим способом, а тонкое измельчение - мокрым способом, что исключает пылеобразование.
Основными способами измельчения являются удар, раздавливание, истирание, раскатывание, резание.
При ударе (рис. 17, а, б) под действием динамических нагрузок в материале возникают динамические напряжения, приводящие к его разрушению. Различают свободный и стесненный удары. При стесненном ударе материал разрушается между двумя рабочими органами измельчителя, при свободном - в результате столкновения с рабочим органом или другим измельчаемым телом.
При раздавливании (рис. 17.1, в) под действием статической нагрузки определяющими являются напряжения сжатия.
При истирании (рис. 17.1, г) разрушение происходит от напряжений сдвига. Истирание в комбинации с раздавливанием - один из наиболее экономичных способов измельчения.
Рис. 17.1. Способы измельчения твердых тел: а - стесненный удар; б - свободный удар; в - раздавливание; г - истирание; д - раскалывание; е - резание; р - нагрузка; ν - скорость
При раскалывании (рис. 17.1, д) в материале возникают изгибающие напряжения.
Резание сопровождается появлением в материале напряжений сдвига.
Работа А, затраченная при измельчении на разрушение исходного материала, прямо пропорциональна вновь образованной поверхности S:
(17.7)
где k1 - коэффициент пропорциональности; ΔS - приращение поверхности.
Работа внутренних сил упругости при отсутствии потерь равна работе внешних сил, вызвавших упругую деформацию тела:
(17.8)
где σ - напряжение, возникающее при деформации; V - объем деформированного тела; Е - модуль упругости (модуль Юнга). Работа измельчения одного куска размером D равна
(17.9)
где k2 - коэффициент пропорциональности.
В обобщенном виде работа, затрачиваемая на деформацию разрушаемых кусков и образование новых поверхностей, равна
(17.10)
где γ, σ - коэффициенты пропорциональности; ΔV - деформированный объем; ΔS - вновь образованная поверхность.
В чистом виде работа при дроблении пропорциональна среднегеометрическому между объемом V и вновь обнаженной (образованной) поверхностью S:
(17.11)
где kБ - коэффициент Бонда.
Для дробления и помола твердых отходов на минеральной основе применяют машины, в которых используют способы измельчения, основанные на раздавливании, раскалывании, разламывании, истирании и ударе. Измельчение твердых отходов на органической основе осуществляют в машинах, принцип работы которых основан на распиливании, резании и ударе.
Помимо дробления механическими средствами применяют специальные способы, основанные на различных физических явлениях, в частности разрушение материалов с помощью электрогидравлического эффекта, сжатой средой, декриптацией и др.
Электрогидравлический эффект основан на использовании высоковольтного разряда в жидкости. Значительная тепловая мощность, выделяемая при разряде, приводит к нагреву вещества до десятков тысяч градусов, его испарению и ионизации. Продукты разряда ведут себя подобно газообразным продуктам взрыва, что вызывает появление сверхвысоких гидравлических ударных волн, кавитацию, ультразвуковое излучение, резонансные эффекты, разрушающие материал. Источниками электрического разряда служат генераторы импульсов тока с емкостными накопителями энергии.
В настоящее время электрогидравлический эффект применяют в металлообработке (формование трубчатых и полых изделий, деталей из малопластичных материалов), горном деле (бурение, дробление и помол), сельском хозяйстве, пищевой промышленности, в процессах химической технологии, в алмазодобывающей и других отраслях промышленности.
Разрушение сжатой средой (взрывом) состоит в создании избыточного давления в кусках дробимого материала, последующей их выдержке под ним и его резком сбросе. Взрывной способ используют для разрушения таких материалов, как уголь, асбест, руда, древесина.
При высоком давлении газообразная среда (пар, воздух) проникает в поры и трещины куска, уже на этой стадии разупрочняя материал за счет адсорбционных процессов в порах, трещинах, плоскостях срастания минералов и образования микротрещин в более слабых участках. При последующем резком сбросе давления газ, расширяясь, разрушает материал.
Один из недостатков, возникающих при измельчении вязких, упругих и вязкоупругих материалов (резина, некоторые виды термопластов и др.), заключается в том, что при комнатной температуре энергозатраты на их переработку очень велики, хотя непосредственно на измельчение расходуется не более 1 % энергии, основная же ее часть преобразуется в теплоту. Поэтому в последние 15...20 лет все большее применение находит техника криогенного измельчения, которая позволяет охлаждать материал ниже температуры хрупкости. Как правило, в качестве охлаждающего агента используют жидкий азот, имеющий температуру - 196°С, что ниже температуры хрупкости большинства полимерных материалов.
При таком способе дробления резко возрастает степень измельчения, повышается производительность процесса, снижаются удельные энергозатраты, предотвращается окисление продукта.
Грохочение. При дроблении твердых отходов степень измельчения материалов различна. Она зависит от твердости, хрупкости и первоначальной формы куска. После каждой стадии дробления часть материала может оказаться мельче заданного размера и будет лишней нагрузкой для очередной дробильной машины, поэтому перед дроблением и между остальными его стадиями материал сортируют по размерам на классы, применяя для этого просеивающие аппараты.
Для разделения кусковых и сыпучих материалов на фракции применяют различные способы: просеивание или грохочение; разделение под действием гравитационно-инерционных сил; разделение под действием гравитационно-центробежных сил.
Грохочение представляет собой процесс разделения на классы по крупности различных по размерам кусков (зерен) материала при его перемещении на ячеистых поверхностях. Разделение на фракции осуществляется путем использования различных конструкций сит, решеток и грохотов.
Во втором и третьем случаях разделение измельченных продуктов на классы или выделение целевого продукта осуществляется методом раздельного высаживания частиц из несущей среды под действием гравитационно-инерционных или гравитационно-центробежных сил. В качестве несущей среды при сухом измельчении чаще всего применяют воздух, реже дымовые или инертные газы, а при мокром - воду.
Работа грохота характеризуется коэффициентом эффективности, представляющим отношение массы отделенного нижнего класса к его массе в исходном материале, поступившем на грохот. Материал, не прошедший через отверстия грохота, называют верхним классом (надрешетным продуктом) и обозначают знаком "плюс". Соответственно материал, прошедший через отверстия грохота, называют нижним классом (подрешетным продуктом, просевом) и обозначают знаком минус. Грохочение обычно применяют для разделения продуктов крупностью 1 мм и более, хотя есть случаи его использования для выделения более тонких классов (до 0,06 мм).
Оно малопригодно для тонких (измельченных) материалов, так как они агрегируют (комкуются), снижая коэффициент эффективности грохота, легко распыливаются. Эти материалы разделяют по крупности в воздушной (воздушная сепарация) или в водной (гидравлическая классификация) средах с использованием соответствующих аппаратов.
Гидравлическая классификация получила весьма широкое распространение в обогащении руд черных и цветных металлов, в химической промышленности. Как и воздушные сепараторы, гидравлические классификаторы по характеру действующих сил разделяют на гравитационные и центробежные.
Прессование и компактированне отходов. Механическое прессование и компактированне твердых отходов (промышленных и бытовых, органических и неорганических) - один из основных методов уменьшения их объема с целью более рационального использования автомобильного и железнодорожного транспорта, перевозящего отходы к местам их утилизации и складирования.
Процессы предварительного уплотнения с целью повышения производительности стадии измельчения иногда необходимо применять для тех отходов, которые обладают низкой насыпной плотностью (например, отходы пенопластов, пленочные обрезки и т.д.). Прессование при высоких давлениях - один из способов улучшения условий эксплуатации полигонов (свалок). Уплотненные отходы дают меньшее количество фильтрата и газовых выбросов, при этом снижается вероятность возникновения пожаров, эффективнее используется земельная площадь полигона.