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 d_H до из­мельчения к среднему размеру материала после измельчения d_K:

(17.1)

Поскольку исходный и измельченный материал имеют полидисперсный состав, для их оценки используют различные характеристи­ки: наибольший d_max и наименьший d_min диаметры частиц; размах варьирования R = d_max/d_min; средний диаметр частиц d_cp; 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 = S_пол/V - удельная поверхность частицы; S_пол - 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 х_е - диаметр частиц, при котором масса частиц крупнее х_е 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

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 k_Б - 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.