Разработка и исследование технологии сепарации биоразлагаемой фракции твердых бытовых отходов по плотности (выделение грубого концентрата)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СЕПАРАЦИИ БИОРАЗЛАГАЕМОЙ ФРАКЦИИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ПО ПЛОТНОСТИ

Шубов Лазарь Яковлевич, доктор технических наук, профессор, shubov@mail.ru, Борисова Оксана Николаевна, преподаватель, bgdtf@rambler.ru,

Дронкина Ирина Геннадиевна, преподаватель, bgdtf@rambler.ru,

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва

The article describes the effective way and the device for gravitational separation of technogenic raw materials in which distinction of character and speed of movement of components in the water dividing environment under the influence of gravity and resistance is used. Gravitational separation in the water environment allows removing completely heavy mineral components - glass, stones, ceramics, and also bones and substantially rubber, a skin, metals. An output of tails from gravitation operation (depending on a mode) - 18,7-28,4 %.

Разработан эффективный способ и аппарат для гравитационной сепарации техногенного сырья, в котором использовано различие характера и скорости движения компонентов в водной разделительной среде под действием сил тяжести и сопротивления. Гравитационная сепарация в водной среде позволяет полностью удалить тяжелые минеральные компоненты - стекло, камни, керамику, а также кости и в значительной степени резину, кожу, металлы. Выход хвостов от операции гравитации (в зависимости от режима) - 18,7-28,4%.

Keywords: FHW, gravitational separation, processing

Ключевые слова: ТБО, гравитационная сепарация, переработка

Одним из важнейших направлений утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) является выделение из них пищевой фракции и получение из нее продукта, пригодного для дальнейшего использования. Актуальность этого направления обусловлена высоким содержанием в твердых коммунальных отходах пищевой фракции (в пределах 25-35% по массе), а также необходимостью охраны окружающей среды от ее негативного влияния [1].

При изыскании методов очистки фракции ТБО крупностью -100 (-70) мм от примесей с целью концентрации в самостоятельном продукте пищевых компонентов испытана аэросепарация в горизонтальном и вертикальном потоке воздуха. Для направленного регулирования физических свойств разделяемых компонентов использована сушка материала (от исходного значения влажности до воздушно-сухого состояния).

Опыты показали, что изменение свойств компонентов после сушки не обеспечивает удовлетворительных результатов их разделения в потоке воздуха. Некоторое разделение достигается, если высушенный материал подвергнуть дроблению до 2-3 мм, в этом случае в легкую фракцию аэросепарации извлекается до 70% пищевых отходов, но дальнейшее обогащение легкой фракции с целью повышения содержания пищевой фракции крайне затруднено (если вообще возможно), потому что при этом возникают все сложности разделения тонких классов крупности [2].

В ходе поисковых исследований принципиально установлено, что для отделения пищевых отходов от основного количества примесей целесообразно использовать водную среду. Существующие конструкции гравитационных сепараторов для мокрого обогащения руд и угля не пригодны для ТБО, поскольку рассчитаны на разделение мелких зерен.

В ходе работы изучено несколько конструкций нестандартных аппаратов, в которых использовано различие характера и скорости движения компонентов в водной разделительной среде под действием сил тяжести и сопротивления. В итоге была создана стендовая лабораторно-укрупненная установка прямоточного гравитационного сепаратора с механизированной загрузкой и выгрузкой материала (рис. 1) [4].

Рис. 1. Стендовая укрупненно-лабораторная установка прямоточного гравитационного сепаратора для извлечения пищевой части из тяжелой фракции ТБО с механизированной выгрузкой: 1 — рама конвейера; 2 — привод конвейера; 3 — конвейер; 4 — приемник легкой фракции; 5 — гравитационный сепаратор; 6 — элеватор; 7 — привод элеватора; 8 — приемник хвостов; 9 — ковш элеватора

Загрузка исходного материала в зону сепарации и быстрое удаление легкой фракции из этой зоны осуществляется с помощью ленточного конвейера с рифлями (скорость конвейера регулируется), удаление тяжелой фракции из донной части сепаратора - с помощью элеватора. В процессе используются два потока воды -вертикальный (обеспечивает кратковременную поддержку на поверхности воды легко тонущих компонентов пищевой фракции и тем самым способствует повышению извлечения) и горизонтальный (повышает эффективность разгрузки легкой фракции и производительность сепаратора).

Исследованы технологические параметры процесса гравитационной сепарации и основные влияющие факторы: скорость подачи материала в процесс и удаления легкой фракции, скорости горизонтального и вертикального потока воды и их влияние на кинетику извлечения пищевой фракции, зависимость результатов сепарации от места подачи материала в аппарат (требования к конструкции сепаратора), влияние минеральных компонентов на извлечение пищевой фракции.

Г оризонтальный поток воды сам по себе не обеспечивает эффективное удаление из аппарата пищевой фракции и ее извлечение в концентрат не превышает 16-17% даже при заведомо высокой скорости потока 2,2 м/с. Поэтому гравитационный сепаратор должен иметь устройство, обеспечивающее быстрое удаление всплывшей фракции из зоны сепарации. Технически это решено использованием питающего конвейера с рифлями: использование для разгрузки всплывшей легкой фракции нижней ветви конвейера с рифлями обеспечивает в оптимальных условиях извлечение пищевой фракции более 90%.

Установлено, что при использовании конвейера с рифлями оптимальная скорость горизонтального потока воды составляет 0,5-0,8 м/с; при большей скорости снижается конечное извлечение (часть пищевых компонентов попадает в тяжелую фракцию вследствие турбулентных завихрений пульпы при ударе горизонтального потока в рифли конвейера), при меньшей - снижается скорость гравитации.

Оптимальная скорость вертикального потока - 0,7 м/с, при этом обеспечивается прирост извлечения пищевой фракции на 5-6%.

Предварительная сушка материала не способствует повышению извлечения пищевой фракции.

Решающее влияние на кинетику процесса и конечное извлечение оказывает скорость загрузочно-разгрузочного конвейера (рис. 2): если при скорости 0,035-0,05 м/с в концентрат за 15 с извлекается 15-20% пищевых отходов, то при скорости 0,1 м/с извлечение повышается до 70% (данные экспериментов с «чистой» пищевой фракцией).

_ < V 3

/Г \

- / /

7 / / 1

/ / с —'

0,035 0,05

Скорость конвейера, м/сек

Рис. 2. Влияние скорости конвейера на кинетику извлечения пищевой части в легкую фракцию:

1,2 и 3 - извлечение соответственно за 15, 30 и 60 с

Время нахождения всплывшей фракции на поверхности пульпы оказывает существенное влияние на технологические показатели процесса - извлечение и содержание - и зависит, при прочих равных условиях, от точки загрузки материала в аппарат (т.е. от расстояния, пройденного легкой фракцией от места загрузки до места разгрузки). Оптимальна загрузка материала конвейером приблизительно в середину разделительной камеры (расстояние от оси барабана до разгрузочного конца 225 мм). Если расстояние транспортировки всплывшей фракции возрастает с 225 мм до 450 мм,

извлечение пищевых отходов снижается на 5-10%; если это расстояние уменьшается с 225 мм до 105 мм -извлечение снижается на 2-3% (рис. 3).

Рис. 3. Влияние положения загрузочно-разгрузочного конвейера и режимов обогащения на результаты гравитационной сепарации тяжелой фракции ТБО: скорость горизонтального потока воды, м/с: 1 — 0,5; 2 — 0,8. Постоянные условия: скорость вертикального потока воды 0,7 м/с

Наиболее богатым по содержанию пищевой фракции (около 87%) является концентрат, полученный при скорости горизонтального и вертикального потока воды соответственно 0,5 м/с и 0,7 м/с и положении конвейера, обеспечивающем максимальное время пребывания всплывшей фракции на поверхности пульпы (обогащается концентрат за счет снижения извлечения текстильных примесей, а также за счет выпадения из него металлов, например, скрепок, появившихся как включения в макулатурообразующие компоненты). Однако в этих условиях не достигается максимальное извлечение пищевой части (оно снижается с 91-93% до 84%); в условиях максимального извлечения содержание пищевой фракции находится на уровне 84-85%.

Окончательный выбор параметров гравитационного обогащения должен производиться с учетом определения рационального соотношения двух важнейших показателей процесса - извлечения пищевой фракции и ее содержания в концентрате.

Для научно обоснованного ответа на вопрос, какой комбинации показателей следует отдать предпочтение, необходимо изыскание и исследование методов доводки концентрата. Если эти методы позволят освободиться от примесей в концентрате с меньшей потерей извлечения основного ценного компонента - пищевой фракции, то предпочтение следует отдать этим методам. В противном случае положение загрузочноразгрузочного конвейера при гравитационной сепарации должно обеспечивать максимально возможное время пребывания всплывшей фракции на поверхности пульпы.

Гравитационная сепарация в водной среде позволяет полностью удалить тяжелые минеральные компоненты - стекло, камни, керамику, а также кости и в значительной степени резину, кожу, металлы. Выход хвостов от операции гравитации (в зависимости от режима) - 18,7-28,4%.

Дальнейшее глубокое обогащение грубого гравитационного концентрата должно обеспечить удаление всех оставшихся примесей - макулатуры, дерева, кожи, резины, пластмассы, текстиля, отличающихся незначительным различием в плотности.

Литература

6. Шубов Л.Я., Ставровский М.Е., Шехирев Д.В. Технологии отходов (Технологические процессы в сервисе): Учебник. ГОУВПО «МГУС». М., 2006. 410 с.

7. Шубов Л.Я. Лабораторный практикум «Технологии отходов (учебное пособие). ГОУВПО «МГУС», 2006. 82 с.

8. Петруков О.П., Шубов Л.Я., Гаев Ф.Ф. Стратегия и тактика решения проблемы твердых бытовых отходов в Московской области // Научные и технические аспекты охраны окружающей среды: Сборник. М.: ВИНИТИ, 2008. № 1. 123 с.

9. Шубов Л.Я., Борисова О.Н. Повышение комплексного использования твердых коммунальных отходов (утилизация биоразлагаемой фракции) // Современные проблемы туризма и сервиса (ч. II). М., 2009. С. 6-11.

10. Шубов Л.Я., Борисова О.Н., Доронкина И.Г. Ситуация с отходами в московском регионе: планы и реалии // ТБО (твердые бытовые отходы). Научно-практический журнал. 2010. № 1.

11. Шубов Л.Я., Борисова О.Н., Доронкина И.Г. Ситуация с отходами в московском регионе: планы и реалии // ТБО (твердые бытовые отходы) научно-практический журнал. 2010. № 2.