Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

511

Среди используемых для разделения твердых материалов в виде

пульп классификаторов грубой (чашевые, спиральные, реечные) и

тонкой (гидроциклоны, отстойные центрифуги, конусы, пирамидаль-

ные отстойники и др.) классификации наиболее распространены гид-

роциклоны и спиральные классификаторы с непогруженной и погру-

женной спиралями. Первые из них используют для получения гру-

бых сливов крупностью от 0,2 до 0,5 мм (иногда до 1 мм), вторые -

для получения тонких сливов (80-90% класса - 0,074 мм). Оба типа

характеризуют диаметром спирати и длиной заключающего ее ко-

рыта.

Производительность классификаторов (в т/ч) определяют по сли-

ву (тонкая фракция) и песками (грубая фракция) по формулам соот-

ветственно для сливов классификаторов с погруженной и непогру-

женной спиралями и для их песков:

(3,125D

+ 0,416D), (111.22)

mK,K

(3,916D

0,66D),

(III.23)

Q= 5,625mKjiiD

, (111.24)

где m - число параллельных спиралей в корыте (1 или 2); K

- K

коэффициенты, учитывающие соответственно плотность исходного

материала, крупность слива, плотность последнего и содержание

шламов в исходном материале (оценка их значений может быть най-

дена в специальной литературе); D - диаметр спирали, м; п - число

оборотов спирали в минуту.

При заданной производительности по выражениям (П1.22) и (111.23)

можно определить необходимое значение D.

Производительность гидроциклонов определяют по форму ле:

Q- 9,5

•

VgH>

(111.25)

где величины K

и К

составляют:

=0,8 +1,2 / (1+10D), (III. 26)

0,79 + 0,044

(0,0379

+ tga /

2),

(111.27)

где D - диаметр гидроциклона, м; a - угол конусности гидроцикло-

на, град; d

- эквивалентный диаметр питающего отверстия, равный

/ r| (Ь - ширина отверстия, h - высота отверстия), м; d

- диа-

метр сливного патрубка, м; g = 9,81 м/с; H - давление пульпы на

входе, Мпа.

512

В производственных условиях работу классифицирующих аппа-

ратов обычно регулируют автоматически по заданной крупности сли-

ва путем измерения плотности последнего и измерения подачи воды

в классификатор.

Выход продуктов классификации - слива у

и песков у

- опреде-

ляют по формулам:

-100 (а/(P(III. 28)

=IOO-Y

, (III. 29)

где а, р,

- содержание данного класса соответственно в питании,

сливе и песках, %.

Извлечение данного класса в слив s (в %):

s=Y

p/cx (III.30)

или

100р/а

• (ос

- в) / (р - в). (III.31)

Эффективность классификации E (в %) определяют по форму-

лам:

E= 100- у/а-(P-а)/(100-а) (111.32)

или

/а

• (Р

- а) (а - S) /

(100

- а)

(Р

S).

(III.33)

Полноту разделения при классификации характеризуют коэффи-

циентом разделения K

= р(III.34)

Для разделения по крупности продуктов сухого измельчения в

замкнутых или открытых циклах с мельницами используют аппара-

ты циклонного типа - воздушно-циркуляционные и воздушно-проход-

ные сепараторы, обеспечивающие разделение перерабатываемых

материалов соответственно на границе примерно 15-60 и 150—

200 мкм.

Необходимый объем сепаратора V

(в м

) рассчитывают по фор-

муле:

=V/

(III. 35)

где V - объем проходящего через сепаратор газа, м

; K

- напряжен-

ность объема сепаратора, м

/м

, значения которой зависят от задан-

ной границы раздела фракций и могут быть найдены в специальной

литературе.

513

Окускование. Наряду с перечисленными выше методами

уменьшения размеров кусковых материалов и их разделения на клас-

сы крупности в практике рекуперационной технологии твердых отхо-

дов большое распространение имеют методы, связанные с решени-

ем задач укрупнения мелкодисперсных частиц BMP, имеющие как

самостоятельное, так и вспомогательное значение и объединяющие

различные приемы гранулирования, таблетирования. брикетирования

и высокотемпературной агломерации. Rx используют при переработке

в строительные материалы ряда компонентов отвальных пород до-

бычи многих полезных ископаемых, хвостов обогащения утлей и золы

- уноса ТЭС, в процессах утилизации фосфогипса в сельском хозяй-

стве и цементной промышленности, при подготовке к переплаву мел-

кокусковых и дисперсных отходов черных и цветных металлов, в

процессах утилизации пластмасс, саж, пылей и древесной мелочи,

при обработке шлаковых расплавов в металлургических производ-

ствах и электротермофосфорном производстве и во многих др\тих

процессах утилизации и переработки BMP.

Гранулирование. Методы гранулирования охватывают боль-

шую группу процессов формирования агрегатов обычно шарообраз-

ной или цилиндрической формы из порошков, паст, расплавов или

растворов перерабатываемых материалов. Эти процессы основаны

на различных приемах обработки материалов.

Гранулирование порошкообразных материалов окатыванием наи-

более часто проводят в ротационных (барабанных, тарельчатых, цен-

тробежных, лопастных) и вибрационных грануляторах различных кон-

струкций. Производительность этих аппаратов и характеристики по-

лучаемых гранулятов зависят от свойств исходных материалов, а

также от технологических (расхода порошков и связующих, соотно-

шения ретура - затравки и порошка, температурного режима) и кон-

структивных (геометрических размеров аппаратов, режима их рабо-

ты: частоты вращения, коэффициента заполнения, угла наклона) фак-

торов.

Получившие большое распространение на практике барабанные

грануляторы часто снабжают различными устройствами для интен-

сификации процессов, предотвращения адгезии липких порошков на

рабочих поверхностях, сортировки гранул по размерам. Они харак-

теризуются большой производительностью (до 70 т/ч, иногда выше),

относительной простотой конструкции, надежностью в работе, срав-

нительно невысокими удельными энергозатратами. Однако барабан-

514

ные грануляторы не обеспечивают возможности получения грануля-

та узкого фракционного состава, контроля и управления соответству-

ющими процессами.

Для получения гранулята, близкого по составу к монодисперсно-

му, используют тарельчатые (дисковые) грануляторы окатывания,

обеспечивающие возможность достаточно легкого управления про-

цессом.

Существует много конструкций тарельчатых грануляторов, раз-

личающихся размерами, наличием или отсутствием, а также фор-

мой и расположением отдельных конструктивных элементов. Обыч-

но применяют тарели (чашки, диски) диаметром 1-6 м, с высотой

борта до 0,6 м.

Связь производительности гранулятора Q (в т/ч) с диаметром D

тарели (в м) в общем виде выражается зависимостью:

Q = KD

(III. 36)

где К - коэффициент грануляции, значение которого может быть най-

дено в специальной литературе (для летучей золы, например, К =

0,4-0,55).

Необходимый размер тарели гранулятора целесообразно оцени-

вать по удельной производительности q, которая обычно находится в

пределах 0,77-0,91 т/(м

•

ч):

D = VQ/(0,785q). (III. 37)

Тарельчатые грануляторы экономичнее барабанных, они более

компактны и требуют меньших капитальных вложений. Их недостат-

ком являются высокая чувствительность к содержанию жидкой фазы

в обрабатываемом материале и, как следствие, узкие пределы ра-

бочих режимов. На практике используют грануляторы производи-

тельностью до 125 т/ч.

Грану лирование порошков прессованием характеризуется проме-

жуточной стадией упругопластического сжатия (пластикации) их

частиц, происходящего под действием давления и нагрева (иногда

при перемешивании) с образованием коагуляционной структуры, спо-

собной к быстрому переходу в кристаллизационную. Давление нача-

ла процесса прессового гранулирования определяется пределом те-

кучести наименее прочного компонента перерабатываемого порош-

ка. Прессовое гранулирование проводят в валковых и таблеточных

машинах различной конструкции, червячных и ленточных прессах,

515

дисковых экструдерах и некоторых других механизмах с получени-

ем агломератов различной формы и размеров.

Валковые (вальцовые) грануляторы снабжают прессующими эле-

ментами с рабочей поверхностью различного профиля, что позволя-

ет получать спрессованный материал в виде отдельных кусков (обыч-

но с поперечником до 30 мм), прутков, плиток, полос. Эти механиз-

мы часто совмещают с дробилками (обычно также валкового типа),

обеспечивающими получение из спрессованных полупродуктов гра-

нул заданных размеров.

Производительность валковых грануляторов различна, обычно в

пределах 5-100 т/ч. Ориентировочно ее можно оценить (в кг/ч) по

формуле:

188,4

•

4/p

bnLD, (111.38)

где b - ширина зазора между валками, м; L - длина валка, м; D -

диаметр валка, м; р

- насыпная плотность исходного материала,

кг/м

; п - частота вращения валков, с

-1

; v|/ = 0,5-0,6.

В технологии производства из промышленных отходов (или их

компонентов) некоторых адсорбентов, катализаторов, витаминных,

лечебных и ряда других препаратов и изделий порошковые материа-

лы гранулируют с использованием таблеточных машин различных

типов, принцип действия большинства которых основан на прессова-

нии дозируемых в матричные каналы порошков пуансонами. Приго-

товляемые таблетки характеризуются разнообразной формой (ци-

линдры, сферы, полусферы, диски, кольца, и т.п.) с поперечником 6 -

12 мм. Производительность наиболее распространенных таблеточ-

ных машин составляет от 3 до 96 тыс. таблеток в час.

Принципы прессового гранулирования порошков и паст реализу-

ют в червячных прессах ( экструдерах) различной конструкции, ра-

бочими элементами которых являются червяки (шнеки) или валки,

пластицирующие перерабатываемый материал и продавливающие

его через перфорированную решетку (фильерную головку), по выхо-

де из которой сформованные жгуты либо ломаются под действием

собственной тяжести, либо их режут (рубят) ножом на соответству-

ющие мерные длины до или после охлаждения.

Отдельную группу грануляторов представляют аппараты грану-

лирования порошков в дисперсных потоках. Процесс в них основан

на столкновениях частиц порошка или порошка и жидкой фазы в тур-

булизованном потоке циркулирующего в аппарате или проходящего

через него воздуха или газа. Турбулентный контакт частиц гранули-

516

руемых материалов в потоке сплошной фазы может обеспечиваться

лишь последним приемом (струйные грануляторы, грануляторы ки-

пящего слоя) либо посредством воздействия на частицы вибрацион-

ных (грануляторы виброкипящего слоя) или других механических

возмущений. К этой группе процессов гранулирования могут быть

отнесены также различные процессы распылительной сушки суспен-

зий и растворов.

Гранулирование расплавов индивидуальных солей весьма огра-

ничено в практике рекупирации твердых отходов. Гранулирование

силикатных расплавов, напротив, широко используется при перера-

ботке шлаков текущего выхода в черной и (ограниченно) цветной

металлургии, электротермического производства фосфора. Соответ-

ствующие приемы гранулирования и механизмы этих процессов оха-

рактеризованы ниже.

Способность гранулируемых материалов к уплотнению и формо-

ванию характеризу ют значениями коэффициентов их грану лируемос-

ти K

и K

, -<Т'Уо)/р

. K= О/P

idi

, (III.39)

где у и у

- текущая и исходная плотность грану лируемого материала

т/м

; о - предел прочности гранул при сжатии, Па; P

nji

- давление

уплотнения, соответствующее началу упругопластической деформа-

ции, Па.

Величины K

и K

позволяют обоснованно рекомендовать соот-

ветствующий метод гранулирования для данного материала: чем

больше значения K

и K

, тем меньшими усилиями обеспечивается

заданная степень уплотнения материала.

Технологические схемы грануляционных установок различают-

ся в основном отсутствием или использованием ретурных потоков.

Кратность последних (отношение массы возврата к массе выводи-

мого готового продукта) может меняться в пределах 0,5-15 и опре-

деляется в основном влагосодержанием гранулируемых материалов

и выходом мелких фракций. Краткость грануляции существенно вли-

яет на экономику процесса гранулирования. Некоторые типовые схе-

мы гранулирования представлены на рис. III-5.

Брикетирование. Методы брикетирования находят широкое

применение в практике утилизации твердых отходов в качестве под-

готовительных (с целью придания отходам компактности, обеспечи-

вающей лучшие условия транспортирования, хранения, а часто и саму

517

возможность переработки) и самостоятельных (изготовление товар-

ных продуктов) операций.

Брикетирование дисперсных материалов проводят без связую-

щего при давлениях прессования, превышающих 80 МПа и с добав-

ками связующих при давлениях, обычно ограниченных 15-25 МПа.

На процессе брикетирования дисперсных материалов существенное

влияние оказывают состав, влажность и крупность материала, тем-

пература, удельное давление и продолжительность прессования. Не-

обходимое удельное давление прессования обычно находится в об-

ратной зависимости от влажности материала. Перед брикетирова-

нием материал обычно подвергают грохочению (классификации),

дроблению (при необходимости), сушке, охлаждению и другим под-

готовительным операциям.

В практике брикетирования твердых отходов используют различ-

Опудривающая

добавка

Рис. III-5.

Типовые схемы

(a-в)

гранулирования порошковых материалов:

1 - грохот; 2 -

дробилка;

3 - охладитель; 4 - сушилка; 5 - опудриватель;

БГ

- барабан-

ный гранупятор; ТГ - тарельчатый гранулятор; ШГ - шнековый гранулятор; БШГ -

башенный гранулятор; ГКО - гранупятор кипящего слоя;

БГР

- барабанный грануля-

тор-сушилка; ВГ - валковый гранулятор; P - раствор или суспензия; С - порошкооб-

разный материал; M - мелкая фракция грохочения; Пр - продукт

518

ные прессовые механизмы. При брикетировании дисперсных мате-

риалов наибольшее распространение получили штемпельные (дав-

ление прессования 100-200 МПа), вальцовые и кольцевые ( «200 МПа)

прессы различных конструкций.

Производительность штемпельного пресса (в т/ч) определяют

по формуле:

Q = 60 FbSmn-10*, (III. 40)

где F - площадь прессующей поверхности, см

; b - толщина брике-

та, см; 5 - плотность брикета, г/см

; ш - число штемпелей; п -

число ходов штемпеля в минуту.

Производительность вальцового пресса (в т/ч) равна:

Q =

6-10"

gmn, (III.41)

где g - масса брикета, г; ш - число ячеек на бандаже; п

- число

оборотов вальцов в минуту.

Высокотемпературная агломерация. Этот метод использу-

ют при переработке пылей, окалины, шламов и мелочи рудного сы-

рья в металлургических производствах, пиритных огарков и других

дисперсных железосодержащих отходов. Для проведения агломера-

ции на основе таких BMP приготовляют шихту, включающу ю твер-

дое топливо (коксовая мелочь 6-7% по массе), и другие компоненты

(концентрат, руда, флюсы). Усредненную и увлажненную до 5-8%

шихту размещают в виде слоя определенной высоты, обеспечиваю-

щей оптимальную газопроницаемость шихты, на расположенные на

решетках движущихся обжиговых тележек (палет) агломерационной

машины слои возвратного агломерата крупностью 12-18 мм, пре-

дотвращающие спекание шихты с материалом тележек и прогар ре-

шеток. Воспламенение и нагрев шихты обеспечивают просасывани-

ем через ее слой продуктов сжигания газообразного или жидкого топ-

лива и воздуха. Процесс спекания минеральных компонентов шихты

идет при горении ее твердого топлива (1100-1600° С). Агломераци-

онные газы удаляют под разрежением 7-10 кПа.

Спеченный агломерат дробят до крупности 100-150 мм в валко-

вых зубчатых дробилках, продукт дробления подвергают грохоче-

нию и последующему охлаждению. Просев грохочения - фракцию

-8 мм, выход которой составляет 30-35%, возвращают на агломера-

цию. В практике высокотемпературной агломерации распростране-

ны конвейерные машины с верхним зажиганием шихты производи-

тельностью 400-500 т/ч. Их недостатком является получение боль-

519

ших объемов разбавленных по загрязняющим компонентам (СО, SO

) агломерационных газов. Агломашины с нижним зажиганием

позволяют в значительной степени избежать этого недостатка. При-

мер использования агломерации в технологии рекуперации твердых

отходов изложен в разд. 14.1.

Термическая обработка. При утилизации и переработке твер-

дых отходов используют различные методы термической обработ-

ки как исходных твердых материалов, так и получаемых на их осно-

ве продуктов. Эти методы включают различные приемы пиролиза

(например, отходов пластмасс, древесины, резиновых технических

изделий, шламов нефтепереработки), переплава (например, отваль-

ных металлургических шлаков, отходов термопластов, металлоло-

ма), обжига (например, некоторых шлаков цветной металлургии, пи-

ритных огарков, ряда железосодержащих шламов и пылей) и огнево-

го обезвреживания (сжигания) многих видов твердых отходов на

органической основе. Примеры использования этих приемов в тех-

нологии рекуперации твердых отходов изложены ниже.

Смешение порошкообразных и пастообразных материа-

лов. Этот метод широко используют в практике переработки твер-

дых отходов для усреднения состава дисперсных отходов, приготов-

ления на их основе многокомпонентных смесей шихтовых материа-

лов и получения различных масс, обеспечивающих возможность

переработки BMP в товарные продукты.

Существующие смесительные механизмы периодического и не-

прерывного действия основаны на использовании механических, гра-

витационных и пневматических способов взаимного перемещения

частиц обрабатываемых материалов и характеризуются большим

разнообразием конструкций.

Среди смесителей периодического действия наиболее распрост-

раненными являются барабанные, бегунковые, пневматические, цир-

куляционные и червячно-лопасгные. К кругу аппаратов непрерывно-

го действия принадлежат барабанные, вибрационные, гравитацион-

ные, лопастные, центробежные и червячно-лопасгные смесители.

Процессы смешения могут быть охарактеризованы степенью одно-

родности (коэффициентом неоднородности), интенсивностью и эф-

фективностью.

Степень однородности смешения i характеризует взаимное рас-

пределение веществ в результате реализации процесса:

i=(C

+ C

+...+ C

)/n

(HI.42)

520

где C

..., C

- относительные концентрации одного из веществ в

пробах, вычисляемые по отношениям C

= s 7 е

для s < S

и C

(1 - е ) /

) при Sj> е

, S

- объемные доли этого вещества

в i-й пробе и в аппарате соответственно.

Коэффициент неоднородности двухкомпонентной смеси:

K= 100 /C

-C

)

'^*). (

)

где C

, C

- концентрация вещества соответственно в пробах и в ап-

парате, %; Ii

и п - число проб соответственно в каждой группе оди-

наковых значений и общее; i = n /

}

- число групп проб.

Интенсивность смешения, выражаемая скоростью изменения

степени смешения, наиболее точно оценивается отношением мощ-

ности N, затрачиваемой на перемешивание, к единице объема V

смеси:

di / dx » N/V. (III. 44)

Эффективность процесса может быть оценена количеством энер-

гии, необходимой для достижения заданной величины i (или K

Способы оценки производительности, затрачиваемой мощности

и рабочих параметров смесителей различного типа могут быть най-

дены в специальной литературе.

13.3. Обогащение

В практике

реку

перации твердых отходов промышленности (осо-

бенно минеральных, содержащих черные и цветные металлы, фраг-

ментов деталей вышедшей из строя радиоэлектронной аппарату ры и

других изделий на основе металлов и сплавов, некоторых топливных

зол, смесей пластмасс, шлаков цветной металлургии и ряда других

BMP) используют различные методы обогащения перерабатывае-

мых материалов, подразделяемые на гравитационные, магнитные,

электрические, флотационные и специальные.

Гравитационные методы. Эти методы обогащения основаны

на различии в скорости падения в жидкой (воздушной) среде частиц

различного размера и плотности. Они объединяют обогащение от-

садкой, в тяжелых суспензиях, в перемещающихся по наклонным по-

верхностям потоках, а также промыву.

Отсадка» Отсадка представляет собой процесс разделения ми-

неральных зерен по плотности под действием переменных по направ-