Исследование линейных индукционных машин для электродинамической сепарации мелкой фракции твердых отходов

Одним из направлений энергои ресурсосбережения, позволяющим одновременно рещать природоохранные задачи, является утилизация отходов производства и потребления. В связи с этим актуальны разработка и создание как технологий переработки отходов, так и соответствующего технологического оборудования [1−8]. Значительное место в таких технологиях занимают электромагнитные методы [6−15]. Одним из таких методов, получивших развитие в последние годы, является электродинамическая сепарация. Электродинамические сепараторы эффективно используются для решения следующих задач:

— разделение металлической фракции от неметаллической в сложных отходах цветных металлов, например, отходах электрои радиотехнической промышленности (фольгированные пластики, кабельные изделия, электролампы и т. п.);

— сортировка сложного цветного металлолома при подготовке его к металлургическому переделу (разделение лома по крупности, удельному весу, электропроводности);

— извлечение лома цветных металлов из твердых бытовых отходов (ТБО) и смешанных отходов;

— очистка сыпучих материалов от металлических включений (удаление скрапа из отработанных формовочных смесей) [8, 10−21].

Электродинамическая сепарация основана на силовом взаимодействии магнитного поля с вихревыми токами, наведенными этим полем в проводящих предметах. По характеру причин, обусловливающих наведение вихревых токов в проводящих предметах, способы электродинамической сепарации можно разделить на следующие группы: а) перемещение частиц в пространственно-неоднородном магнитном полеб) воздействие на предметы пульсирующим магнитным полем высокой частотыв) воздействие на предметы бегущим магнитным полем, создаваемым трехфазным линейным индуктором или перемещающимися магнитами.

Первые два способа характеризуются относительно малой производительностью при большой энергоемкости и чаще всего требуют предварительной подготовки отходов (дробление, сортировка по крупности). Использование этих способов сепарации эффективно при переработке отходов с крупностью частиц не более 10 мм.

Электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем не требуют предварительной подготовки отходов, легко вписываются в существующие технологические линии, отличаются конструктивной простотой и надежностью. Поэтому сепараторы с бегущим магнитным полем получили наибольшее распространение при обработке твердых металлосодержащих отходов. Совершенствование таких сепараторов идет в направлении улучшения массо-габаритных показателей, снижения энергоемкости, расширения диапазона крупности извлекаемых из отходов металлических предметов. В частности, опыт эксплуатации сепараторов при обработке твердых бытовых отходов показывает, что основные потери металла (20−25%) приходятся на мелкую фракцию (с крупностью до 50 мм) [8−9, 18]. Такие же размеры (10−50 мм) имеют частицы металла в отработанных литейных формовочных песках, в измельченном кабельном ломе и других видах твердых отходов. В этой связи актуальным является исследование возможностей улучшения показателей электродинамических сепараторов, рассчитанных на обработку мелкой фракции отходов.

По характеру электромагнитных процессов электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем подобны линейным индукционным машинам (ЛИМ) с коротким вторичным элементом (ВЭ). Поэтому решение указанных задач по совершенствованию сепараторов связано с исследованием и оптимизацией ЛИМ с коротким ВЭ (размер ВЭ менее двойного полюсного деления индуктора ЛИМ). Особенностью рассматриваемой ЛИМ технологического назначения является то, что параметры ВЭ заданы и не являются предметом выбора. Улучшение характеристик ЛИМ электродинамических сепараторов возможно лишь за счет оптимизации геометрических размеров индуктора и выбора частоты бегущего магнитного поля (в диапазоне /=50−1000 Гц).

Исследования, результаты которых представлены в диссертации, выполнялись на кафедре электротехники и электротехнологических систем Уральского государственного технического университета в рамках НИР: «Специальные электрические машины и электромагнитные устройства для транспортных и электротехнологических установок» (единый заказ-наряд Министерства образования РФ) — «Разработка и создание электродинамических сепараторов для извлечения цветных металлов из твердых отходов» (научно-техническая программа «Урал» Уральского отделения АН РФ). Работы проводились в содружестве с Уральским НИИ Академии коммунального хозяйства, ОАО «Уралэнергоцветмет», ОАО «СвердНИИхиммаш».

Цель диссертационной работы: исследование и оптимизация ЛИМ с коротким вторичным элементом для электродинамической сепарации мелкой фракции твердых отходов (с крупностью извлекаемых металлических предметов менее 50 мм).

Научная новизна работы заключается в теоретических и экспериментальных исследованиях, выраженных в следзАщих результатах:

1. Разработана методика расчета ЛИМ с коротким ВЭ на основе метода детализированных магнитных схем замещения и аналитического решения задачи о взаимодействии проводящей пластины с бегущим магнитным полем. Предложены выражения для расчета сопротивлений магнитной схемы замещения, позволяющие учесть специфику ЛИМ сепаратора (повышенные значения потоков пазового рассеяния, наличие технологических зазоров и т. д.).

2. Разработана методика расчета ЛИМ сепараторов, работающих на повышенной частоте, позволившая определить величину усилия извлечения, действующего на короткий ВЭ ЛИМ с учетом магнитных потерь.

3. Выполнен анализ влияния конструктивных факторов (соотношение геометрических размеров, свойства используемых активных материалов, наличие технологических зазоров) на величину магнитных потерь в ЛИМ и технологических показателей сепараторов.

4. Исследованы характеристики ЛИМ с коротким ВЭ и предложена методика выбора оптимальных значений полюсного деления и частоты бегущего магнитного поля по обобщенному критерию оптимальности, позволяющему достичь максимальные ускорения при извлечении металла и минимизировать энергозатраты.

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

1. Реализована программа расчета ЛИМ с коротким ВЭ, работающих на повышенной частоте, учитывающая магнитные потери.

2. На основании исследований параметров и характеристик ЛР1М с коротким ВЭ разработаны рекомендации по проектированию электродинамических сепараторов для обработки мелкой фракции отходов.

3. Разработаны, созданы и рекомендованы к внедрению опытные установки ЛИМ сепараторов.

4. Рекомендована к использованию конструкция магнитопровода ЛИМ с приставными зубцами, позволяющая существенно уменьшить магнитные потери в ЛИМ сепараторов.

Реализация работы. Результаты исследований приняты к использованию на ОАО «Уралэнергоцветмет» при создании электродинамических сепараторов, предназначенных для сепарации мелкой фракции отходов (крупностью менее 50 мм).

На основе результатов работы будут созданы промышленные сепараторы, используемые в технологической линии строящегося предприятия по переработке твердых бытовых отходов Первоуральско-Ревдинского промышленного узла, разрабатываемой ОАО «СвердНИИхиммаш».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

— второй международной научно-технической конференции по переработке техногенных образований Свердловской области (г.Екатеринбург, 1998 г.) — научно-практическом семинаре «Уралэкология — 98» (г.Екатеринбург, 1998 г.);

— всероссийских научных симпозиумах «Безопасность биосферы» (г.Екатеринбург, 1998;99 гг.);

— научно-практическом семинаре «Энергосбережение — 99» (г.Екатеринбург, 1999 г.);

— всероссийской научно-технической конференции по энергосбережению и нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (г.Екатеринбург, 2000 г.);

— научном семинаре электротехнического факультета УГТУ-УПИ по электромеханике (г.Екатеринбург, 2000 г.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 13 печатных работ.

На защиту выносится:

— методика расчета ЛИМ с коротким ВЭ, работающих на повышенной частоте, с учетом магнитных потерь;

— результаты исследований линейных индукционных машин, предназначенных для электродинамической сепарации мелкой фракции твердых отходов с крупностью металлических включений (ВЭ ЛИМ) менее 50 мм;

— методика и результаты экспериментальных исследований опытных установок ЛИМ сепараторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 140 страниц основного текста, 40 рисунков, 5 таблиц, список использованных источников из 102 наименований и 1 приложение. Общий объем работы составляет 159 страниц.

5.4. Выводы.

5.4.1. Предложена методика экспериментальной оценки качества разделения металлосодержащих отходов крупностью менее 50 мм.

5.4.2. Получены зависимости процента извлечения проводящих частиц в «концентрат» в функции частоты бегущего (вращающегося) магнитного поля, а также в функции размера пластин.

5.4.3. Реализация предложенной методики с необходимой степенью вероятности позволила оценить качество сепарации мелкой фракции метал-лосодержащих отходов, осуществляемой как на ЛИМ сепаратора, так и на сепараторе с вращающимися электромагнитами.

5.4.4. Экспериментальные исследования подтвердили теоретические предположения об увеличении процента извлечения металлических пластин малых размеров с ростом частоты бегущего (вращающегося) магнитного поля и другие рекомендации, полученные в главе 4.

5.4.5. Результаты исследований ЛИМ с коротким вторичным элементом использованы при разработках электродинамических сепараторов для проектируемых мусороперерабатывающих заводов в г. Чебоксары и г. Первоуральске. Исследования этих и других рассмотренных в работе применений сепараторов выполняются в содружестве с ОАО «Уралэнергоцветмет» и ОАО «СвердНИИхиммаш» (г. Екатеринбург).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проведенных исследований сформулированы следующие основные выводы.

1. На основании обзора литературы, учитывая современную экологическую ситуацию, установлена актуальность разработки и исследования электродинамических сепараторов на основе ЛИМ, предназначенных для разделения металлосодержащих отходов мелкой фракции (крупностью менее 50 мм).

2. Разработана методика расчета ЛИМ с коротким вторичным элементом, работающих на повышенных частотах. Использованы метод детализированных магнитных схем замещения и обоснованно выбранные аналитические расчетные модели. Для реализации методики предложена магнитная схема замещения ЛИМ, внесены необходимые изменения в известные расчетные аналитические модели: учтена возможность использования линейных индукторов с приставными зубцами, учтено влияние магнитных потерь на характеристики ЛИМ. Определены основные параметры ЛИМ, обеспечивающие оптимальные режимы работы сепараторов.

3. Разработана методика расчета магнитных потерь в ЛИМ сепараторов, в основу которой положен расчет потокораспределения в ЛИМ с помощью метода детализированных магнитных схем замещения. Получены выражения для расчета магнитных потерь в зубцах и ярме ЛИМ, учитывающие влияние потоков пазового рассеяния и характерные для рассматриваемых ЛИМ диапазоны магнитных индукций 0,3−1,2 Тл и частот 50−1000 Гц.

4. Показано, что расчеты характеристик ЛИМ с коротким вторичным элементом, работающих на повышенных частотах, без учета магнитных потерь дают существенные завышения расчетных усилий и частот. Исследовано влияние конструктивных факторов на величину магнитных потерь и технологических показателей ЛИМ сепараторов (соотношение геометрических размеров, используемые активные материалы, наличие технологического зазора).

5. Показано, что при переходе от традиционной конструкции маг-нитопровода к конструкции с приставными зубцами и при рациональном выборе величины образующегося между зубцами и ярмом магнитопровода технологического зазора удается уменьшить магнитные потери в ЛИМ сепараторов более чем в 2 раза. Использование приставных зубцов также позволяет снизить стоимость ЛИМ сепараторов.

6. Проведен анализ возможностей повышения эффективности работы ЛИМ сепараторов, предназначенных для разделения мелкой фракции отходов при работе на промышленной частоте. Установлено, что электромагнитное усилие извлечения может быть увеличено при выравнивании магнитного поля по длине ЛИМ (до 25%) — при увеличении индукции магнитного поля в рабочей зоне (при этом требуется интенсификация охлаждения) — при переходе к двусторонней конструкции ЛИМ.

7. Определено, что наиболее эффективным способом повышения технологических показателей сепараторов при извлечении мелкой фракции металлосодержащих отходов является увеличение частоты бегущего магнитного поля ЛИМ (как для одно-, так и для двустороннего исполнения).

8. Показано, что успешное разделение отходов с частицами крупностью менее 50 мм достигается при питании линейных индукторов сепараторов переменным напряжением частотой около 400 Гц. Использование ЛИМ сепараторов, питающихся от полупроводниковых преобразователей с выходным напряжением частотой 400 Гц, позволяет также решить задачу разделения сложного металлолома по сортам.

9. Экспериментальные исследования различных модификаций электродинамических сепараторов с бегущим магнитным полем, проведенные по разработанной методике, основанной на использовании статистических методов, показали, что предложенные методы расчета обеспечивают приемле.

129 мую для инженерной практики точность и подтверждают правильность сформулированных теоретических предпосылок.

10. Результаты исследований рекомендованы к использованию при проектировании ЛИМ электродинамических сепараторов для мусороперера-батывающих заводов гг. Первоуральска и Чебоксары.