Управление отходами. Сбор транспортирование прессование сортировка

Прессование на прессе Б-101. Пресс Б-101 представлял собой промышленную гидравлическую установку большой мощности, предназначенную для пакетирования металлического лома. Исследования проводились по методикам, аналогичным описанным выше.

В отличие от предыдущих установок давления на I и II ступенях пресссования регистрировались с помощью одного датчика давления и самопис-

ца Н-390.

Тарирование датчика давления осуществлялось непосредственно на установке по контрольному манометру путем ступенчатого изменения давления масла в гидросистеме регулятором предельного давления.

Положение плунжера гидроцилиндра на II ступени прессования фиксировалось с помощью линейки с ценой деления 5 мм.

Пробы для определения состава и влажности ТБО отбирались в полиэтиленовые пакеты непосредственно из загружаемой камеры прессования.

Объем загружаемой в пресс пробы принимался равным 6 м3 (8 контейнеров) и выбирался равным из расчета получения кипы размером 0,7×1×1 при коэффициенте уплотнения 1:8. Перед загрузкой контейнеры взвешивались для определения исходной плотности отходов.

Контейнеры загружались непосредственно в камеру прессования. После загрузки крышка камеры опускалась качающимися гидроцилиндрами и фиксировалась. Производилось последовательное сжатие ТБО на I и II ступенях. После выдержки открывался шибер и кипы выталкивались из пресс-камеры в металлический желоб.

Методика исследований процесса прессования ТБО

Для исследований использованы три описанных типа прессов: БА-1330,

БА-1338 и Б-101.

В результате проведенных исследований были определены основные зависимости процесса прессования ТБО при удельных давлениях до 25,3 МПа от таких показателей, как время, давление, влажность и др.

Зависимости изучались на ТБО с исходной влажностью 30–35 % и 50– 60 %. Компрессионная кривая ТБО при объемном сжатии показана на рис. 62.

Зависимость степени уплотнения ТБО от исходной влажности представлена на рис. 63 (прессование проводилось без отведения влаги).

152

Проведенные исследования позволили установить механизм протекания процесса прессования ТБО (рис. 64). При давлении до 0,5–1,0 МПа уплотнение отходов происходит в основном за счет уменьшения объемных размеров крупногабаритных пустотелых фракций ТБО, в результате чего ломаются емкости. Объем ТБО уменьшается в 5–10 раз в зависимости от их исходного состава и свойств. Объемный вес ТБО достигает 0,8 т/м3. Дальнейшее увеличение давления прессования до 10–20 МПа приводит к снижению пористости отходов, так как нет фракций, которые способны к уплотнению (бумага и др.), а также к интенсивному выделению влаги, объем кип снижается еще в 2–2,5 раза, а объемный вес увеличивается в 1,5 раза по сравнению с прессованием при давлении 0,5–1,0 МПа.

Дальнейшее увеличение давления до 20–60 МПа не приводит к существенному снижению объема (объем снижается за счет выделения остаточной влаги), при этом практически не увеличивается плотность ТБО.

Знание зависимости изменения давления масла в гидросистеме от времени цикла прессования (рис. 65) позволило определить зависимость изменения удельного давления на материал от времени (рис. 66), а знание параметров

153

деформации (перемещение плунжера) и удельного давления в процессе прессования – зависимость относительной деформации ε материала от удельного давления прессования (рис. 67).

Данная зависимость наиболее полно характеризует процесс прессования ТБО. На основании характера кривой можно предположить, что процесс прессования ТБО состоит из следующих стадий (ступеней):

–упругой деформации по закону Гука в диапазоне давлений от 0 до 11,0 МПа (I ступень);

–пластической деформации при 11,0–13,0 МПа (II ступень);

–упругопластической деформации при давлении свыше 13,0 МПа (III сту-

пень).

Таким образом, процесс формирования и стабилизации размеров кип ТБО происходит при удельных давлениях свыше 13,0 МПа.

При прессовании ТБО в материале накапливается внутренняя энергия упругих деформаций, под действием которых после снятия нагрузки происходит расширение полученных кип.

Установлено, что упругое расширение кип в наибольшей степени наблюдается по оси приложения максимального усилия (на III ступени прессования). В процессе прессования при высоких удельных давлениях свыше 20,0 МПа упругие внутренние деформации, накопленные материалом в предыдущей стадии прессования, перераспределяются. Построенная на основании обработки полученных данных зависимость (рис. 68) показывает, что ве-

154

личина упругого расширения кип в направлении оси действия плунжера при создании высоких давлений (свыше 20,0 МПа) значительно превосходит аналогичную величину, достигнутую на предыдущих стадиях сжатия y/y0 и x/x0. Данные результаты представляют особенный интерес при проработке вопросов транспортирования и размещения кип ТБО.

Анализ зависимости рис. 68 показывает, что интенсивность упругого расширения кип во времени практически одинакова для всех трех диапазонов удельных давлений прессования и не зависит от величин нагрузок. Наиболее интенсивное расширение кип (15–20 %) происходило в течение первых двух минут после выталкивания кипы из камеры прессования. Затем интенсивность падала, и через 10 мин размеры кипы практически стабилизировались. В течение последующих двух часов объем кипы увеличивался лишь на 2–5 %.

Как показали экспериментальные исследования, основным фак-

тором, определяющим прочность и стабильность кип, является исходная влажность прессуемых отходов, которая не должна превышать 30–35 %. При прессовании отходов с влажностью 35–45 % формирование кипы в пресскамере еще возможно, однако полученные кипы разрушаются непосредственно после выталкивания из пресс-камеры.

Исследованиями, проведенными на указанных прессах, выявлено также, что формирование кип, прессуемых из отходов с более высокой влажностью, невозможно, так как при удельных давлениях свыше 4,0–5,0 МПа начинается интенсивный процесс влаговыделения из отходов и превращение их в пульпообразную массу. При дальнейшем увеличении давления происходило не уплотнение отходов, а их вытеснение из полости пресс-камеры в зазоры между плунжером и стенками пресс-камеры.

Основной фракцией ТБО, обеспечивающей в процессе уплотнения сцепление отдельных фракций отходов, формирование и стабилизацию кипы, является бумажная. Прочность получаемых кип непосредственно зависит от процентного содержания бумаги в массе загружаемых отходов. При увеличении содержания бумажной фракции прочность кип повышалась (при условии общей влажности отходов не более 35 %).

155

Содержание бумажной фракции влияет также и на коэффициент уплотнения отходов. Коэффициент возрастал при снижении плотности исходных отходов. Например, отношение конечного состояния уплотнения отходов, содержащих 50–55 % бумаги, к начальному состоянию составляло 10:1, а при содержании бумаги 30 % – 8:1 (при удельном давлении 21,0 МПа).

Как показали исследования, начало стабилизации прессуемых отходов происходило при удельных давлениях 5,0–7,0 МПа. Отходы, уплотненные в указанном диапазоне давлений в течение первых нескольких секунд после отвода плунжера, сохраняли свою форму, но затем распадались.

С увеличением удельного давления на конечной ступени от 11,0 до 14,0 МПа получались стабильные кипы, однако они имели еще недостаточную прочность и распадались при выполнении погрузочных операций из-за недостаточности сил сцепления отдельных фракций отходов и накопления сил внутренних напряжений в массе кипы.

Прочность кип заметно увеличивалась после уплотнения при удельных давлениях 14,0–21,0 МПа. При таких давлениях упругая деформация массы отходов в основном переходит в пластическую, в результате чего происходит значительное уменьшение сил внутренних напряжений и увеличение сил сцепления между отдельными компонентами массы отходов.

Можно было предположить, что в этом интервале давлений происходит качественный скачок свойств уплотняемых отходов. Последующие эксперименты подтвердили это предположение. При дальнейшем росте удельного давления до 25,3 МПа (максимально возможное давление для пресса БА-1338) увеличения прочности кип не наблюдалось.

Исследования времени выдержки отходов на конечной ступени прессования показали, что выдерживание уплотняемых отходов в пресс-камере под давлением ведет к релаксации сил внутренних напряжений и дополнительному уплотнению массы отходов. В результате прочность и размеры кип, полученных при меньших давлениях с выдержкой, были аналогичны прочности и размерам кип, спрессованных при больших удельных давлениях, но без выдержки. Так, например, размеры кип, выдержанных в течение 60 с при удельном давлении 14,0 МПа, были такие же, как кип, полученных при удельном давлении 18,0 МПа без выдержки. Исследования показали также, что влияние выдержки уменьшается с возрастанием величины конечного давления. От времени выдержки уплотняемых отходов под давлением зависит величина конечной плотности спрессованных отходов. Установлено, что наиболее интенсивный процесс дополнительного уплотнения отходов и релаксации сил внутренних напряжений происходит в течение первой минуты при установившемся давлении. Дальнейшее увеличение времени выдержки не оказывает значительного влияния на изменение размеров и прочность кипы. Кроме того,

156

вым сторонам треугольника.

Обработка результатов экспериментальных исследований позволила установить, что диапазон применяемых удельных давлений на конечной ступени прессования твердых бытовых отходов целесообразно ограничить значениями 17,5–21,0 МПа с выдержкой отходов под давлением от 30 до 60 с. При этом следует учитывать, что максимальная величина диапазона удельных давлений должна применяться при минимальной влажности исходных отходов. При влажности отходов свыше 35 % целесообразно снизить удельное давление до 17,5 МПа. Указанные значения давлений обеспечивают оптимальные условия процесса прессования.

Плотность спрессованных отходов при удельном давлении 21,0 МПа с учетом объемного расширения составляла 1200–1400 кг/м3. Величина конечной плотности полученных кип при дальнейшем увеличении удельного давления практически не изменялась. Это объясняется тем, что все пустоты в компонентах отходов и между ними были ликвидированы при удельных давлениях до 21,0 МПа, а при дальнейшем увеличении давления происходит только некоторое изменение внутренней структуры материалов компонентов отходов.

Конечная плотность кипы не зависит от исходной плотности твердых бытовых отходов. При загрузке пресса отходами, одинаковыми по объему, но отличающимися по плотности, размеры получаемых кип были различными, а при загрузке пресса отходами разного веса размеры кип были одинаковыми.

Проведенные испытания кип из отходов различной влажности показали, что кипы из отходов влажностью 30 % и с содержанием бумажной фракции

157

45 % при сбрасывании с высоты 1,5 м на бетонное основание имели достаточную прочность (масса отколовшихся частей не превышала 1 % массы кипы). Такие кипы после выхода из пресс-камеры имели гладкие поверхности, на которых не было видимых трещин.

Стабильность и прочность кип, полученных из отходов влажностью 45– 50 %, доставленных из благоустроенной жилой застройки, были неудовлетворительными. В результате объемного расширения на боковых гранях появились трещины и изменилась первоначальная форма кипы. После сбрасывания

свысоты 1,5 м произошло разрушение кипы.

Врезультате проведенных исследований процесса прессования ТБО были сделаны следующие выводы:

1. Прессование твердых бытовых отходов целесообразно осуществлять на прессах с трехступенчатым уплотнением, с пресс-камерой прямоугольной формы (исходя из условий транспортировки, складирования и исключения предварительной подготовки исходных отходов).

2. Основным фактором, определяющим прочность и стабильность кип, является влажность прессуемых отходов, которая не должна превышать 30–35 %.

3. Прочность кип зависит от фракционного состава твердых бытовых отходов. При увеличении содержания в отходах бумажной фракции коэффициент уплотнения и прочность кип повышаются.

4. Оптимальные значения удельных давлений на конечной ступени прессования соответствуют значениям 17,5–21,0 МПа (с учетом изменения времени выдержки).

5. Увеличение времени выдержки отходов под давлением ведет к релаксации внутренних напряжений сжимаемых отходов и уменьшению высоты кип (размеры кип, выдержанных в течение 60 с при удельном давлении 14,0 МПа, были такие же, как у кип, полученных при удельном давлении 18,0 МПа, но без выдержки). Увеличение времени выдержки свыше 60 с нецелесообразно, так как наиболее интенсивный процесс уплотнения отходов наблюдался в течение первой минуты.

6. Коэффициент уплотнения отходов, содержащих 50–55 % бумаги, при удельном давлении 21,0 МПа равен 10:1 при содержании бумаги 30 % – 8:1.

7. Плотность спрессованных отходов при удельном давлении 21,0 МПа составляет 1200–1400 кг/м3. Величина конечной плотности (с учетом объемного расширения отходов) при дальнейшем увеличении давления практически не меняется.

8. Конечная плотность спрессованных отходов не зависит от исходной плотности твердых бытовых отходов. При загрузке в пресс-камеру отходов, одинаковых по объему, но отличающихся по плотности, размеры получаемых кип различны, а при загрузке отходов равного веса – одинаковы.

158

9. Количества отходов, одновременно загружаемых в пресс-камеру, должно быть достаточно для получения кипы заданного размера за один рабочий цикл. Кипа, полученная при порционном уплотнении, расслаивается по линиям стыковки разновременно загруженных порций отходов.

Наибольшее линейное расширение кипы, составляющее 30–40 % от первоначальной величины, происходит по оси приложения максимальной нагрузки.

4.4. Метод захоронения ТБО на полигонах с предварительным прессованием ТБО

Теоретические и экспериментальные исследования процесса прессования ТБО, проведенные зарубежными и отечественными учеными, показывают, что прессование ТБО с дальнейшим захоронением на полигонах является эффективным методом обезвреживания отходов.

Для повышения экономичности работы по сбору и транспортировке ТБО целесообразно организовать систему мусороперегрузочных станций (МПС). Можно выделить три разновидности технологии работы МПС: с пересыпкой ТБО из мусоровозов небольшой грузоподъемности (3–5 т) в транспортные средства большой грузоподъемности (20–40 т); с пересыпкой и прессованием мусора в контейнерах; с прессованием ТБО в кипы, обвязыванием их проволокой и погрузкой в транспортные средства большой грузоподъемно-

сти [86].

Общий вид полигона ТБО с предварительно запрессоваными кипами отходов представлен на рис. 70.

Рис. 70. Полигон захоронения ТБО в г. Ярославле

(2004 год)

159

Среди систем захоронения ТБО с предварительным их прессованием наиболее эффективной является система «ИМАБЕ» фирмы «ИМАБЕ ИБЕРИКА», основанной в 1965 году [72].

4.4.1. Принцип работы системы «ИМАБЕ»

Основной принцип системы «ИМАБЕ» заключается в уменьшении объема ТБО посредством высокой степени уплотнения и автоматической обвязки [72].

Прессовочные станции фирмы «ИМАБЕ ИБЕРИКА» могут устанавливаться как на полигонах, так и непосредственно в городской черте. Расчеты показывают, что при расстоянии от города до полигона более 12–15 км экономически целесообразно создавать перевалочную станцию. Автомобильная платформа на базе КамАЗа позволяет перевозить 25–30 т ТБО, т.е. 10–12 брикетов за рейс [83].

На станции переработки (сортировки и прессования) ТБО по технологии «ИМАБЕ ИБЕРИКА» процесс переработки ТБО осуществляется следующим образом:

1.Мусоросборщики сваливают собранные ТБО в зоне загрузки металлического транспортера особой конструкции или же в определенной зоне разгрузки, откуда затем бульдозер перемещает ТБО к транспортерной ленте.

2.Транспортерная лента питает автоматический пресс по упаковке ТБО, мощность которого составляет 40 т/ч. Транспортер действует в автоматическом режиме с дозированной подачей ТБО.

3. Автоматический пресс уплотняет ТБО до плотности 1000–1200 кг/м3 и формирует кипы в форме призмы размером 1,1×1,1×до 2 м (2,42 м3), которые автоматически обвязываются вдоль пятью стальными проволоками в момент, пока кипа находится под максимальным давлением прессования. Благодаря высокому давлению прессования отходов, кипы не теряют своей формы даже при разрыве обвязочной проволоки.

4. Сформированные таким образом кипы при помощи специально сконструированного погрузчика укладываются на полигоне пластами или же грузятся погрузчиком на специальные машины для дальнейшей транспортировки на полигон или мусоросжигательный завод [72, 84].

Основным элементом станции переработки ТБО является пресс модели

H-240/5000.

Технические характеристики пресса модели H-240/5000 [85]