2. Аэросепарация.

Аэросепарация – процесс обогащения в движущейся газовой (воздушной) среде, основанный на использовании различий в плотности компонентов и их скорости витания.

Аэросепарацию (пневмосепарацию) применяют при обогащении полезных ископаемых (угля, асбеста) и техногенного сырья (ТБО, дробленого электрокабельного лома – удаление неметаллических компонентов, дробленого демеркуризованного стеклобоя отработанных ртутных ламп, других отходов). Аэросепарация эффективна для обеспыливания материалов, а также для выделения тонких классов крупности при сухом измельчении строительных материалов (воздушный сепаратор работает в замкнутом цикле с аппаратом измельчения).

Аэросепарацию при обогащении ТБО применяют для разделения потока отходов на легкую и тяжелую фракции (это необходимо, прежде всего, по условиям технологии извлечения металлов), а также для выделения горючих компонентов для последующей термической переработки, хотя, в принципе, возможна не только энергетическая утилизация легких компонентов. Кроме того, аэросепарацию применяют для очистки от примесей компоста, полученного из ТБО.

При аэросепарации ТБО в легкую фракцию переходят макулатура, поли-

мерная пленка, некоторые текстильные компоненты (в основном, синтетические), уличный смет и т.п. Рекомендуемая крупность аэросепарации ТБО – 250 мм.

На поведение легких компонентов ТБО в процессе аэросепарации решающее влияние оказывает подъемная аэродинамическая сила – равнодействующая всех сил (нормальных и тангенциальных), распределенных по поверхности частицы, находящейся в воздушном потоке. Аэродинамическая сила зависит как от параметров частиц (форма, размеры, состояние поверхности, положение в потоке), так и от параметров воздушного потока и пневмосепаратирующей системы в целом (скорость воздуха и ее направление, степень турбулентности, равномерность скоростного потока, ширина струи).

Расчет необходимой скорости воздуха, обеспечивающей разделение ТБО на две фракции – легкую и тяжелую, можно производить приближенно по скорости витания компонентов легкой фракции, вычисляемой с применением графоаналитического метода.

На одиночную частицу, падающую в воздушной среде, действуют сила тяжести, направленная вниз и определяемая объемом V и плотностью ρ_т твердой частицы:

и вторая сила (архимедова сила, направленная вверх и равная . Ввиду малого значения этой силы ею можно пренебречь; она имеет значение при сепарации в жидкой среде), направленная вверх – сила аэродинамического сопротивления среды F_c, которая выражается квадратичным законом Ньютона:

,

где V – объем частицы (компонента), м³;

и – плотности соответственно компонента и воздуха, кг/м³;

С_А – коэффициент лобового сопротивления (аэродинамический коэффициент сопротивления воздуха движению частицы);

W_В – скорость витания компонента, м/с;

– характерный линейный размер компонента, м.

Под скоростью витания понимают конечную скорость, которую приобретает частица (компонент) при свободном падении, когда силы тяжести и сопротивления среды уравновешиваются.

При условии равновесия сил и :

,

,

где – толщина пленочного материала (например, макулатуры, полимерной пленки), м.

Для определения скорости витания необходимо вычислить коэффициент лобового сопротивления С_А, характеризующий способность частицы сопротивляться воздушному потоку. В общем случае он зависит от критерия режима давления Re, от фактора К, учитывающего влияние формы частицы ( , ), концентрации частиц β и геометрических характеристик аппарата L и частиц L/ и L/ .

.

Коэффициент сопротивления С_А зависит от положения компонента в потоке воздуха (от его ориентации по отношению к направлению движения). Однако, в основном, значение С_А определяется критерием режима движения и является функцией безразмерного числа Рейнольдса Re.

Число Рейнольдса характеризует режим движения тел в жидкой среде (турбулентный или ламинарный) и, соответственно, преобладание того или иного вида сопротивления (динамического сопротивления среды или сопротивления вязкости среды). Число Рейнольдса – безразмерная величина, равная отношению сил инерции к силам вязкости:

,

где ρ_ж – плотность жидкости;

v – скорость потока;

l – характерный линейный размер (например, диаметр);

μ_ж – коэффициент вязкости жидкости.

Исходя из подобия физических явлений в движущейся жидкости и газе и их воздействия на обтекаемые ими тела, коэффициент сопротивления С_А можно выразить в виде критериальной зависимости от числа Рейнольдса.

,

,

где Re – число Рейнольдса;

μ_В – коэффициент вязкости воздуха.

При аэросепарации используются два основных способа разделения компонентов: в горизонтальном потоке воздуха (направление воздуха перпендикулярно действующей на компоненты силе тяжести) и в вертикальном потоке воздуха (направление воздуха противоположно направлению действующей на компоненты силе тяжести). Соответственно в аэросепараторе компоненты легкой фракции транспортируются воздухом в горизонтальном или вертикальном направлении.

Расчеты позволяют получить выражение для определения теоретической рабочей скорости воздуха в процессе аэросепарации:

в вертикальном потоке воздуха:

,

в горизонтальном потоке воздуха:

,

где l – смещение частиц в горизонтальном потоке воздуха, равное примерно 20 l_т, м (l_т – линейные размеры частицы);

h – высота рабочей зоны сепарации, м.

Рассчитываемая на основании двух последних выражений теоретическая рабочая скорость воздуха составляет для сепарации ТБО в вертикальном потоке 5 м/с, в горизонтальном – 2,5 м/с. Практически для обеспечения эффективности процесса разделения ТБО на две фракции – легкую и тяжелую скорость воздуха должна быть увеличена в 1,5-2 раза.

Технология аэросепарации российских ТБО разработана в ВИВРе (Всероссийском институте вторичных ресурсов, ныне НИЦПУРО – научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами).

Укрупненно-лабораторная установка аэросепаратора с вертикальным потоком воздуха (рис. 3.7) включает следующие основные узлы: 1 – дутьевой вентилятор; 2 – заслонку, регулирующую расход воздуха в пределах скорости от 0 до 6,5 м/с; 5 – вертикальную камеру разделения, состоящую из нижней цилиндрической трубы и верхней части, образованной двумя элементами усеченной конической формы; 6 – загрузочное устройство; 7 – осадительную камеру циклонного типа; 8 и 9 – разгрузочные устройства соответственно легкой и тяжелой фракции. Для замера скорости воздуха в рабочей зоне аэросепаратора предусмотрены отверстия. Аэросепаратор изготовлен из оргстекла.

Рисунок 3.7 – Укрупненно-лабораторный аэросепаратор для сортировки ТБО в вертикальном потоке воздуха

1 – дутьевой вентилятор; 2 – заслонка, регулирующая расход воздуха в пределах скорости от 0 до 6,5 м/с; 5 – вертикальная камера разделения, состоящая из нижней цилиндрической трубы и верхней части, образованной двумя элементами усеченной конической формы; 6 – загрузочное устройство; 7 – осадительная камера циклонного типа; 8 и 9 – разгрузочные устройства соответственно легкой и тяжелой фракции

В соответствии с минимальным диаметром рабочей зоны сепаратора максимальная крупность материала в опытах составляет 160-180 мм. Производительность вертикального сепаратора, как и горизонтального, лимитируется его загрузочным устройством и составляет около 5 кг/мин.

Основными факторами, влияющими на технологические показатели аэросепарации, являются скорость воздуха, крупность материала и его влажность. Все три фактора влияют, главным образом на извлечение картона, ламинированной бумаги и текстиля из натуральных волокон.

При аэросеперации в горизонтальном потоке воздуха искусственной смеси ТБО (воздушно-сухое состояние) в легкую фракцию извлекается преимущественно газетная и ламинированная бумага, а также пленочные пластмассы; оптимальная скорость воздуха – около 5 м/с. Содержание макулатуры в легкой фракции достигает 75 % (повышается по сравнению с исходным почти в 2 раза). Извлечение в легкую фракцию всех компонентов с повышением влажности (скорость 5 м/с) монотонно снижается. С повышением влажности селективность процесса аэросепарации несколько возрастает и содержание макулатуры в легкой фракции при влажности 40-50 % возрастает до 80 % (в случае сепарации сухих смесей – 75 %). Состав тяжелой фракции (хвостов) аэросепарации с повышением влажности ТБО несколько изменяется вследствие больших потерь в ней текстильных компонентов и картона.

Аэросепарация ТБО в вертикальном потоке воздуха, по сравнению с разделением в горизонтальном, позволяет получить более чистый по содержанию макулатуры продукт, но при значительно меньшем извлечении. При сепарации влажных ТБО в легкую фракцию переходит преимущественно один из видов макулатуры – газетная бумага. Практически извлечение макулатуры снижается с 55 % (воздушно-сухое состояние) до 43 % (влажность 60 %), а содержание возрастает (с 78 до 88 %). Таким образом, селективность процесса аэросепарации в вертикальном потоке воздуха выше, чем в горизонтальном.

Наилучшим образом естественные свойства ТБО как объекта сепарации используются при последовательной аэросепарации в вертикальном и горизонтальном потоке воздуха, когда питанием горизонтального аэросепаратора является тяжелая фракция вертикального. При аэросепарации влажных ТБО уже после первой стадии процесса в значительной степени происходит подсушка материала (содержание влаги снижается на 10-20 %), при необходимости возможно использование подогретого воздуха), что способствует доизвлечению во второй стадии плотных разностей макулатуры (картон, ламинированная бумага). Однако практическая реализация двухстадийной аэросепарации ТБО существенно усложняет объемно-планировочные решения цеха сортировки, поэтому она может включаться в технологические схемы обогащения ТБО в тех редких случаях, когда требуется, например, максимальное извлечение макулатуры для вторичного использования.

Выводы.

Анализ рассмотренных методов подготовки и переработки ТБО показывает, что современным экономическим и экологическим требованиям в наибольшей степени соответствует технология комплексной переработки ТБО. Стремление использовать для переработки всей массы муниципальных отходов какой-то один конкретный метод, какую-то монотехнологию (например, сжигание) приводит к неоправданному увеличению затрат и усиливает негативное влияние.

Для практического вовлечения ТБО в комплексную переработку необходим обоснованный выбор комбинационных технических решений (ориентированный на использование наиболее прогрессивных разработок) и их системное объединение (исходя из характера взаимосвязей между отдельными технологическими операциями как элементами общей системы сортировки и переработки ТБО).

При разработке совместимой с окружающей средой системы переработки отходов ставятся следующие (по порядку важности) главные задачи:

1. снижение количества отходов уже в процессе производства продукции;

2. уменьшение отходов за счет их сортировки при сборе;

3. широкое вторичное использование материалов, полученных из отходов;

4. удаление остающихся после переработки отходов с минимально возможным риском для окружающей среды и здоровья человека.