Все физико-механические характеристики могут быть установлены только экспериментальным путем, причем условия испытаний должны быть максимально приближены к производственным, т.е. учитывать весь возможный диапазон изменения влияющих факторов. Для определения значений определяющих характеристик твердых отходов и анализа отличительных особенностей и степени их изменения при механическом воздействии были выполнены экспериментальные исследования по известным методикам [4-6], апробированным на различных дискретных материалах, в частности на угольных шихтах и брикетных массах. Важной задачей было также определение реального диапазона изменения характеристик для различных видов предварительной обработки отходов и составления композиций, состоящих из ТУО бытового и промышленного происхождения.
Было проведено несколько десятков серий сдвиговых, компрессионных и прочностных испытаний в диапазоне давлений от 0,1 до 15 МПа со статистической обработкой данных. Испытуемые смеси состояли из обезвоженного шлама углеобогащения ОФ Авдеевского коксохимического завода с различными видами добавок. Степень измельчения шлама по содержанию класса <3 мм составляла 100%. Добавки представляли собой усредненные бытовые отходы, а также полихлорвиниловую и древесную стружку крупностью не более 5 мм.
Сдвиговые испытания позволили установить характер изменения коэффициентов внутреннего ƒ и внешнего ƒ0 трения в зависимости от влажности W и количества вносимых добавок. Для всех составов смесей влияние влажности на коэффициент внутреннего трения заметно больше, чем на коэффициент внешнего трения. Касательные напряжения адгезионного сдвига τо при этом имеют выраженную связь с коэффициентом трения: при наличии максимума у коэффициента внутреннего трения ƒ величина τо имеет минимум и наоборот.
Результаты определения компрессионных и прочностных характеристик ТУО от соотношения различных компонентов в смесях позволяют сравнить эти характеристики с аналогичными для углешихтовых материалов с различными связующими. Такое сравнение представляется целесообразным в связи с возможностью переработки ТУО в тепловых агрегатах камерного типа, аналогичных коксовым печам. В частности, опыты показали, что при добавлении твердых бытовых отходов к шламам углеобогащения происходит снижение насыпной плотности (на 5-10%) и значительное (примерно вдвое) снижение коэффициента внутреннего трения ƒ и начального сопротивления сдвигу τс. Это свидетельствует о хорошей возможности управления исходными характеристиками смесей в процессе подготовки путем варьирования их состава. Установлено, что компрессионные характеристики различных составов ТУО изменяются мало, но при этом прочностные свойства уплотненной под давлением до 15 МПа смеси с ТБО снижаются (τс в 1,5-2 раза, tgφ на 10-15%).
Определение физико-механических характеристик композиций шламов углеобогащения с отвальными отходами позволяет сделать вывод об ухудшении этих характеристик как сырья для переработки с увеличением содержания твердой неорганической составляющей в смеси. Исследования же ТУО в целом показали, что физико-механические характеристики твердых отходов изменяются в очень широком диапазоне, перекрывающем диапазон изменения таких характеристик для различных углешихтовых смесей. При этом добавление некоторых компонентов в пределах 2-10% в состав перерабатываемого сырья может принципиально изменять свойства и механическое поведение материала. Установлено также, что для нынешнего уровня знаний характеристик ТУО невозможно прогнозировать с высокой точностью, как повлияет на физико-механические характеристики смеси твердых отходов введение тех или иных добавок. Препятствие такому прогнозированию—значительный разброс абсолютных величин наиболее важных для проектирования техники компрессионных и прочностных характеристик ТУО, что обусловлено природой этого сырья.
Выяснение степени влияния влажности, дисперсности, химического состава, способа подготовки, содержания и других характеристик компонентов на физико-механические характеристики смесей различных видов отходов требует дальнейших исследований.
Возможный путь решения проблемы переработки твердых углеродистых отходов
На основании изложенного особенно важным представляется положение о необходимости создания гибкого автоматизированного производственного комплекса, имеющего в своем составе кроме машин и агрегатов для переработки ТУО в соответствии с приведенными требованиями к такой технике, лабораторные установки для оперативного определения физико-механических характеристик и компьютерный комплекс с соответствующим программным обеспечением для реагирования на изменение свойств сырья. При этом одним из главных свойств производственного комплекса для переработки ТУО является его гибкость в управлении с возможностью быстрого, без потерь перехода на измененный режим при наличии достаточного числа управляющих факторов.
Хорошие возможности для реализации перечисленных требований, предъявляемых к промышленным технологиям и агрегатам для переработки ТУО, имеет технология переработки с использованием батарей наклонных блочных агрегатов (НБА), разработанная для коксования низкосортных углей. Технология имеет такую последовательность основных операций:
сортировка исходного сырья с извлечением крупных включений металлов, стекла и керамики;
измельчение, дозирование и смешение компонентов;
загрузка смеси ТУО в агрегат и ее прессование;
термолиз смеси ТУО с получением твердого углеродистого остатка и летучих химических продуктов;
сжигание углеродистого остатка с утилизацией тепла;
утилизация зольного остатка в производстве строительных материалов.
Процесс термолиза смеси ТУО в наклонных блочных агрегатах характеризуется высокой экологичностью, поскольку протекает в замкнутом пространстве герметичной камеры, непрерывностью, хорошей управляемостью и степенью автоматизации. Агрегаты отличаются конструктивной простотой, обеспечивают комплексное воздействие на сырье нескольких управляющих факторов и компонуются в батареи, аналогичные существующим батареям коксовых печей. Этим достигается их надежность, необходимая экономичность, хорошие теплотехнические характеристики, использование проверенных в коксовом производстве технических решений.
Высокоэффективная переработка отходов в НБА методом пиролиза или термолиза вполне осуществима при обеспечении однородности сырья и стабильности его основных физико-механических и технологических свойств. Как показано, этими свойствами в определенных пределах можно управлять посредством предварительной подготовки и комплекса механических, химических и термических воздействий, к которым относятся: измельчение, усреднение, дозирование и перемешивание компонентов в определенных соотношениях, введение в состав связующих, твердых присадок, компактирование, прессование сырья с последующей термообработкой.
Выводы:
1. Острая необходимость решения проблемы утилизации твердых углеродистых промышленных и бытовых отходов требует скорейшего создания и освоения надежных и эффективных машин и агрегатов для крупнотоннажной промышленной переработки отходов, имеющих существенный энергохимический потенциал.
2. Наиболее приемлемой представляется комплексная переработка твердых углеродистых отходов, предполагающая механическое, термическое и химическое воздействие с получением энергии, химических продуктов и строительных материалов. Относительно быстрая промышленная реализация такого процесса возможна при использовании известных разработок, мощностей и инфраструктуры коксохимических предприятий.
3. Одной из главных трудностей при проектировании и освоении техники для переработки твердых отходов следует считать широкий диапазон изменения и нестабильность физико-механических характеристик отходов как сырья для переработки. Эти характеристики должны быть установлены экспериментальным путем для условий, максимально приближающихся к производственным.
4. Исследования физико-механических характеристик твердых отходов показали, что существуют реальные возможности стабилизации и направленного изменения этих характеристик изменением составов и предварительной обработкой различных композиций твердых углеродистых отходов. При этом в зависимости от целевых задач возможно получение характеристик, аналогичных таковым для угольных шихт и брикетируемых углей со связующими добавками.
5. Конструкция наклонных коксовых агрегатов непрерывного действия для коксования низкосортных углей представляется вполне приемлемой основой для создания крупномасштабных установок для термолиза твердых углеродистых отходов бытового и промышленного происхождения.
Список литературы
1.Использование вторичного сырья и отходов производства (Отечественный и зарубежный опыт, эффективность и тенденции): Под ред. В.Н.Ксинтариса и Я.А.Ренитара. - М.: Экономика, 1983. - 168 с.
2.Тихоцкая Н.С. Япония: проблемы утилизации отходов. -М.: Наука, 1992.-102 с.
3.Цыганков А.П., Сенин В.Н. Циклические процессы в химической технологии. Основы безотходных производств. - М.: Химия, 1989. - 320 с.
4.>А.с. 1663013 СССР. Способ определения спекаемости углей и устройство для его осуществления/А.С.Парфенюк, И.ГДедовец, И.В.Кутняшенко и др.//Б.И. 1991. № 26.
5.А.с. 845059 СССР. Устройство для реологических испытаний материаловА.С.Парфенюк, В.С.Карпов //Б.И. 1981. №25.
6А.с. 905706 СССР. Устройство для компрессионных испытаний магериапов/ А.СПарфенюк, В.И.Назаров //Б.И. 1982. №2.