Аэросепарация при переработке ТБО

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, полимерная 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 пневмосепарирующей 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 рт твердой частицы:

и вторая сила,’ направленная вверх, - сила аэродинамического сопротивления среды F_с, которая выражается квадратичным законом сопротивления Ньютона:

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

При условии равновесия сил F_т и F_с

где δ_т - 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 движения Rе, от фактора К, учитывающего влияние формы частицы (δ_т , l_т), концентрации частиц β и геометрических характеристик аппарата L и частиц L/δ_т и L/l_т.

Коэффициент сопротивления С_А зависит также 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 Rе.

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:

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:

Для определения скорости витания W_в с использованием числа Рейнольдса Rе можно применить графический метод П.В. Лященко, который для практических расчетов ввел параметр Rе²·С_А и построил диаграмму зависимости Rе²·С_А от Rе (рис. 5.79). Пользуясь графиком Rе²·С_А = f (Rе), по найденному значению Rе²·С_А определяют Rе и по нему вычисляют скорость W_в.

Значение Rе²·С_А можно найти путем математического преобразова­ния, исключив W_в и l_т из уравнения числа Рейнольдса и коэффициента сопротивления:

Заменяя F_с на F_т (F_с= F_т, получаем:

Пользуясь установленными зависимостями, определяем параметр Rе²·С_А = f (Rе) и по диаграмме П.В. Лященко находим число Рейнольд­са Rе, с помощью которого вычисляем скорость витания:

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 ВИВР (Всероссийском институте вторичных ресурсов, ныне НИЦПУРО - На­учно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбе­режением и отходами).

На рис. 5.80-5.83 представлены лабораторно-укрупненные уста­новки аэросепараторов с горизонтальным и вертикальным потоками воздуха.

Укрупненно-лабораторная установка аэросепаратора с горизонталь­ным потоком воздуха (рис. 5.80 и 5.81) состоит из следующих основных узлов: 1 — металлическая рама; 2 — осевой вентилятор; 3 — жалюзийная заслонка для регулирования скорости потока воздуха в пределах от 0 до 5 м/сек; 4 - зона выравнивания скорости потока воздуха; 5 - загрузоч­ное устройство; 6, 8 и 9 - рабочая зона, выполненная в виде ряда после­довательно соединенных секций прямоугольного сечения с донной раз­грузкой фракций (зона разделения, промежуточная зона и осадительная камера). Для замера скорости воздуха в рабочей зоне аэросепаратора предусмотрены отверстия 7. Замеры скорости (динамического давле­ния) воздуха можно производить с помощью пневмометрической труб­ки конструкции института «Гинцветмет» и микроманометра типа ММН. Аэросепаратор изготовлен из металла, а непосредственно каме­ра разделения - из оргстекла (для возможности наблюдения процесса сортировки).

1 — рама; 2 — осевой вентилятор; 3 - жалюзийная заслонка; 4—зона вы­равнивания скорости воздуха; 5 — загрузочное устройство; 6- зона раз­деления; 7 — точки для замеров скорости воздуха; 8 — промежуточная зона; 9 — осадительная зона

В соответствии с размерами рабочей зоны аппарата максимальная крупность материала составляет 80x80 мм (сечение камеры разделения 1,1x0,1 м). Производительность сепаратора лимитируется его загрузоч­ным устройством и составляет около 1 кг/мин.

Подлежащий сепарации материал с помощью загрузочного устрой­ства подается в камеру разделения, где горизонтальным потоком возду­ха определенной скорости из него выдуваются компоненты низкой плотности. При сепарации получаются три продукта: концентрат (на­иболее легкая фракция, выносимая потоком воздуха в осадительную зо­ну 9), промпродукт (фракция промежуточной плотности, выделяемая в осадительной зоне 8) и хвосты (тяжелая фракция, не отклоняемая пото­ком воздуха и попадающая в нижнюю часть камеры разделения). Кон­центрат и промпродукт, при необходимости объединяемые вместе (в один продукт), составляют легкую фракцию.

Укрупненно-лабораторная установка аэросепаратора с вертикаль­ным потоком воздуха (рис. 5.82 и 5.83), включает следующие основные узлы: 1 - дутьевой вентилятор; 2 - заслонку, регулирующую расход воз­духа в пределах скорости от 0 до 6,5 м/сек; 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.

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.

Аэросепаратор работает следующим образом: воздух с помощью вен­тилятора 1 через заслонку 2 и узел подвода воздуха 3 подается снизу в ци­линдрическую камеру разделения 4 и движется вверх, образуя в ней вер­тикальный поток. Подлежащий сепарации материал подается загрузоч­ным устройством 6 в зону минимальной скорости (камеру разделения 5), образуемую основаниями элементов усеченной конической формы, где из него вертикальным потоком воздуха выдуваются вещества низкой плотно­сти (преимущественно макулатура, полимерная пленка, текстиль). Тяже­лая фракция выводится из сепаратора снизу цилиндрической части каме­ры разделения (через разгрузочное устройство 9). Некоторые компоненты легкой фракции, которые при попадании в верхнюю часть камеры разде­ления 5 не успели отделиться от тяжелой фракции и увлекаются послед­ней вниз, поступают в нижнюю часть камеры разделения 4 в зону боль­шей скорости воздуха и выносятся вверх, попадая в конечном итоге в оса­дительную камеру 7 установки. Иными словами, конструкция сепаратора предусматривает увеличение скорости вертикального потока воздуха вверх и вниз от зоны разделения (вблизи загрузки материала), обеспечива­ет чистоту разделения материала на компоненты и полноту их извлечения, т.е. эффективность сепарации. При этом соотношение диаметров основа­ний элементов усеченной конической формы рабочей зоны разделения со­ставляет 1:2:1,5, а соотношение их высот-2:1 (сверху вниз).

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.

Влияние влажности на показатели процесса зависит от его характера. Большее влияние влажность оказывает при сепарации в вертикальном потоке воздуха: как следует из рис. 5.84, при аэросепарации макупатуро- содержащих компонентов в вертикальном потоке воздуха извлечение картона и ламинированной бумаги с повышением влажности резко сни­жается, при аэросепарации в горизонтальном потоке сохраняется на вы­соком уровне (скорость воздуха и крупность материала постоянны).

1 - дутьевой вентилятор; 2 - заслонка; 3 - узел подачи воздуха; 4 - цилиндрическая часть камеры разделения; 5 - камера разделения; 6-загрузочное устройство; 7-осадительная камера; 8-разгрузочное устройство легкой фракции; 9 -разгрузочное устройство тяжелой фракции.

1 — ламинированная бумага (молочные пакеты); 2 — газетная бумага; 3 - картон

1 - 10%; 2 - 20%; 3 - 30%; 4 - 40%; 5 - 50%; 6 - 60%

Влияние влажности на извлечение в легкую фракцию газетной бу­маги при аэросепарации в горизонтальном потоке воздуха наглядно де­монстрирует график, представленный на рис. 5.85, из которого следует, что с повышением влажности извлечение бумаги снижается, но сохра­няется на достаточно высоком уровне, составляя 92-82% при скорости воздуха около 5 м/с и изменении влажности от 20 до 60% (при влажно­сти 0-10% извлекается до 100% газетной бумаги).

1 — газетная бумага; 2 - пленочные пластмассы; 3 — ламинированная бумага (молочные пакеты); 4 - макулатура; 5 — текстиль; 6 — картон

При аэросепарации в горизонтальном потоке воздуха искусственной смеси ТБО (воздушно-сухое состояние) в легкую фракцию извлекается пре­имущественно газетная и ламинированная бумага, а также пленочные плас­тмассы (рис. 5.86); 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 (рис. 5.87). С повышением влажности селективность процесса аэросепарации несколь­ко возрастает и содержание макулатуры в легкой фракции при влажности 40­50% 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. Содержание пищевой части в тяжелой фракции устойчиво сохраняется на уровне 60-65% при извлечении более 95%.

1 - ламинированная бумага (молочные пакеты); 2 — газетная бумага; 3 - пленочные пластмассы; 4 - макулатура; 5 - картон; 6 — текстиль

1 - полимерная пленка; 2 -газетная бумага; 3 -макулатура; 4 -ламинированная бумага (молочные пакеты); 5 -текстиль; 6 - картон

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. Как видно из рис. 5.88, извлечение макулатуры (кривая 3) 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 (рис. 5.89), 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. В случае направления легкой фракции на сжигание технологически оп­равдана одностадийная аэросепарация.

Следует отметить, что процесс аэросепарации в зависимости от состава сепарируемого сырья и технологических задач можно регулировать с помо­щью формирования соответствующих скоростных полей воздушного пото­ка. Так, выбирая необходимый скоростной профиль горизонтального потока воздуха, можно при обогащении легкой фракции, полученной в вертикаль­ном сепараторе, значительно повысить содержание в продукте полимерной пленки.

Наиболее эффективен процесс аэросепарации при скорости гори­зонтального потока воздуха 0,9 м/с в верхней части камеры разделения и 1,25 м/с - в нижней, причем для интенсификации процесса разделения ма­териалов, близких по плотности и аэродинамическим характеристикам, фи­зические свойства компонентов легкой фракции направленно регулируются увлажнением материала (оптимальная влажность материала - около 40%). Как показывают кривые обогатимости (рис. 5.90), аэросепарация в потоке воздуха с переменной по сечению скоростью обеспечивает большую селек­тивность процесса по сравнению с обычным режимом - при одном и том же выходе концентрата извлечение пленки всегда выше, а ее загрязнение бума­гой заметно меньше (кривая 3 лежит выше кривых 1 и 2). Снижение выхода продукта, обогащенного полимерной пленкой (при сохранении высокого извле­чения), весьма важно дня последующих операций доводки такого продукта.

1 -равномерный поток со скоростью 0,9м/с; 2 -равномерный поток со скоростью 1,25 м/с; 3 - неравномерный поток (скорость в верхней части-0,9 м/с, в нижней-1,25 м/с)

Ниже рассмотрены наиболее типичные конструкции аэросепарато­ров, применяемых при обогащении ТБО.

Для сортировки городских отходов в горизонтальном потоке возду­ха представляют интерес сепараторы, запатентованные в США и ФРГ (рис. 5.91 и 5.92) и предназначенные для разделения дробленых отходов.

В сепараторе США отходы обрабатываются в измельчителе 2 с ра­бочим колесом 3, вращающемся на валу 1. Измельченные отходы под­хватываются горизонтальным потоком воздуха. Наиболее тяжелые мате­риалы (металлические банки, резина, камни) поступают на конвейер 9, более легкие (мокрое дерево, неметаллические предметы) - на конвей­ер 8, предметы из алюминия и других подобных материалов — на кон­вейер 7. Макулатура, текстиль и т.п. подхватываются потоком воздуха и выносятся в трубу 5, куда дополнительно вентилятором 4 подается воз­дух, направляемый затем в топку. Для предотвращения смешивания от­ходов между конвейерами устанавливаются разделительные направля­ющие вставки 6 и 10.

1 — вал; 2 - приемная воронка; 3 - измельчитель; 4 - вентилятор; 5 — труба; 6 и 10- направляющие вставки; 7, 8, 9 — конвейеры

1 - вентилятор; 2 — приемная воронка; 3 - вибропитателъ; 4 - система рециркуляции воздуха; 5 — циклон; 6 и 9 — подвижные перегородки;

— перегородка; 8, 10 и 11 — сборники материала

1 и 13- вентиляторы; 2- приемная воронка; 3 -конвейер; 4- лопасти (рифли); 5 - камера разделения; 6 - канал; 7, 10 – сортировочные колонны; 8, 9- горловины; 11, 12- наклонные решетки

Устройство, запатентованное в ФРГ (см. рис. 5.92), снабжено системой циркуляции воздуха 4 и камерой, выполненной в виде трубы, с загрузочным бункером 2, в который измельченный материал подается вибропитателем 3. Материал, подхваченный горизонтальным потоком воздуха от вентилятора 1, разделяется на три фракции и удаляется в сборники 8,10 и 11, а наиболее легкие компоненты выносятся в циклон 5. Для регулирования сепарации внутри камеры между разгрузочными отверстиями установлены подвижные перегородки 6 и 9. Изменением высоты перегородки 7 регулируется вынос мелких частиц в циклон 5.

Характерные конструкции аэросепараторов вертикального типа представлены на рис. 5.93 и 5.94.

В США запатентован мношсекционный вертикальный аэросепаратор (см. рис. 5.93) для измельченных ТБО. Отходы засыпаются в бункер 2 и пе­ремещаются в сепарирующую камеру 5 с помощью конвейера 3 с лопастя­ми 4. Поступающий в камеру материал поднимается движущимся вверх потоком воздуха от вентилятора 1 в суживающийся проход 6. Отходы из узкой горловины 8 поступают внутрь первой сортировочной колонны 7, где поднимающийся снизу поток воздуха от вентилятора 13 производит пер­вую очистку. Легкая фракция материала поднимается воздушным потоком через сужающуюся горловину 9 во вторую сортировочную колонну 10. Тя­желая фракция удаляется по наклонным решеткам 11 и 12 на конвейер. Число сортировочных колонн устанавливается в зависимости от требуемой чистоты материала. Установка снабжена системой циркуляции воздуха.

На рис. 5.94 представлена схема вертикального аэросепаратора зигзагообразного типа для разделения дробленых отходов. Конструкция аэросепаратора обеспечивает повышение эффективности разделения за счет лучшего рыхления материала и его разъединения на отдельные компоненты в рабочей зоне сепарации в условиях стесненного падения материала при его пересечении в различных направлениях организо­ванным потоком воздуха.

1 — приемная воронка; 2, 4, 5 — шиберная заслонка; 3 — роторный питатель; 6 — приемник; 7 — патрубок

Разновидностью аэросепарации является вибровоздушная сепара­ция. Воздух, подаваемый через перфорированную вибрирующую деку, и колебания деки обеспечивают разрыхление материала и его разделе­ние по плотности с одновременной транспортировкой легких и тяже­лых компонентов в противоположных направлениях к разгрузочным концам деки (рис. 5.95). Для повышения эффективности разделения де­ка устанавливается наклонно; угол наклона должен обеспечивать бес­препятственный подъем тяжелых компонентов в верхнем направлении (при данной амплитуде и направлении колебаний деки).

Вибровоздуш­ная сепарация нашла практическое применение при переработке дроб­леного электрокабельного лома в США, Франции, Швеции, ФРГ, а так­же в России. Фирма Орфа (Швейцария) впервые применила вибровоз- душную сепарацию для разделения сухих мелкодробленых узкокласси- фицированных фракций ТБО (-1 мм; -3+1 мм; -10+3 мм) с получением из каждого класса двух продуктов; в одном из них сконцентрированы тяжелые инертные компоненты (смесь стекла, керамики, камней), в другом - более легкие (смесь пластмассы, резины и дерева). Тяжелую фракцию рекомендуется использовать в технологии свалки или в до­рожном строительстве, легкую (пластмасса, резина, дерево) - в произ­водстве стали или для изготовления покрытия для полов.

1 — перфорированная дека; 2 — вибратор; 3 и 4 — емкости (соответ­ственно, для легкой и тяжелой фракции)