Агрегирование полимерных отходов

ВВЕДЕНИЕ

Наряду с методами уменьшения размеров кусковых материалов и их разделения на классы крупности при переработке твердых отходов большое распространение имеют методы, связанные с укрупнением мелкодисперсных частиц, имеющие как самостоятельное, так и вспомогательное значение и объединяющие различные приемы гранулирования, таблетирования, брикетирования и высокотемпературной агломерации. Их используют при переработке компонентов отвальных пород добычи полезных ископаемых, хвостов обогащения углей и золы — уноса ТЭС, в процессах утилизации фосфогипса, в сельском хозяйстве и цементной промышленности, при подготовке к переплаву мелкокусковых и дисперсных отходов черных и цветных металлов, в процессах утилизации пластмасс, саж, пылей и древесной мелочи, при обработке шлаковых расплавов в металлургических производствах и электротермофосфорном производстве и во многих других процессах утилизации и переработки BMP.

Глава 1. АГРЕГАЦИЯ И АГЛОМЕРАЦИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ Гранулирование. Методы гранулирования охватывают большую группу процессов формирования агрегатов обычно сферической или цилиндрической формы из порошков, паст, расплавов или растворов перерабатываемых материалов. Эти процессы основаны на различных приемах обработки материалов.

Гранулирование порошкообразных материалов окатыванием наиболее часто проводят в ротационных (барабанных, тарельчатых, центробежных, лопастных) и вибрационных грануляторах различных конструкций. Производительность этих аппаратов и характеристики получаемых гранул зависят от свойств исходных материалов, а также от технологических параметров (расхода порошков и связующих, соотношения ретура — затравки и порошка, температурного режима, частоты вращения, коэффициента заполнения аппарата) и конструктивных факторов (геометрических размеров аппарата, угла наклона и др.).

Получившие большое распространение на практике барабанные грануляторы часто снабжают различными устройствами для интенсификации процессов, предотвращения прилипания порошков к рабочей поверхности, сортировки гранул по размерам. Они характеризуются большой производительностью (до 70 т/ч), относительной простотой конструкции, надежностью в работе и сравнительно невысокими удельными энергозатратами. Однако барабанные грануляторы не позволяют получить гранулят узкого фракционного состава, а также осуществить контроль и управление процессом.

Для получения гранулята, близкого по составу к монодисперсному, используют тарельчатые (дисковые) грануляторы окатывания, обеспечивающие возможность достаточно легкого управления процессом.

Существует много конструкций тарельчатых грануляторов, различающихся размерами, наличием или отсутствием, а также формой и расположением отдельных конструктивных элементов. Обычно применяют тарели (чаши, диски) диаметром 1—6 м, с высотой борта до 0,6 м.

Связь производительности тарельчатого гранулятора Q (т/ч) с диаметром D тарели (м) в общем виде выражается зависимостью:

Q=KD (4.15)

где К— коэффициент грануляции, значение которого может быть найдено в специальной литературе (для летучей золы, например, К= 0,4−0,55).

Необходимый размер тарели гранулятора оценивают по удельной производительности q, которая находится в пределах 0,77-;

0,91 т/(м²-ч):

Ј=VQ/(0,785?). (4.16)

Тарельчатые грануляторы экономичнее барабанных, они более компактны и требуют меньших капитальных вложений. Их недостатком являются высокая чувствительность к содержанию жидкой фазы в обрабатываемом материале и, как следствие, узкие пределы рабочих режимов. На практике используют грануляторы производительностью до 125 т/ч.

Гранулирование порошков прессованием характеризуется промежуточной стадией упругопластического сжатия их частиц, происходящего под действием давления и нагрева (иногда при перемешивании) с образованием коагуляционной структуры. Давление начала процесса прессового гранулирования определяется пределом текучести наименее прочного компонента перерабатываемого порошка. Прессовое гранулирование проводят в валковых и таблеточных машинах различной конструкции, червячных и ленточных прессах, дисковых экструдерах и некоторых других механизмах с получением агломератов различной формы и размеров.

Валковые грануляторы снабжают прессующими элементами с рабочей поверхностью различного профиля, что позволяй получать спрессованный материал в виде отдельных кусков (обычно поперечное сечение до 30 мм), прутков, плиток и полос. Эти механизмы часто совмещают с дробилками (обычно также валкового типа), обеспечивающими получение из спрессованных полупродуктов гранул заданных размеров.

Производительность валковых грануляторов обычно составляет 5—100 т/ч. Ориентировочно ее можно оценить по формуле:

Q= 188,4- 10V Р-*'л-Ј^в А (⁴¹⁷>

где Ј — ширина зазора между валками, м; L — длина валка, м; D — диаметр валка, м; р_н — насыпная плотность исходного материала, кг/м³; п — частота вращения валков, 1/с; у = 0,5—0,6.

Принципы прессового гранулирования порошков и паст реализуют также в червячных прессах (экструдерах) различной конструкции, рабочими элементами которых являются червяки (шнеки), пластицирующие перерабатываемый материал и продавливающие его через перфорированную решетку (фильерную головку), по выходе из которой сформованные жгуты либо ломаются под действием собственной тяжести, либо их режут до или после охлаждения дисковым или гильотинным ножом на частицы заданной длины.

Отдельную группу грануляторов представляют аппараты гранулирования порошков в дисперсных потоках. Процесс в таких грануляторах основан на столкновениях частиц порошка или порошка и жидкой фазы в турбулизованном потоке циркулирующего в аппарате или проходящего через него воздуха или газа. Турбулентный контакт частиц гранулируемых материалов в потоке сплошной фазы может обеспечиваться в струйных грануляторах или в грануляторах кипящего слоя либо посредством воздействия на частицы вибрационных (грануляторы виброкипящего слоя) или других механических возмущений.

При переработке металлургических и топливных шлаков широко используются специальные методы гранулирования силикатных расплавов, которые рассмотрены в гл. 8.

Таблетирование. При производстве из промышленных отходов (или их компонентов) некоторых адсорбентов, катализаторов, витаминных, лечебных и ряда других препаратов и изделий порошковые материалы гранулируют с использованием таблеточных машин различных типов, принцип действия большинства из которых основан на прессовании пуансонами дозируемых в матричные каналы порошков. Изготавливаемые таблетки характеризуются разнообразной формой (цилиндры, сферы, полусферы, тики, кольца и т. п.) с диаметром поперечного сечения 6—12 мм. Производительность наиболее распространенных таблеточных машин составляет от 3 до 96 тыс. таблеток в час.

Брикетирование. При утилизации твердых отходов с целью придания им компактности, обеспечивающей лучшие условия транспортирования, хранения, а часто и саму возможность переработки, а также с целью изготовления товарной продукции широко используют брикетирование.

Брикетирование дисперсных материалов проводят без * ни чующего при давлении прессования, превышающем 80 МПа, и с добавками связующих при давлении, обычно ограниченном IN -25 МПа. На процесс брикетирования дисперсных материалов существенно влияют состав, влажность и крупность материала, температура, удельное давление и продолжительность прессования. Необходимое удельное давление прессования обычно находится в обратной зависимости от влажности материала. Перед брикетированием материал обычно подвергают грохочению, дробней, сушке, охлаждению и другим подготовительным операциям.

В практике брикетирования твердых отходов используют различные прессовые механизмы. При брикетировании дисперсных материалов наибольшее распространение получили штемпельные (давление прессования 100—120 МПа), вальцовые и кольцевые (около 200 МПа) прессы различных конструкций.

Высокотемпературная агломерация. Этот метод используют при обработке пылей, окалины, шламов и мелочи рудного сырья в металлургических производствах, пиритных огарков и других дисперсных железосодержащих отходов. Для проведения агломерации на основе таких BMP приготовляют шихту, включающую твердое топливо (коксовую мелочь в количестве 6— 7% по массе), и другие компоненты (концентрат, руду, флюсы). Шихту усредняют и увлажняют до 5—8%. Затем ее подают на решетки движущихся обжиговых тележек) агломерационной машины. Высота слоя шихты должна обеспечивать ей оптимальную газопроницаемость. Нагрев и воспламенение шихты обеспечивают просасыванием через нее продуктов сжигания газообразного или жидкого топлива. Процесс спекания минеральных компонентов шихты протекает при горении твердого топлива (при 1100—1600 °С), содержащегося в ней. Агломерационные газы удаляют под разрежением 7—10 кПа.

Спеченный агломерат дробят до крупности 100—150 мм в валковых зубчатых дробилках, продукт дробления подвергают грохочению и последующему охлаждению. Просев грохочения — фракцию с размером частиц менее 8 мм, выход которой составляет 30—35%, возвращают на агломерацию.

Применяющиеся для высокотемпературной агломерации конвейерные машины с верхним зажиганием шихты производительностью 400—500 т/ч отличаются выделением больших объемов разбавленных по загрязняющим компонентам (СО, S0₂, N0₂) агломерационных газов. Агломашины с нижним зажиганием в значительной степени лишены этого недостатка.

Смешение материалов. Для усреднения дисперсных отходов, приготовления на их основе многокомпонентных смесей, в частности при гранулировании, таблетировании, брикетировании и других процессах, обеспечивающих возможность переработки BMP в товарные продукты, широко используют смешение порошкообразных и пастообразных материалов.

Существующие смесительные механизмы периодического и непрерывного действия основаны на использовании механических, гравитационных и пневматических способов взаимного перемещения частиц обрабатываемых материалов и характеризуются большим разнообразием конструкций.

Среди смесителей периодического действия наиболее распространенными являются барабанные, бегунковые, пневматические, циркуляционные и червячно-лопастные. К числу аппаратов непрерывного действия принадлежат барабанные, вибрационные, гравитационные, лопастные, центробежные и червячно-лопастные смесители.

Процессы смешения могут быть охарактеризованы степенью однородности (коэффициентом неоднородности), интенсивностью и эффективностью перемешивания.

Мелкодисперсные отходы различных производств подвергаются либо захоронению, либо санкционированному хранению, занимая огромные территории и являясь источником загрязнения окружающей среды. В данной работе приведены примеры возможной переработки таких отходов, как зола сожженного отстоя сточных вод, гранитная пыль щебеночного производства, а также мелкодисперсные отходы черной металлургии. Технология переработки состоит в агрегации отходов и их температурной агломерации. Технологические методы находятся на разных стадиях разработки, однако у каждого получены обнадеживающие результаты.

1 Легкие заполнители бетона (ЛЗБ). При производстве гранитного щебня до 30% горной массы отсеивается и, по существу, превращается в отходы. Часть отсевов может быть использована для производства легких заполнителей бетона. Для этого отсевы смешиваются с газообразователем, а из полученной шихты с применением ПАВ формуются гранулы. Затем гранулы обжигаются.

Изучение полученных образцов показало, что ЛЗБ имеют высокие показатели по тепловому сопротивлению, водопоглощению, плотности, себестоимости производства. В ходе выполненной научно-исследовательской работы предложена технология производства ЛЗБ, которая должна быть проверена на опытной линии. Учитывая, что потребность в легких заполнителях составляет около 80 млн куб. м в год, можно оценить, что около 25 млн т гранитных отсевов может быть ежегодно использовано для производства ценнейшего строительного материала.

Проведенные исследования показали, что использование ЛЗБ может позволить производить железобетонные и бетонные изделия, обладающие повышенным термосопротивлением. Дальнейшее исследование ЛЗБ также требует создания опытно-промышленной установки и проведения комплекса исследований.

2. Многие крупные города оборудованы заводами по сжиганию отстоя сточных вод. После сжигания образуется зола, содержащая примеси вредных веществ в количествах, превышающих нормы ПДК. Эта зола подлежит захоронению. Для города с миллионным населением количество золы составляет десятки тонн в сутки при плотности около 0,6 т на куб. м. При доставке золы на полигон для захоронения требуется большой объем транспорта и помещения захоронения.

Агрегация золы с повышением плотности существенно удешевляет процесс захоронения. При обследовании золы сжигания отстоя сточных вод установлено, что она агрегирует под давлением с применением небольшого количества поверхностно-активного вещества (ПАВ). Спрессованные таблетки были подвергнуты обжигу. В результате получены таблетки с плотностью 2,7 т/куб. м и высокой прочностью с оплавленной поверхностью. То есть объем золы уменьшился в 3−5 раз. Полученные образцы представлены на фото 2. Верхние образцы — прессованная зола. Образцы имеют коричневый цвет и прочность, достаточную для транспортировки. Нижние образцы — результат обжига: цвет — черный, поверхность — стеклованная. Левые и правые образцы получены при различном давлении прессования.

Представляется, что по-настоящему существует возможность создать линию по обработке золы путем прессования и обжига. Проведенный эксперимент дает основание полагать, что для сокращения расходов по захоронению золы может быть рассмотрено несколько вариантов.

Прессование золы. Полученные плотные изделия подлежат захоронению, но здесь втрое снижаются транспортные расходы и расходы по захоронению.

Обжиг прессованных изделий. При обжиге происходит стеклование поверхности изделий, а это может предотвратить вымывание имеющихся в золе вредных примесей. Этот эффект следует проверить экспериментально. Возможно, получаемые изделия могут быть использованы в качестве подсыпки или наполнителя бетона.

На основании исследований можно изменить класс опасности золы и дать рекомендации по ее использованию.

3. Мелкодисперсные отходы черной металлургии накоплены в мире в количестве многих миллионов тонн. Агрегация этих отходов путем увеличения усилия прессования или тонкости помола оказалась в ходе экспериментов невозможной. Преодолеть это свойство и получить прочные гранулы позволило применение специального ПАВ.

На фото 3 показаны образцы мелкодисперсного оксида железа, агрегат, полученный из этого образца путем прессования с применением ПАВ, и восстановленное в результате обжига железо в виде агломерата. Полученный агломерат прочен. На фото 4 показано, что полученный образец достаточно прочен, чтобы не разрушиться под грузом весом в 5 кг.

Приведенные примеры показывают возможности разработанного принципа переработки мелкодисперсных отходов, состоящего в подборе ПАВ, дисперсности, добавки, параметров давления для достижения агрегации и условий тепловой обработки для обеспечения агломерации. Эти работы могли бы выполняться посредством одной опытно-промышленной установки на едином предприятии, которое на основании результатов обследования и экспериментов могло бы разрабатывать технические задания для строительства промышленных линий.

Результаты проведенных экспериментов показывают, что агрегация мелкодисперсных материалов и их агломерация в результате обжига могут позволить переработать огромные массы накопленных разнообразных мелкодисперсных отходов, а на их основе — организовать выпуск востребованной продукции, улучшить экологическую обстановку и освободить огромные территории, занятые сегодня под хранение этих отходов.

Глава 2. ГРАНУЛЯЦИЯ В СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ СКЛАДИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ Одной из основных тенденций в сфере извлечения и переработки минеральных ресурсов является истощение относительно богатых и вовлечение в разработку бедных месторождений, усугубляемое прогрессирующим разрывом между объемами добываемой и используемой минеральной массы, которое, по разным данным, не превышает 1—2% от добытого материала. Кроме того, переход на обедненные руды повышает затраты на извлечение полезного компонента, т. к. требуется более полная и глубокая обработка горной массы. Как правило, чем беднее руда, тем тоньше она должна измельчаться перед обогащением. Сравнительно недавно в ней использовалась богатая кусковая руда, затем агломераты из обедненной измельченной, а ныне — преимущественно окатыши на основе порошковых концентратов из бедных руд. В цветной металлургии, производстве удобрений и химических препаратов получение концентратов — обязательная технологическая операция. Соответственно в этом случае также необходимо и измельчение. Таким образом, повышение дисперсности минеральных отходов и увеличение их объемов является объективно неизбежной перспективой в сфере извлечения и переработки минерального сырья. С позиции экологии, увеличение дисперсности нежелательно. С известным допущением можно утверждать, что уровень воздействия на природную среду содержимого отвалов пропорционален их дисперсности.

Как показывает практика эксплуатации хвостои шламохранилищ, они служат весьма значимыми источниками загрязнения водных источников и, в ряде случае, атмосферы. Как хранилища техногенного сырья они также несовершенны. Во-первых, их содержимое почти всегда разбавлено разного рода посторонними включениями, вплоть до бытовых отходов. Нередко допускается складирование на одной площадке разнородных материалов, приводящее к их взаимному загрязнению и обесцениванию. Во-вторых, гидроудаление, применяемое почти повсеместно, при складировании дисперсных выбросов не обеспечивает однородности содержимого отвала ни по фазовому, ни по гранулометрическому составу. По этой причине техногенное сырье из отвалов чаще всего неконкурентоспособно в сравнении с природным. Можно утверждать, что на современном этапе развития цивилизации отвалы и хранилища должны превратиться из объектов для захоронения в емкости для складирования невостребованной минеральной массы, прошедшей определенный цикл обработки и содержащей компоненты, возможность и необходимость извлечения которых появится в будущем. С указанных позиций необходимость разумных затрат на «цивилизованное» складирование не так уж спорна.

Сухое удаление и складирование дисперсных и порошкообразных отходов, по нашему мнению, — перспективная альтернатива гидравлическому. Такой способ складирования широко практикуется применительно к отходам класса А. Согласно классификации минеральных отходов, предложенной П. И. Боженовым, к ним относятся кусковые и дисперсные минеральные материалы, сохранившие исходный состав. Обычно они устойчивы к воздействию атмосферных процессов, и поэтому их влияние на природную среду выражено сравнительно слабо. Наибольший вред природе способны нанести отходы класса Б — шламы и пыли после термического воздействия или химических превращений, образующиеся на промышленных предприятиях. Поскольку именно жидкая среда является, в первую очередь, посредником при распространении токсичных соединений на местность, прилегающую к отвалам, то преимущество сухого варианта складирования отходов такого рода, с позиции экологии, достаточно очевидно. В сравнении с гидравлическим сухой вариант более затратен, особенно по расходам на транспорт. Возможность сухого складирования осложняется при обводненном состоянии выбросов (шламы, взвеси). В этом случае необходимы дополнительные энергозатраты на удаление избытка влаги. Поэтому сухое складирование применяется исключительно для сухих отходов, например, для золошлаков ТЭС. Однако при этом возникает проблема подавления пылевыделений и размыва складируемой массы. С целью уменьшения указанных негативных явлений в технологии сухого складирования предусматривается увлажнение дисперсной массы и ее уплотнение. Необходимо подчеркнуть, что при этом не удается полностью предотвратить выделения с поверхности отвала в виде пыли или стоков. Это достигается при пленочном или почвенном (рекультивация) экранировании поверхности отвала, что становится возможным только при 100%-ном его заполнении.

Окомкование, или грануляция, дисперсных отходов и последующее их складирование, по нашему мнению, является следующим шагом в направлении развития технологий хранения дисперсных минеральных остатков. В сравнении с пылевидным агрегированное состояние материала при отвальном хранении повышает поглотительную способность массива. Это позволяет избежать пылевыделения, уменьшить или исключить выделение стоков, т. е. поверхность гранулохранилища не нуждается в экранировании как при его заполнении, так и в последующем. Потребительские свойства гранулированного материала, в сравнении с порошком, выше, поскольку окускованный продукт удобнее в обращении, а его отбор из хранилища менее проблематичен. С другой стороны, качественные характеристики гранулированного продукта по отношению к дисперсному аналогу, особенно из гидроотвала, значительно выше — за счет улучшения фазовой однородности. В итоге грануляция создает лучшие условия для утилизации отходов. Кроме того, удельная материалоемкость площади хранения для гранулированных отходов выше, чем для дисперсных.

Поэтому предлагается считать грануляцией процесс окомкования, продукт которого получают в форме, близкой к сферической.

Известно значительное количество способов агрегирования дисперсных материалов, однако наиболее распространенным из них является метод грануляции скатыванием. В частности, производство железорудных окатышей в стране, осуществляемое подобным образом, исчисляется десятками миллионов тонн в год. От прочих способов окатывание на вращающихся поверхностях отличается высокими показателями по продуктивности и экономичности. Для его осуществления обычно применяют один из двух типов устройств грануляторов — барабанный или тарельчатый. Отличаясь конструктивно, оба упомянутых устройства работают по одному принципу и имеют практически одинаковую подготовку шихты перед грануляцией. Технология окомкования на них включает в себя следующие операции: подготовка компонентов и их дозирование, смешение и увлажнение смеси, получение гранулированного продукта; упрочнение гранул термически или гидратационно; отгрузка и складирование.

Использование тарельчатого гранулятора в сравнении с барабанным снижает продуктивность процесса, но обеспечивает получение гранул необходимого размера и более прочных. Однако тарельчатые грануляторы металлоемки, громоздки и более сложны по конструкции, чем барабанные.

В процессе грануляции увлажненный до рыхло-сыпучего состояния материал при участии физических явлений, возникающих на разделе жидкой и твердой фаз, агрегируется в рыхлые комочки. Последние, благодаря взаимному воздействию, а также центробежным силам, уплотняются и теряют избыточную воду, образующую пленку на поверхности гранулы, которая, в свою очередь, адсорбирует порцию шихты и таким образом наращивает свой объем. По указанной причине гранулы имеют в разрезе четко выраженную слоистую структуру. При окомковании на тарели укрупнение гранул сопровождается их перемещением в поверхностные горизонты. При достижении «критического» размера гранулы, вытесняемые шихтой, постоянно поступающей на тарель, пересыпаются через ее борт и поступают на упрочнение. Обычно прочность сырцовых гранул составляет 1—5 Н. Она обеспечивается главным образом за счет склеивания твердых частиц шихты водными пленками и теряется при высушивании. В случае высокой дисперсности материала высушенные гранулы способны сохранять достаточно высокую прочность, причиной которой являются так называемые «контактно-конденсационные» силы межмолекулярного притяжения, уровень которых пропорционален дисперсности шихты. Производительность процесса, наряду с физико-химическими характеристиками материала и его дисперсностью, определяется также конструкцией гранулятора и режимом его работы.

Рис. 1. Схема устройства и работы тарельчатого гранулятора: 1 — транспортер гранул: 2 — транспортер подачи шихты, 3 — водопровод с форсунками, 4 — бортовой скребок, 5 — донный скребок; 6 — тарель. 7 — привод вращения тарели; 8 — механизм регулирования угла наклона тарели, 9 — опорная рама На рис. 1 изображены устройство и принцип работы тарельчатого гранулятора, продукция которого характеризуется небольшими расхождениями в размерах гранул и высоким коэффициентом сферичности. Для получения необходимого размера гранул подбирают соответствующий режим работы гранулятора. Чаще всего варьируют угол наклона тарели, места подачи шихты на нее, точки доувлажнения шихты, положения скребков на тарели. Получение продукта монофракционного состава важно для увеличения удельной вместимости массива, т. к. в этом случае объем пустот в слое в сравнении с полифракционным уменьшается на 10—15%. Соответственно возрастает уровень использования площади хранилища. По нашему мнению, целесообразно получать на складирование гранулы размером 10—15 мм, т. к. в этом случае, с одной стороны, сохраняется высокой производительность процесса (рис. 2), с другой — при транспортировании и утилизации без особых затруднений возможно использовать оборудование, обычно применяемое в технологии получения заполнителей для щебня и гравия, имеющих примерно те же размеры.

Рис. 2. Зависимость среднего диаметра гранул от производительности гранулятора По своему устройству барабанный гранулятор аналогичен барабанным сушилкам, широко применяемым в различных отраслях промышленности. Это — наклонная труба с установленными внутри скребками и форсунками для распыления воды. При вращении барабана материал, окомковываясь, перемещается от высокого загрузочного конца в сторону низкого разгрузочного. Недостатком данных устройств считается полифракционный состав продукта, поэтому при производстве рудных окатышей они обычно доукомплектовываются грохотами, которые позволяют выделить нужную монофракцию, а мелкая, некондиционная фракция возвращается на укрупнение. При окомковании отходов на складирование, в случае когда нет необходимости добиваться максимальной вместимости хранилища, использование барабанного гранулятора будет вполне оправданным. Кроме упомянутых, существует еще ряд конструкций гранулирующих устройств, однако их возможности ниже, чем у рассмотренных.

Брикетирование как альтернатива грануляции окатыванием, применительно к задачам складирования отходов, по нашему мнению, менее перспективно, т. к. не столь продуктивно, более капиталои эксплуатационнозатратно, а также требует применения связующих добавок. Очевидное преимущество грануляции окатыванием заключается в характере процесса формирования агрегата (гранулы или брикета). В брикетировании он происходит последовательно и при значительном внешнем давлении. При грануляции же формирование агрегатов и их укрупнение происходит одновременно во многих точках гранулятора. Поэтому продуктивность окомкования намного выше.

Важно, что уплотнение гранул и их прочность обеспечиваются за счет эффективного использования поверхностно-активных сил, что в конечном счете позволяет значительно снизить удельное энергопотребление на единицу продукции.

Для обеспечения прочности гранул в состав шихты вводят связующие добавки (цемент, известь и др.) в количестве 3—15%, которые в ряде случаев играют и пластифицирующую роль, т. е. ускоряют накатывание материала, повышают прочность сырцовых гранул и улучшают их сферичность. Дешевыми заменителями указанных дорогостоящих вяжущих могут служить пыли цементных и известковых печей, некоторые виды шлаков в размолотом состоянии, высококальциевые золошлаки от сжигания углей, сланцев, торфа и другие виды отходов, обладающих вяжущими свойствами. При брикетировании представляет интерес новый класс поверхностно-активных веществ типа «Konsolit», отличающихся способностью полностью удалять водную пленку с поверхности частиц, благодаря чему возможно при относительно малом усилии обеспечить сближение частиц до уровня проявления молекулярного притяжения, т. е. достичь агрегирования без применения связующего. За рубежом подобные вещества эффективно применяют в современном дорожном строительстве.

Впервые масштабную грануляцию отходов предложили специалисты Уральского политехнического института и предприятия «Уралтехэнерго» еще в 1978 г. как альтернативу гидрозолоудалению для проектируемой (и до сих пор не построенной) Новосибирской ТЭЦ-5, на которой предполагалось сжигать угли Канско-Ачинского бассейна с золами, содержащими повышенное (до 60%) количество оксида кальция. Эти золы обладают сильно выраженными вяжущими свойствами. Соответственно гидроудаление такого материала весьма проблематично, но зато его грануляция и отвердение не вызывают затруднений. Позднее гранулирование золошлаков было предусмотрено как основной способ золошлаков удаления в проектах всех ТЭС, где предполагается сжигать подобные угли — Омская ТЭЦ-6, Чайковская ТЭЦ, Курганская ТЭЦ-2 и др. Одновременно разрабатывались проектные решения по замене гидрозолоудаления на грануляцию для ТЭС, уже использующих угли с высоко-кальциевыми золами, поскольку здесь имели место крупные аварии из-за ненадежности систем гидрозолоудаления. Наиболее удачным и эффективным следует считать проект, разработанный в Ростовском отделении института «Атом-ТЭП» для Березовской ГРЭС в Красноярском крае, предусматривающий грануляцию, транспортирование и складирование 1 млн м³ золы и шлака в год. В проекте предполагалось создание двух линий, оснащенных четырьмя тарельчатыми грануляторами диаметром 5,5 м (из них два резервных) и конвейером-отвердителем производительностью 120 т/ч. Для складирования затвердевших гранул запроектирована кольцевая канатная дорога производительностью 230 т/ч, с выгрузкой в надземный бурт высотой до 60 м, вместимостью 7 млн м³ и площадью около 25 га (рис. 3). При подготовке площадки планировались укладка легкого противофильтрационного экрана и система сбора и отведения атмосферных осадков. В сравнении с традиционным гидроотвалом новый вариант обеспечивал улучшение проектных показателей: снижение капитальных затрат на 20%, эксплуатационных — на 30%, сокращение площади складирования более чем в четыре раза. К сожалению, в связи с последними изменениями в энергетической политике страны сооружение упомянутой ГРЭС приостановлено на уровне 20%-ной мощности, для золошлакоудаления используются так называемая «пусковая схема» с гидравлическим транспортированием и гидроотвал для складирования золошлаков. В летнее время большая часть золы отгружается строителям непосредственно с электрофильтров ТЭС. В ближайшем будущем планируется значительное увеличение использования дешевых, экологичных и качественных углей Канско-Ачинского бассейна, причем на всех ТЭС, проектируемых для их сжигания, предусматривается применение грануляции золы. Наряду с канатными дорогами для складирования гранул рассматривают варианты конвейерного, железнодорожного и других видов транспорта.

Рис. 3. Схема золоудаления с грануляцией золошлаков Березовской ГРЭС: 1— силос золы; 2 — пневмопитатель; 3 — гидрозолосмеситель; 4 — гранулятор; 5 — конвейер-отвердитель; 6 — элеваторный подъемник; 7 — силос гранул; 8 — транспортер; 9 — кольцевая канатная дорога; 10 — гранулохранилише Изучение превращений, происходящих в гранулохранилищах под воздействием атмосферных процессов, необходимо с позиции экологии, а также для оценки изменений в потребительских свойствах гранул. На рис. 4 изображено устройство для изучения воздействия атмосферных процессов на гранулированные продукты, моделирующее поверхностный слой гранулохранилища толщиной около одного метра. Оно состоит из четырех плотно соединяющихся пластиковых емкостей диаметром и высотой 0,3 м, с перфорированным, кроме нижней емкости, дном. Устройство заглублялось в грунт почти на всю высоту, что обеспечивало температурный режим хранения гранул, близкий к естественному. В заданные сроки емкости последовательно извлекались для отбора проб гранул и фильтрата, сборником которого служило дно нижней емкости. У фильтрата определяли показатель рН, у гранул — прочность, потери при прокаливании до 600 и 900 °C, а также содержание извести. Объектом исследования служили гранулы опытно-промышленной грануляции золы угля Березовского месторождения.

Установлено, что в начальные сроки (до 3—5 лет) благодаря процессам влагообмена происходит значительное улучшение потребительских свойств гранул — кондиционирование, выражающееся в их уплотнении и упрочнении. Особенно интенсивно это происходит в поверхностных горизонтах. В дальнейшем, через 10—12 лет, часть гранул на поверхности слоя разрушается, образуя песок 1—3 мм, частицы которого сохраняют высокую прочность. В этот период наиболее прочны гранулы нижних горизонтов, где еще неразвиты процессы выветривания.

В результате изучения химического состава гранул установлено, что при атмосферном кондиционировании происходит завершение гидратации зольного камня, продукты которого заполняют поры и таким образом уплотняют их, соответственно возрастет величина потерь их при прокаливании, особенно в поверхностном горизонте. Позднее известково-гидратные соединения в их составе карбонизируются, способствуя дальнейшему уплотнению и упрочнению гранул. Отмечено, что уровень карбонизации гранул определяется их близостью к поверхности и на нижних горизонтах она «затухает» .

Особый интерес представляет водопоглотительная способность гранулохранилища. Ее следует рассматривать на макрои микроуровнях, характеризующихся соответственно межпустотным пространством гранул и их открытой пористостью. Установлено, что зольные гранулы способны поглощать до 20% от собственной массы влаги. Общая способность водопоглощения слоя, по-видимому, определяется суммарным показателем свободного объема пор и объема водных пленок на поверхности гранул.

Рис. 4. Модельная установка для изучения воздействия атмосферных процессов на гранулированные продукты: 1 — наружная емкость; 2 — теплоизоляционная засыпка; 3 — пластиковые емкости (4 шт.) с перфорированным дном; 4 — гранулы; 5 — стокоприемник; 6 — прибор-индикатор уровня стоков; 7 — подставка; 8 — прибор-индикатор уровня осадков При атмосферном хранении в теплый период происходит испарение из поверхностных горизонтов слоя. Интенсивность этого процесса превышает скорость испарения влаги с открытой водной поверхности. Однако для нижележащих слоев испарение затруднено наличием верхних подсушенных горизонтов. При сильном увлажнении (таяние снежного покрова или в период обильных осадков) возможна фильтрация влаги в нижележащие горизонты слоя. При его достаточно большой высоте — до нескольких метров — возможно полное поглощение фильтрата. В противном случае он достигает подошвы слоя. Для условий Урала процесс испарения влаги из слоя менее интенсивный, чем ее накопление, поэтому в слое ежегодно аккумулируется определенный ее объем. Соответственно снижается влагопоглотительная способность хранилища, которая после ряда лет полностью исчерпывается. Для ее возобновления рекомендуется перемещать на поверхность водонасыщенные горизонты или ежегодно наращивать высоту хранилища для полного поглощения годового количества осадков — 1—1,5 м (для гранул из высококальциевой золы).

Заполненные гранулоотвалы, после проведения соответствующих изыскательских работ, пригодны как площадки для разного рода сооружений, в том числе и промышленных объектов, а после рекультивации — для сельхозугодий (рис. 4).

Таким образом, одной из главных тенденций современного природопользования является интенсивное наращивание в отвалах дисперсной минеральной массы, что обусловлено постоянно увеличивающимся дисбалансом между объемами добытого и используемого материала.

Сухое складирование дисперсных отходов в сравнении с гидравлическим экологически безопаснее и обеспечивает лучшее качество материала для дальнейшей переработки. Агрегирование минеральных порошков путем грануляции перед складированием можно считать следующим шагом в превращении отвалов в источники кондиционированного техногенного сырья.

Наилучшими возможностями для грануляции дисперсных минеральных масс на складирование обладают тарельчатые грануляторы, способные обеспечить получение продукции заданного качества. При использовании барабанных грануляторов процесс труднее управляем, хуже качество продукта. Брикетирование отходов в сравнении с грануляцией более затратно и не в состоянии обеспечить переработку больших объемов материала.

Для хранения в окомкованном виде, в первую очередь, рекомендуются порошки с вяжущими свойствами — кальциевые золы ТЭС, пыли цементных печей и др. В остальных случаях водостойкость гранул при хранении достигается путем введения вяжущих добавок — цемента или извести, которые можно заменить теми же высококальциевыми золами и им подобными отходами. В отдельных случаях необходимую прочность и водостойкость агрегатов при атмосферном их хранении можно добиться за счет использования контактно-конденсационных сил.

Глава 3. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ

3.1 Грануляторы тарельчатые для гранулирования сыпучих материалов

Грануляторы предназначены для получения гранул из порошкообразных материалов с добавлением жидкофазного связующего.

Грануляторы могут использоваться во всех производствах связанных с переработкой и выпуском сыпучих продуктов, как малотоннажных 0,5- 1,0 т/ч., так и крупнотоннажных — до 15 т/ч, где нет жёстких требований к гранулометрическому составу. Гранулы обычно имеют шарообразную форму, средний диаметр которых может колебаться в диапазоне от 3 до 20 мм Гранулятор включает опорно-поворотную раму, на которой размещены тарель с плоским днищем и электромеханический привод вращения тарели. Тарель закрыта крышкой, на которой установлены коллекторы для подвода связующего и сжатого воздуха, форсунки для введения связующего, устройства для очистки днища и борта тарели от налипшего продукта, технологические штуцера и люки. Форсунки помещены в шаровые шарниры для обеспечения подачи связующей жидкости в любую точку движущегося слоя, что обеспечивает возможность регулирования размера получаемых гранул. Конструктивным каналом управления процессом гранулирования, основу которого составляет регулирование времени пребывания и степени классификации частиц, является изменение угла наклона тарели в диапазоне 45−75 град. Для этой цели гранулятор снабжен устройством изменения угла наклона, имеющим индивидуальный привод. Для плавного регулирования скорости вращения тарели пульт управления комплектуется частотным преобразователем.

Размеры и формы гранул

3.2 Грануляторы формования шнековые типа ФШ Грануляторы формования шнековые типа ФШ НАЗНАЧЕНИЕ: предназначены для получения в непрерывном режиме гранул из пастообразных материалов. Получаемые гранулы обычно имеют форму цилиндров диаметром 0,8 — 20,0 мм произвольной или определенной длины с неровными — ломанными или плоскими торцами.

Для получения гранул заданной длины грануляторы снабжаются устройством для резки жгутов.

СОСТАВ: гранулятор состоит из цилиндрического корпуса со шнеком и фильерной решеткой, устройства для резки жгутов, рамы, привода.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ: могут используются в технологических процессах при переработке в гранулы различных материалов, как-то в производстве катализаторов, сорбентов, адсорбентов, добавок — химикатов, различных шихт и солей кислот, а также пищевых добавок.

3.3 Аппараты для гранулирования методом окатывания Грануляторы, в которых происходит окатывание материала, по типу движения поверхности делятся на ротационные, ленточные и вибрационные. Ротационные аппараты бывают барабанные, тарельчатые (дисковые), центробежные, лопастные. Барабанный гранулятор (рис. VII-1) представляет собой горизонтальный или наклоненный под углом 1—3° в сторону выгрузки цилиндр с закрепленными на нем бандажами и венцовой шестерней, через которую передается крутящий момент от электродвигателя.

С торцов барабан снабжен загрузочной и разгрузочной камерами, герметизирующими рабочий объем гранулятора. Через загрузочную течку вводится исходная шихта или сухой порошок. В последнем случае для подачи связующего в головной части барабана над слоем материала установлены распределители жидкости. К распределителям жидкости предъявляют следующие требования: простота конструкции, равномерность распределения, возможность регулирования дисперсности распыла, возможность очистки во время эксплуатации. В туковой промышленности широко применяют распределитель типа «пила» (рис. VII-2), представляющий собой трубу с зубчатым желобом. Желоб снабжают крышкой, предотвращающей попадание в него материала. Недостатком таких распределителей является необходимость строго горизонтальной их установки и невозможность регулирования размера капель.

Для диспергирования жидкости применяют пневматические форсунки внутреннего и внешнего смешения, работу которых регулируют изменением давления распыливающего агента. Это давление, однако, ограничено, так как происходит размывание слоя материала струей. Поскольку для гранулирования окатыванием не требуется особенно тонкого и однородного распыливания жидкости, часто используют механические форсунки. Для создания нормальных условий окатывания и подъема материала на заданную высоту обычно достаточно трения о гладкие стенки барабана. Однако коэффициент заполнения барабана при хорошем перемешивании невелик, а габариты аппарата значительны. С целью увеличения коэффициента заполнения предложены различные конструктивные решения. Так, внутри барабана диаметром 1,83 м и длиной 3,66 м приваривают продольные листы, изогнутые в виде открытой цифры шесть (рис. VII-3) и образующие несколько отделений, каждое из которых имеет плоскую и цилиндрическую стенки и разделено поперечными секторными перегородками. Для устранения налипания продукта на внутренние стенки отделения в пространство между ними помещены металлические шары, которые удерживаются от падения упорами. При определенном положении барабана шары освобождаются от упоров и ударяются о стенки, способствуя очистке их от налипшего материала. В промышленности для агломерации окатышей применяют аппарат, состоящий из 17 конусов, образующие которых составляют угол 68°; ось барабана горизонтальна. Диаметры узких оснований конусов постепенно уменьшаются по направлению к месту загрузки шихты (рис. VII-4). Ступенчатое продвижение материала к месту выгрузки позволяет увеличить площадь окатывания по сравнению с площадью окатывания в гладком барабане.

В производстве нитроаммофоски используют аппарат диаметром 4,6 м и длиной 11 м, состоящий из двух концентрических барабанов. Реагенты подаются во внутренний барабан, из которого материал поступает во внешнюю обечайку, где также происходит окатывание. Гранулы выгружают из аппарата, мелкие частицы элеваторным устройством возвращаются во внутренний барабан. В результате многократного прохождения по двум барабанам увеличивается время пребывания материала в грануляторе и исключается сложная схема наружного транспорта рецикла. Описанные конструкции позволяют при тех же габаритах гранулятора увеличить поверхность окатывания, а следовательно повысить удельную производительность. Для устранения налипания влажного порошка на стенки барабана используют ряд приспособлений: скребки, шнеки, цепи, штанги.

Введение

в слой материала шнека позволяет не только очищать внутреннюю поверхность барабана, но и интенсифицировать перемешивание. Нож-обдиратель насаживают на трубу, торцы которой закреплены в пневмоцилиндрах. Ножам придается колебательное движение параллельно стенке барабана (амплитуда 150 мм, частота 20 колебаний/ч). Нож можно поворачивать вокруг оси, изменяя таким образом зазор между ним и стенкой. Налипания материала можно избежать, если внутрь барабана поместить вращающийся сетчатый барабан или покрыть внутреннюю поверхность листовой резиной, которая под действием собственного веса может отвисать и разрушать слой налипшего материала. Для устранения просыпи и создания требуемого коэффициента заполнения барабана применяют подпорные кольца и специальные загрузочные устройства, включающие кольцевую упругую манжету, конец которой покрыт антифрикционным материалом, скользящим по обойме, на которой закреплена течка для загрузки порошка. Манжета поглощает биение барабана при его вращении и перекрывает зазор между загрузочным устройством и подпорным кольцом барабана.

Подпорные кольца па концах и в середине барабана обеспечивают равномерную его загрузку, что особенно важно при проведении в слое химической реакции. Для цели используют барабаны специальной конструкции, получившие в производстве название аммонизаторы-гранулятора. Отличительной чертой АГ являются распределители нескольких реагентов (кислоты, аммиака, пара, плава). Наиболее эффективны распределители продольного типа, представляющие собой заглубленные в слой материала трубы с отверстиями, расположенными по спирали. К недостаткам таких распределителей относятся: неполное использование всех отверстий, возможность увеличения отверстий в результате коррозии и, как следствие, локальное перенасыщение слоя одним из компонентов. Для устранения указанных недостатков предложен распределитель с переточными трубками. Распределитель с отверстиями установлен над слоем, а трубки, приваренные к краям отверстий, заглублены в слой. Для равномерного распределения жидкости сумма площадей отверстий не должна превышать половины площади поперечного сечения распределителя. Так же подают и газообразные реагенты. Чтобы уменьшить динамическое воздействие слоя па патрубки, их концы изготавливают из эластичного материала. Для распределения аммиак рекомендуется направлять в скатывающийся слой. Наименьшее количество дыма выделяется в барабане, когда распределители кислоты и аммиака направлены в противоположные стороны. Чтобы уменьшить коррозию распределителя, поток кислоты подают в направлении вращения слоя. Хорошее поглощение аммиака без образования оксидов азота и требуемый режим окатывания материала достигаются при соотношении длины барабана, к его диаметру 1:1 и высоте подпорного кольца на выходе продукта, равной 0,25 диаметра. При соотношении длины к диаметру 2:1 для улучшения процессов гранулирования и аммонизации дополнительно устанавливают кольца-перегородки высотой 5 см на расстоянии 60 см одно от другого по длине аппарата. Распределительные устройства при этом должны находиться на высоте 5—7 см над промежуточными перегородками. Система промежуточных перегородок позволяет устранить мертвые зоны в барабане. Для этого используют также скребки с зубчатой кромкой, которые вырезают пазы на твердой поверхности налипшего слоя. Гребни между пазами играют роль небольших перегородок. Принцип работы барабанного гранулятора сохраняется в шнеке, представляющем собой закрытый короб, навитый по винтовой линии и образующий цилиндр, ось которого может устанавливаться под любым углом. При вращении цилиндра материал пересыпается внутри шнека и окатывается. Такая конструкция позволяет регулировать и ограничивать время пребывания продукта в аппарате, получать однородный фракционный состав. Недостатком аппарата является невозможность дополнительного орошения шихты в процессе окатывания и визуального наблюдения за процессом, усложнение узла загрузки.

Таким образом, конструктивные решения барабанных грануляторов направлены на увеличение коэффициента заполнения, создание различных внутренних устройств, интенсифицирующих процесс и предотвращающих налипание продукта, совмещение нескольких технологических операций в одном аппарате. Характеристика некоторых промышленных барабанных грануляторов приведена в табл. VII-1. Как видно из таблицы, удельная производительность гранулятора зависит от продукта и требований к его гранулометрическому составу. Наиболее широкое применение в промышленности находят, хотя и менее производительные, громоздкие, но конструктивно более простые и, следовательно, более надежные грануляторы без внутренней насадки с соотношением длины к диаметру от 1 до 3. Для осуществления метода окатывания применяют, помимо барабанных, тарельчатые (чашевые, дисковые) грануляторы. Основной частью такого аппарата является диск, вращающийся вокруг оси, угол наклона которой к вертикали регулируется. Диск снабжен бортом, что обеспечивает требуемое заполнение аппарата (рис. VII-10). Для подачи связующего над тарелкой устанавливают форсунки: для очистки от налипающего материала — скребки. Аппарат для герметизации заключен в кожух, имеющий патрубки для отвода продукта и паров и подвода порошка. Для визуального наблюдения за процессом служит смотровое окне. По сути дела, дисковый гранулятор — это барабан большого (1—5 м) диаметра и малой (0,02—0,80 м) длины, ось которого наклонена под большим (45—75^o) углом к вертикали. Рабочая поверхность такого аппарата, в отличие от рабочей поверхности барабана, не боковая поверхность цилиндра, а торцовая, т. е. дно тарелки.

По форме днища грануляторы делятся на плоские, конические, сферические, эллиптические. Применение неплоских днищ позволяет избежать мертвого пространства в месте стыка с бортом и увеличить путь окатывания, т. е. производительность аппарата. Максимальная эффективность работы тарельчатого гранулятора достигается при определенной высоте слоя, поэтому, оставляя этот показатель неизменным, стремятся увеличить площадь окатывания. Предложен гранулятор, имеющий на диске несколько кольцевых перегородок равной высоты. Исходный порошок, подается по центральной трубе на поверхность внутренней тарелки и окатывается там, постепенно пересыпаясь в смежное кольцевое пространство. Далее окатывание происходит последовательно во всех кольцевых секциях до достижения гранулами требуемого размера при узком фракционном составе. Связующее подается в центральную часть тарелки, но можно дополнительно подавать жидкость разного состава в кольцеобразные пространства и получать многослойные гранулы. Место ввода сухих и жидких компонентов определяется требованиями к гранулометрическому составу продукта. Для получения крупных комков орошение ведут в верхней части поднимающегося слоя, а порошок загружают в нижнюю часть тарелки. Для получения более мелких гранул поднимают место ввода порошка и опускают место ввода жидкости, причем поток жидкости делят на две части. Большую часть дают в слой для образования зародышей, а меньшую на участок пересыпания крупных комков, способствуя накатке гранул.