4.2 Механічна переробка твердих відходів

Утилізація твердих відходів приводить до необхідності або їх поділу на компоненти з подальшою переробкою сепарованих матеріалів різними методами або надання їм певного виду. Для тих промислових відходів, утилізація яких не пов'язана з необхідністю проведення фазових перетворень чи впливу хімічних реагентів, але які не можуть бути використані безпосередньо, застосовуються два види механічної обробки: подрібнення або компактування (пресування). Це однаковою мірою стосується відходів як органічного, так і неорганічного походження. Класифікація методів подрібнення наведена в таблиці 4.1.

Після подрібнення, за яким може слідувати фракціонування, відходи перетворюються в продукти, готові для подальшого використання. Твердий матеріал можна зруйнувати і подрібнити до частинок бажаного розміру роздавлюванням, розколюванням, розламуванням, різанням, розпилюванням, стиранням і різними комбінаціями цих способів. За розміром шматків вихідної сировини й кінцевого продукту подрібнення умовно ділять на кілька класів, виходячи з яких вибирають подрібнююче обладнання.

Один з недоліків, що виникають при подрібненні в'язких, пружних і в'язкопружних матеріалів (гума, деякі види термопластів та ін.), полягає в тому, що при кімнатній температурі енерговитрати на їх переробку дуже великі, хоча безпосередньо на подрібнення витрачається не більше ніж 1% енергії, основна ж її частина перетвориться в теплоту. Тому в останні 15 ... 20 років усе більше застосування дістає техніка кріогенного подрібнення, яка дозволяє охолоджувати матеріал нижче від температури крихкості. Як правило, як охолоджуючий агент використовують рідкий азот, що має температуру - 196 ° С, що нижче від температури крихкості більшості полімерних матеріалів. При такому способі дроблення різко зростає ступінь подрібнення, підвищується продуктивність процесу, знижуються питомі енерговитрати, запобігається окислення продукту.

Таблиця 4.1

Класифікація методів подрібнення

Клас подрібнення	Розмір шматків до потрібнення, мм	Розмір шматків після подрібнення, мм
Дроблення:
- велике	1000	250
- середнє	250	20
- дрібне	20	1 ... 5
Помел:
- грубий	1 ... 5	0,1 ... 0,04
- середній	0 , 1 ... 0,04	0,005 ... 0,015
- тонкий	0,1 ... 0,02	0,001 ... 0,005
- колоїдний	<0,1	<0,001

Дроблення. Інтенсивність і ефективність хімічних дифузійних та біохімічних процесів зростає зі зменшенням розмірів шматків (зерен), що переробляються. Метод дроблення використовується для отримання з великих шматків перероблюваних продуктів крупністю до 5 мм. Як основні технологічні показники дроблення розглядають ступінь й енергоємність дроблення.

Подрібнення. Метод подрібнення використовують для отримання з кускових відходів зернових і дрібнодисперсних фракцій крупністю менше ніж 5 мм. При переробці твердих відходів використовують агрегати грубого й тонкого подрібнення: стрижневі, кульові та ножові млини, дезінтегратори, дискові та кільцеві млини, бігуни. Як несуче середовище при сухому подрібненні найчастіше застосовують повітря, рідше димові або інертні гази, а при мокрому − воду. Подрібнення відходів пластмас і гумових технічних виробів проводять при низьких температурах (кріогенне подрібнення). Робота A, витрачена при дробленні або подрібненні на руйнування вихідного матеріалу прямо пропорційна новоутвореній поверхні F:

A = k₁.ΔF, (4.16)

де k₁ − коефіцієнт пропорційності;. ΔF − приріст поверхні.

Ступінь дроблення i виражає відношення розмірів шматків, підлягаючих дробленню d_н та шматків роздробленого матеріалу d_к:

i = Dн / dк. (4.17)

Робота внутрішніх сил пружності за відсутності втрат дорівнює роботі зовнішніх сил, що викликали пружну деформацію тіла:

A = σ2.V / (2 E), (4.18)

де σ − напруження, що виникає при деформації; V − обсяг деформованого тіла; E − модуль пружності (модуль Юнга ).

Робота подрібнення одного шматка розміром D дорівнює

A = k₂^.D₃ , (4.19)

де k₂ − коефіцієнт пропорційності.

В узагальненому вигляді робота, що витрачається на деформацію руйнування шматків і утворення нових поверхонь, дорівнює

A = γ.ΔV + σ.ΔF, (4.20)

де γ, σ − коефіцієнти пропорційності; ΔV − деформований обсяг; ΔF − знову утворена поверхню.

У чистому вигляді робота при дробленні пропорційна середньогеометричному між об'ємом V і знову оголеною (утвореною) поверхнею

S: A = K_б (VS), (4.21)

де k_б − коефіцієнт Бонда.

Класифікація та сортування (сепарація) відходів. У низці випадків переробка подрібнених відходів повинна супроводжуватися їх розподілом на фракції за крупністю.

Для розділення кускових і сипучих матеріалів застосовують різні способи:

- просіювання або просівання;

- поділ під дією гравітаційно-інерційних сил;

- поділ під дією гравітаційно-відцентрових сил.

Просівання являє собою процес поділу на класи за крупністю різних за розмірами шматків (зерен) матеріалу при його переміщенні на ніздрюватих поверхнях (колосникових решітках, решетах, дротяних сітках, щілиноподібних ситах).

Основним показником просівання є його ефективність Е, що визначається відношенням кількості підрешіткового продукту до його загальної кількості у вихідному матеріалі (у %):

Е = 104 (α - υ) / α (100 - υ), (4.22)

де α і υ − зміст нижнього класу у вихідному матеріалі й надрешітному продукті, %. Для розділення твердих матеріалів у вигляді пульп використовуються класифікатори грубої та тонкої класифікації. Повноту поділу при класифікації характеризують коефіцієнтом поділу:

KE = β - υ, (4.23)

де β і υ − зміст цього класу в зливі та пісках,%.

При гравітаційному і відцентровому способах поділ подрібнених продуктів на класи або виділення цільового продукту здійснюється методом роздільного висаджування частинок із несучого середовища під дією гравітаційно-інерційних або гравітаційно-відцентрових сил.

Поділ сипучих матеріалів під дією гравітаційно-інерційних сил проводиться в газових осадниках та гідравлічних класифікаторах, а під дією гравітаційно-відцентрових сил − у сепараторах циклонного типу, з обертовими лопатями і т.п.

У тому випадкові, якщо відходи можуть містити металеві включення, їх зазвичай пропускають через магнітний сепаратор (наприклад, з рухомою стрічкою). У магнітному полі, створюваному за допомогою електромагнітів, відбувається відділення магнітних металів від органічної частини відходів.

Кускування відходів. Поряд з методами зменшення розмірів кускових матеріалів і їх поділу на класи крупності в рекупераційній технології твердих відходів поширені методи, пов'язані з укрупненням дрібнодисперсних частинок, які використовують прийоми гранулювання, таблетування, брикетування та високотемпературної агломерації.

Гранулювання − процес формування агрегатів кулястої або циліндричної форми з порошків, паст, розплавів або розчинів, що переробляються. Ці процеси базуються на різних прийомах обробки матеріалів: обливання, пресування порошків у дисперсних потоках, гранулювання розплавів. Здатність гранулюючих матеріалів до ущільнення й формування характеризують значеннями коефіцієнтів їх гранулоємності:

K₁ = (γ/γ₀)Р_пл; K₂ = σ/Р_пл, (4.24)

де γ і γ₀ − поточна і вихідна щільність гранулюючого матеріалу, т / м ³; σ − межа міцності гранул при стисненні, Па; Р_пл − тиск ущільнення, Па. Величини K₁ та K₂ дозволяють обгрунтовано рекомендувати метод гранулювання для цього матеріалу: чим більше значення K₁ та K₂, тим меншими зусиллями забезпечується задана ступінь ущільнення матеріалу.

Брикетування − підготовчі та самостійні операції в практиці утилізації твердих відходів. Брикетування дисперсних матеріалів проводять без сполучного при тисках пресування Р_пл> 80 МПа і з добавками сполучного при тиску Р_пл ≤ 15 ... 25 МПа. На процес брикетування дисперсних матеріалів істотний вплив роблять склад, вологість і крупність матеріалу, температура, питомий тиск і тривалість пресування. Необхідний питомий тиск пресування зазвичай знаходиться в зворотній залежності від вологості матеріалу.

Пресування при високих тисках − один із способів поліпшення умов експлуатації полігонів (звалищ). Ущільнені відходи дають меншу кількість фільтрату і газових викидів, при цьому знижується ймовірність виникнення пожеж.