Дробление отходов

Интенсивность и эффективность большинства химических, физико-химических и биохимических процессов возрастает с уменьшением размеров кусков (зерен) перерабатываемых материалов. Поэтому переработка твердых отходов обычно начинается с уменьшения размеров их кусков. Дробление в сочетании с сортировкой имеет большое значение при переработке твердых отходов.

Основными технологическими показателями процесса являются степень дробления и энергоемкость. Степень дробления И определяется отношением размеров кусков до измельчения к размерам кусков раздробленного материала:

где Dmax и dmax - диаметры максимального куска материала соответственно до и после дробления; Dcp и dcp - средневзвешенные диаметры кусков соответственно исходного материала и продукта дробления.

В зависимости от размеров кусков отходов различают крупное, среднее и мелкое дробление, характеризующиеся следующими размерами кусков, мм:

	Крупное	Среднее	Мелкое
Dmax	1200÷350	350÷100	100÷40
dmax	350÷100	100÷40	30÷5

Степень дробления составляет 5-10. Удельные затраты электроэнергии (кВт-ч на 1 т перерабатываемого материала) определяют энергоемкость дробления Е:

E=N/Q (2)

где N - мощность, потребляемая двигателем дробилки, кВт; Q - производительность дробилки, т/ч.

Энергоемкость процесса зависит от необходимой степени дробления и физико-механических свойств измельчаемых отходов.

Для измельчения отходов используют раздавливание, раскалывание, размалывание, резание, распиливание, истирание и различные комбинации этих способов. В основе классификации оборудования для дробления твердых отходов лежит способ измельчения. Различают следующие виды оборудования для измельчения:

• измельчители раскалывающего и разламывающего действия - щековые, конусные, зубовалковые и другие дробилки;
• измельчители раздавливающего действия - гладковалковые дробилки, ролико-кольцевые, вертикальные, горизонтальные и другие мельницы;
• измельчители истирающе-раздавливающего действия - бегуны, катково- тарельчатые, шаро-кольцевые, бисерные и другие мельницы;
• измельчители ударного действия - молотковые измельчители, бильные, шахтные мельницы, дезинтеграторы, центробежные, барабанные и газоструйные мельницы;
• ударно-истирающие и колющие измельчители - вибрационные, планетарные, виброкавитационные и прочие мельницы, реактроны;
• прочие измельчители (пуансоны, пилы и т.д.).

Для дробления большинства видов твердых отходов используют щековые, конусные, валковые и роторные дробилки различных типов. В щековых дробилках измельчение происходит внутри клинообразной камеры, образуемой подвижной и неподвижной щеками (рис. 2).

1 - неподвижная щека; 2 - дробящая плита неподвижной щеки; 3 - дробящая плита подвижной щеки; 4 - подвижная щека; 5 - ось подвижной щеки; 6 - шкив маховика; 7 - шатун; 8 - задняя стенка; 9 - задняя распорная плита

Выгрузка измельченного материала производится в нижней части дробилки через зазор, образуемый щеками, после того как в результате измельчения размеры кусков станут меньше этого зазора. Технические характеристики щековых дробилок приведены в табл. 1.

Для дробления самых различных отходов широко применяются конусные дробилки, в которых измельчение происходит путем сжатия между поверхностями двух конусов, один из которых находится внутри другого (рис.3).

1 - станина; 2 - нижняя часть корпуса; 3 - верхняя часть корпуса; 4 - сменные плиты корпуса; 5 - траверса; 6 - сменные плиты траверсы; 7 - защитный колпак; 8 - вал; 9 - подвижный конус; 10 - сменные плиты траверсы; 11 - эксцентриковый стакан; 12 - коническое колесо; 13 - приводной вал; 14 - клиноременная передача; 15 - центральный патрубок

Измельчаемый материал подвергается в рабочем объеме дробилки многократному сжатию между этими поверхностями до тех пор, пока в результате измельчения размеры его частиц станут меньше зазора между конусами в нижней части дробилки. Ассортимент конусных дробилок чрезвычайно широк, а конструкции разнообразны, что позволяет использовать их для мелкого, среднего и крупного дробления.

Показатели	ЩДП-9Х12 (СМД-111А)	ЩДП-12×15 (СМД-118А)	ЩДП-15Х21 (СМД-117А)	ЩДП-21Х25 (СМД-156)	ЩДС-II-1,6×2,5 (СМД-115)	ЩДС-II-2,5×4 (СМД-116)	ЩДС-I-2,5×9 (СМД-108А)	ЩДС-I-4×9 (СМД-109А)	ЩДС-II-6×9 (СМД-110А)
Размеры приемного отверстия, мм: - ширина - длина	900 1200	1200 1500	1500 2100	2100 2500	160 250	250 400	250 900	400 900	600 900
Производительность при номинальной ширине выходной щели, м3/ч	180	310	600	800	3,0	7,8	22	35	75
Наибольший размер куска материала, мм	750	1000	1300	1700	140	210	210	340	500
Номинальная ширина выходной щели, мм	130	155	180	250	30	40	40	60	100
Максимальный диапазон изменения выходной щели, мм	±35	±60	±70	±80	±15	±20	+20÷ -15	+30÷ -20	+30÷ -25
Мощностьэлектродвигателя, кВт	90	160	250	400	7,5	17	45	45	75
Частота вращения эксцентрикового вала, с-1	3,33	2,83	2,33	2,0	5,33	5,0	4,83	4,83	4,58
Размеры, м: - длина - ширина - высота	5,3 6,0 4,0	6,4 6,8 5,0	7,5 5,1 5,12	10,6 8,2 8,0	0,88 1.07 1.08	1,33 1,25 1,43	2,3 2,4 1,9	2,5 2,4 2,2	3,0 2.5 2.6
Масса без электродвигателя, т	56,5	115,7	207,6	550,0	1,37	2,56	8,40	10,85	19,40

В валковых дробилках измельчение происходит между валками или между валком и камерой дробления. Валковые дробилки могут иметь от одного до четырех валков. Поверхность валка может быть гладкой, рифленой, ребристой и зубчатой. В одной дробилке могут быть валки с различной поверхностью.

На степень измельчения влияют размер зазора между измельчающими поверхностями (валок - валок или валок - камера) и тип поверхности валка. На рис. 4 показано устройство двухвалковой дробилки, один из валков которой имеет гладкую, а другой рифленую поверхности.

1 -рама; 2 - шкив; 3 -рифленый валок; 4 - гладкий валок; 5 - амортизационные пружины; 6, 8 - кожухи; 7 - подшипник

В табл. 2 приведены характеристики некоторых двухвалковых дробилок.

			Валковые дробилки
Показатели		С гладкими валками				С рифлеными гладким валками
Размер бандажа, мм:
- диаметр	400	600	800	1000	1500	600
- длина	250	400	500	550	600	400
Максимальна крупность исходного материала, мм	20	30	40	50	75	60
Пределы регулирования выходной щели, мм	2-12	2-14	4-16	4-18	4-20	10-30
Частота вращения валков, мин-1	200	180	150	100	83	175
Окружная скорость валков, м/с	4,2	5,6	6,2	5,2	6,5	5,5
Мощность электродвига­телей, кВт	2x4,5	2x7,5	28	40	55	20
Производительность, м3/ч, не менее, при выходной щели:
— минимальной	2,7	4,3	10,8	11,9	13,0	18
— максимальной	16,2	30,2	43,0	53,5	65,0	54
Масса, г	2,2	3,4	12,5	15,9	32,4	3,33

В роторных дробилках измельчение происходит за счет удара, производимого с помощью бил, жестко закрепленных на быстро вращающемся роторе. При ударе на дробимый предмет действует как масса бил, так и масса самого ротора. Эти дробилки применяются для крупного, среднего и мелкого дробления самых различных отходов: металлолома, шлаков, огнеупорных материалов, стекольного и кирпичного боя и других. Роторные дробилки дают большую степень дробления и имеют высокую производительность, удобны в эксплуатации и потребляют меньше энергии, чем другие виды дробилок.

Роторные дробилки могут иметь один или два ротора. Более просты и удобны в эксплуатации однороторные дробилки, которые и получили широкое распространение. Разновидностью роторных измельчителей являются молотковые дробилки, в которых на материал при дроблении действуют молотки, шарнирно закрепленные на дисках ротора. Масса молотков составляет 5—120 кг. Молотковые дробилки применяются при среднем и мелком дроблении.

На рис. 5 показано устройство однороторной дробилки модели СМД-135, предназначенной для измельчения вьюнообразной алюминиевой стружки.

Дробилка СМД-135 состоит из станины 1, на которой смонтирован корпус 2 с колосниковыми решетками 8 и 9. Вьюнообразная стружка поступает в приемный короб 6, откуда она попадает под удары быстро вращающегося ротора 3, имеющего билы 5, сидящие на осях 4. Отбойные плиты на внутренней поверхности корпуса имеют выступы 7, способствующие равномерной подаче стружки на ротор.

В табл. 3 приведены характеристики некоторых роторных дробилок крупного дробления. Помимо этих дробилок промышленность выпускает однороторные дробилки среднего и мелкого дробления, которые работают при более высоких окружных скоростях ротора и имеют меньшие размеры выходных щелей. Окружная скорость бил ротора таких дробилок устанавливается в зависимости от свойств материала и требуемой степени измельчения и может составлять 20; 24; 28,8; 34,3; 41,5 и 50 м/с.

Рабочим инструментом ножевых дробилок являются ножи, установленные на вращающемся роторе и на неподвижном статоре. Возможна также установка ножей на двух вращающихся в разные стороны роторах. Роторные ножевые дробилки используют для измельчения тонкостенных отходов из вязких материалов.

Показатели	СМД-112	СМД-147	СМД-135	СМД-170Б	СМД-97	СМД-98Б
Размеры ротора, мм:
- диаметр	600	800	1250	1300	2000	2000
- длина	400	600	1600	1600	2000	3000
Размер наибольшего куска загружаемого материала, мм	150	250	800	400	600	600
Номинальная частота вращения ротора, мин-1	1250	1000	500	750	600	600
Мощность электродвигателя, кВт	17	55	250	250	800	1250
Масса дробилки без электродвигателя, т	1,5	3,0	25	11,0	46,0	60,0
Размеры, мм:
— длина	1100	1350	3000	2400	4000	4000
— ширина	1100	1400	3100	2800	4200	5500
— высота	1150	1250	5000	1900	3100	3100

На скорость и качество измельчения отходов в ножевых дробилках влияют конструкция ротора, состояние ножей, вид измельчаемого материала, мощность привода и способ загрузки отходов.

Ротор в ножевой дробилке может быть расположен горизонтально, вертикально или наклонно. Измельчение в ножевой дробилке происходит в пространстве между подвижными и неподвижными ножами, зазор между которыми может составлять 0,1—0,4 мм. Количество ножей на роторе изменяется от 3 до 15, окружная скорость ножей 10—15 м/с. Размер загрузочного отверстия зависит от вида измельчаемых отходов. Для измельчения кабельного лома, различных профилей из пластмасс используют ножевые дробилки с «узким» входом, а для измельчения крупногабаритных отходов, таких как пластмассовый бампер автомобиля, полые металлические изделия, применяют дробилки с большим загрузочным отверстием.

Размеры измельченного продукта зависят от размера ячеек просеивающего сита или решетки. Мощность привода ножевой дробилки 1—160 кВт. Особенно широко ножевые дробилки применяются для измельчения отходов пластмасс.

Для разделки очень крупных агломератов отходов применяют копровые механизмы, механические ножницы, дисковые пилы, ленточно-пильные станки и некоторые другие механизмы и приемы (например, взрыв). Представляют интерес мобильные дробильно-сортировочные установки для измельчения сравнительно небольших количеств отходов непосредственно на месте их образования. Такие установки могут, например, использоваться для дробления и классификации строительных отходов, образующихся при сносе зданий. При выборе измельчителя необходимо учитывать ряд факторов, главными из
которых являются вид и характер отходов, их размеры и количество, необходимая степень измельчения, конечный размер дробленого материала, особые свойства измельчаемых отходов.

При необходимости получения из кусковых отходов мелкодисперсных фракций крупностью < 5 мм используют помол. Степень измельчения при помоле достигает 100 и более. Наиболее распространенными агрегатами для грубого и тонкого помола, используемыми при переработке твердых отходов, являются стержневые, шаровые и ножевые мельницы, хотя в отдельных случаях применяют и другие механизмы - дезинтеграторы, дисковые и кольцевые мельницы, бегуны, пневмопушки.

Барабанные стержневые и шаровые мельницы широко используют как для сухого, так и для мокрого помола. Тип и размеры этих мельниц характеризуют устройством для эвакуации продукта (разгрузка через решетку или сито либо центральная разгрузка через полую цапфу), внутренним диаметром барабана без футеровки D и рабочей длиной L. Различают короткие (L < D) и длинные (L > D) мельницы. Стержневые мельницы обычно применяют для грубого измельчения отходов. По сравнению с шаровыми мельницами они обеспечивают более равномерный по крупности продукт. Шаровые мельницы с центральной разгрузкой применяют для тонкого и особо тонкого измельчения.

Мелющими телами в стержневых и шаровых мельницах являются соответственно стальные стержни диаметром 25-100 мм и длиной 1,2-1,6 диаметра мельницы и стальные или чугунные шары диаметром 30-125 мм.

Для приближенной оценки необходимого диаметра мелющих тел В_ш (мм) можно использовать выражение:

где dn - максимальный диаметр подлежащих измельчению кусков, мм; dk - размер зерен продукта измельчения, мкм.

Степень заполнения барабана мельницы мелющими телами выражают коэффициентом заполнения:

где V и Vm - соответственно общий и занятый мелющими телами объемы барабана мельницы, м ; Gm - масса загрузки мелющих тел, т; ym - масса мелющих тел в единице объема, т/м (для приближенных расчетов принимают ym = 4,6-4,8 для шаров и 6,6 для стержней); О - внутренний диаметр барабана мельницы, м; L - длина барабана мельницы, м. Значение fm для шаровых мельниц находится в пределах 45-48 %, но может быть и значительно меньше; для стержневых мельниц оно составляет ~35 %. На практике эту величину оценивают по формуле:

где L - расстояние от вершины барабана диаметром D до поверхности мелющих тел. Массу загрузки мелющих тел Gm определяют по формуле:

Критическое число оборотов в минуту nкр, при котором мелющие тела начинают вращаться вместе с барабаном мельницы диаметром D (м), оценивают по формуле:

Отношение рабочей частоты вращения n к критической называют относительной частотой вращения и выражают в процентах или долях единицы:

В практике измельчения w обычно составляет 0,72-0,85. Производительность мельниц (Q) (т/ч) оценивают по количеству перерабатываемого в единицу времени материала:

и по содержанию в измельченном продукте вновь образованного класса Qi

где q1 - удельная производительность по вновь образованному расчетному классу, т/(м₃*ч); Bk Bмсх - выход данного класса соответственно в измельченном продукте и в исходном материале, %.

Удельная производительность q [т/(м3·ч)] по перерабатываемому материалу составляет:

q = Q/V (11)

Значения q₁ могут быть определены по аналогичному выражению:

q₁ = Q₁/V (12)

Одной из разновидностей барабанных мельниц можно считать мельницы самоизмельчения, в которых разрушение материала происходит в результате удара кусков друг о друга при падении, истирании и качении, а также вследствие ударов о детали внутренней поверхности барабана. Измельчение в таких мельницах может быть сухим и мокрым. Поскольку в мельницах самоизмельчения мелющие тела отсутствуют, то в них не происходит загрязнение измельчаемого материала частицами, образующимися вследствие износа мелющих тел.

Важную роль при измельчении материалов в мельницах самоизмельчения играет конструкция барабана, сочетающего цилиндрические и конические обечайки, внутри которых имеются различные пластины и ребра жесткости, изменяющие направление движения кусков материала в нем.

Классификация мельниц самоизмельчения проводится, прежде всего, по скорости движения кусков материала в барабане. По этому критерию мельницы подразделяются на тихоходные со скоростью менее 20 м/с и высокоскоростные со скоростью кусков выше 100 м/с.

Готовый продукт при первичном измельчении имеет размеры 0,2-0,5 мм. Вторичное измельчение позволяет снизить размеры частиц готового продукта до < 0,2 мм.

Применение мельниц самоизмельчения, имеющих большие габариты (диаметр и длина барабана достигают соответственно 7-10 и 2-6 м) и высокую производительность (десятки и сотни тонн в час), целесообразно при необходимости переработки значительных количеств однородного материала, например, строительных отходов.

Широкое применение для помола приобрели вибрационные мельницы, в которых так же, как и в шаровых и стержневых, измельчение происходит в барабане с помощью подвижных мелющих тел. Однако в отличие от последних рабочая камера вибромельницы не вращается вокруг собственной оси, а измельчение в ней происходит в результате колебаний, создаваемых вибровозбудителем. При этом мелющие тела соударяются с измельчаемым материалом, загруженным в рабочую камеру. Высокие механические напряжения, возникающие в результате соударения в частицах измельчаемого материала, приводят к их разрушению.

По сравнению с барабанными вибромельницы имеют в 4-5 раз более высокую производительность и в 2-3 раза меньшие габариты.

На процесс измельчения влияют мощность, размеры и масса мелющих тел, природа измельчаемого материала, частота и амплитуда колебаний рабочей поверхности.

Наряду с помолом вибромельницы могут использоваться для уплотнения и гомогенизации обрабатываемого материала, а также для его поверхностной обработки. Рабочие поверхности мелющих тел, находящихся в помольной камере вибромельницы, совершают сложные колебательные движения благодаря большому числу степеней свободы камеры.

Конструкции вибромельниц достаточно хорошо проработаны, промышленность выпускает их в широком ассортименте. Классификация вибромельниц проводится по виду движения камеры и по основным конструктивным признакам. Вибромельницы делят на две группы: с неподвижной камерой, в которой имеются подвижные рабочие поверхности, и с подвижной, т.е. вибрирующей камерой.

В промышленности используют мельницы с вибрирующей камерой. Вибромельница состоит из камеры с мелющими телами, вибровозбудителя, упругой опоры и основания. Загрузка измельченных материалов в камеру может осуществляться механическими или пневматическими способами.

Вибрационные мельницы могут использоваться как для промышленных, так и для лабораторных целей, в соответствии с которыми их мощность может составлять от 10 до 10⁶ Вт. Для промышленного применения используют вибромельницы с мощностью 1-1000 кВт. Для непрерывного измельчения используют трубные вибромельницы, имеющие камеру в виде трубы, длина которой в несколько раз (как правило, в 6-7) превышает ее диаметр. Анализ характеристик отечественных и зарубежных машин показывает, что вибромельницы российского производства превосходят зарубежные по важнейшим показателям: удельной производительности, мощности, интенсивности рабочего процесса. В табл. 4 приведены характеристики отечественных вибромельниц.

Показатели	СВМ-2	СВМ-40	СВМ-75	СВМ-160	СВМ-320	СВМ-640
Мощность, кВт	2,2	37	75	160	315	630
Суммарный объем помольных камер, м3	0,1	0,4	0,6	1,0	1,5	3,5
Масса (без двигателя и мелющих тел), т	0,3	1,2	1,8	7	10	20
Производительность по эталону (кварцевой муке с удельной поверхностью 3000 см2/г), т/ч	0,036	0,6	1,2	2,5	5	10,7
Удельная производительность:
- кг/(ч·т массы мельницы)	120	500	660	350	500	500
- кг/(ч·м3 объема камеры)	3,6	1,5	2,0	2,5	3,3	2,9

Для тонкого измельчения используются бисерные, шаровые, струйные, вибрационные, центробежные, коллоидные мельницы и дезинтеграторы.

Бисерные мельницы применяют для непрерывного измельчения материалов в жидкой среде. В качестве мелющих тел используют стеклянный, керамический или стальной бисер - шарики диаметром 0,3-10 мм. Загрузка мелющих тел достигает 85 % объема камеры. Размольный аппарат бисерной мельницы представляет собой камеру с охлаждающей рубашкой, в которой вращается вал с насаженными на него дисками (ротор). Исходный материал в виде суспензии подается в камеру под давлением, где дробится и истирается при соударении с мелющими телами. Объем камеры выпускаемых бисерных мельниц может составлять от 0,15 до 1000 л. Производительность бисерных мельниц достигает 4 м³/ч.

Барабанные шаровые мельницы для тонкого измельчения по своей конструкции аналогичны устройствам для крупного дробления. По своей производительности они могут различаться на пять порядков: от нескольких килограммов до нескольких сотен тонн в час. Такие мельницы в зависимости от конструкции могут работать в непрерывном и периодическом режимах и использоваться для сухого и мокрого помола. Размер частиц исходного материала составляет 1-50 мм, а измельченного продукта 5-40 мкм. Отечественная промышленность выпускает для тонкого помола шаровые барабанные мельницы модели ШБМ, шаровые мельницы с разгрузкой через решетку МШР и шаровые мельницы с центральным сливом МШЦ в большой номенклатуре типоразмеров. Загрузка измельчающих стальных шаров диаметром 30-125 мм составляет 40-45 % объема камеры.

Помол в струйных мельницах осуществляется при соударении частиц материалов, происходящем при турбулентном движении газового потока, в котором они диспергированы. Струйные мельницы представляют собой размольную камеру, снабженную загрузочной воронкой с эжектором. Подаваемый в камеру на измельчение продукт попадает под мощные струи сжатого воздуха, движущегося со сверхзвуковой скоростью, в результате чего частицы соударяются и истираются друг о друга и о стенки камеры. Камера на выходе снабжена классификатором, в результате чего измельченный до нужного состояния продукт выносится из нее, а остальной материал продолжает измельчаться. Размер частиц исходного материала до 250 мкм, а готового продукта 2-3 мкм. Производительность отечественных струйных мельниц от 0,5 до 1000 кг/ч. За рубежом выпускаются струйные мельницы и с более высокой производительностью - до 10 т/ч.

Вибрационные мельницы по конструкции и принципу действия не отличаются от вибрационных дробилок, имеют те же достоинства - высокую производительность, низкую энергоемкость и другие. Объем размольной камеры отечественных вибромельниц марки СВМ может составлять от 0,05 до 700 л, а производительность - до 8 т/ч измельченного продукта.

Дезинтеграторы позволяют измельчать материалы практически любого вида: металлы, органические продукты, пластмассы, резину и др. С их помощью можно производить разволокнение волокнистых материалов, в т.ч. композиционных. Размер частиц измельчаемого материала может составлять от 2-5 до 20-50 мм. Измельчение материалов в дезинтеграторе происходит при очень высоких скоростях рабочего инструмента - до 300 м/с, а производительность дезинтеграторов достигает 80 т/ч. Отечественная промышленность выпускает дезинтеграторные установки, характеристики которых приведены в табл. 5.

Показатели	99-3	ДЕЗИ-6	ДЕЗИ-15	ДЕЗИ-80
Производительность, т/ч	1,5	3-6	10-20	25-80
Установленная мощность, кВт	60	200-300	300-600	700-1100
Частота вращения ротора, мин-1	3000	3000	1500	1500
Диаметр ротора, мм	600	800	1400	1400
Габариты, мм, не более:
- длина	1400	3400	3600	3600
- ширина	1100	1800	2200	2400
- высота	1400	2000	2400	2600
Масса, кг, не более	900	8000	12000	13000