Дробление отходов и мусора (ТБО)

Дробление - это процесс уменьшения размеров кусков материала разрушением их под действием внешних сил.

Дробление является одной из вспомогательных операций, применя­емых при переработке отходов.

Целесообразность включения операций дробления в технологичес­кие схемы переработки ТБО определяется в основном требованиями к крупности материала соответствующих переделов переработки - обога­тительного, термического, биотермического, других переделов, а также необходимостью освобождения отходов от упаковки перед сепарацией ТБО (например, если сбор и доставка ТБО на сортировку осуществля­ется в полиэтиленовых мешках).

Основной принцип реализации на практике дробления техногенно­го сырья может быть заимствован из опыта обогащения полезных иско­паемых - «не дробить ничего лишнего». Это означает, что дроблению следует подвергать не все исходные ТБО, а лишь их фракцию, не удов­летворяющую по крупности требованиям последующего передела. В частности, исходя из условий сортировки, легкообогатимой является фракция -250 мм (-300 мм), поэтому дробить следует лишь крупнокус­ковую фракцию, выход которой относительно небольшой.

Дробление производится в специальных машинах - дробилках - методами раздавливания, раскалывания, истирания, удара, разрывания или их сочетанием; кроме того, в некоторых дробилках на куски мате­риала воздействуют изгибающие силы (рис. 5.2).

Выбор способа дробления зависит от физических свойств дробимо­го материала и крупности исходного материала.

Для очень твердых материалов наиболее рационально дробление ударом или раздавливанием, для вязких - раздавливанием или ударом в соединении с истиранием. Хрупкие материалы дробят способом раска­лывания, волокнистые материалы типа текстиля - разрыванием.

Что касается влияния размера исходных кусков, то для крупного дробления чаще всего применяют раздавливание и раскалывание, тонкое измельчение осуществляется главным образом ударом и истиранием.

Физическая сущность процессов дробления и измельчения одинако­ва, в результате дробления образуется преимущественно кусковой про­дукт, в результате измельчения — в основном порошкообразная масса.

Одним из показателей, характеризующих процесс дробления, явля­ется степень дробления (измельчения), под которой понимается отно­шение размеров максимальных кусков D до дробления к размеру макси­мальных кусков d после дробления.

Для отдельной стадии дробления i = D/d.

Общая степень дробления равна произведению степеней дробления каждой стадии:

i = i₁·i₂·i₃·…·i_n

Дробление можно представить как процесс образования новых по­верхностей, что приводит к увеличению потенциальной энергии систе­мы, - отсюда сам процесс дробления идет с поглощением энергии. Энергия, затраченная при дроблении, расходуется на нагревание - 99%
и полезную работу - 1 %. Полезная работа при образовании новых по­верхностей в процессе дробления расходуется на преодоление сил сцеп­ления между частицами твердого тела.

Отходы подвергаются чаще всего крупному и среднему дробле­нию, которое сопровождается относительно малым приращением по­верхностей, — отсюда в соответствии с гипотезой Кирпичева-Кика эле­ментарная работа, затрачиваемая в процессе дробления куска твердо­го материала, пропорциональна уменьшению первоначального объема дробимого тела:

dА=К₁·dV

Для дробления первичного сырья (руд и горных пород) в основном применяют дробилки двух типов - щековые и конусные; ограниченно применяются валковые и молотковые дробилки. Щековые дробилки применяются также для дробления бетонных и железобетонных отхо­дов (образующихся, например, при сносе старых зданий).

В щековой дробилке дробление производится путем раздавливания дробимых кусков между вертикальной и наклонной плоскостями (ще­ками). Материал загружается в приемное отверстие между щеками. По мере уменьшения размеров куски опускаются вниз к выходной щели.

На рис. 5.3 показана щековая дробилка типа ЩДС со сложным дви­жением щеки, на рис. 5.4 - типа ЩДП с простым движением щеки. В дробилке ЩДС движение подвижной щеки осуществляется в результате вращения маховика с эксцентриковым валом (подвижная щека непо­средственно подвешена на эксцентриковом валу и совершает сложное движение в виде замкнутых кривых). В дробилке ЩДП движение по­движной щеки осуществляется при движении вверх-вниз шатуна с экс­центриковой осью, шатун приводит в движение распорные плиты.

1 — неподвижная щека; 2 — подвижная щека; 3 —маховик; 4 — вкладыш (ре­гулировка разгрузочной щели); 5 —распорная плита; 6 —тяга с пружиной

Весьма эффективны для дробления материалов повышенной проч­ности (в том числе техногенного сырья, включая отходы железобетона и другие строительные отходы, отходы футеровки термического оборудо­вания, металлургические шлаки, отходы керамики и пр.) вибрационные щековые дробилки типа ВЩД, созданные в АО «Механобр-техника» (Санкт-Петербург).

Крупность дробленого продукта в вибрационной щековой дробилке снижается в два раза по сравнению с обычной при одинаковой производительности (высокая частота ударов щек обеспечи­вает повышенную степень дробления - до 10-20 и выше, причем для раз­рушения материала вследствие уцарно-вибрационного воздействия щек требуются меньшие усилия, чем в обычных щековых дробилках).

1 - неподвижная щека; 2 - подвижная щека; 3 - шатун; 4 —распорные плиты

1 – щека; 2 – корпус; - 3 – торсины; 4 – вибровозбудители; 5 – мягкие пружины

1 — в вибрационной щековой дробилке 440x800 мм;

2 — в обычной щековой дробите 400x900 мм

Дробилка типа ВЩД отличается простотой конструкции (рис.5.5) Дробление материала осуществляется между двумя щеками 1, под­вешенными к корпусу 2 на торсионах 3. Щеки совершают синхронные колебания (частота 800-1500 в минуту) под действием вибровозбудите­лей 4, которые одновременно вызывают вертикальные колебания дро­билки на мягких пружинах 5. За счет направленного вибрационного воздействия щек на дробимый материал обеспечивается повышенная производительность машины - до 100 т/час при использовании наибо­лее крупной дробилки с размером отверстия 1200x1500 мм (при макси­мальной крупности исходного питания 1000 мм крупность готового продукта после дробления в этой дробилке материала средней прочно­сти составляет 70 мм).

Дробилки ВЩД характеризуются низким энергопотреблением (мощность привода наиболее крупной дробилки составляет 2x55 кВт).

Масса самой крупной дробилки - 54 т, наиболее мелкой - 1,4 т (раз­меры приемного отверстия - 80x300 мм, наибольшая крупность пита­ния - 65 мм, крупность готового продукта - 15 мм, мощность привода - 2x7,5 кВт). Габариты самой крупной дробилки 4000x3700x4000 мм, са­мой мелкой - 1500x1240x1400 мм.

Дробилки типа ВЩД характеризуются автоматическим пропуском недробимых тел, размеры которых превышают размеры разгрузочной щели, т.е. эти дробилки, в отличие от стандартных, не требуют специ­альных предохранительных устройств. Другая особенность дробилок типа ВЩД - способность работать как при дозированной загрузке, так и под завалом (дробилка может запускаться под нагрузкой с полностью заполненной камерой дробления).

Сравнительная ситовая характеристика продуктов дробления в виб­рационной щековой дробилке 440x800 мм (1) и в обычной щековой дро­билке 400x900 мм (2) показана на рис.5.6.

Конусные дробилки различают для крупного дробления и для среднего и мелкого дробления.

В конусных дробилках дробление происходит методом раздавлива­ния и истирания между двумя усеченными конусами (в дробилках для крупного дробления внешний конус - неподвижный - установлен вниз вершиной, а внутренний - подвижный - вверх, рис. 5.7; в конусных дробилках для среднего и мелкого дробления оба конуса расположены вершинами вверх, рис. 5.8).

1 – основание; 2 – средняя коническая часть; 3 – кольцо с крестовиной и головкой; 4 – стяжные болты; 5 – подвижный конус; 6 – вал (подвешен неподвижно к головке крестовины); 7 – опорное кольцо (крепление вала); 8 – втулка; 9 – конусная втулка; 10 – эксцентриковый стакан (передача движения дробящему конусу); 11 – коническая передача; 12 – гидросистема (регулировка разгрузочной щели); 13 - маслохозяйство

В конусной дробилке крупного дробления (рис. 5.7) корпус по­движного дробящего конуса 5 насажен на вал 6, подвешенный к голов­ке крестовины 3. Движение дробящему конусу передается от эксцент­рикового стакана 10, в котором закреплена нижняя часть вала 6. Вели­чина разгрузочной щели (нижний зазор между конусами) регулирует­ся за счет поднятия вала с дробящим конусом путем нагнетания масла в гидроцилиндр 12.

1 – распределительная плита (тарелка); 2 – вал; 3 – неподвижный конус; 4 - подвижный конус; 5 – пружины; 6 – верхняя часть корпуса дробилки (поддерживается пружинами); 7 – гидравлическая система (регулировка разгрузочной щели)

В конусной дробилке для среднего и мелкого дробления (рис. 5.8) ма­териал подается на дробление через приемное отверстие на распредели­тельную плиту (тарелку). Тарелка 1, вращаясь по эксцентрику вместе с валом 2, сбрасывает материал в рабочее пространство между неподвиж­ным 3 и подвижным 4 конусами. Регулирование разгрузочного отверстия гидравлическое. При попадании в дробилку недробимых тел разгрузоч­ное отверстие раскрывается сжатием пружин 5 и за счет сброса давления под опорой вала с помощью специальной гидравлической системы 7.

Для мелкого дробления нетвердых и хрупких материалов применя­ются валковые дробилки. Эти дробилки (рис. 5.9) состоят из двух валков с гладкой, рифленой или зубчатой поверхностью, вращающихся навстре­чу друг другу. Материал загружается в щель между ними и истирается.

1 и 2 – валки; 3 – станина; 4 – подшипник; 5 – пружины; 6 – тяги; 7 и 8 – шкивы; 9 – питающая воронка; 10 – выпускное отверстие; 11 - кожух

Для дробления техногенного сырья - отходов - чаще всего применя­ются роторные дробилки: молотковые, ножевые и дисковые; значительно реже - растирающие дробилки (рашпили) и дробилки других типов.

Молотковые дробилки включают дробильную камеру с решетча­той нижней частью, через которую разгружается дробленый материал, и вращающийся вал с жестко закрепленными или шарнирно подвешен­ными на нем билами (ударными вращающимися инструментами, часто называемыми молотками).

Молотковые дробилки бывают двух типов - горизонтального и вертикального.

На рис. 5.10 представлена молотковая дробилка для дробления ТБО го­ризонтального типа. Материал поступает через загрузочное отверстие 1 в рабочую камеру дробилки. Дробящими элементами дробилки являются мо­лотки 2, укрепленные на роторе 8, и режущие ножевые элементы 3, уста­новленные на стенке 4 (стенка имеет некоторую подвижность, что устраня­ет заклинивание дробилки при попадании крупногабаритных предметов). Отходы измельчаются до 100-125 мм, проходят через решетку 6 и поступа­ют на конвейер 7. Недоизмельченный материал скапливается над решет­кой в пространстве 5 и измельчается при реверсивном движении ротора 8.

1 — загрузочное отверстие; 2—молотки; 3 —режущие ножевые элемен­ты; 4 — стенка корпуса; 5 - зона доизмелъчения; 6 - решетка; 7 - кон­вейер; 8 - ротор

На рис. 5.11 представлена молотковая дробилка для дробления ТБО вертикального типа. Материал поступает через загрузочный люк 1 в крыш­ке 9 в рабочую зону дробилки, где разбрасывается воздушным потоком, со­зданным вращающимся вертикальным валом (ротором) 2 с установленны­ми на нем молотками 4 (частота вращения вала 800 мин^-1); вал имеет ревер­сивное вращение. В конусной части дробилки отходы подвергаются пред­варительному дроблению с помощью небольшого числа молотков. Далее отходы дробятся до 15-25 мм в цилиндрическом корпусе 5 дробилки и раз­гружаются через перепускные каналы 6 в циклон 7 и затем - на конвейер.

Разгрузочное отверстие дробилки не закрыто решеткой, что исключает об­разование пробок. Дробилка снабжена блокирующим устройством, автома­тически отключающим ее при попадании недробимых отходов. В этой дро­билке одновременно происходит баллистическая сепарация (мягкие отходы отражаются молотками 4 и направляются в специальное окно в крышке 9).

1 - загрузочный люк; 2 — вертикальный ротор; 3 — конический корпус; 4 — молотки; 5 — цилиндрический корпус; 6 — перепускные каналы; 7 — циклон; 8 - воздуховод; 9 — крышка

Роторно-ножевые дробилки бывают двух типов — двухроторные и трехроторные. В обоих случаях роторы выполнены в виде винтов, ре­жущие кромки которых обеспечивают дробление материала (рис. 5.12). Дробилки этого типа часто используются в зарубежной практике перед сепарацией ТБО для вскрытия мешков и пакетов с отходами.

Два верхних винтовых ротора, вращающихся с небольшой скорос­тью навстречу друг другу, обеспечивают предварительное дробление материала, нижний ротор - его доизмельчение.

Нижний ротор образует режущую поверхность как с двумя верхни­ми роторами, так и с неподвижными ножами, закрепленными на корпу­се (за счет дополнительных многозаходных витков). Степень дробления регулируется с помощью изменения зазора между нижним ротором и стационарными ножами.

Скорость вращения каждого ротора можно плавно и индивидуаль­но регулировать.

Общий вид и детали:

а) общий вид дробилки типа Malin 400 (диаметр роторов 400 мм) с приводом; б) схема взаиморасположения рабочих элементов дробилки (вращающиеся роторы и неподвижные ножи); в) план и разрез дробилки; г) роторы с режущими ножами винтового типа

Материал в роторные дробилки может подаваться с помощью лен­точного конвейера или погрузчика; при попадании недробимых предме­тов автоматически обеспечивается реверсивное вращение ротора. При использовании роторных дробилок характерно низкое пылеобразование.

Наиболее крупная дробилка серии Тгітаїіп с диаметром роторов 500 мм имеет следующую характеристику: производительность по ТБО - 20-30 т/час, загрузочное отверстие - 2500x1700 мм, масса - 14 т, уста­новочная мощность - 250 кВт, частота вращения ротора (мин¹) - верх­него 0-32, нижнего 0-98.

Роторно-дисковые дробилки включают один или два вращающих­ся вала, на которых закреплены предварительно напряженные режущие диски (как правило, зубчатые). Режущие кованые зубчатые диски изго­тавливаются из высокопрочных и износостойких материалов. Насажен­ные между режущими дисками распорные кольца защищают валы ро­торов от повреждений в процессе дробления.

На рис. 5.13 представлена роторно-дисковая дробилка для дробления крупногабаритных отходов (изношенные автопокрышки, громоздкая упаковка, мебель). В этой дробилке два параллельных вала 4 и 5 враща­ются навстречу друг другу с различной частотой (40 и 80 мин¹). Каждый вал приводится от отдельного двигателя. На валах в шахматном порядке установлены режущие диски 8 с заостренными элементами (зубьями) 3, обеспечивающие захват, измельчение и удаление отходов, которые пере­мещаются в промежутки, образованные между соседними дисками ва­лов. На раме 7 смонтировано приемное и направляющее устройство 1 в виде бункера прямоугольного сечения, по боковым стенкам которого ус­тановлены ролики 2, образующие как бы наклонные рольганги, продвигающие материал к режущим зубьям. При попадании в дробилку слиш­ком твердых или больших кусков материала оба или один из валов на ко­роткое время приостанавливаются, а затем начинают вращаться в обрат­ном направлении, выталкивая материал, который не может пройти сквозь дробящие элементы, после чего работа аппарата стабилизируется.

[I] — бункер; 2 -ролики; 3 - зубья; 4,5 — валы; 6 — станина; 7 —рама; 8 - диски

На рис. 5.14 представлен вариант роторно-дисковой дробилки, запатентованной в США.

Как видно из рисунка, на каждом из роторов, вращающихся на­встречу друг другу, установлены диски с пятью резцами (резцы выпол­нены заодно с дисками), обеспечивающими дробление материала. Дис­ки насаживаются на втулки, имеющие шестигранное центральное от­верстие. Крупность дробленого продукта определяется отверстиями ре­шетки, установленной в нижней части дробилки.

1 -режущие зубья; 2 — шестигранные валы роторов

Для дробления ТБО за рубежом хорошо себя зарекомендовала ро­торно-дисковая дробилка типа ШЭ 16-8 (привод 110 кВт, производитель­ность - 9 т/час, длина роторов - 1520 мм, частота вращения - не более 13 мин^-1, загрузочное отверстие - 1560x1000 мм).