Оборудование для компактирования техногенных материалов

УДК 66.022.55

М. В. Севостьянов, Т. Н. Ильина, И. А. Кузнецова, Е. А. Шкарпеткин, Л. И. Шинкарев

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОМПАКТИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

UDC 66.022.55

М. V. Sevostyanov, Т. N. Ilyina, I. А. Kuznetsova, Y. А. Shkarpetkin, L. I. Shinkarev EQUIPMENT FOR COMPACTING TECHNOGENIC MATERIALS

Аннотация

Представлены результаты многолетних исследований в области создания малотоннажных технологических комплексов и патентозащищенного оборудования для компактирования техногенных материалов с различными физико-механическими свойствами, использованные при разработке вибрационно-центробежного гранулятора и пресс-валкового агрегата с предварительным уплотнением шихты, а также опытно-промышленных технологических комплексов для компактирования техногенных композиционных смесей.

Ключевые слова:

технологические комплексы, компактирование, гранулы, брикеты, пресс-валковый агрегат, вибра-ционно-центробежный гранулятор.

Abstract

The results of many years' research are presented which was aimed at developing and creating small-capacity processing systems and patent-protected equipment for compacting technogenic materials with different mechanical and physical properties. The results of design and engineering studies and experimental research were used to create a vibration and centrifugal granulator and a press-roller unit with pre-compaction of the charge mixture, as well as the experimental-industrial technological equipment for compacting technogenic composite mixtures.

Key words:

technological complexes, compacting, granules, briquettes, press roller unit, centrifugal vibration granulator.

Одним из направлений комплексного решения проблемы ресурсосбережения и эффективного использования вторичных материалов является разработка малотоннажных технологических комплексов, применение которых в отечественной индустрии позволит оперативно реагировать на быстроизменяю-щиеся условия рынка и его требования по выпуску конкурентоспособной импортозамещающей продукции. Широкая гамма техногенных материалов (ТМ) с различными физико-механическими

свойствами (насыпной плотностью, дисперсностью, пластичностью, текстурой и др.) предопределяет необходимость создания специального оборудования для компактирования сыпучих шихт с малой насыпной массой. Ком-пактированная продукция имеет широкое технологическое назначение. Сформованные гранулы и спресованные брикеты могут быть использованы в качестве альтернативного топлива для получения тепловой и электрической энергии в тепло- и электрогенераторах, теп-

© М. В. Севостьянов, Т. Н. Ильина, И. А. Кузнецова, Е. А. Шкарпеткин, Л. И. Шинкарев, 2016

лоизоляционных материалов и заполнителей для производства строительных изделий, органоминеральных удобрений пролонгированного действия и др. [1-5].

Целью научно-технических разработок и исследований являлось создание специального оборудования и технологических комплексов, учитывающих специфические особенности техногенных шихт.

Особую группу дисперсных мате-

риалов составляют техногенные порошкообразные отходы с малой насыпной массой (50...500 кг/м3), к которым относятся уловленная пыль сушильных и обжиговых агрегатов, отходы перлитового и вермикулитового производства, золы ТЭЦ и др.

На рис. 1 представлен технологический комплекс для гранулирования техногенных порошкообразных материалов с малой насыпной массой.

Рис. 1. Малотоннажный технологический комплекс для гранулирования техногенных порошкообразных материалов: 1 - автотранспорт; 2, 3 - бункер-накопитель; 4, 5 - ячейковый питатель; 6 - шнековый транспортер; 7, 8 - бункер компонентов; 9 - лопастной смеситель; 10 - вертикальный шнек; 11 - вибрационно-центробежный гранулятор; 12, 14 - ленточный транспортер; 13 - сушильный агрегат; 15 - дозатор-упаковщик; 16 - склад готовой продукции

Технология получения гранул реализуется следующим образом.

Исходный техногенный материал (уловленная пыль сушильных и обжиговых агрегатов, отходы перлитового и вермикулитового производства, золы ТЭЦ и др.) доставляется автотранспортом 1 и загружается в бункеры-накопители 2 и 3. Из накопительных бункеров с помощью ячейковых питателей 4 и 5, а далее шнекового транспортера 6 техногенный материал направляется в ло-

пастной смеситель 9, где происходит смешение с другими компонентами (воздушными или гидравлическими вяжущими, пластификаторами и др.) с одновременным увлажнением смеси. Дополнительные компоненты подаются в смеситель из бункеров 7, 8 посредством шнекового транспортера 6. Гранулирование техногенной композиционной смеси осуществляется в вибрационно-центробежном грануляторе 11, куда предварительно приготовленная шихта

подается вертикальным шнеком 10. Сформованные гранулы попадают на ленточный транспортер 12 и загружаются в барабанно-винтовой сушильный агрегат 13. Высушенные гранулы с помощью ленточного транспортера 14 подаются для расфасовки в дозатор-упаковщик 15, после чего упакованная продукция направляется на склад 16 готовой продукции. Сгранулированные техногенные материалы отгружаются потребителю для использования гранул в различном технологическом назначении: в качестве теплоизоляционных заполнителей в сухих строительных смесях и строительных изделиях, поризо-ванных органоминеральных удобрений пролонгированного действия, гранулированных адсорбентов для фильтрации жидких сред и др.

С учетом вышеуказанных специфических свойств ТМ авторами разработан и изготовлен опытно-промышленный вибрационно-центробежный гранулятор (ВЦГ) (рис. 2), обеспечивающий последовательное выполнение различных технологических операций, что существенно его отличает от известных конструкций. ВЦГ обеспечивает микрогранулирование (формирование зародышей гранул) исходной шихты, классификацию микрогранулята (камера 1), формирование гранул в во-допадно-каскадном и каскадном режимах (камеры 2 и 3), сферообразование и упрочнение поверхностного слоя гранул (торообразные камеры) [6].

Гранулятор работает следующим образом. Исходный материал из загрузочного бункера попадает в устройство предподготовки, т. е. в прессующие валки. Между валками благодаря профилированной прессующей поверхности происходит удаление газообразной фазы и формирование уплотнённой структуры материала. Образовавшийся микрогранулят различной формы и размеров через загрузочный патрубок

поступает в верхний барабан, перемещение которого осуществляется в вертикальной плоскости. За счёт вибрационных сил происходит классификация гранулята - удаление просыпи с ее рециклингом.

Из верхнего барабана зародыши гранул поступают в средний барабан, где происходит их последующее уплотнение и формование в водопадно-кас-кадном режиме. В среднем барабане в его сечении осуществляется перемещение материала по эллипсовидной траектории. Далее гранулят попадает в нижний барабан, в котором перемещение материала в поперечном сечении происходит по круговой траектории (в каскадном режиме) под действием цент-робежно-гравитационных сил. При интенсивных динамических нагрузках происходит массообмен между гранулами, т. е. окатывание гранул с переносом отдельных частиц на другие гранулы.

Из нижнего барабана гранулы попадают в тороидальные камеры, где происходит завершающий процесс сфе-рообразования и упрочнения поверхностного слоя гранул в динамическом режиме [7].

Технические характеристики ВЦГ: диаметр формующих валков Б1 = 0,26 м и Б2 = 0,18 м, ширина В1 = В2 = 0,1 м; зазор между валками И = (1.. .5) • 10-3 м; частота вращения валков

Пв = 50.200 об/мин; диаметр цилиндрических барабанов Б1 = Б2 = Бз = 0,15 м, длина Ь = Ь2 = Ьз = 0,50 м; диаметр то-рообразных камер Бт1 = Бт2 = 0,24 м; частота вращения эксцентриковых валов Пэ = 100.500 об/мин; эксцентриситет е = 20 • 10-3 м.

Общий вид гранулированной продукции, полученной в ВЦГ, представлен на рис. 3.

Рис. 2. Вибрационно-центробежный гранулятор для гранулирования техногенных материалов:

а - схема конструкции; б - общий вид; 1 - станина; 2 - бункер; 3 - вал; 4 - прессующие валки; 5 - электропривод; 6 - опорные стойки; 7 - вертикальные направляющие; 8 - ползуны; 9 - шарниры; 10 - рама; 11 - эксцентриковые валы; 12 - неподвижные опоры; 13 - промежуточный вал; 14 - зубчатая передача; 15, 16, 17 - цилиндрические барабаны; 18 - центральная перегородка; 19 - разгрузочные окна; 20 - наклонные лотки; 21 - соединительный патрубок; 22 - усечённые конусы; 23 - центральный соединительный патрубок; 24 - усеченные конусы; 25 - торообразные камеры; 26 - разгрузочное устройство

а)

б)

в)

Рис. 3. Гранулы, сформованные из различных пылевидных техногенных материалов: а - отходы

перлитового производства; б - пылеунос вращающихся печей цементного производства; в - пылеунос обжиговых агрегатов известкового производства

Полученные гранулы могут применяться в виде поризованных заполнителей для производства сухих строительных смесей: теплоизоляционных, штукатурных, армирующих и др.

Компактирование техногенных материалов, обладающих невысокой пластичностью, производится с целью получения тел с заданными геометрическими размерами и плотностью (по техническим требованиям потребителя); используется способ брикетирования.

Для получения из порошкообразных или вязкопластичных техногенных материалов, спрессованных до различной геометрической формы и размеров тел (Ь х В х Н = (59 х 47 х 27) • 10-3 м;

Ь х В х Н = (32 х 30 х 18) • 10-3 м), авторами разработан технологический комплекс (рис. 4) и специальный пресс-валковый агрегат (ПВА) [8].

Из приемного бункера 1 воздушное вяжущее (гипс, гашеная известь и др.) с помощью ячейковых питателей 2 и шнековых конвейеров 3 совместно с отходами перлитового производства подаются для смешения в смеситель 9. Отходы перлитового производства (пы-лесодержащая смесь с размером частиц менее 100 мкм) или другие тонкодисперсные отходы (например, отходы деревообрабатывающего производства, золы ТЭЦ и др.) также с помощью ячейковых питателей 2 подаются из

бункеров 6 в конвейер 3, под которым установлена емкость 7 для водного раствора жидкого стекла. Подача техногенных материалов в бункеры 6 может

осуществляться как механическим (с помощью элеватора), так и пневмомеханическим способом через бункер 4 вентилятором 5.

Рис. 4. Технологический комплекс для брикетирования техногенных порошкообразных материалов: 1 - бункер вяжущего; 2 - ячейковые питатели; 3 - шнековые конвейеры; 4 - приемный бункер перлитсодержащих отходов; 5 - пневмотранспортирующее устройство; 6 - бункеры перлитсодержащих отходов; 7 - емкости водного раствора жидкого стекла; 8 - емкость ПАВ; 9 - лопастной смеситель; 10 - ПВА с устройством для предварительного уплотнения шихты; 11 - виброгрохот; 12 - элеватор возврата просыпи; 13 - ленточный транспортер; 14 - барабанно-винтовой сушильный агрегат; 15 - вентилятор; 16 - ленточный конвейер; 17 - весы; 18 - биг-бэг

Композиционная техногенная смесь увлажняется раствором с ПАВ из емкости 8, гомогенезируется в лопастном смесителе 9 и далее направляется в ПВА 10. Полученная после классификации спрессованной продукции на виброгрохоте 11 просыпь возвращается посредством элеватора 12 обратно в смеситель 9.

Полученные брикеты ленточным конвейером 13 подаются для сушки в ба-рабанно-винтовой сушильный агрегат 14 специальной конструкции. Теплоноситель в сушильный барабан подается с помощью вентилятора 15. Готовая продукция - брикеты - с помощью ленточного конвейера 16 подается для взвешивания на весах 17 в биг-бэгах 18 и далее -на склад готовой продукции.

Основополагающим агрегатом технологического комплекса для брике-

тирования техногенных порошкообразных материалов является пресс-валковый агрегат с устройством для предварительного уплотнения шихты (рис. 5).

Разработанный авторами ПВА обладает дополнительными технологическими возможностями и новыми конструктивными решениями. ПВА обеспечивает достаточно широкий диапазон варьирования давления прессования (Р > 5.30 МПа) за счет изменения коэффициента предварительного уплотнения шихты (Купл = 1,0.3,7) с помощью специальных устройств - валкового и шнекового предуплотнителей

[8, 9].

Конструкция ПВА обеспечивает равномерное распределение брикетируемой шихты по ширине уплотняющих устройств, а также желобково-зубчатых

формующих элементов прессового агрегата.

Возможность варьирования коэффициента предварительного уплотнения шихты создает благоприятные условия

для получения брикетов необходимой прочности, спрессованных из техногенных материалов различной исходной насыпной массы.

б)

Рис. 5. Пресс-валковый агрегат с устройствами для предварительного уплотнения шихты: а - схема

конструкции; б - общий вид; 1 - верхний блок; 2 - нижний блок; 3 - валки; 4 - распределительные пластины; 5, 6 - эластичные валики; 7,8 - движущиеся ленты; 9 - щековый уплотнитель; 10, 11 - пустотелые камеры; 12, 13 - корпуса эксцентриков; 14, 15 - валы; 16, 17 - нагнетательные валики; 18, 19 - дугообразные уплотнители; 20, 21 - серьги; 22, 23 - подвижные шиберы; 24 - шевронообразные выступы; 25 - вибраторы; 26 - нагревательные элементы

Изменение частоты вращения приводных валов устройств для предварительного уплотнения шихты, а также формующих элементов пресса позволяет варьировать давление прессования и производительность ПВА.

Пресс-валковый агрегат работает следующим образом. Техногенный материал с исходной насыпной массой, проходя через зазор между уплотняющими валиками и бесконечными движущимися лентами, уплотняется на первой стадии Купл1. В случае использования брикетируемой шихты повышенной влажности избыточная жидкость отжимается. Вторая стадия предварительного уплотнения материала Купл2 обеспечивается между вибрирующими щеками.

Нагнетание предварительно

уплотненной в валковом предуплотни-теле шихты в ячейки формующих элементов осуществляется с помощью нагнетательных валиков, посаженных на приводных валах свободно. Вращение валиков обеспечивается за счет сил трения о материал, вовлекаемый в межвалковое пространство вальцов.

Наличие у щекового уплотнителя в его верхней части пустотелых камер обеспечивает дополнительные преимущества: дополнительное уплотнение материала в отсеках при движении щёк, а также исключение зависания материала в отсеках; вибрационное воздействие на уплотняемый материал при установке вибраторов в пустотелых камерах на их боковых стенках; нагрев уплотняемого материала за счёт использования в камерах термонагревателей при использовании связующих, требующих термоподогрева, например, нефтешламовых связующих.

Совокупность вышеуказанных технологических приёмов: разделение потоков I и II, III, вибровоздействие, термоподогрев, дополнительное нагнетание материала в ячейки валков и его уплотнение валиками перед подачей материала в межвалковое пространство - позво-

ляет получить прирост плотности брикетов, а следовательно, и производительности ПВА.

Вышеуказанные преимущества ПВА существенно отличают данный агрегат от известных конструкций.

Технические характеристики ПВА: два электродвигателя постоянного тока Птах = 1800 мин-1, N1 = 11 кВт; привод устройств для предварительного уплотнения шихты - электродвигатель постоянного тока, п = 970 мин-1, N = 2,5 кВт, расстояние между параллельными пластинами виброщекового уплотнителя (10.60) • 10-3 м, угол направленного вибровоздействия О-в.возд. = 60°, частота вращения приводных валов с эксцентриками е = (2.10) • 10-3 м, Пэксц.в = 0,5.10 с-1.

Общий вид сбрикетированной продукции, полученной в ПВА из техногенных материалов с различными физико-механическими характеристиками, представлен на рис. 6.

Области использования брикетов, спрессованных из техногенных материалов, достаточно широки: альтернативное топливо, теплоизоляционные заполнители для производства конструкционно-теплоизоляционных изделий, теплоизоляционные и звукоизоляционные засыпки, адсорбирующие наполнители фильтрующих элементов для очистки жидких сред, комбикормовые брикеты агропромышленного комплекса, комплексные удобрения пролонгированного действия и др.

Таким образом, проведенные авторами опытно-промышленные испытания технологических комплексов и патентно-защищенных ВЦГ и ПВА подтвердили их эффективность, эксплуатационную надежность оборудования, а также широкие возможности использования при переработке и утилизации техногенных материалов. Сферы применения гранулированной и брикетированной продукции из техногенных шихт далеко не исчерпаны.

...........................................

тгзчььтвч

Рис. 6. Брикеты, спрессованные из различных техногенных шихт: а - отходы деревообрабатывающего производства с нефтешламовым связующим; б - целлюлозно-бумажные отходы с раствором жидкого стекла; в - отходы зерновых культур с патокой; г - отходы керамзитового производства с ПАВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Переработка и утилизация дисперсных материалов и твердых отходов : учеб. пособие / В. И. Назаров [и др.]. - М. : Альфа-М ; ИНФРА-М, 2014. - 464 с.

2. Технические основы переработки и утилизации техногенных материалов / В. С. Севостьянов [и др.]. - Белгород : БГТУ им. В. Г. Шухова, 2011. - 263 с.

3. Губанов, Л. И. Рециклирование материалов из отходов сточных вод при повторном использовании в производстве : учеб. пособие / Л. И. Губанов, А. Ю. Зверева, В. И. Зверева. - Н. Новгород : ННГАСУ, 2009. - 405 с.

4. Ильина, Т. Н. Процессы агломерации в технологиях переработки дисперсных материалов : монография / Т. Н. Ильина. - Белгород : БГТУ им. В. Г. Шухова, 2009. - 229 с.

5. Способы компактирования техногенных материалов и технические средства для их реализации / М. В. Севостьянов [и др.] // Вестн. БГТУ им. В. Г. Шухова. - 2015. - № 2 - С. 107-111.

6. Пат. 2412753 Российская Федерация, МПК7 В 01 J 2/00. Вибрационно-центробежный грану-лятор / Т. Н. Ильина, М. В. Севостьянов, Е. А. Шкарпеткин, В. И. Уральский ; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В. Г. Шухова ; заявл. 25.09.09 ; опубл. 27.02.11, Бюл. № 6. - 6 с.

7. Севостьянов, М. В. Изучение процесса гранулообразования в вибрационно-центробежном гра-нуляторе / М. В. Севостьянов, Е. А. Шкарпеткин // Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Белгород : БГТУ им. В. Г. Шухова, 2013. - Т. 2. - С. 222-225.

8. Пат. 2473421 Российская Федерация, МПК7 В 28 В 3/12. Способ формования техногенных материалов и пресс-валковый агрегат для его осуществления / С. Н. Глаголев, В. С. Севостьянов, С. В. Свергузова, Л. И. Шинкарев, М. Н. Спирин, Д. Д. Фетисов, М. В. Севостьянов, Ж. А. Свергузова ; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В. Г. Шухова ; заявл. 07.09.11 ; опубл. 27.12.11, Бюл. № 3. - 6 с.

9. Брикетирование топливосодержащих шихт в пресс-валковом агрегате с предварительным уплотнением материала / В. С. Севостьянов [и др.] // Экология, образование, наука, промышленность и здоровье : сб. докл. IV Междунар. науч.-практ. конф. - Белгород : БГТУ им. В. Г. Шухова, 2011. - Ч. 1. -С. 136-144.

Статья сдана в редакцию 11 апреля 2016 года

Максим Владимирович Севостьянов, канд. техн. наук, доц., Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова. E-mail: tkmm_bstu@mail.ru.

Татьяна Николаевна Ильина, д-р техн. наук, проф., Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова. E-mail: Ilina-bstu@mail.ru.

Ирина Анатольевна Кузнецова, канд. экон. наук, доц., Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова. E-mail: tkmm_bstu@mail.ru.

Евгений Александрович Шкарпеткин, канд. техн. наук, доц., Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова. E-mail: tkmm_bstu@mail.ru.

Леонид Иванович Шинкарев, канд. техн. наук, доц., Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова. E-mail: Belsk44@mail.ru.

Maksim Vladimirovich Sevostyanov, PhD (Engineering), Associate Prof., Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov. E-mail: tkmm_bstu@mail.ru.

Tatiana Nikolayevna Ilyina, DSc (Engineering), Prof., Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov. E-mail: Ilina-bstu@mail.ru.

Irina Anatolyevna Kuznetsova, PhD (Economics), Associate Prof., Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov. E-mail: tkmm_bstu@mail.ru.

Yevgeny Aleksandrovich Shkarpetkin, PhD (Engineering), Associate Prof., Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov. E-mail: tkmm_bstu@mail.ru.

Leonid Ivanovich Shinkarev, PhD (Engineering), Associate Prof., Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov. E-mail: Belsk44@mail.ru.