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.