Технология электродинамической сепарации и методы интенсификации технологического процесса

Технология электродинамической сепарации ТБО относительно проста. Факторы, влияющие на этот процесс при использовании сепа­ратора любого типа, условно можно разделить на две группы: влияю­щие на воздействие магнитного поля на цветной металл в зоне сепара­ции (выталкивающая электродинамическая сила, время сепарации) и обеспечивающие оптимальную подготовку потока ТБО к электроди­намической сепарации (предварительное удаление легкой фракции и черных металлов, скорость и равномерность подачи материала в зону сепарации).

Известно несколько путей достижения в процессе электродинами­ческой сепарации максимального эффекта от взаимодействия магнит­ного поля и индуцированного в проводнике вихревого тока, обеспечи­вающего возникновение максимально возможной электродинамической силы, действующей на цветной металл.

1. Конструктивное оформление сепаратора (подача разделяемого материала в зону максимально интенсивных участков бегущего магнит­ного поля). На рис. 5.60 показана характеристика магнитного поля ин­дуктора 1, которое является более интенсивным в центральной области 7 и значительно менее интенсивным по краям 3 и 12 (граничные поля рассеивания обозначены пунктиром 9), причем в двух точках 14 и 15, отделяющих центральную область сильного магнитного поля от боко­вых областей менее сильного поля, вертикальная составляющая его равна нулю.

При подаче материала в зону сепарации в направлении 2 на цветные металлы в зоне 3 действует слабая выталкивающая сила, которая приво­дит к незначительному изменению их траектории 10 (в точке 6 централь­ной области сильного поля дополнительное отклонение незначительно). Поэтому целесообразно вводить материал в зону сепарации в направле­нии 4, 5 (т.е. подавать его в область максимального воздействия магнит- ного поля 13), в результате чего цветной металл движется по траектории (в конструкции сепаратора предусмотрена соответствующая направля­ющая). Неэлектропроводный материал движется по траектории 11.

1 — сепаратор; 2 — направляющая; 3 — детектор; 4 — конвейер; 5 — бун­кер; 6, 7 и 8- бункера, соответственно, для концентрата, промпродуктов и хвостов

Установка для извлечения цветных металлов из потока ТБО с пода­чей материала в зону сепарации в область максимального воздействия бегущего магнитного поля показана на рис. 5.61 (разработка США).

Отходы из бункера 5 подаются на конвейер 4, которым они транс­портируются и с помощью направляющей 2 вводятся в зону сепарации, где на цветные металлы воздействует максимальный поток, создавае­мый индуктором 1, включаемым по сигналу детектора 3. В итоге сорти­ровки цветные металлы попадают в бункер концентрата 6 либо в бункер промпродукта 7; весь остальной материал выводится из процесса в ви­де хвостов 8. Следует также отметить, что направляющая 2 сводит к минимуму механическое отскакивание материала от поверхности ин­дуктора, обеспечивая плавное изменение траектории потока ТБО, что способствует повышению извлечения металлов.

2. Предварительная ориентация частиц в магнитном поле.

В процессе электродинамической сепарации эффективность об­работки материала снижается из-за произвольной ориентации частиц различной формы, вследствие чего некоторые электропроводные час­тицы в момент входа в зону сепарации оказываются развернутыми поперек магнитных силовых линий. Вихревые токи таких частиц зна­чительно меньше, чем частиц, развернутых вдоль магнитных сило­вых линий, так как площади частиц, пронизываемые магнитным по­током, увеличиваются. В результате предварительной ориентации электропроводных частиц эффективность сепарации значительно по­вышается. Предварительная ориентация частиц в магнитном поле мо­жет быть достигнута, например, с помощью установки дополнитель­ного электромагнита, полюсы которого расположены над полюсами основного магнита.

В соответствии с разработками Национальной горной академии Ук­раины материал обрабатывается следующим образом.

На смесь частиц перед сепарацией воздействуют переменным одно­родным магнитным полем, в результате чего в электропроводных части­цах смеси индуцируются вихревые токи. При взаимодействии вихре­вых токов электропроводных частиц и поля возникает электромагнит­ный момент, разворачивающий частицы вдоль магнитных силовых ли­ний поля. Затем смесь подвергают электродинамической сепарации, при которой все электропроводные частицы находятся в одинаковых ус­ловиях, и как следствие -эффективность процесса возрастает.

3. Работа электродинамического сепаратора в импульсном ре­жиме.

Выше показано, что выталкивающая сила, действующая на ме­талл и способствующая его удалению из потока транспортируемого материала, может быть существенно увеличена при импульсной пода­че тока в обмотку линейного двигателя — путем включения индуктора в момент нахождения металла в зоне его действия (импульсный ре­жим работы).

Величина электродинамической силы как функции изменения удельного давления образцов металлов и толщины конвейерной ленты возрастает при импульсном режиме работы сепаратора (по сравнению с постоянным) от 1,15-1,3 до 2,2-2,5 раз, причем возрастает тем больше, а, б — толщина конвейерной ленты над индуктором, соответственно, 8 и 4 мм; I — постоянный режим работы; II — импульсный режим работы чем выше удельная проводимость металла и чем меньше толщина кон­вейерной ленты (рис. 5.62). Для аппарата данной конструкции сущест­вует некоторый предел крупности извлекаемого материала той или иной проводимости.

Импульсный режим работы электродинамического сепаратора в промышленных условиях обеспечивается его автоматическим включением на 1-2 секунды с помощью металлоискателя в момент попадания цветного металла в зону бегущего магнитного поля.

Применение металлоискателя, устанавливаемого для обнаружения металлов в отходах, транспортируемых конвейерной лентой, перед се­паратором допустимо при содержании цветных металлов в ТБО до 1,5% (металл в потоке встречается периодически).

Комбинация металлоискателя и электродинамического сепаратора создает наиболее экономичные условия работы индуктора (минимиза­ция расхода энергии) и обеспечивает максимальную эффективность его работы как сортирующего устройства (импульсная подача тока в обмот­ку ЛД) при обогащении ТБО. Кроме того, как показала практика, при импульсном режиме работы сепаратора поверхность индуктора почти не нагревается (в отличие от постоянного режима, когда поверхность ин­дуктора нагревается до 100° уже за 12-13 минут работы, что затрудняет его дальнейшую эксплуатацию по чисто технологическим причинам).

Как отмечено, извлечение цветных металлов при обогащении ТБО во многом зависит от эффективности подготовки отходов к электроди­намической сепарации. В основном подготовку ТБО определяют два фактора:

• первый - предварительное удаление легкой фракции и черных металлов;
• второй - скорость и равномерность подачи материала в зону сепарации.

Извлечение из ТБО цветных металлов без разделения потока на две фракции — легкую и тяжелую - затруднено, так как цветной метал­лолом «запутывается» в легких компонентах ТБО и его чрезвычайно трудно выделить в самостоятельный продукт (по этой же причине не­возможно обеспечить и высокое извлечение черного металлолома). По­этому при обогащении ТБО с целью извлечения цветных металлов обя­зательно введение аэросепарации как вспомогательной технологичес­кой операции.

После удаления из ТБО легкой фракции должна быть введена опе­рация извлечения или доизвлечения черных металлов, поскольку их присутствие в потоке затрудняет применение электродинамической се­парации. При этом наиболее крупные железные предметы должны быть извлечены в начале процесса, что позволяет наилучшим образом реали­зовать аэросепарацию для разделения ТБО на две фракции (уменьше­ние потока материала, ударной нагрузки на аппараты и пр.).

Скорость подачи материала в зону сепарации (определяемая, как правило, скоростью конвейерной ленты), а также характеристика транспортируемого потока (равномерная подача, загрузка в один слой или навалом и т.п.) оказывают существенное влияние на результаты электродинамической сепарации.

-------------------- — извлечение цветных металлов из потока ТБО;

- - - - - - - - - - - - — содержание цветных металлов в концентрате

Распределение цветных металлов на конвейерной ленте:

1 — приблизительно равномерное (загрузка в один слой); 2 — под слоем ТБО; 3 - на слое ТБО

На рис. 5.63 показана зависимость основных показателей обогащения от распределения цветных металлов в потоке ТБО при различной скорости конвейера.

Как видно из рисунка, извлечение цветных металлов определяется их положением в потоке ТБО и обратно пропорционально скорости кон­вейерной ленты, снижаясь при увеличении скорости.

Предпочтительная скорость конвейера - не более 1 м/с, загрузка материала на ленту - преимущественно в один слой.

Для обеспечения равномерной и монослойной подачи материала в зону сепарации применяют вибропитатели (виброжелоба), заменяют конвейерную ленту на специальные вибрирующие деки, а также ис­пользуют систему ленточных конвейеров с последовательно увеличива­ющимися скоростями.

А) Установка виброжелоба для подачи отходов в процесс электро­динамической сепарации во вращающемся магнитном поле (источник поля - постоянные магниты, помещенные либо во вращающийся ролик небольшого диаметра, либо во вращающийся барабан диаметром 2-4 м) показана на рис. 5.64 и 5.66.

Магнитные ролики, встроенные в приводной барабан ленточного конвейера, широко применяются в европейской практике переработки отходов (см. рис. 5.47). Предпочтительной является (рис. 5.65) модерни­зированная конструкция сепаратора с установкой магнитного ролика эксцентрично по отношению к приводному барабану конвейера (с воз­можностью регулирования положения ролика). Такая конструкция обес­печивает надежную защиту поверхности барабана и конвейерной ленты от повреждения частицами ферромагнитных компонентов, случайно по­падающих между верхней и нижней ветвью конвейерной ленты. Срок службы оборудования существенно возрастает: ферромагнитные компо­ненты, попадая во внутреннее пространство конвейера, не притягивают­ся к барабану магнитными силами и не прожигают его поверхность и по­верхность ленты. Одна из ведущих фирм - производителей электродина­мических сепараторов подобного типа — Steinert (Германия).

Сепаратор барабанного типа разработан в США (рис. 5.66), он представ­ляет собой барабан 4, материал в который загружается из бункера 1 с помо­щью входящего внутрь барабана виброжелоба 2 с вибровозбудителем 15.

Угол наклона барабана 4 к горизонтали регулируется в пределах от 4 до 15°. Нижний конец барабана расположен так, что отходы падают на его внутреннюю поверхность в заданную по длине точку; расположенную приблизительно посередине барабана. Барабан смонтирован на раме 11, шарнирно связанной с неподвижным опорным элементом 13. За счет ре­гулирования по вертикали опор 8 и 10 изменяют угол наклона барабана.

Барабан установлен на роликах 6 - по два на каждом конце бараба­на, - смонтированных в кронштейнах 14 на раме 11. Один из роликов 6 соединен валом 9 с электродвигателем 5. Этот ролик за счет трения обеспечивает вращение барабана.

Под верхним концом барабана установлено приемное устройство 12, в котором собираются цветные металлы, выделенные из ТБО. Вто­рое приемное устройство 7 расположено под нижним концом барабана, в нем собираются непроводящие компоненты. Приемные устройства представляют собой бункера или короба, а при необходимости выпол­няются в виде конвейеров.

В сепараторе магниты располагаются на внутренней поверхности барабана и предназначены для удаления проводящих составляющих из смешанных материалов. Магнитная система состоит из параллельных непрерывных рядов магнитов из феррита бария, расположенных в фор­ме полос на поверхности барабана под углом к его оси 45°.

а — обычный вариант установки ролика; б — модернизированный вариант установки

Каждый ряд образован несколькими мелкими магнитами (стыкуют­ся торцами) или представляет собой один длинный магнит. Магниты приклеиваются к поверхности барабана или крепятся с помощью меха­нических средств. Если барабан 4 изготовлен из магнитного материала, например стали, магниты удерживаются на его внутренней поверхнос­ти силами магнитного притяжения.

1 — бункер; 2 — виброжелоб; 3 — кольца; 4 — барабан; 5 — электродвигатель; 6—ролик; 7 — приемник; 8 и 10 — опоры; 9 — вал; 11 —рама; 12 — приемник; 13 — опорный элемент; 14 — кронштейн; 15 —вибратор -

Для надежной работы системы желательно предварительно удалить черные металлы из смешанных отходов перед их загрузкой в бункер 1 (например, с помощью магнитного шкива или подвесного сепаратора). Таким образом, в желоб поступают смешанные отходы, содержащие только неферромагнитные металлы.

Магниты, выполненные в виде полос, имеют одинаковую толщину и чередующиеся северный и южный магнитные полюсы, в результате че­го вдоль внутренней поверхности барабана образуются последовательно изменяющиеся противоположно направленные статические магнитные поля. Из северного полюса каждого из магнитов выходят силовые ли­нии, часть из них изгибается вверх по наклонной поверхности под уг­лом, равным углу наклона барабана, другая часть изгибается вниз и вхо­дит в южные полюсы магнитов на другой стороне магнитной системы.

Таким образом, между любыми тремя соседними магнитными полю­сами возникают два противоположно направленных магнитных поля, распространяющиеся по внутренней поверхности магнитного ряда и под постоянным углом к продольной оси. Обрабатываемый материал при вращении барабана пересекает силовые линии, формируемые чередую­щимися магнитными полями и проходящие над поверхностью магнитов.

Когда барабан с магнитами вращается по часовой стрелке, магнит­ные поля, последовательно пересекая обрабатываемый материал, инду­цируют в проводящих составляющих вихревые токи. В результате воз­никает сила, под действием которой проводящие составляющие пере­мещаются вверх вдоль наклонного днища барабана. Направление вра­щения барабана определяет направление движения проводящих состав­ляющих под действием таких электромагнитных сил.

В итоге проводящие компоненты непрерывно движутся вверх и раз­гружаются через верхний торец барабана в приемник 12. Непроводящие компоненты, на которые магнитное поле не воздействует и в которых, следовательно, не индуцируются вихревые токи, постепенно скользят вниз и разгружаются через нижний торец барабана в приемник 7.

Полнота разделения проводящих и непроводящих материалов мо­жет регулироваться изменением угла наклона барабана и частоты его вращения. Необходимо, чтобы ряд магнитов был уложен до торцов ба­рабана и особенно до его верхнего торца. Это обеспечивает эффектив­ное удаление проводящих компонентов из барабана. Чтобы предотвра­тить смещение магнитов вдоль оси барабана, по его торцам установле­ны кольца 3, которые перекрывают концы магнитного ряда.

[I] — пружины; 2 — линейные двигатели; 3 — вибрирующая дека; 4 — виб­ратор, 5 — механизм регулирования высоты и угла наклона деки; 6 — опора; 7 — приемник; 8 — стенка; 9 — лоток

Б) Для равномерной и монослойной подачи материала в процесс сепарации электродинамические сепараторы могут быть установлены на вибрирующую деку (разработка Японии). Как видно из рис. 5.67, де­ка сконструирована в виде лестницы, образованной последовательно расположенными ступенями. Вибрирующая дека 3 поддерживается опорами 6 с пружинами 1, поглощающими вибрации. Опоры снабжены механизмами 5, регулирующими высоту и угол наклона деки, на кото­рой установлены линейные двигатели 2 (по одному на каждой ступени деки). Направление отклоняющих сил, источником которых являются бегущие магнитные поля, образованные линейными двигателями, пока­зано стрелками А. Число линейных двигателей определяется их мощностью и типом обогащаемых материалов.

Поверхность линейных двигателей закрыта крышкой ступенчатой формы, которая образует ряд желобов для транспортировки материала, подлежащего сортировке. Ступенчатая крышка изготавливается из не­магнитного материала - нержавеющей стали, армированного пластика и т.п.

Вибровозбуцитель 4 приводит вибрирующую деку 3 в движение, направленное примерно под углом 45° к нижним плоскостям, в резуль­тате чего материал перемещается по стрелке В.

Сепараторы с одной стороны ограждены стенкой 8, а с другой нахо­дится лоток 9 для приема цветного металла. Неметаллический матери­ал, прошедший сортировку, удаляется в приемник 7. Перед сепарацией материал рекомендуется подвергать дроблению.

Дробленый материал, прошедший магнитную сепарацию, тонким слоем подается в зону первого линейного двигателя 2. Под действием вибраций материал перемещается над линейными двигателями 2, ма­гнитные поля которых направляют цветные металлы в приемник 9; не­металлическая фракция поступает в приемник 7.

Угол наклона желоба зависит от мощности линейных двигателей и характеристик вибропитателя, а также от плотности немагнитного ма­териала (при большой плотности рекомендуется наклон желоба в сторо­ну перемещения по стрелке А, при небольшой плотности - в противо­положную сторону, чтобы предотвратить падение неметаллических ча­стиц с желоба в приемный лоток 9).

В) Монослойную подачу отходов в процесс сепарации обеспечивает (наряду с разделением отходов на легкую и тяжелую фракции) ступен­чатое увеличение скорости потока ТБО по ходу технологического про­цесса. Для равномерного распределения компонентов на конвейерной ленте поток ТБО пропускается через систему из нескольких последова­тельно установленных ленточных конвейеров, каждый из которых име­ет большую скорость, чем предыдущий.

Практика показывает, что для обеспечения полноты извлечения цветных металлов электродинамическая сепарация должна проводиться в несколько стадий (основная и контрольные операции), причем сепара­торы должны устанавливаться на разных конвейерах, ленты которых имеют разную скорость (например, в основной сепарации 0,8-1,0 м/с, в контрольной - соответственно 1,0-1,2 м/с).1 При перегрузке слой пото­ка будет утончаться, а компоненты цветных металлов займут иное, бо­лее благоприятное положение на ленте другого конвейера, что увеличи­вает вероятность их доизвлечения в контрольной операции.

При двухстадийной электродинамической сепарации извлечение цветных металлов из потока ТБО находится на уровне 80-85%. Цветной металлом, извлеченный из ТБО, представлен в основном алюминием и в соответствии с ГОСТ 1639-93 («Лом цветных металлов и сплавов») может быть отнесен к классу А (лом и кусковые отходы). Лом этого класса подразделяется на две группы:

• группа 1 - алюминий чистый (не легированный); в зависимо­сти от сорта, содержание металла регламентируется в пределах 85-97% (максимально допускаемая засоренность черными металлами - 10%);
• группа х - лом и кусковые отходы алюминия и алюминиевых сплавов низкокачественные*; содержание металла регламентируется не менее 70%.