ВИБРАЦИОННЫЙ ГРОХОТ ДЛЯ СОРТИРОВКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
VIBRATING SCREEN FOR SIZING SOLID HOUSEHOLD WASTES

Изобретение относится к области переработки твердых бытовых отходов (ТБО) и может быть использовано на мусороперерабатывающих заводах и на предприятиях по перегрузке твердых бытовых отходов (перегрузочных станциях), проводящих предварительную сортировку отходов.
В настоящее время актуальной задачей является машинная сортировка неселективно собранных ТБО с разделением их на потенциально деловую фракцию, пригодную для последующего вторичного использования, и на органическую фракцию, направляемую на компостирование или захоронение на полигонах. В исходных ТБО деловая фракция представлена сухой пластмассовой, металлической, картонной упаковкой и тому подобными компонентами, а органическая фракция представлена пищевыми отходами, мокрой бумагой, мокрыми пленочными материалами.
Морфологический состав неселективно собранных ТБО таков, что содержание в них потенциально деловой фракции и органической фракции обычно близки по массе.
Общими свойствами компонентов, представляющих деловую фракцию, является их сухое состояние, высокий коэффициент упругости, малый коэффициент трения.
Общими свойствами компонентов органической фракции является повышенная влажность, пластичность, высокий коэффициент трения.
Наиболее распространенным приемом первичной механизированной сортировки ТБО является разделение их на деловую и органическую фракции путем классификации на тихоходных грохотах барабанного типа с круглыми или многоугольными барабанами с типичным размером ячеек 70-100 мм.
Эффективность такой сортировки низкая, при этом барабанные грохоты часто забиваются пленочными материалами - полиэтиленом, капроном, что приводит к необходимости частых остановок оборудования и, соответственно, низкому коэффициенту использования оборудования (Журкович В.В. Отходы. Научное и учебно-методическое пособ. СПб.: Гуманистика, 2001).
Использование ручной разборки ТБО в качестве операции первичной сортировки отходов нельзя рассматривать как приемлемый способ в силу низкой производительности ручного труда, неизбежно плохих санитарных условий работы и т.д. Ручная разборка может быть эффективной, с определенными оговорками, только при вторичной сортировке уже выделенной из мусора деловой фракции.
Известно применение для сортировки ТБО вибрационных грохотов с плоскими ситами, имеющими ячейки прямоугольного или круглого сечения, широко применяемых, например, в горнорудной промышленности (Родионов А.И. и др. Техника защиты окружающей среды. - М.: Химия, 1989). Грохот указанного типа представляет собой открытый с разгрузочного конца короб, оснащенный плоскими ситами. Коробу грохота придаются круговые или узконаправленные вибрационные колебания (Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы / Под ред. О.С.Богданова. - М.: Недра, 1982). Вибрационные грохоты намного компактнее и легче барабанных грохотов. Однако попытки применения подобных грохотов не дали положительных результатов. Это связано с тем, что, в отличие от тяжелого минерального сырья твердые бытовые отходы имеют малый насыпной вес (0,2-0,4 т/куб.м) и не могут быть переработаны на плоских ячеистых просеивающих поверхностях с достаточной производительностью. Вибрационные грохоты с ячеистыми просеивающими поверхностями также склонны к забиванию поверхности пленочными и влажными компонентами. Кроме того, физика вибрационной классификации на ячеистых просеивающих поверхностях не обеспечивает эффективной сортировки ТБО на упругие деловые компоненты и неупругие органические.
Известно техническое решение, направленное на снижение забиваемости поверхности вибрационного грохота, предназначенного для классификации твердых материалов, и заключающееся в оснащении грохота рядами консольно закрепленных пальцевидных стержней (патент США US 05398815 А, приоритет от 31.03.1994 г.). Применение грохотов с консольными колосниками в форме стержней позволяет повысить эффективность классификации глинистых материалов и щебня с большим содержанием мелких частиц. Указывается, что подобные грохоты имеют существенные ограничения по крупности исходного сырья (Вайсберг Л.А. Просеивающие поверхности грохотов. Конструкции, материалы, опыт применения. / Л.А.Вайсберг, А.Н.Картавый, А.Н.Коровников. - СПб.: ВСЕГЕИ, 2005, стр.119-120). Грохоты такого типа нашли ограниченное применение в промышленности нерудных строительных материалов и не нашли практического применения в технологиях сортировки твердых бытовых отходов.
Последнее очевидным образом связано с тем, что стержни колосников должны иметь достаточно большое сечение для механической надежности, а это, в свою очередь, приводит к малой амплитуде колебаний колосников и отсутствию эффекта самоочищения колосников от налипших влажных и пленочных материалов, присутствующих в ТБО.
Известно техническое решение, принятое в качестве прототипа, направленное на снижение забиваемости поверхности вибрационного грохота, предназначенного для классификации отходов, заключающееся в оснащении грохота ступенчато расположенными рядами консольно закрепленных трапецеидальных (клиновидных) в вертикальной проекции колосников, установленных с зазорами (Устинов И.Д. Новая техника для классификации отходов и отсевов. - Промышленный вестник, 2010, №9, стр.40). Грохот разработан в НПК «Механобр-техника». При прохождении исходных бытовых отходов по сепарирующей поверхности грохота упругие компоненты ТБО отскакивают от поверхности колосников и уходят в верхний продукт грохочения, а влажные, пластичные компоненты проходят через зазоры между колосниками и попадают в нижний продукт грохочения. Таким образом, обеспечивается разделение исходных ТБО на деловую и органическую фракции. Благодаря высокой производительности и хорошим сепарационным характеристикам грохот нашел промышленное применение на мусороперерабатывающих заводах.
Недостатком прототипа является то, что просеивающая поверхность обладает малой способностью к самоочищению, хотя и большей, чем у вибрационных грохотов с колосниками в форме стержней или у барабанных грохотов. Причиной этого является то, что примененные в конструкции грохота-прототипа по соображениям механической прочности клиновидные колосники имеют малую длину и значительную толщину с малой амплитудой вынужденных колебаний, недостаточной для самоочистки колосников. При этом на этапе создания прототипа применение колосников другой конфигурации с использованием для их изготовления высококачественных конструкционных материалов не рассматривалось.
Предлагаемое изобретение направлено на решение актуальной задачи повышения эффективности работы вибрационного грохота для классификации ТБО за счет усиления эффекта самоочищения сепарирующей поверхности.
Известно, что частота свободных колебаний консольно закрепленных элементов (балок) зависит от основных физических параметров балки следующим образом (Пономарев С.Д. и др. Расчеты на прочность в машиностроении. т.3 - М.: Машгиз, 1959, стр.296-297):
c
-2
2
f=3,52(Ej/q)/L,
c
где f - частота свободных колебаний,
Ej - жесткость сечения балки,
q - масса единицы длины балки,
L - длина балки.
в
в
Принимая во внимание такую зависимость, предлагается конструкция грохота для сортировки ТБО, включающая известные элементы конструкции - короб, вибровозбудитель и рабочую поверхность, выполненную в виде нескольких горизонтальных ярусов. Каждый ярус образован поперечной опорной балкой и прикрепленными к ней одним концом параллельными клиновидными в вертикальной проекции колосниковыми пластинами. Противоположный конец пластин оставлен свободным. Колосники каждого яруса образуют между собой просеивающие зазоры. Основным отличительным признаком предлагаемого технического решения является то, что с целью эффективного самоочищения пластин физические параметры пластин подбираются таким образом, чтобы их свободная частота колебаний была несколько выше вынужденной частоты колебаний, а конкретно находилась в диапазоне от 1,05 f до 1,20 f
Ключевые параметры изобретения связаны с достигаемым техническим эффектом следующим образом:
- физико-механические свойства колосниковых пластин выбираются таким образом, чтобы свободная частота колебаний была выше вынужденной частоты колебаний, инициируемой вибровозбудителем грохота, в 1,05-1,20 раза;
- таким образом, грохот работает в ближней дорезонансной области колебаний колосников, что обеспечивает эффект самоочищения колосников при их загрязнении в процессе эксплуатации и, соответственно, обеспечивает высокие технологические показатели сортировки ТБО;
- более близкое чем в 1,05 раза отклонение свободной частоты колебаний пластин от их вынужденной частоты переводит режим функционирования рабочей поверхности грохота в зону практического резонанса, опасного для механической надежности машины;
- при частоте свободных колебаний, отличающихся в большую сторону свыше 1,20 раза от их свободной частоты, колосниковые платины будут малоподвижными в вертикальной плоскости и не будут обеспечивать эффект самоочищения;
- конструкция грохота для сортировки ТБО с частотой свободных колебаний выше чем 1,20 раза от их вынужденной частоты, отвечает малоподвижному режиму работы колосниковых пластин прототипа и всех аналогов колосниковых грохотов и соответствует условиям опыта №1 в приведенной ниже таблице результатов испытаний.
Предлагаемая конструкция грохота для сортировки твердых бытовых отходов изображена на фиг.1 и фиг.2. Конструкция представляет собой короб (5) с боковыми бортовинами (1, 2) и бортовиной с загрузочной стороны (3) и открытый со стороны разгрузки. Бортовина с загрузочной стороны может иметь форму лотка. Короб оснащен вибратором (4), сообщающим коробу орбитальные в вертикальной плоскости или прямолинейные колебания. Короб устанавливают под углом 0-25° к горизонту. Короб оснащен поперечными опорными балками с прикрепленными к ним одним концом параллельными клиновидными в вертикальной проекции колосниковыми пластинами (6), составляющими вместе с опорными балками ряды горизонтальных ярусов. Ярусы составляют рабочую поверхность грохота. Колосники каждого яруса образуют между собой просеивающие зазоры. Незакрепленные концы колосников направлены в сторону разгрузки грохота. Жесткость, длина и толщина (соответственно масса) колосников выбираются такими, чтобы обеспечить частоту свободных (резонансных) колебаний пластин в диапазоне от 105 до 120% от частоты вынужденных колебаний пластин на холостом ходу грохота.
Такое новое техническое решение обеспечивает при налипании на поверхность колосников влажных пластичных материалов и пленок самоочищение поверхности за счет перехода колосников в ближнюю дорезонансную область колебаний, сопровождающуюся увеличением амплитуды их колебаний. Эффект перехода вибрирующих консольных элементов в близкую к резонансу область при повышении на них механической нагрузки согласуется с принципами теоретической вибрационной механики (Блехман И.И. Вибрационная механика. М.: Физматлит, 1994), но ранее не использовался в конструкции вибрационных грохотов с просеивающими поверхностями консольного типа.
Вибровозбудитель выполнен регулируемым, с возможностью достижения указанных выше частотных параметров вынужденных колебаний.
Форма вибрационных колебаний самого короба грохота - орбитальная или прямолинейная, согласно тем же принципам вибрационной механики, не имеет значения, так как не влияет на частотные характеристики консольных колосников.
Вибрационный грохот работает следующим образом.
При загрузке на грохот исходных твердых бытовых отходов они под действием вибрации и силы тяжести движутся от зоны загрузки в сторону зоны разгрузки грохота, последовательно перемещаясь с одного яруса на другой, на каждом из которых отходы подвергаются ударному воздействию вибрирующих колосников, вызывающему рыхление материала. В результате чего упругие компоненты отделяются от влажных пластичных, отскакивают от вибрирующих поверхностей колосников, достигают выхода и уходят в верхний продукт грохочения.
А влажные, пластичные компоненты проходят через зазоры между колосниками и падают в подколосниковое пространство, уходя в нижний продукт грохочения. Таким образом, обеспечивается разделение исходных ТБО на деловую и органическую фракции.
При налипании на поверхность пластин колосников сепарируемого материала их масса возрастает, частота их вынужденных колебаний приближается к резонансной частоте (первой частоте свободных колебаний), что сопровождается увеличением амплитуды колебаний консольных колосников и происходит самоочищение их поверхности. После самоочищения система возвращается в исходное состояние.
Таким образом, основным отличительным признаком заявляемого технического решения является то, что жесткость, длина и масса пластин колосников должна быть такой, чтобы частота свободных (резонансных) колебаний пластин была близкой к частоте их вынужденных колебаний, но выше, чем частота вынужденных колебаний.
Пример реализации предлагаемого технического решения на практике.
Испытан полупромышленный грохот, предназначенный для сортировки ТБО. Рабочая поверхность грохота выполнена в несколько горизонтальных ярусов. Каждый ярус образован поперечной опорной балкой и прикрепленными к ней консольными пластинами, клиновидными в вертикальной проекции с основаниями 60 и 30 мм, длиной 200 мм и толщиной пластин 3 мм, изготовленными из пружинной стали Г65 с собственной свободной частотой колебаний 28 Гц и амплитудой колебаний конца платины на холостом ходу 3 мм при частоте колебаний короба 16 Гц. Замеренная вынужденная частота колебаний конца колосника на холостом ходу грохота составляла 24 Гц. Таким образом, свободная частота колебаний колосника составляла 116% от вынужденной частоты. Разделительная поверхность грохота состояла из пяти рядов консольных колосников по шесть колосников в ряд и номинальной межколосниковой щелью 35 мм.
При загрузке на поверхность грохота пробных тел - типичных для ТБО смеси влажных кусков полиэтиленовой пленки толщиной 120 мкм размером 200×200 мм и алюминиевых бывших в употреблении банок диаметром 70 мм и высотой 120 мм, наблюдалось частичное кратковременное налипание кусков полиэтилена на поверхность колосников, что сопровождалось повышением замеренной вынужденной частоты колебаний до 26 Гц с амплитудой 5 мм и явным эффектом полного самоочищения поверхности колосников.
Сошедшие с поверхности колосников образцы полиэтилена переходили в нижний продукт грохочения, а образцы деловой фракции - алюминиевых банок полностью переходили в верхний продукт грохочения.
Кроме того, провели дополнительный эксперимент по увеличению массы колосников на 20% за счет размещения на их концах с нижней стороны пластин приклеенных грузов, что привело к росту вынужденной частоты колебаний при налипании пробных тел до 27 Гц и амплитуды колебаний концов колосников до 7 мм с полным эффектом самоочищения колосников.
Сравнительные испытания проводили на грохоте ранее известной конструкции, то есть грохоте с пластинами толщиной 6 мм, изготовленными из инструментальной стали Ст3, собственными свободными колебаниями 32 Гц и вынужденными колебаниями на холостом ходу 24 Гц с амплитудой 1,5 мм. При загрузке пробных тел из влажной полиэтиленовой пленки наблюдалось стойкое залипание поверхности колосников в 25% случаев без заметного эффекта самоочищения.
Результаты экспериментов, обосновывающие пределы оговоренных частотных параметров пластин колосников, приведены в таблице.
Таблица
№ опытов
1
2
3
4
5
Свободная частота, Гц
26,9
27,6
28,0
29,5
31,3
Вынужденная частота, Гц
21,5
23,0
26,0
28,1
30,1
Отношение своб. частоты к вынужденной, %
125
120
110
105
104
Залипание, % от числа наблюдений
15
1
0
0
0
Примечание
Неэффективная область
Область высоких технологических результатов
Технически рискованная область резонанса
Из приведенной таблицы следует, что в области заявляемых параметров грохота - при соотношении частот свободных и вынужденных колебаний пластин колосников 105-120% - наблюдается эффект самоочищения поверхности колосников (опыты 2-4). Другими словами, физические параметры пластин (а именно, длина, ширина, толщина, жесткость материала) должны быть подобраны таким образом, чтобы соблюдалось условие:
в
с
в
1,05f≤f≤1,20f,
с
где f - частота свободных (резонансных) колебаний пластин,
в
f - частота вынужденных колебаний пластин
При большем соотношении частот показатели самоочищения резко ухудшаются. При соотношении частот, близком к резонансу (опыт 5), эффект самоочищения присутствует, однако эта область не должна рассматриваться как технически оправданная в силу высоких рисков механического разрушения колосников при продолжительной работе в указанном режиме.