Бесплатный фрагмент - Исследование возможности и разработка технических решений по переработке отходов производства щебня

«Исследование возможности и разработка технических решений по переработке отходов производства щебня в Волгоградской области с целью получения товарного продукта (мелкодисперсного щебня) для вторичного использования»

(отчет по научно-исследовательской теме окончательный)

РЕФЕРАТ
Отчет 74стр., 2 ч., 15 табл., 91 источник

Пылевидные отходы, системы разделения, вихревой инерционный пылеуловитель со встречными закрученными потоками, полигоны, несанкционированные свалки, снижение антропогенного воздействия, аэродинамические аппараты разделения, скорость витания, сепарация.

Объект исследования: аэродинамические системы разделения пылевидных отходов.

Цель работы: снижение антропогенного воздействия за счет сокращения объема пылевидных отходов, поступающих на полигоны и несанкционированные свалки, посредством совершенствования системы разделения пылевидных отходов.

В процессе работы изучены литературные источники в рамках исследуемого направления и оценена экологическая ситуация на предприятиях по производству щебня Волгоградской области, проведены экспериментальные исследования скоростей витания отходов производства щебня, исследования дисперсного состава отходов производства щебня.

Методы исследования: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическая обработка экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ, лабораторные и опытно –промышленные исследования.

Введение

Актуальность проблемы.

Технологические процессы производства строительных материалов сопровождаются образованием значительного количества твердых отходов пылевидного состава, содержащих наряду с исходным сырьем и посторонние включения. Наличие большого количества примесей в пылевидных отходах препятствует их использованию в производстве, поэтому они направляются на полигоны и несанкционированные свалки, что ведет к негативному воздействию на окружающую среду. Такое положение с пылевидными отходами приводит не только к загрязнению окружающей среды — воздуха, воды, почвы, требующее дополнительных территорий на их захоронение и размещение, но и к расточительному расходованию в большинстве своём невозобновляемых минеральных ресурсов. Наличие пылевидных отходов — результат низкого уровня технологий, позволяющих подготовить их для использования в производстве. Например, при производстве щебня образуется большое количество твердых отходов пылевидного состава (отсевов), содержащие вместе со щебнем и глинистые частицы. Только в Волгоградской области уже накоплено 1,657 млн. т. и ежегодно образуется 159 тыс. т. отходов производства щебня. В таком количестве их не принимают на полигоны, поэтому отсевы щебня направляют в отвалы, в результате чего окружающая среда испытывает негативную нагрузку — происходит загрязнение окружающей среды из-за уноса глинистых частиц, образуются несанкционированные свалки. Например, в Волгоградской области общая площадь только стихийных свалок превышает 400 тыс. кв. метров. Использование отсевов, например, для строительства дорог ограничивается тем, что содержание глинистых частиц в них значительно превышает допустимое значение (3% по массе).

Проблема разделения пылевидных отходов важна не только для промышленности строительных материалов, но и для других производств, на которых образуются пылевидные отходы, содержащих исходное сырье и посторонние включения. Разделение пылевидных отходов позволяет, с одной стороны, снизить количество отходов, сократив тем самым, количество несанкционированных свалок, предотвратить вторичное загрязнение окружающей среды, а с другой стороны -обеспечить экономию минеральных природных ресурсов.

В настоящее время для разделения твердых частиц используются методы магнитной, акустической, электростатической, центробежной и гравитационной сепарации. Из всех известных методов наиболее перспективным представляется метод аэродинамического разделения, что объясняется тем, что он позволяет разделить пылевидные отходы с достаточной эффективностью, является экономичным и простым в аппаратурном оформлении.

Таким образом, является актуальным решение экологической проблемы снижения антропогенного воздействия на окружающую среду пылевидных отходов посредством совершенствования аэродинамической системы их разделения.

Цель работы. Снижение антропогенного воздействия за счет сокращения объема пылевидных отходов, поступающих на полигоны и несанкционированные свалки, посредством совершенствования системы разделения пылевидных отходов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— анализ загрязнения окружающей среды отходами, образующимися в технологическом процессе производства щебня;

— исследование дисперсного состава, основных свойств и токсичности пылевидных загрязнителей окружающей среды;

— теоретический расчет и экспериментальное определение скоростей витания исследуемых пылевидных отходов;

Основная идея работы состоит в сокращении объема пылевидных отходов, направляемых в отвалы и на полигоны и оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, путем повышения эффективности систем разделения при использовании закрученных потоков.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическую обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ, лабораторные и опытно –промышленные исследования.

Анализ технологических процессов производства щебня как источника образования отходов и их воздействия на окружающую среду

Значительная часть современных технологических процессов связана с изготовлением, переработкой, транспортированием и применением порошкообразных материалов, и сопровождается образованием большого количества пылевидных отходов. Недостаточное внимание к воздействию на окружающую среду пылевидных отходов, которые к тому же содержат ценные компоненты, несовершенство или высокая стоимость существующих систем разделения пылевидных отходов приводит к тому, что количество последних увеличивается. Неиспользуемые отходы производства в значительных количествах накапливаются в отвалах, что приводит к негативному воздействию на окружающую среду.

На территории России в отвалах накоплено около 80 млрд. т. различных твердых отходов [34, 65 — 69, 75]. В связи с недостаточным количеством полигонов для складирования и захоронения промышленных отходов, широкое распространение получила практика размещения отходов в местах неорганизованного складирования (несанкционированные свалки), которые не отвечают действующим нормативам, представляя особую опасность для окружающей среды [17, 58, 70, 71]. Объемы размещения отходов на несанкционированных свалках, площади занятых под них земель постоянно растут, а, следовательно, растет и негативное воздействие на окружающую среду. Например, в Волгоградской области общая площадь только стихийных свалок превышает 400 тыс. кв. метров и складируется там более 100 тыс. т отходов [37]. А площадь санкционированных девяти полигонов промышленных отходов — около 210 га. Хранится на них приблизительно 50 млн. т. отходов и каждый год эта масса увеличивается еще на 2 млн. т. [37].

Положение с отходами производства выросло в огромную экологическую проблему, и необходимость ее решения обусловлена загрязнением окружающей среды и истощением природных ресурсов.

Технологические процессы производства строительных материалов сопровождаются образованием значительного количества пылевидных отходов, содержащих наряду с посторонними включениями, исходное сырье, которое может быть возвращено в производство. Извлечения посторонних включений позволяет, с одной стороны, снизить негативное воздействие отходов на окружающую среду, а с другой стороны обеспечить экономию минеральных природных ресурсов [44].

В Волгоградской области накоплено 1,657 млн. т. и ежегодно образуется 159 тыс. т. отходов производства щебня, содержащих щебень и глинистые частицы [75].

Сырьем для производства щебня (фракционного камня) служит горная масса. Добытый в карьере материал представляет собой смесь кусков различных размеров и формы. В горной массе находятся обычно различные примеси (ил, глина), содержание которых в товарном продукте недопустимо. Для того чтобы горную массу превратить в качественный материал, необходимо выполнить целый ряд технологических операций, основными из которых являются дробление и сортировка. [31].

По химическому составу породы состоят в основном из окиси кальция и окиси магния. Физико-механические свойства карбонатных пород характеризуются значительной неоднородностью. Плотность изменяется от 2,60 до 2,96 г/см3, объемная масса от 1,79 до 2,81 г/см3, пористость — от 35,5 до 1,1%, водопоглощение от 0,44 до 21,18%, прочность — от 31 до 1503 кгс/см2 в насыщенном водой состоянии. Коэффициент морозостойкости изменяется от 0,45 до 0,97. Эти данные [44] приведены для горной массы, добытой в карьере «Перекопский» Клетского района Волгоградской области.

Технологический процесс производства щебня состоит в последовательном дроблении и сортировки. Дробильно-сортировочная установка состоит из следующих элементов: — питателя пластинчатого ТК-15А-01; агрегата крупного дробления СМ-16Д; грохота сортировки; агрегата передвижного среднего дробления СМД-131А; агрегата сортировки передвижного СМД –174 [31].

Установка оснащена металлоискателем, семью конвейерами ленточными ТК. Из карьера сырье доставляется автосамосвалами КРАЗ, КАМАЗ и ссыпается в приемный бункер установки, оттуда питателем подается на дробление. Продукт дробления подается на грохот сортировки, где происходит рассев на фракции 0¸10мм, 10¸20 мм; 20¸70мм. Фракции 0¸10мм, 10¸20 транспортируются на склад. Фракция 20¸70 мм поступает на агрегат среднего дробления СМД -131 А. На этом агрегате происходит дробление на фракции 20¸40 мм, 40¸70мм. Раздробленная порода подается на агрегат сортировки СМД-174. После сортировки фракции 20¸40 мм, 40¸70мм подаются на склад [21—23]. Схема производства щебня представлена на рис. 1.1. [21].

Отсевы карбонатной породы, образующиеся после грохочения, отбираются и отдаются в лабораторию на анализ на содержание пылеватых и глинистых частиц. Как правило, содержание пылеватых и глинистых частиц превышает 3% по массе, следовательно, такое сырье не пригодно для производства щебня [79, 80] и направляется в отвал. Отсевы щебня складируются в карьерах, засоряя огромные территории, в то время, как отделение щебня от глинистых позволило сократить воздействие пылевидных отходов на окружающую среду, вернув их в производство.

Анализ существующих методов разделения пылевидных отходов различных производств для вторичного использования

Анализ технологических процессов позволил определить, что в производстве щебня образуются пылевидные отходы, содержащие, наряду с исходным продуктом и посторонние включения, которые не позволяют их повторно использовать в производстве. Для снижения антропогенного воздействия на окружающую среду и сохранения минеральных ресурсов необходимо снизить количество образующихся пылевидных отходов посредством совершенствования системы их разделения.

В настоящее время для отделения твердых частиц применяются различные методы сепарации, в том числе магнитная, акустическая, электростатическая сепарация, разделение под действием гравитационных сил, центробежных сил, а также разделение по аэродинамическим свойствам пыли. В данной работе рассматриваются только сухие методы, поскольку применение мокрых методов сепарации делает невозможным или слишком сложным и дорогостоящим использование отделенных компонентов в производстве и промышленности строительных материалов.

Магнитная сепарация сыпучих материалов. Магнитные сепараторы — это многоцелевые системы, предназначенные для отделения магнитных примесей от немагнитных [36]. Различают магнитные сепараторы, использующие в своей работе постоянные магниты и электромагниты.

Магнитные сепараторы для сыпучих веществ обычно устанавливаются в трубопровод, по которому транспортируется сыпучий продукт. Сепараторы такого типа предназначены для удаления из сыпучих материалов случайно попавших железосодержащих примесей, при их небольших количествах. Магнитные системы генерируют неоднородное магнитное поле, которое отделяет и удерживает магнитные примеси на поверхности магнитных труб. Магнитный сепаратор необходимо периодически очищать от накопленных магнитных примесей. Это может производиться вручную, полуавтоматически и автоматически в зависимости от типа сепаратора.

В настоящее время используются следующие основные типы сепараторов на постоянных магнитах: барабанные сепараторы, плоские магнитные сепараторы, магнитные сепараторы из системы выдвижных решеток [36].

Существует большое разнообразие конструкций магнитных сепараторов [36]. Магнитный способ сепарации достигает большой эффективности в основном за счет интенсивной магнитной коагуляции, образуя агрегаты ферромагнитных частиц. Однако, во-первых, магнитная сепарация не позволяет разделять пылевидные отходы на фракции, а во-вторых, она применима только для отделения частиц, обладающих магнитными свойствами.

Сепарация в акустическом поле. В последние годы разделение пылегазовых потоков проводят с помощью акустических полей. Акустическая коагуляция осуществляется при воздействии на запыленный газ упругих колебаний звуковой и ультразвуковой частоты. Эти колебания вызывают вибрацию пыли, в результате чего растет число их столкновений. Процесс коагуляции происходит при силе звука не менее145—150 децибел и частоте 2—50кГц [32]. Скорость пылегазового потока не должна превышать при этом величины критической скорости, определяемой силами сцепления в данной неоднородной системе. Кроме того, концентрация дисперсной фазы должна быть в пределах 0,2—230 г/м3 [32]. Акустическая коагуляция находит промышленное применение для предварительной очистки горячих газовых потоков, а также при обработке газов в условиях повышенной опасности. Акустическая коагуляция также не позволяет классифицировать частицы по фракциям. Кроме того, этот метод применим для мелкодисперсной фракции.

Сепарация в электрическом поле. Сепарация в электрическом поле основана на том, что при поступлении пылевоздушной смеси в неоднородное электрическое поле в местах с большим напряжением образуются ионы, которые движутся в направлении осадительного электрода под воздействием сил поля [32, 84]. При движении эти ионы поглощаются частицами пыли, увеличивая их заряд. Заряженные частицы будут продолжать двигаться к осадительному электроду и оседать на нем. Учитывая, что частицы могут получать большие заряды, несмотря на малую массу, то и силы электрического поля намного больше инерционных и гравитационных. Но электрическая сепарация эффективна для частиц менее 10 мкм [32].

Конструкции и методы аэродинамического разделения сыпучих материалов на фракции. По способу перевода частиц в подвижное состояние различают механические (сита, грохоты, вибросепараторы) и аэродинамические классификаторы [7,11,12,22,27,29,31,35,40—43,50-52,57,60].

Разделение порошкообразных материалов на фракции просеиванием через сита является самым простым. Применяя сита с различными отверстиями можно разделить сыпучий материал на определенное количество фракций. Устройства, в которых идет процесс просеивания называют ситами или грохотами. Сита применяют в случае разделения мелкозернистых сыпучих материалов, а грохот при разделении крупнозернистых и кусковых материалов [15,25—27,31,51].

Выделяют колосниковые, валковые, качающиеся грохоты, гирационные грохоты, вибрационные грохоты, барабанные грохоты [40, 41, 51].

Валковые грохоты имеют высокую производительность, устойчивы в работе и не дают динамических нагрузок, что позволяет их устанавливать в верхних этажах. Эти достоинства валковых грохотов, несмотря на некоторую сложность в изготовлении, способствуют их широкому распространению [51].

Из всех известных грохотов наиболее распространенными являются ситовые. Ситовые грохоты по конструктивным особенностям и устройству привода делятся на качающиеся, гирационные и вибрационные.

Барабанные грохоты являются динамически уравновешенными аппаратами. У них нет качающихся масс, таких как у плоских грохотов. Эта отличительная особенность позволяет устанавливать барабанные грохоты на верхних этажах, не опасаясь возникновения динамических нагрузок. Серьезным недостатком барабанных грохотов является низкий коэффициент использования поверхности сит. При заполнении барабана на 15—18% его объема поверхность сит используется всего на 20—30% [15,51].

Особенность вибрационных грохотов заключается в приводном механизме и обязательной установке короба на пружинящих опорах или пружинящих подвесках.

Вибгрохоты, использующие явление резонансного усиления амплитуды колебаний отдельных струн, обладают следующими недостатками: различная амплитуда колебаний струн по длине; необходимость поддержания одинаковости напряжения каждой струны в процессе всего времени эксплуатации; сильная зависимость амплитуды колебаний каждой струны от величины местной рабочей нагрузки [15,40,41,51]. При использовании прямого возбуждения просеивающей поверхности вибратором имеется другой недостаток-амплитуда уменьшается до нуля в направлении к месту крепления просеивающей поверхности к неподвижному коробу.

С целью ликвидации указанных недостатков предлагается [40] использовать дополнительные грузы, особым образом расположенные на струнной просеивающей поверхности. Особенность примененного магнитного вибратора состоит в том, что он выполнен как составная часть всего виброгрохота, что упрощает общую конструкцию и повышает надежность эксплуатации. Кроме того, отпадает необходимость поиска производителей надежных вибраторов подходящих типоразмеров.

С целью совершенствования технологии обогащения щебня создана конструкция спирального виброгрохота [41], который состоит из поверхности просеивания, представляющую собой упругую спираль, которая приводится в равномерное вращение вокруг собственной оси к колебательному движению приводными кулачками. Простота конструкции спирального виброгрохота позволяет его изготавливать, не применяя сложных технологических процессов.

Вибрационное грохочение гораздо выгоднее, чем другие виды грохочения, поскольку в процессе вибрационного перемещения по ситу грохота смесь сыпучего материала получает наилучшие условия для сепарации, так как вибрация способствует хорошему сортированию, самоочищению отверстий от застрявших в них частиц, разрыхлению слоя материала [15].

Разделение сыпучих материалов под действием гравитационно-инерционных сил производится в специальных сепараторах.

Простейшим сепаратором гравитационно-инерционного типа является отстойный газоход, который состоит из корпуса, направляющих перегородок и сборника фракций [32,44,48,56,57]. Так как скорость газового потока в камере уменьшается, и из-за перегородок изменяется направление потока, твердые частицы начинают отделяться из потока под действием гравитационных и инерционных сил. В первом по направлению потока сборнике будут осаждаться самые крупные частицы, во втором более мелкие, а самая тонкая фракция будет выноситься потоком через штуцер и ее можно будет в дальнейшем отделять от газа в специальных аппаратах — фильтрах, циклонах и т. п. [1,3,6—8,13,21—24,32,33,84—88]. Таким образом, описанный сепаратор обеспечивает деление материала на три фракции, однако его можно применить и для деления на две или другое число фракций.

Принцип центробежно-гравитационного разделения сыпучих материалов основан на том, что при вращении материалов вместе с несущей средой или без нее более крупные частицы, обладая большой центробежной силой, перемещаются в радиальном направлении к периферии, вытесняя к центру более мелкие частицы. Простейшим сепаратором этого типа является циклон [13,24,32,33,84—87].

Для тонкой очистки предлагается [32] применять многосекционные циклоны, представленные на рис. 2.1.

Как известно [32, 53—55], основной недостаток аэродинамического режима работы циклонов связан с отсутствием движущей силы для частиц в пограничном слое внутреннего патрубка. Известны конструкции, так называемых центриклонов, в которых внутренний патрубок принудительно от внешнего привода или от трения потока самого газа, приводится во вращение со скоростью Jj. В этом случае фактор разделения вблизи внутреннего патрубка возрастает. Сравнительные расчеты на ЭВМ степени улавливания частиц показывают, что в центриклоне она увеличивается на 7—13% по сравнению с циклоном и на 3—7% по сравнению с батареей циклонов, то есть как раз соответствует доле пограничного слоя в объеме циклона [54].

Однако усложнение конструкции центриклона, связанное с установкой подшипников и их уплотнением, привода и дополнительных затрат электроэнергии не позволяет в настоящее время конкурировать центриклонам с циклонами.

Особое место в газоочистительной технике занимают так называемые вихревые пылеуловители, которые относят к прямоточным аппаратам центробежного действия. Эти аппараты существенно отличаются от описанных конструкций и позволяют извлекать до 99% пыли с заметным содержанием мелкодисперсных частиц (диаметром 3—5 мкм) [32]. На рис. 2.2. представлены ВПУ соплового и лопаточного типов. Достоинства ВПУ: высокая эффективность, достигающая 98—99% и выше; незначительное влияние на степень очистки нагрузки по газу, концентрации и температуры; возможность очистки горючих газов; возможность регулирования процесса отделения пыли за счет изменения количества вторичного воздуха; меньший по сравнению с циклонами расход энергии; отсутствие абразивного износа стенок аппарата вследствие гидродинамики закрученного потока; занимают меньшие по сравнению с циклонами производственные площади [1,3,5,6,16,32,54,61—64,72,73].

К недостаткам вихревых аппаратов можно отнести следующие: увеличение объема отходящих газов за счет вторичного потока, что приводит к необходимости увеличения сечения отводящих коллекторов и дымовых труб; необходимость установки дополнительного дутьевого устройства для подачи вторичного потока; по сравнению с циклонами большая сложность устройства и эксплуатации; с увеличением габаритов аппаратов снижается эффективность пылеулавливания [1,3,5,6,32,54].

В технике разделения сыпучих материалов на фракции применяется большое количество типов гравитационно-центробежных сепараторов, простейшим из которых, как указывалось выше, является циклон. Однако циклон применяется преимущественно не для сепарации, а для отделения частиц из несущего потока. Устройство собственно сепараторов несколько сложнее циклона.

Рассмотрим аэродинамические классификаторы. По взаимной ориентации аэродинамической и массовой сил классификаторы могут быть разделены на противоточные и инерционные (рис.2.3) [10,11,35,60]. В противоточных классификаторах действующие силы направлены в прямо противоположные стороны. Такие классификаторы называют равновесными. В остальных случаях, когда угол между силами отличен от 180°, определяющую роль играет сила инерции относительного движения, и такие аппараты называют инерционными.

Основанные на действие силы тяжести классификаторы называют гравитационными. На рис. 2.3 (а) показана схема простейшего гравитационного классификатора [35,60]. Переход к разделению по тонким и особо тонким границам (dгр <200мкм) требует значительного увеличения массовых сил по сравнению с силой тяжести. Это достигается с помощью центробежных сил инерции переносного движения, возникающих при вращении газового потока. Простейший центробежный классификатор показан на рис.2.3. (б) [35,60].

Если альтернативные силы классификации занимают не прямо противоположное направление, то определяющими становятся инерционные эффекты при движении частиц, а классификация называется инерционной. Схемы инерционных классификаторов показаны на рис. 2.4 [35,60].

Конструктивные особенности классификаторов каждой группы направлены в основном на обеспечение требуемой границы разделения и повышение его эффективности. Это приводит к тому, что конструктивно классификаторы одной и той же группы значительно отличается.