Проблема создания промышленных агрегатов для утилизации твердых углеродистых отходов. Возможности ее решения

Проблема создания промышленных агрегатов для утилизации твердых углеродистых отходов. Возможности ее решения

Кандидаты техн. наук А.С.Парфенюк, С.П.Веретельник, И.В.Кутняшенко, А.А.Топоров,  А.Г.Мельниченко (ДонГТУ, Украина)

Проблема утилизации твердых отходов промышленного и бытового происхождения приобретает в настоящее время все более острый характер в связи с тем, что объемы генерирования отходов постоянно растут, в то время как темпы их переработки несопоставимо малы. В результате к настоящему времени накоплены сотни миллионов тонн различных твердых отходов, которые необходимо переработать и обезвредить.

Масштабы ежегодного продуцирования и накопления твердых отходов требуют быстрейшего создания мощных перерабатывающих установок производительностью, измеряемой миллионами тонн в год с их промышленным освоением. Это представляется осуществимым на базе уже имеющихся проектов, методов переработки углеродистых материалов и наработок для коксохимической отрасли с их реализацией на существующих предприятиях коксохимической промышленности, на углеобогатительных фабриках, а также на металлургических комбинатах с коксохимическим производством. Ситуация, возникшая в промышленности в связи со снижением потребления кокса и выводом части производственных мощностей коксохимических предприятий из эксплуатации, может быть использована для вовлечения инфраструктуры, мощностей и кадров коксохимических производств в систему переработки твердых органических отходов.

Твердые углеродистые отходы (ТУО), основную массу которых составляют отходы углеобогащения, различные шламы и бытовые отходы являются специфическим видом отходов, имеют высокий энергохимический потенциал и не столь токсичны, как многие виды промышленных твердых отходов. В целом можно сделать их переработку экономически выгодной [1]. Специфика ТУО заключается в том, что в малых количествах они не оказывают заметного влияния на окружающую среду, а в больших скоплениях становятся экологическим бедствием. Поэтому в настоящее время во всем мире активно ведутся исследования и разработки техники и технологий для переработки и обезвреживания ТУО. Их предложение очень быстро нарастает на уровне публикаций и предварительных исследований [2].

Проблема состоит в том, что доведение этих предложений до практической реализации в промышленности наталкивается на многочисленные трудности финансового, социального и технического характера. Основной технической проблемой, по нашему мнению, представляется переход от обилия различных технологических предложений к реальным конструкциям крупномасштабных агрегатов и машин для переработки ТУО. Создание надежного и эффективного промышленного оборудования - объективно более сложная задача, чем разработка, лабораторные испытания и предложение технологии переработки ТУО.

Применяемые в настоящее время на практике способы решения проблемы твердых отходов в подавляющем большинстве сводятся к пассивным методам, включающим компактирование, капсулирование, захоронение или складирование на полигонах. Активные методы переработки связаны в основном с термическим и другими воздействиями на ТУО, приводящими к их структурно-химическим превращениям. К ним относятся сжигание, пиролиз, термолиз (термическое разложение без доступа воздуха), газификация, катализ, различные биотехнологические процессы и т.д. Из активных методов доминирующим является сжигание, применение которого, однако, не позволяет полностью решить экологические вопросы и тем более обеспечить глубокое использование химического потенциала ТУО.

Аппаратная реализация активных методов переработки ТУО наталкивается на ряд трудностей, главная из которых—это нестабильность физико-механических, химических и теплофизических свойств, что не позволяет непосредственно и эффективно применить для переработки ТУО имеющееся типовое оборудование других производств. В ходе поиска и анализа путей реализации активных способов и средств переработки сформулированы требования к такой технике и технологии, отмечены основные особенности свойств ТУО. Установлено, что только сжигания с утилизацией тепла или только термического воздействия на ТУО явно недостаточно для высокой экологической эффективности и экономичности промышленного процесса утилизации. Необходимо комплексное воздействие, которое состоит из механического, термического и химического и обеспечивает глубокую переработку и утилизацию ТУО. При этом термическое воздействие представляется, как правило, завершающей стадией комплекса воздействий, в результате чего должны быть получены энергия, газообразные и жидкие продукты, строительные материалы.

Основные требования к технике для переработки ТУО, сформировавшиеся в результате анализа [3],—это прежде всего высокая производительность и надежность при глубоком использовании энергохимического потенциала отходов; экологичность, гибкость в управлении, устойчивость режима при изменении свойств перерабатываемых отходов, высокий уровень автоматизации.

Взаимосвязь физико-механических свойств твердых отходов с параметрами перерабатывающей техники

Многообразие свойств ТУО как перерабатываемого сырья, его неоднородность и нестабильность особенно негативно сказываются на эффективной работе оборудования и вообще на его работоспособности.

В решении проблемы создания техники для переработки твердых промышленных и бытовых отходов важны достоверные знания о различных физико-механических характеристиках отходов, поскольку они являются исходными расчетными величинами при проектировании оборудования. Эти характеристики изменяются в очень широком диапазоне; в частности, насыпная плотность не менее 350-900 кг/м3, содержание влаги не менее 50%, угол естественного откоса 30-80°, крупность - от пылевидных классов до крупнокусковых и т.д. Следует отметить, что различные составы ТУО существенно отличаются по своим физико-механическим характеристикам в зависимости не только от состава компонентов, но и от влажности.

При разработке или выборе техники для предварительной подготовки ТУО, в том числе измельчителей, смесителей, брикетных прессов и др., которые могут применяться для обработки ТУО, исходными данными служат объемная плотность материала, его крупность, начальное сопротивление сдвигу, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, паспорт прочности, параметры компрессионной кривой, энергоемкость и др. Кроме того, используют ряд характеристик, специфичных для конкретных агрегатов.

Учет сдвиговых и структурных характеристик ТУО необходим для расчетов и выбора, транспортирующих, дозирующих и смесительных устройств. Компрессионные характеристики позволяют спроектировать брикетные и прессующие устройства, определить силовые параметры механизмов и энергозатраты на брикетирование и прессование материала перед термической переработкой. Прочностные характеристики спрессованных ТУО позволяют рассчитать основные геометрические и конструктивные параметры перерабатывающих агрегатов и определять рациональные технологические режимы.

Стабилизацию физико-механических характеристик при имеющемся разнообразии ТУО можно достичь только путем предварительной подготовки усреднением и механической обработкой значительных масс перерабатываемого сырья. Однако такая подготовка не только улучшит качество сырья, но и может привести к удорожанию технологии переработки. Поэтому задача стабилизации характеристик сырья должна быть решена с минимальными затратами при создании техники, со снижением энергетических затрат на его подготовку, путем организации процесса с возможно малым числом операций.

Таким образом, подготовка твердых отходов к переработке представляется сложной самостоятельной проблемой. Однако даже при успешном ее решении переработка сырья в агрегатах, аналогичных горизонтальным коксовым печам периодического действия, не представляется возможной из-за сложностей учета изменений его физико-механических характеристик и их влияния на ход процесса, трудностей выдачи печей и других технических причин. Эффективное влияние всех ранее обозначенных видов комплексного воздействия на ТУО в одном агрегате типа коксовой печи затруднено, поскольку практически невозможно одновременно обеспечить в печи оптимальные режимные параметры для различных стадий процесса переработки и управлять собственно процессом. Обеспечение оптимального ведения процесса переработки ТУО путем разделения его на стадии, каждая из которых протекает в отдельном агрегате, резко усложнит и сделает дорогой всю технологию. Поэтому предпочтительнее осуществлять эти управляющие воздействия в процессе переработки ТУО в определенных зонах одного агрегата, где создаются наилучшие режимные условия.

Определяющие свойства твердых отходов и закономерности их изменения при переработке.

Как уже было показано, для обоснования конструктивных параметров и режимов работы машин и агрегатов определяющими являются данные о физико-механических характеристиках отходов, которые во многом зависят от характера, величины, способа приложения действующих на сырье механических нагрузок. При этом перерабатываемый материал будет приобретать на стадии предварительной подготовки соответствующую нагрузке структуру и свойства, изменяющиеся в широком диапазоне: от плохо сыпучей волокнистой рыхлой дисперсной массы до сплошных крупноразмерных квазиоднородных прессованных блоков, обладающих некоторой механической прочностью.

В зависимости от конструкции агрегата, режима его работы, способа переработки перерабатываемый материал ведет себя по-разному: как сыпучая среда; вязкое тело, моделируемое квазиоднородной сплошной средой; уплотняемая дисперсная масса, обладающая компрессионными свойствами; как твердое тело, подчиняющееся законам сопротивления материалов, упругости и пластичности.

Механическое воздействие на ТУО непосредственно в агрегате, влияющее на последующий процесс термической переработки, является по сути компактированием, которое существенно повышает производительность агрегата, может способствовать удалению избыточной влаги из перерабатываемого сырья и снижать энергетические и экономические затраты на переработку.

Все физико-механические характеристики могут быть установлены только экспериментальным путем, причем условия испытаний должны быть максимально приближены к производственным, т.е. учитывать весь возможный диапазон изменения влияющих факторов. Для определения значений определяющих характеристик твердых отходов и анализа отличительных особенностей и степени их изменения при механическом воздействии были выполнены экспериментальные исследования по известным методикам [4-6], апробированным на различных дискретных материалах, в частности на угольных шихтах и брикетных массах. Важной задачей было также определение реального диапазона изменения характеристик для различных видов предварительной обработки отходов и составления композиций, состоящих из ТУО бытового и промышленного происхождения.

Было проведено несколько десятков серий сдвиговых, компрессионных и прочностных испытаний в диапазоне давлений от 0,1 до 15 МПа со статистической обработкой данных. Испытуемые смеси состояли из обезвоженного шлама углеобогащения ОФ Авдеевского коксохимического завода с различными видами добавок. Степень измельчения шлама по содержанию класса <3 мм составляла 100%. Добавки представляли собой усредненные бытовые отходы, а также полихлорвиниловую и древесную стружку крупностью не более 5 мм.

Сдвиговые испытания позволили установить характер изменения коэффициентов внутреннего ƒ и внешнего ƒ0 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 τо при этом имеют выраженную связь с коэффициентом трения: при наличии максимума у коэффициента внутреннего трения ƒ величина τо имеет минимум и наоборот.

Результаты определения компрессионных и прочностных характеристик ТУО от соотношения различных компонентов в смесях позволяют сравнить эти характеристики с аналогичными для углешихтовых материалов с различными связующими. Такое сравнение представляется целесообразным в связи с возможностью переработки ТУО в тепловых агрегатах камерного типа, аналогичных коксовым печам. В частности, опыты показали, что при добавлении твердых бытовых отходов к шламам углеобогащения происходит снижение насыпной плотности (на 5-10%) и значительное (примерно вдвое) снижение коэффициента внутреннего трения ƒ и начального сопротивления сдвигу τс. Это свидетельствует о хорошей возможности управления исходными характеристиками смесей в процессе подготовки путем варьирования их состава. Установлено, что компрессионные характеристики различных составов ТУО изменяются мало, но при этом прочностные свойства уплотненной под давлением до 15 МПа смеси с ТБО снижаются (τс в 1,5-2 раза, tgφ на 10-15%).

Определение физико-механических характеристик композиций шламов углеобогащения с отвальными отходами позволяет сделать вывод об ухудшении этих характеристик как сырья для переработки с увеличением содержания твердой неорганической составляющей в смеси. Исследования же ТУО в целом показали, что физико-механические характеристики твердых отходов изменяются в очень широком диапазоне, перекрывающем диапазон изменения таких характеристик для различных углешихтовых смесей. При этом добавление некоторых компонентов в пределах 2-10% в состав перерабатываемого сырья может принципиально изменять свойства и механическое поведение материала. Установлено также, что для нынешнего уровня знаний характеристик ТУО невозможно прогнозировать с высокой точностью, как повлияет на физико-механические характеристики смеси твердых отходов введение тех или иных добавок. Препятствие такому прогнозированию—значительный разброс абсолютных величин наиболее важных для проектирования техники компрессионных и прочностных характеристик ТУО, что обусловлено природой этого сырья.

Выяснение степени влияния влажности, дисперсности, химического состава, способа подготовки, содержания и других характеристик компонентов на физико-механические характеристики смесей различных видов отходов требует дальнейших исследований.

Возможный путь решения проблемы переработки твердых углеродистых отходов

На основании изложенного особенно важным представляется положение о необходимости создания гибкого автоматизированного производственного комплекса, имеющего в своем составе кроме машин и агрегатов для переработки ТУО в соответствии с приведенными требованиями к такой технике, лабораторные установки для оперативного определения физико-механических характеристик и компьютерный комплекс с соответствующим программным обеспечением для реагирования на изменение свойств сырья. При этом одним из главных свойств производственного комплекса для переработки ТУО является его гибкость в управлении с возможностью быстрого, без потерь перехода на измененный режим при наличии достаточного числа управляющих факторов.

Хорошие возможности для реализации перечисленных требований, предъявляемых к промышленным технологиям и агрегатам для переработки ТУО, имеет технология переработки с использованием батарей наклонных блочных агрегатов (НБА), разработанная для коксования низкосортных углей. Технология имеет такую последовательность основных операций:

сортировка исходного сырья с извлечением крупных включений металлов, стекла и керамики; 

измельчение, дозирование и смешение компонентов; 

загрузка смеси ТУО в агрегат и ее прессование; 

термолиз смеси ТУО с получением твердого углеродистого остатка и летучих химических продуктов; 

сжигание углеродистого остатка с утилизацией тепла; 

утилизация зольного остатка в производстве строительных материалов. 

Процесс термолиза смеси ТУО в наклонных блочных агрегатах характеризуется высокой экологичностью, поскольку протекает в замкнутом пространстве герметичной камеры, непрерывностью, хорошей управляемостью и степенью автоматизации. Агрегаты отличаются конструктивной простотой, обеспечивают комплексное воздействие на сырье нескольких управляющих факторов и компонуются в батареи, аналогичные существующим батареям коксовых печей. Этим достигается их надежность, необходимая экономичность, хорошие теплотехнические характеристики, использование проверенных в коксовом производстве технических решений.

Высокоэффективная переработка отходов в НБА методом пиролиза или термолиза вполне осуществима при обеспечении однородности сырья и стабильности его основных физико-механических и технологических свойств. Как показано, этими свойствами в определенных пределах можно управлять посредством предварительной подготовки и комплекса механических, химических и термических воздействий, к которым относятся: измельчение, усреднение, дозирование и перемешивание компонентов в определенных соотношениях, введение в состав связующих, твердых присадок, компактирование, прессование сырья с последующей термообработкой.

Выводы:

1. Острая необходимость решения проблемы утилизации твердых углеродистых промышленных и бытовых отходов требует скорейшего создания и освоения надежных и эффективных машин и агрегатов для крупнотоннажной промышленной переработки отходов, имеющих существенный энергохимический потенциал.

2. Наиболее приемлемой представляется комплексная переработка твердых углеродистых отходов, предполагающая механическое, термическое и химическое воздействие с получением энергии, химических продуктов и строительных материалов. Относительно быстрая промышленная реализация такого процесса возможна при использовании известных разработок, мощностей и инфраструктуры коксохимических предприятий.

3. Одной из главных трудностей при проектировании и освоении техники для переработки твердых отходов следует считать широкий диапазон изменения и нестабильность физико-механических характеристик отходов как сырья для переработки. Эти характеристики должны быть установлены экспериментальным путем для условий, максимально приближающихся к производственным.

4. Исследования физико-механических характеристик твердых отходов показали, что существуют реальные возможности стабилизации и направленного изменения этих характеристик изменением составов и предварительной обработкой различных композиций твердых углеродистых отходов. При этом в зависимости от целевых задач возможно получение характеристик, аналогичных таковым для угольных шихт и брикетируемых углей со связующими добавками.

5. Конструкция наклонных коксовых агрегатов непрерывного действия для коксования низкосортных углей представляется вполне приемлемой основой для создания крупномасштабных установок для термолиза твердых углеродистых отходов бытового и промышленного происхождения.

Список литературы

1.Использование вторичного сырья и отходов производства (Отечественный и зарубежный опыт, эффективность и тенденции): Под ред. В.Н.Ксинтариса и Я.А.Ренитара. - М.: Экономика, 1983. - 168 с.

2.Тихоцкая Н.С. Япония: проблемы утилизации отходов. -М.: Наука, 1992.-102 с.

3.Цыганков А.П., Сенин В.Н. Циклические процессы в химической технологии. Основы безотходных производств. - М.: Химия, 1989. - 320 с.

4.>А.с. 1663013 СССР. Способ определения спекаемости углей и устройство для его осуществления/А.С.Парфенюк, И.ГДедовец, И.В.Кутняшенко и др.//Б.И. 1991. № 26.

5.А.с. 845059 СССР. Устройство для реологических испытаний материаловА.С.Парфенюк, В.С.Карпов //Б.И. 1981. №25.

6А.с. 905706 СССР. Устройство для компрессионных испытаний магериапов/ А.СПарфенюк, В.И.Назаров //Б.И. 1982. №2.