Магнитная сепарация ТБО

Магнитная сепарация — процесс разделения твердых материалов в магнитном поле, основанный на использовании различий в их магнит­ных свойствах (главным образом в магнитной восприимчивости).

Магнитную сепарацию широко применяют при обогащении отхо­дов производства и потребления, при обогащении руд (железных, мар­ганцевых, титановых, медно-никелевых, вольфрамовых, редкометаль­ных), для удаления железистых примесей из кварцевых песков, для ре­генерации ферромагнитных утяжелителей в установках для разделения материалов в тяжелых суспензиях. Магнитному обогащению подверга­ется обычно материал крупностью -200+0,1 мм.

Для магнитного обогащения важное значение имеет способность разделяемых компонентов к намагничиванию, которая характеризуется магнитной восприимчивостью.

Магнитная восприимчивость χ вещества характеризует связь меж­ду намагниченностью J (магнитным моментом М вещества, отнесен­ным к его объему V) и напряженностью магнитного поля Н в этом ве­ществе: χ = J/ Н

По магнитным свойствам (по способности намагничиваться во внешнем магнитном поле) все вещества делятся на диамагнитные, па­рамагнитные и ферромагнитные. Принадлежность вещества к той или иной группе определяют процессы в атомах, молекулах и кристаллах.

Диамагнитные вещества (висмут, серебро, золото) обладают отри­цательной магнитной восприимчивостью (под действием магнитных сил электроны атомов приобретают добавочную угловую скорость, вследствие чего в каждом атоме возникает добавочный магнитный мо­мент, направленный против создающего его внешнего поля).

Парамагнитные вещества (хром, марганец, олово, платина, редко­земельные элементы) обладают положительной магнитной воспри­имчивостью (под действием магнитных сил атомные магнитные мо­менты ориентируются по направлению поля, вследствие чего парама­гнитные вещества во внешнем магнитном поле намагничиваются в направлении поля).

У диа- и парамагнитных веществ магнитная восприимчивость очень мала и почти не зависит от напряженности поля.

Ферромагнитные вещества (железо, никель, кобальт, кадмий) харак­теризуются способностью к самопроизвольному намагничиванию даже при отсутствии внешнего магнитного поля. При увеличении напряжен­ности внешнего магнитного поля намагниченность ферромагнитного вещества возрастает при данной температуре до полного насыщения (все атомные магнитные моменты становятся параллельными и ориен­тируются по полю).

Если в магнитное поле, создаваемое в зоне сепарации системами из постоянных магнитов или электромагнитов с обмоткой, питаемой по­стоянным током, попадает ферромагнитное вещество,магнитное поле существенно искажается. При попадании в магнитное поле пара- и ди­амагнитных веществ оно искажается незначительно. Соответственно, ферромагнитные вещества испытывают значительные силы со стороны магнитного поля, пара- и диамагнитные - меньшие.

Ферромагнитный компонент в магнитном поле намагничивается и становится магнитом с двумя полюсами. Работа намагничивания еди­ницы объема ферромагнитного компонента при изменении индукции от 0 до некоторого значения В, графически выражается площадью меж­ду кривой намагничивания и осью ординат (рис. 5.23).

При намагничивании ферромагнитного компонента ему сообщает­ся энергия на создание магнитного поля внутри компонента и вне его. Магнитная сила, действующая на ферромагнитный компонент в ма­гнитном поле, определяется потенциальной энергией, приобретенной единицей объема компонента во время его намагничивания:

Чтобы магнитные компоненты притягивались к магниту, действую­щая на них магнитная сила притяжения должна превосходить силу тя­жести, а также сопротивление среды движению частиц и другие меха­нические силы.

Чем больше разница магнитной восприимчивости отдельных ком­понентов в их смеси, тем легче разделяются они в магнитном поле, при­чем чем выше магнитная восприимчивость, тем меньшая требуется на­пряженность поля для разделения компонентов.

Ферромагнитные компоненты большинства твердых отходов (в т.ч. ТБО) имеют удельную магнитную восприимчивость не менее 3-10^-3см³/г и достаточно эффективно извлекаются в магнитный продукт при ис­пользовании сепараторов с относительно слабым магнитным полем напряженностью до 120 кА/м (практически применяются сепараторы с магнитным полем 90-200 к А/м). К ним относятся все изделия из чер­ного металла, отслужившие свой срок в быту и попавшие в ТБО, а так­же луженая консервная тара и др.

Для выделения из отходов магнитного продукта наиболее подходят подвесные электромагнитные сепараторы-железоотделители типа ПС с автоматической разгрузкой и шкивные сепараторы типа ШЭ Луганско­го машиностроительного завода им. Пархоменко. В рабочей зоне этих сепараторов имеется магнитное поле, которое создается системой из электромагнитов с обмоткой, питаемой постоянным током.

На рис. 5.24 показана схема сил, действующих на ферромагнитный компонент, транспортируемый наклонным конвейером и попадающий в поле действия магнитной системы подвесного сепаратора, установлен­ного на расстоянии h от ленты.

После того как ферромагнитный компонент смещается к транспортирующей ленте сепаратора, удаляющей его из рабочей зоны сепара­ции, магнитной силе необходимо преодолевать силу тяжести в или ее нормальную составляющую С

Минимальная удельная магнитная сила f_м, необходимая для извле­чения ферромагнитных компонентов при монослойной подаче отходов в зону сепарации подвесного электромагнитного сепаратора, может быть рассчитана по формуле:

где h — высота зоны сепарации, м;

v — скорость конвейерной ленты, м/с;

l_акт - длина активной части зоны сепарации, м;

g — ускорение свободного падения, м/с².

На рис. 5.25 показана схема сил, действующих на ферромагнитный компонент в зоне сепарации при использовании магнитного шкива. Удельная магнитная сила f_м, необходимая для извлечения входящих в состав ТБО ферромагнитных компонентов, составляет:

При сепарации ТБО, представляющих собой крупнокусковой мате­риал, когда отношение размера частиц d к радиусу барабана R_б=d/R_б >0,05, удельная магнитная сила определяется по формуле:

По расчетам, удельная магнитная сила, возникающая в процессе магнитной сепарации, составляет 10-12 Н.

Подвесной сепаратор (рис. 5.26) представляет собой электрома­гнит 3 с непрерывно движущейся вокруг него конвейерной лентой 4, разгружающей извлеченные магнитные предметы с электромагнита. Рама 1 представляет собой сварную металлоконструкцию, на которой крепятся все составные части железоотделителя. Электромагнит со­стоит из Ш-образной полюсной скобы, катушек, полюсного наконеч­ника и токораспределительной коробки. Катушки магнитной системы каркасного типа, намотаны медным проводом.

Пространство между обмоткой и кожухом катушки заполнено заливочной массой. Обмотку электромагнита питает преобразователь, поставляемый комплектно с сепаратором. На барабаны 2,6 и 7 надета лента 4 с закрепленными на ней планками-скребками из резины, которые предназначены для за­хвата и удаления извлеченных ферромагнитных предметов.

1 — рама; 2, 6 и 7 — барабаны; 3 — электромагнит; 4 — конвейерная лен­та; 5 — электропривод; 8 — натяжные винты

Натяжение ленты осуществляется перемещением барабана 7 по па­зам в раме железоотделителя с помощью гаек натяжных винтов 8. Бара­бан вращается с помощью цепной передачи от привода 5, состоящего из электродвигателя мощностью 4-6 кВт и редуктора.

Для лучшего извлечения ферромагнитных предметов из транспор­тируемого потока ТБО желательно, чтобы лента конвейера под железо- отделителем была плоской (без желоба). Скорость движения конвейер­ной ленты сепаратора - до 2,5 м/с. При обогащении ТБО весьма эффек­тивен сепаратор ПС-120 (напряженность магнитного поля на поверхно­сти полюсов 90 - 220 кА/м).

На рис. 5.27 приведена характеристика магнитного поля в рабочей зоне подвесного магнитного сепаратора. Из рисунка следует, что величи­на магнитной индукции как функции изменения напряжения составляет на поверхности конвейерной ленты, транспортирующей ТБО, 10-60 мТл. Как видно из рис 5.28, область извлечения ферромагнитных компонен­тов различной площади определяется магнитной индукцией в зоне сепа­рации; минимально необходимое значение магнитной индукции на по­верхности конвейерной ленты должно быть на уровне 15-20 мТл, и сепа­рация может проводиться при рабочем напряжении 100-150 В, обеспечивающем необходимые магнитные силы для выделения из ТБО феррома­гнитного металлолома.

1 — на поверхности конвейерной ленты сепаратора; 2 — то же, транс­портирующей ТБО:

1 — магнитная индукция В на поверхности ленты железоотделителя (17=80 мм от магнитной системы); 2—магнитная индукция на поверх­ности конвейерной ленты, транспортирующей отходы

Извлечение черного металлолома из потока ТБО находится в пря­мой зависимости от интенсивности взаимодействия ферромагнитных компонентов ТБО с магнитным полем и резко снижается при удалении полюсов магнитного устройства от транспортируемых отходов (рис. 5.29). Предельная высота установки подвесного сепаратора над лентой конвейера — 600 мм (предпочтительно не более 300-350 мм). В любом случае высота установки сепаратора должна обеспечивать свободное прохождение под ним транспортируемого материала (минимальная высота подвеса сепаратора над конвейерной лентой с ТБО - не менее дву­кратной высоты наиболее крупных извлекаемых предметов).

Конечное извлечение компонента зависит от продолжительности процесса сепарации. Время нахождения черного металлолома в магнит­ном поле сепаратора зависит от скорости транспортировки ТБО (от ско­рости конвейерной ленты). Как видно из рис 5.30, необходимая для из­влечения черного металла магнитная индукция на поверхности конвей­ерной ленты, транспортирующей ТБО, незначительно зависит от скороста потока, но в большей степени от интенсивности массового потока неферромагнитных компонентов.

Подвесные магнитные сепараторы устанавливают над лентой кон­вейера, транспортирующей ТБО: чаще всего в каком-либо месте между приводным и хвостовым барабаном перпендикулярно направлению движения конвейера, либо в месте разгрузки материала с конвейера в направлении движения ленты (рис. 5.31 и 5.32).

Для повышения эффективности процесса устанавливают сепарато­ры с удлиненной зоной сепарации (рис. 5.33 и 5.34) и со сложной элек­тромагнитной системой (рис. 5.35 и 5.36), обеспечивающие вторичную концентрацию ферромагнитных компонентов, извлеченных из потока отходов, и позволяющие получить более чистый черный металлолом.

1 — ленточный конвейер; 2 — магнитный сепаратор; 3 — течка из нема­гнитного материала; 4 — магнитные компоненты; 5 — немагнитная фракция

1 – рама магнитного сепаратора; 2 и 3 – приводной и хвостовой барабаны; 4 – конвейерная лента; 5 – электромагнит; 6 – конвейер БТО

1 — конвейер ТБО; 2 — магнитный сепаратор; 3 — магнитный продукт; 4 — немагнитный продукт

1 — конвейер ТБО; 2 — магнитный сепаратор; 3 — конвейер магнитного продукта; 4 — конвейер немагнитного продукта

1 — магнитный сепаратор; 2 - конвейер ТБО; 3 - отсекателъ; 4- шибер

Общий вид установки подвесного магнитного сепаратора показан на рис. 5.37.

Недостаток установки подвесных магнитных сепараторов над сло­ем транспортируемых отходов - низкое извлечение черных металлов (особенно небольшого размера), находящихся под слоем ТБО. Поэтому магнитная сепарация должна проводиться в несколько стадий, а сепара­торы устанавливаться в различных точках технологической схемы.

Для доизвлечения железных предметов, находящихся под слоем ТБО, целесообразно использовать шкивной магнитный сепаратор - в виде приводного барабана ленточного конвейера, проходящего под се­паратором типа ПС (контрольная магнитная сепарация).

Электромагнитный шкивной сепаратор представляет собой ба­рабан, приводящий в движение конвейерную ленту (рис. 5.38). Ос­новной узел электромагнитного шкива — вращающаяся магнитная система, встроенная в ведущий барабан ленточного конвейера. Электромагнитный шкив - это вал 1 с насаженными на него диска­ми 2 из динамной стали и цилиндрическими катушками 3 с провод­никами для постоянного тока. Катушки закрываются кольцами 4 из немагнитного материала, ток к ним подводится через неподвижные щетки 5.

1 — вал; 2 — диски; 3 — катушки с проводниками; 4 — кольца из нема­гнитного материала; 5 — неподвижные щетки; 6 — шкив

Магнитное поле существует на всей поверхности шкива 6, диаметр которого в промышленных сепараторах изменяется от 630 до 1000 мм. Притянувшиеся к шкиву магнитные компоненты удаляются конвейер­ной лентой, для которой магнитный шкив, как отмечено, является веду­щим. В нижней части шкива лента отрывает притянувшиеся к нему ма­гнитные частицы; под шкивом целесообразно устанавливать шибер, ре­гулирующий выход магнитного и немагнитного продуктов. В промыш­ленных условиях обогащения ТБО хорошо зарекомендовал себя шкив электромагнитный ШЭ-100-80 (напряженность магнитного поля на рас­стоянии 10 мм от поверхности полюсов равна 105 - 160 кАУм).

На рис. 5.39 приведена характеристика магнитного поля в рабочей зо­не шкивного магнитного сепаратора (распределение магнитной индукции вдоль шкива). Из рисунка следует, что минимум индукции, хотя и прихо­дится на середину шкива (те. на середину конвейерной ленты, где слой ТБО наибольший), захватывает небольшую длину и поэтому не должен отрицательно сказываться на извлечении металла. На краю ленты магнит­ная индукция становится незначительной, следовательно, извлекающая способность сепаратора в этой зоне невелика. С учетом «слабой» зоны по краям аппарата для обеспечения более полного извлечения черного метал­лолома желательно применение желобчатой конвейерной ленты.

1, 2, 3 и 4- подаваемое напряжение, соответственно, ЗОВ, 20В, 10В, 5В

По данным практики, магнитный шкив должен работать при пода­ваемом напряжении не менее 10-15 В, обеспечивающем извлечение ферромагнитных предметов массой более 50 г.

Схемы установки шкивных магнитных сепараторов на конвейер­ных линиях извлечения черных металлов из потока отходов приведены на рис. 5.40 и 5.41.

1 – ленточный конвейер; 2 – магнитный шкив; 3 – шибер (из немагнитного материала)

1 — ленточный конвейер; 2 — магнитный шкив; 3 — отсекателъ (из нема­гнитного материала); 4 — немагнитный продукт; 5—магнитный продукт

В зарубежной практике при магнитной сепарации ТБО и других от­ходов нашли применение барабанные сепараторы с встроенным во вращающийся барабан неподвижным постоянным или электрическим магнитом. Конструкция барабанного магнитного сепаратора подобна конструкции шкивного сепаратора, но барабан не связан непосред­ственно с транспортирующим средством.

Магнитное поле такого сепа­ратора распространяется на 180° окружности барабана (обечайка из не­магнитного материала вращается вокруг неподвижной магнитной сис­темы). Ферромагнитные компоненты, притянувшиеся к барабану, про­ходят до немагнитной зоны и там отрываются от поверхности барабана. Устанавливают барабанный сепаратор таким образом, чтобы поток от­ходов поступал или непосредственно на барабан, или проходил бы под барабаном (рис. 5.42 и 5.43). Для повышения эффективности сепарации подавать материал к барабану необходимо тонким слоем (например, с помощью вибропитателя).

1 – вибропитатель; 2 – магнитный барабан; 3 – отсекатель (из немагнитного материала); 4 – немагнитный продукт; 5 – магнитный продукт

Практика показывает, что при извлечении черных металлов, осо­бенно в голове процесса сепарации ТБО, вместе с ними в магнитный продукт попадают посторонние примеси (макулатура, текстиль, поли­мерная пленка и др.), поэтому в технологической схеме обязательно должна предусматриваться перечистка магнитного продукта в магнит­ном поле для освобождения от неметаллических включений.

Наиболее высокие показатели в операции перечистки обеспечивает се­парация в магнитном поле подвесного сепаратора, на ленте которого под­держивают магнитную индукцию 150-170 мТл (подаваемое напряжение не более 180 В). Замена подвесного магнитного сепаратора на магнитный шкив снижает извлечение ферромагнитных компонентов на 10-15%.

1 — ленточный конвейер с рифлями; 2 —магнитные барабаны; 3 — виб- ропитателъ; 4 — магнитный продукт; 5 — немагнитный продукт; б — шибер (из немагнитного материала)

После перечистки содержание металлов в коллективном концентра­те составляет 98-99,5% при извлечении от исходного 95-98%. При необ­ходимости коллективный магнитный концентрат может разделяться на лом черный и оловосодержащий (с использованием виброгрохочения и сепарации на подвижной наклонной плоскости) (рис. 5.44): оловосодер­жащие компоненты (луженая консервная тара) выделяются в виде сред­него класса грохочения и подвергаются доводке на движущейся вверх ленте конвейера, установленного под углом 22-23°; консервные банки скатываются по ленте конвейера вниз, а остальные компоненты транс­портируются конвейерной лентой вверх. Выделенные оловосодержа­щие компоненты реализуются как лом цветных металлов и могут направляться на гидрометаллургические установки для снятия олова.

1 — ленточный конвейер; 2 — подвесной железоотделителъ ПС 120; 3 — бункер накопительный; 4 — двухдечный грохот ТИТ-32М; 5 - конвейер доводочный; 6 — бункер лома оловосодержащего; 7—бункер черного ме­таллолома

Лом черных металлов, выделенный из ТБО для отправки потреби­телю, должен соответствовать требованиям ГОСТ 278-86. Засоренность продукта неметаллическими примесями не должна превышать 3% по массе.

Чаще всего черный металлолом поставляется потребителю в паке­тированном виде.

Пакетирование - уплотнение крупнокускового материала методом прессования с получением пакетов (при пакетировании макулатуры, пластмассы, текстиля - обязательно с обвязкой проволокой, веревкой и т.п.) с целью повышения эффективности последующего обращения с материалом (хранение, транспортировка, захоронение, переработка). Металл в пакетированном виде загружают в транспортные средства с помощью автопогрузчика или магнитной шайбы.

Лом луженой тары (оловосодержащие компоненты) должен соот­ветствовать требованиям ГОСТ 1639-93 «Лом цветных металлов и сплавов». Засоренность продукта бумагой, тряпками, древесиной, ос­татками пищевых продуктов и т.п. не должна превышать 5%.

Лом луженой тары, выделенный из ТБО с целью последующего из­влечения олова, должен поставляться на предприятия вторичной метал­лургии в россыпном виде.

При переработке оловосодержащего лома получают два продукта - высококачественное олово (в виде 25-килограммовых чушек) и прессо­ванные пакеты жести от консервных банок, представляющие собой цен­ное сырье для выплавки стали.

Следует отметить, что извлеченные из ТБО консервные банки загряз­нены, причем обычно банки имеют несколько швов, где металл плотно спрессован и во многих случаях спаян. В этих швах концентрируется приблизительно четвертая часть всей массы олова, снятие которого в процессах гидрометаллургии затруднено. Поэтому перед подачей кон­сервных банок на стадию снятия олова необходима их предварительная обработка - мойка в специальном аппарате, измельчение, а также введе­ние других операций, позволяющих очищать банки и раскрывать швы.

При этом измельчение консервных банок в дробилке типа молотковой не­желательно, так как банки сминаются, что резко ухудшает возможность их очистки и снятия олова. Предпочтение следует отдать дисковым или ножевым дробилкам, в которых банки не сминаются, а разрезаются. Пре­имущества такого дробления - раскрытие значительной части швов, уда­ление загрязняющих примесей, снижение насыпной массы, что сокраща­ет транспортные расходы (последние можно избежать, если цех снятия олова входит в состав мусороперерабатывающего завода).