Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Технология объемного брикетирования твердых бытовых отходов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Технология объемного брикетирования твердых бытовых отходов"

На правах рукописи

ЕРМАКОВА ЛИДИЯ СЕРГЕЕВНА

Технология объемного брикетирования твердых бытовых

отходов

Специальность 03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии) 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАЯ 2012

Москва 2012

005016293

Работа выполнена в федеральном бюджетном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гонопольский Адам Михайлович

Официальные оппоненты: Заведующий кафедрой «Инженерной экологии и охраны труда» (МЭИ ТУ), доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор Медведев Виктор Тихонович

Доцент кафедры «Промышленная экология» (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»), кандидат технических наук, Назаров Вячеслав Иванович

Ведущая организация: Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенская государственная технологическая академия».

Зашита состоится «17» мая 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.03 при Московском государственном университете инженерной экологии (ФГБОУ ВПО МГУИЭ) по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л. А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии (ФГБОУ ВПО МГУИЭ).

Автореферат разослан «

Ученый секретарь

диссертационного совета, Е.С. Гриднева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Брикетирование твердых бытовых отходов (ТБО) в брикеты является одним из основных методов уменьшения их объема с целью рационального использования как транспорта, перевозящего отходы, так и технологического объема на объектах их полигонного захоронения. Уплотненные отходы дают меньшее количество фильтрата и газовых выбросов, при этом снижается вероятность возникновения пожаров, эффективнее используется земельная площадь полигона. Устраняется ветровой разнос отходов с поверхности полигонов. Благодаря высокой плотности брикетов устраняется возможность возгорания мусора. Однако, во всех странах мира применяется только одноосное прессование, в котором механическая прочность брикетов при транспортировке и при перегрузках для захоронения, обеспечивается путем их прошивки и обвязки металлической проволокой, что приводит к повышению концентрации железа в фильтрате полигонов и увеличению затрат, как на технологические процессы, так и на экологические платежи.

Цель работы:

Разработка научных основ технологии объемного прессования брикетов ТБО, обладающих механической прочностью, необходимой для технологических операций транспортировки и захоронения брикета, исключая стадию его прошивки и обвязки металлической проволокой.

При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:

• Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование влияния формы рабочей поверхности пуансона на прочностные характеристики брикета ТБО и отдельных их компонентов при прессовании.

• Исследование компрессионной зависимости для ТБО различного морфологического состава.

• Определение параметров технологического процесса объемного брикетирования ТБО.

• Создание инженерной методики расчета линии объемного брикетирования ТБО.

• Разработка аппаратурно-технологическон схемы линии объемного брикетирования ТБО.

Научная новизна работы:

• Впервые получены экспериментальные данные о распределении физико-механических свойств в объеме брикета ТБО при прессовании коническим пуансоном;

• Разработана математическая модель процесса прессования брикета ТБО;

• Впервые получены экспериментальные результаты по распределению плотности в объеме брикета ТБО коническим пуансоном;

Практическая значимость:

• По результатам экспериментальных исследований предложена методика расчета и проектирования конического пуансона для объемного брикетирования ТБО.

• По результатам экспериментальных и расчетно-теоретических исследований разработана схема технологической линии брикетирования ТБО без использования стадии прошивки.

Достоверность полученных результатов: обеспечивается применением апробированных ранее экспериментальных методик и метрологическими характеристиками поверенных измерительных приборов, а также стандартной оценкой погрешности экспериментальных данных и их удовлетворительным совпадением с результатами расчетов.

Личный вклад: состоит в проведении экспериментальных исследований, обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также в формулировке выводов.

Апробация работы: результаты диссертационной работы докладывались на:

• Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ, 2010 г.

• Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ, 2012 г.

• V международная научная конференция «Теория и практика современной нау ки», 2012 г.

• Научная конференция «Экологический интеллект 2012», Украина, Днепропетровск, 2012 г.

• V международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития», 2012 г.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе, 4в изданиях, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертации.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 164 страницах, содержит 49 рисунков, 19 таблиц; состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, основных результатов и выводов, списка используемой литературы (113 наименований) и 4 приложения.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Техника и технологии переработки отходов» Московского государственного университета инженерной экологии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе приводится аналитический обзор проблем брикетирования ТБО в брикеты. Здесь проведен сравнительный анализ степени экологической безопасности при захоронении ТБО на полигоне брикетами различной плотности. Полученные на основание известных данных результаты расчетов образования фильтрата и биогаза из тела полигона при захоронении брикетов ТБО плотностью 1500, 1000 и 190 кг/м3 показали, что для снижения негативного влияния полигонов на окружающую среду предпочтительно захоранивать брикеты с повышенной плотностью (1500 кг/м3). Как показано в обзоре, на данный момент для брикетирования используются прессы одноосного прессования и не существует прессов объемного прессования ТБО, в которых отсутствует прошивка и обвязка брикета ТБО. Из проведенного анализа технологий брикетирования ТБО в брикеты, следует, что наиболее рациональным методом брикетирования ТБО, является раструбное послойное прессование. Анализ математических моделей процессов брикетирования и их программная реализация применительно к формированию крупногабаритных брикетов ТБО показал, что наибольшими перспективами здесь обладает теория деформирования при послойном (порционном) прессовании коническим пуансоном разработанная под руководством профессора Генералова М.Б.

Во второй главе приводится описание лабораторного стенда для исследования распределений физико-механических свойств в объеме брикета ТБО при прессовании плоским и коническим пуансоном. Здесь же приведены известные методики исследований физико-механических свойств дисперсных материалов при прессовании, адаптированные к задаче брикетирования ТБО, т.е. для гетерогенных, гетерофазных сред стохастического состава, обладающих случайными когезионными связями между частицами:

• Методика определения коэффициента бокового давления - f = —, где

ап- напряжение нормально продольное и <тг - напряжение нормальное поперечное, как для отдельных фракций, так и для осредненных по сечению параметров брикета ТБО.

• Методика определения коэффициента внешнего трения, описывающего пластические деформации частиц ТБО, в виде предложенного Б.В. Дерягиным расчетного коэффициента трения /т, равного отношению сил трения и давления в виде зависимости между силой трения Ет и силой нормального давления Р, как для отдельных фракций, так и для осредненных по сечению параметров брикета ТБО: Л = ~ = /ох(1 + где, /0- истинный коэффициент трения, являющийся величиной постоянной; 50- суммарная площадь действительного контакта между частицами дисперсного материала брикета ТБО и граничной поверхностью (стенкой камеры прессования); Р0- равнодействующая сил молекулярного притяжения, действующая на единицу площади действительного контакта.

• Методика определения коэффициента внешнего трения между пуансоном и испытуемым материалом, как для отдельных фракций, так и для осредненных по сечению параметров брикета ТБО, по формуле: , где Мвр - вращающий момент; р -давление прессования; Я - радиус пуансона

• Методика определения параметров предельного состояния, как для отдельных фракций, так и для осредненных по сечению параметров брикета ТБО, в виде тп < f(an), где тп - касательная составляющая вектора напряжений, действующая на площадке сдвига с нормалью п\ етп- нормальная составляющая вектора напряжений на соответствующей площадке.

• Методика определения компрессионной зависимости при брикетировании как для отдельных фракций, так и для осредненных по сечению параметров брикета ТБО, в виде К ~ К0 х е~ар ,где К - коэффициент прессования, кг/м3*МПа; Ко -

начальный коэффициент прессования, кг/мЗ^МПа; а - коэффициент потери сжимаемости, МПа"1.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований физико-механичесмгх параметров ТБО при послойном прессовании плоским и коническим пуансоном.

1500 Бумага офисная влажность 0%

1400 конический пуансон

1300

¿г Бумага офисная влажность 0%

1200 у плоский пуансон

Л ь 1100 ^^ггг-«'*- / ««з&«*Бумага офисная влажность 35%

о /

ь о 1000 конический пуансон

с 900 А-:-1-;-;-;-\-~-J--;--

800 ; ; ; ! ; „,,_... к «"^«Бумага офисная влажность 35%

^ плоский пуансон

700 ----"•'"" •----:.........-.......-■■;.......

600 ., НДППП11-1ПГ бумага офисная влажность 50%

500 ; конический пуансон

40 60 80 100 120 140

^^ Бумага офисная влажность 50%

Давление прессования плоский пуансон

Рис.1. Зависимость плотности от давления прессования макулатурной фракции ТБО Московского

региона

Как видно из приведенных на рис.1 данных, вначале, с ростом давления прессования, происходит интенсивное уменьшение объема и увеличение плотности материала (часто в 3-5 раз по сравнению с исходной насыпной плотностью). Затем плотность увеличивается менее интенсивно. При дальнейшем росте давления плотность асимптотически приближается к некоторой постоянной величине.

•*"ф""Древесина влажность 0% конический пуансон

«°ф«»Древесина влажность 0% плоский пуансон

Древесина влажность 35% конический пуансон

■«-й?^Древесина влажность 35% плоский пуансон

Рис.2. Зависимость плотности от давления прессования древесной фракции ТЕО (древесные отходы строительства, древесные отходы потребления) Московского региона

Установлено, что в диапазоне реальных давлений компактирования (рис.2.) (от 80 до 120 МПа) коэффициент бокового давления для большинства отдельных фракций ТБО с

Давление прессования

увеличением внешней нагрузки возрастает. Такая же тенденция наблюдается и для усредненных значений ^ для общей массы ТБО конкретного состава. В общем случае величина £ в зависимости от внешнего давления колеблется от 0,15 до 0,45.

Рис.3. Зависимость коэффициента внешнего трения от давления прессования строительной фракции ТБО

Московского региона

Рис.4. Зависимость коэффициента внешнего трения от давления прессования полиэтиленовой фракции

ТБО Л/осковского региона В зависимости от величины коэффициента внешнего трения скольжения пары трения (материал - контактная стенка) все испытуемые материалы делят на две группы. К первой группе относят фрикционные материалы, имеющие большой коэффициент внешнего трения скольжения, обычно £г = 0,3 - 0,35, реже 0,5 - 0,6. В ТБО такими компонентами являются керамика, штукатурка, стекло (рис.3.). Ко второй группе относят

антифрикционные материалы с коэффициентами внешнего трения 0,1 - 0,2. В эту группу попадают бытовые отходы в виде полиэтилена, ПЭТФ, кожи, бумаги (рис.4.).

20 40 60 80 100 120 140

Давление прессования

Рис.5. Зависимость коэффициента внешнего трения от давления прессования текстильной фракции ТБО

Московского региона

Как показали эксперименты (рис.5.), в ТБО такими материалами являются многие входящие в его состав компоненты. Например, древесина различной влажности в области давлений до 40 МПа имеет Г, = 0,3 - 0,7 , а при давлениях выше 50 МПа Гт снижается до величины 0,25 - 0,1.

-е-

20 40 60 80 100 120 140 Давление прессования

Древесина влажность 0%

Древесина влажность 35%

Древесина влажность 50%

Рис.6. Зависимость коэффициента внешнего трения от давления прессования древесной фракции ТБО

Московского региона

Величины коэффициентов внешнего трения Г большинства компонентов ТБО и его массы в целом в отличие от коэффициентов ^ с ростом сжимающего усилия уменьшаются (рис.6.). В явном виде такая закономерность проявляется для древесины, текстиля, бумаги.

Значения Гвншш для этих материалов резко падают от 0,6 - 0,7 (при рос = 7 МПа) до 0,1 - 0,2 (при р0<; > 40 МПа). Причина такого уменьшения связана с волокнистой структурой данных компонентов, которая при определенной степени нагружения перераспределяется в соответствии с направлением сдвиговых деформаций.

В общем случае количественное изменение коэффициента ГВ11Ш1 зависит от природных свойств каждого компонента ТБО, и при давлениях соответствующих реальным режимам брикетирования (80 - 120 МПа) его величина имеет тенденцию к уменьшению или практически постоянна.

Аналогичный характер имеют зависимости для коэффициентов внутреннего трения (рис.7, рис.8.) Гвнутр, хотя их абсолютные величины, как и следовало ожидать, значительно превышают значения Гв|<е„, для каждого материала.

Рис.7. Зависимость коэффициента внутреннего трения от давления прессования керамической фракции

ТБО Московского региона

Рис.8. Зависимость коэффициента внутреннего трения от давления прессования полиэтиленовой фракции

ТБО Московского региона

Значительная часть исследований в диссертации была посвящена определению зависимостей плотности ТБО от давления сжатия. Знание этих зависимостей необходимо при расчете процесса брикетирования и прежде всего в той его части, где требуется определить величину усилия прессования для получения брикета ТБО заданной степени прочности. Для большинства компонентов ТБО полученные зависимости указывают на достаточно интенсивный рост плотности материала на начальном этапе его нагружения (от 20 до 60 МПа) с последующим постепенным выходом на некоторую постоянную предельную величину при дальнейшем увеличении давления. Вполне естественно предположить, что на результирующую плотность ТБО сильное влияние должны оказывать не только его морфологический состав, но и влажность. В ходе экспериментов установлено, что компрессионная способность ТБО с увеличением его влажности в целом возрастает.

В целях установления влияния процентного содержания влага в массе ТБО на процесс брикетирования эксперименты проводились при трех влажностях: 0 (условно), 35% и 50%. Анализ зависимости изменения влажности ТБО от давления показал, что степень насыщения ТБО влагой остается равной исходной и практически не меняется при давлениях до 30 МПа Дальнейшее увеличение внешней нагрузки приводит к частичному отжиму влаги из некоторых материалов (бумаги, текстиля, древесины, кожи).

При изучении свойств ТБО особое внимание уделялось исследованию входящих в их состав пищевых отходов растительного и животного происхождения. Анализ показал, что их физико-механические характеристики во многом совпадают или практически одинаковы, а в количественном отношении приближаются к предельно возможным значениям: коэффициент бокового давления равен 1, коэффициент внешнего и внутреннего трения близки к нулю, а плотность постоянна и практически не зависит от внешнего давления.

Исследование процесса брикетирования ТБО усредненного морфологического состава. С учетом полученных данных, физико-механические параметры ТБО конкретного состава предлагается рассчитывать по принципу аддитивности: УТБ0 =0.01 -Хх+У2 ■Хг+...У'+ -х„)

где у1'"0 - определяемая физико-механическая характеристика ТБО; У' -количественное значение физико-механической характеристики ¿-того компонента ТБО; X. - процентное содержание ьтого компонента ТБО; п - количество классифицированных компонентов ТБО.

Коэффициент бокового давления:

еБО =от\£ -х1+е -х2+..4' -Х^)

Коэффициент внешнего трения:

/ты, + /енеш '^2+—Ляем, + " 7 )

Коэффициент внутреннего трения:

/вщ-тр = 0.0 1 ■ {/еп.п.р ■Х1 + /ен>тр ■ Х2 +--/еЦ).тр • Хг.. + /тугпр ■ )

В результате экспериментов были определены следующие параметры: коэффициент бокового давления £ (кг/мЗ) от давления прессования Р (МПа) (Рис. 9),

Давление пргссозання. МПа

коэффициент внешнего трения статический /в

внеш.стаг.

Давление гтресссванпя. МПа

(Рис.10) и динамический /в

внеш. дин.

(Рис.11) от давления прессования Р (МПа) и определение параметров предельного состояния, таких как, напряжение сднига/й1Г (МПа) (Рис.12).

Рис.9 Рис.10

!

Рис.11

ДаБясн'.гс прессования. МПа

Рис.12

На рис. 10 представлены результаты экспериментов по разрушению брикетов ТБО осеннего морфологического состава при давлении прессования 80 МПа на вибростенде имитирующем автомобильную перевозку брикетов на полигон.

По результатам экспериментов можно сделать вывод о том, что при реальных давлениях прессования ТБО усредненного морфологического состава (от 80 до 120 МПа), при прессовании коническим пуансоном получены прочные брикеты ТБО, которые могут транспортироваться обычным автотранспортом на полигоны для дальнейшего захоронения. Продолжительность испытаний на вибростенде, проведенных в соответствии с ГОСТ Р 53417-2009 соответствовала среднему времени транспортировки брикетов на полигон.

..........................................................................!

брикеты ТБО прессованные | плоским торцом без |

обвязки I

«З^брикеты ТБО прессованные | плоским торцом с обвязкой | частота колебаний 2 Гц |

■'-■•■й---'брикеты ТБО прессованные |

коническим торцом без |

обвязки частота колебаний |

2 Гц !

«**4**брикеты ТБО прессованные |

плоским торцом с обвязкой |

частота колебаний 4 Гц |

*~%~"брикеты ТБО прессованные | коническим торцом без | обвязки частота колебаний | 4 Гц

бри кеты ТБО прессованные | плоским торцом с обвязкой | Время эксперимента, мижастота колебаний 6 Гц | : {

Рис. 13 Результаты испытаний брикетов на вибростенде

Из данных представленных на рис.13 видно, что прочность брикетов полученных при прессовании коническим пуансоном, незначительно выше, чем у таких же брикетов с обвязкой, полученных при прессовании плоским пуансоном. Брикеты ТБО полученные плоским пуансоном без обвязки не отвечают необходимым требованиям прочности, так как разрушение происходит на 10 минуте во всем диапазоне амплитуд и частот. Исходя их полученных данных, можно считать, что разработанная технология позволяет исключить стадию обвязки при прессовании ТБО в брикеты, на станции перегрузки с целью их транспортировки для последующего их захоронения на полигоне.

В четвертой главе описывается расчетно-теоретическое исследование параметров процесса брикетирования ТБО. В настоящее время при брикетировании твердых бытовых

отходов наиболее широкое применение в промышленности находит способ прессования в замкнутой прямоугольной форме, состоящей из пуансона 1, матрицы 2 и поддона 3 (рис.14). При этом получаются брикеты 4 прямоугольной формы в виде параллелепипеда.

Рис. 14. Схелга расчетной модели прессования в прямоугольной форме. Здесь: X], Уи 2 х - текущие координаты точек прессовки; 1зхв= 5" / 17 - эквивалентный размер поперечного сечения, Н, Ъ, В — соответственно высота, длина и ширина поперечного сечения матрицы; Р —усилие прессования; Рт1П~

наименьшее давление в материале; р = р0=--. граничное условие, при х -- Ч.

вь

При построении модели брикетирования, приняты следующие допущения:

1. В процессе прессования ¿между уплотняемым материалом и стенками камеры пресса возникают силы трения, которые приводят к перепаду давления по длине изделия. Наибольшая величина давления наблюдается непосредственно вблизи торца пуансона, и ее величина снижается по мере удаления от пуансона

2. В результате прессованные изделия имеют различную плотность по высоте: максимальную у поверхности торца пуансона и минимальную на противоположной стенке камеры. По мере увеличения высоты брикета по сравнению с характерным размером поперечного сечения изменение плотности материала по ее объему изделия увеличивается.

3. При прессовании относительно высоких брикетов необходимо учитывать распределение напряжений и плотности материала ТБО как по высоте, так и в поперечных к оси брикета направлениях.

4. Массовые и инерционные силы малы по сравнению с усилием прессования.

В соответствии с расчетной схемой задачи (рис. 14.) перемещение пуансона в процессе плоского прессования осуществляется вдоль оси г, деформация материала в направлении осей х и у (их„ иу) малы по сравнению с деформацией вдоль оси г (Ш). Условие равенства суммы продольных напряжений под пуансоном по всему поперечному сечению усилию прессования Р представим как:

1.В аЬ

Р = 4Л аг (хиу,, 0)с1х,с1у1 = Ц ^ 0)<Му,

00 00 где а=1+Ь/В; Ь=1+В/Ъ; 0<х<а, 0<у<Ь.

Условие наличия вдоль боковой поверхности матрицы «сухого» внешнего трения скольжения выразим в виде

ххг (г, у, х = а) = /т \<з2 (г, у, х = а) и хуг (г, х,у = а) = /т (г, х, у = Ь). Среднее значение скорости линейного перемещения материала при брикетирования находим по формуле

_ Утах+Утт

Уср~ 2

где У„1ах = V - скорость перемещения пуансона; Угшп = 0 (скорость на поверхности поддона). Наименьшее давление в материале брикета будет на поверхности стенки камеры,

71 Ь + В

когда 2=у=Н тогда

сг=(у,х,у)=РтМ = ^ х^^^-схрС-ку) сНЫсКау), где а=Ь=2; с =0,25; к = ^х^; Ь =3=^(0,5х)х 1/2;

Распределение плотности в объеме брикета можно найти по следующей формуле:

п

Рем = 2 Л = + РгС^М + •■■ + Р„(Р)<Рп

¿=1

где - р, плотность произвольного ¡-го 0 = 1,2,...п) компонента смеси ТБО соответствующего давлению прессования (находятся из соответствующих кривых прессования).

V™

Рис.15. График изменения тотности брикета при прессовании коническим пуансонсси На рис.15, видно, что расхождения расчетных и экспериментальных зависимостей возрастают с увеличением давления прессования. Этот эффект возникает из-за того, что при увеличении давления происходит выделение влаги и исчезают воздушные пустоты , а силы действующие на брикет распределяются от центра к периферии, что совпадает с предложенной моделью прессования.

Пятая глава посвящена разработке технических предложений для модернизации технологического процесса брикетирования ТБО.

Для построения технологического процесса необходимо определить правомерность масштабирования полученных результатов, так как экспериментальные брикеты имели габариты 40x40 мм. Как известно из теории подобия, при масштабировании должно, выполнятся равенство критериев подобия экспериментального и промышленного образца брикета ТБО, такими критериями при исследовании процессов сжатия являются: модуль Юнга, критерий Пуассона, модуль объемного сжатия. Как показали расчеты, проведенные на базе полученных экспериментальных данных, для экспериментальных брикетов и для брикетов реального размера, значения модуля Юнга находятся в пределах 0,1 < Е < 0,2, значения критерия Пуассона в интервале геометрических параметров 1,0 < Ь/В < 2,0 (обозначения рис. 14) находятся в диапазоне 0,06 < V < 0,12, а значения модуля объемного сжатия - в интервале геометрических параметров 1,0 < Ь/В <2,0 (обозначения рис. 14), находятся в пределах 1,5 < < 2,0. На основании первой теоремы подобия (теорема Ньютона-Бертрана), подобные явления характеризуются численно равными критериями подобия. Теорема устанавливает, что единственным количественным условием подобия процессов является равенство критериев подобия натуры и модели. Отсюда следует возможность масштабирования полученных результатов.

Опираясь на полученные экспериментальные и расчетные результаты, можно утверждать, что в результате послойного прессования коническим пуансоном, реальные

брикеты не разрушаются при транспортировке и захоронении на полигоне. Рассмотрим блок-схему брикетирования ТБО с использованием модернизированного пресса (рис. 16).

Технологически предлагаемая схема брикетирования может быть реализована методам порционной подачи ТБО и послойного раструбного прессования. По методу порционно - послойного раструбного прессования процесс брикетирования проводится в пресс - инструменте, имеющем свободный выход. Необходимое противодавление прессования со стороны формующего канала создается за счет сил трения материала брикета о стенки камеры прессования.

Поперечное сечение пуансона формующего узла выполнено значительно меньшим проходного сечения узла противодавления. В результате, распределение усилия прессования на материал будет более сосредоточенным, а кратность увеличения давления прессования окажется равной соотношению площадей проходного сечения узлов противодавления и формования.

Размещение между узлами противодавления и прессования конического раструба и выполнение торца пуансона в виде конуса способствует интенсивному перераспределению слоев уплотняемого материала как в осевом, так и в радиальном направлениях, их взаимовнедрению друг в друга и, как следствие, образованию прочной, структуры брикета.

В результате получаемые на предлагаемом устройстве брикеты обретают повышенную плотность и прочность, что обеспечит им сохранение целостности при транспортировании и захоронении, исключит необходимость их обвязки. Это позволит в перспективе отказаться от используемого сейчас в больших количествах обвязочного материала, повысить экономичность процесса брикетирование ТБО и снизить себестоимость производства брикетов.

Кроме того, повышение давления прессования благодаря предлагаемому устройству, способствует формованию брикетов меньшего удельного объема, что приводит к более эффективной перевозке брикетированых отходов и более рациональному использованию площадей их захоронения. Так, увеличение давления прессования с 40-60 МПа до 80 МПа снижает удельный объем брикетированного ТБО в среднем на 25-30%.

выводы

1. Экспериментально установлено, что процесс прессования ТБО в брикеты происходит в три этапа:

— на первом этапе (в диапазоне нагрузок от 60 до 80 Мпа) происходит объемная, деформация, связанная с ликвидацией пустот и переходом компонентов ТБО в плотную упаковку, сдвиговая деформация сопровождающаяся разрушением составных частей ТБО, и развитие зон предельного напряженного состояния;

— на втором этапе (в диапазоне нагрузок от 80 до 120 Мпа) происходит упругопластическое сжатие ТБО, наблюдается полное развитие зон предельного равновесия;

— на третьем этапе (в диапазоне нагрузок от 120 до 140 МПа), в центральной части брикетов происходит разрушение ТБО на мелкие фракции, но при этом, прочность в периферийной части брикетов возрастает.

2. Экспериментально установлено, что при прессовании брикетов ТБО различного морфологического состава плоским пуансоном плотность брикетов в 3,5 раза ниже плотности брикетов, спрессованных коническим пуансоном, при одинаковых усилиях прессования.

3. В результате вибрационных испытаний, проведенных в соответствии с ГОСТ Р 53417-2009 и имитирующих транспортные нагрузки, зстановлено, что брикеты полученные при объемном прессовании без обвязки и брикеты полученные при прессовании плоским пуансоном с обвязкой имеют одинаковую прочность и не разрушаются в процессе транспортировки в то время как брикеты полученные при прессовании плоским пуансоном без обвязки разрушаются в течении 5-10 минут при тех же частотах и амплитудах колебаний.

4. Разработана математическая модель процесса прессования брикетов ТБО, позволяющая оценить прочностные характеристики (коэффициенты бокового давления, внешнего трения (статического и динамического), внутреннего трения), с точностью не ниже 10%.

5. Разработана инженерная методика расчета и проектирования конического пуансона для объемного прессования ТБО.

6. По результатам экспериментальных и расчетно-теоретических исследований разработана аппаратурно-технологическая схема пресса для брикетирования ТБО и предложения по модернизации действующего оборудования мусоросоропресовочных предприятий ГУП «Экотехпром».

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Ермакова JI.C., Гонопольский A.M. «Безобвязочная технология компактирования твердых бытовых отходов в крупногабаритные блоки». Журнал Химическое и нефтегазовое машиностроение, стр.18. №11. 2010 г.

2. Гонопольский A.M., Ермакова Л.С. «Исследование физико-механических характеристик ТБО при их компактировании безобвязочным методом в крупногабаритные блоки». Журнал Химическое и нефтегазовое машиностроение. стр.34-36. №2. 2012 г.

3. Гонопольский А.М., Ермакова Л.С. «Исследование технологических параметров процесса безобвязочного компактирования блоков ТБО». Журнал Экология и промышленность России, стр.2-3. апрель. 2012 г.

4. Ермакова Л.С. «Безобвязочная технология компактирования твердых бытовых отходов в крупногабаритные блоки». Научная конференция студентов и молодых ученых. МГУИЭ 21-23 апреля, М: МГУИЭ., 2010 г.

5. Ермакова Л.С. «Технология объемного брикетирования ТБО». Научная конференция студентов и молодых ученых. МГУИЭ 24-26 апреля, М: МГУИЭ., 2012 г.

6. Ермакова Л. С., Гонопольский A.M. «Технология объемного брикетирования ТБО». Научная конференция «Экологический интеллект 2012», Украина, Днепропетровск 24-25 апреля 2012 г.

7. Ермакова Л.С., Гонопольский A.M. «Исследование физико-механических характеристик ТБО при их брикетировании безобвязочным методом в крупногабаритные блоки». V международная научная конференция «Теория и практика современной науки», Москва 3-4 апреля 2012 г.

8. Ермакова Л.С., Гонопольский A.M., Мурашов В.Е. «Влияние брикетирования твердых бытовых отходов на выделение биогаза и фильтрата при захоронении на полигонах». V международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития», Москва 18 апреля 2012 г.

9. Гонопольский A.M., Ермакова Л.С. «Анализ явлений при прессовании давлением прямоугольных брикетов ТБО». Журнал Химическое и нефтегазовое машиностроение, стр.29-32. №3. 2012 г.

Подписано в печать 16.04.2012 Формат 60X84 1/16. Бумага офсетная Печать офсетная. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе МГУИЭ 105066 Москва, ул Старая Басманная,21/4

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Ермакова, Лидия Сергеевна, Москва

61 12-5/2512

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЕ НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

На правах рукописи

Ермакова Лидия Сергеевна

ТЕХНОЛОГИЯ ОБЪЕМНОГО БРИКЕТИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ

БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 03.02.08 Экология (в химии и нефтехимии) 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

Научный руководитель: доктор технических наук, Профессор Гонопольский А.М.

МОСКВА 2012

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ БРИКЕТИРОВАНИЯ ТБО......................7

1.1. Сравнительный анализ степени экологической безопасности полигонов при захоранении брикетов ТБО.....................................................7

1.2. Устройства для формирования крупногабаритных брикетов ТБО 12

1.3. Анализ технологий брикетирования крупногабаритных брикетов ТБО 18

1.3.1. Способ проходного прессования...........................................................18

1.3.2. Способ раструбного прессования.........................................................22

1.3.3. Способ скоростного прессования.........................................................25

1.4. Анализ математических моделей процессов брикетирования и их программной реализации применительно к формированию крупногабаритных брикетов ТБО...................................................................26

1.4.1. Теория прессования инструментом с плоским концом в приложении к брикетированию ТБО......................................................................................34

1.4.2. Методика прессования инструментом с коническим концом в приложении к брикетированию ТБО...............................................................41

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА БРИКЕТИРОВАНИЯ ТБО...................49

2.1. Описание лабораторного стенда для определения физико-механических свойств ТБО при брикетировании.......................................49

2.2. Методики экспериментальных исследования физико-механических свойств брикетов ТБО при брикетировании ТБО.......................................49

2.2.1. Методика определения коэффициента бокового давления................49

2.2.2. Методика определения коэффициента внешнего трения...................52

2.2.3. Методика определения коэффициента внешнего трения скольжения 54

2.2.4. Методика определения параметров предельного состояния.............55

2.2.5. Методика определение компрессионной зависимости при брикетировании ТБО..........................................................................................60

2.3. Метод испытаний на вибрацию брикетов ТБО...................................64

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТБО ПРИ ПРЕССОВАНИИ КОНИЧЕСКИМ ПУАНСОНОМ..........................66

3.1. Экспериментальные исследования процесса брикетирования отдельных фракций ТБО...................................................................................66

3.2. Исследование процесса брикетирования ТБО морфологического

состава.....................................................................................................................

3.3. Результаты экспериментальных исследований на виброустойчивость брикетов ТБО................................................................101

ГЛАВА 4.................................................................................................................

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА БРИКЕТИРОВАНИЯ ТБО.....................................................105

4.1. Расчет распределения напряжений по объему брикета ТБО............109

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВ ТБО КОНИЧЕСКИМ ПУАНСОНОМ..................................123

5.1. Технологическая схема безобвязочного брикетировани ТБО в крупногабаритные брикеты...........................................................................124

5.1.1. Технологическая характеристика пресса.............................................127

5.2. Методика инженерного расчета основных параметров процесса.. 128

5.2.1. Определение диаметра цилиндра и толщины стенки.........................128

5.2.2. Определение диаметра цилиндра и толщины стенки.......................131

5.2.3. Расчёт диаметров присоединительных отверстий............................132

5.2.4. Тепловой расчет....................................................................................132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................134

Приложение 1...................................................................................................144

Приложение 2...................................................................................................146

Приложение 3...................................................................................................161

Приложение 4...................................................................................................162

Введение

Механическое прессование и брикетирование твердых бытовых отходов (промышленных и бытовых, органических и неорганических) является одним из основных методов уменьшения их объема с целью более рационального использования автомобильного транспорта, перевозящего отходы к местам их утилизации и складирования. Прессование не только уменьшает объем отходов, но и в ряде случаев повышает рациональность использования полигонов.

Уплотненные отходы дают меньшее количество фильтрата и газовых выбросов, при этом снижается вероятность возникновения пожаров, эффективнее используется земельная площадь полигона. Устраняется разброс ветром летучих отходов, таких как бумага, пластики. Благодаря высокой плотности устраняется возможность возгорания мусора. Предварительные исследования показали, что изменения, которые происходят в ТБО при прессовании, позволяют:

• Стабилизировать микробиологическую жизнь в толще тюка ТБО и свести к минимуму контакты патогенных микроорганизмов с окружающей средой.

• Повысить плотность ТБО с величин, равных 0,2 т/м3, до величин, равных 1,5 т/м , и тем самым рационально использовать емкости как мусоровозов, с помощью которых удаляется ТБО на участке «станция перегрузки ТБО -полигон ТБО», так и емкости самого полигона.

• Превратить полигон ТБО в монтажную площадку плотной укладки тюков ТБО.

• Исключить на площадках полигона такие операции, как разгрузка, послойное разравнивание, увлажнение и уплотнение ТБО.

• Улучшить экологическую обстановку в районе полигона за счет исключения уноса легких фракций ТБО, пыли и ограничения контакта насекомых, птиц, грызунов и бродячих животных с ТБО.

На перерабатывающих предприятиях процесс брикетирования ТБО неразрывно связан с необходимостью в качестве вынужденной меры дополнительных операционных действий по армированию сформованных блоков методом обвязки. Такой технологический прием значительно усложняет процесс переработки ТБО и увеличивает себестоимость брикетированных объектов.

Указанные обстоятельства делают актуальной техническую задачу повышения эффективности процесса брикетирования отходов, при которой обеспечивается получение блоков ТБО требуемой плотности и прочности (исключающих операцию обвязки) с сохранением на прежнем уровне мощностных ресурсов действующих установок.

Целью настоящей диссертационной работы, является разработка научных основ технологии объемного прессования брикетов ТБО, обладающих механической прочностью, необходимой для технологических операций транспортировки и захоронения брикета, исключая стадию его прошивки и обвязки металлической проволокой.

При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:

• Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование влияния формы рабочей поверхности пуансона на прочностные характеристики брикета ТБО и отдельных их компонентов при прессовании.

• Исследование компрессионной зависимости для ТБО различного морфологического состава.

• Определение параметров технологического процесса объемного брикетирования ТБО.

• Создание инженерной методики расчета линии объемного брикетирования ТБО.

• Разработка аппаратурно-технологической схемы линии объемного брикетирования ТБО.

В процессе решения задач диссертационного исследования были получены результаты, обладающие научной новизной:

• Впервые получены экспериментальные данные о распределении физико-механических свойств в объеме брикета ТБО при прессовании коническим пуансоном;

• Разработана математическая модель процесса прессования брикета ТБО;

• Впервые получены экспериментальные результаты по распределению плотности в объеме брикета ТБО коническим пуансоном;

В процессе решения задач диссертационного исследования были получены результаты, обладающие практической значимостью:

• По результатам экспериментальных исследований предложена методика расчета и проектирования конического пуансона для объемного брикетирования ТБО.

• По результатам экспериментальных и расчетно-теоретических исследований разработана схема технологической линии брикетирования ТБО без использования стадии прошивки.

Достоверность полученных результатов: обеспечивается применением апробированных ранее экспериментальных методик и метрологическими характеристиками поверенных измерительных приборов, а также стандартной оценкой погрешности экспериментальных данных и их удовлетворительным совпадением с результатами расчетов.

Личный_вклад: состоит в проведении экспериментальных

исследований, обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также в формулировке выводов.

Аппробапия работы: результаты диссертационной работы докладывались на:

• Научная конференция студентов и молодых ученых. МГУИЭ., 2010 г.

• Научная конференция студентов и молодых ученых. МГУИЭ 24-МГУИЭ., 2012 г.

• Научная конференция «Экологический интеллект 2012», Украина, Днепропетровск 2012 г.

• V международная научная конференция «Теория и практика современной науки», Москва 2012 г.

• V международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития», Москва 2012 г.

Публикации:

1. Химическое и нефтегазовое машиностроение. «Безобвязочная технология компактирования твердых бытовых отходов в крупногабаритные блоки» JI.C. Ермакова, A.M. Гонопольский. 2010. №11. стр.18

2. Журнал Химическое и нефтегазовое машиностроение. «Исследование физико-механических характеристик ТБО при их компактировании безобвязочным методом в крупногабаритные блоки». A.M. Гонопольский, JI.C. Ермакова, стр.34-36. №2. 2012.

3. Журнал Экология и промышленность России. «Исследование технологических параметров процесса безобвязочного компактирования блоков ТБО». Гонопольский A.M., Ермакова JI.C. стр.2-3. апрель. 2012.

4. Журнал Химическое и нефтегазовое машиностроение. «Анализ явлений при прессовании давлением прямоугольных брикетов ТБО». Гонопольский A.M., Ермакова JI.C. стр.29-32. №3. 2012 г. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Техники и технологии

переработки отходов» Московского государственного университета инженерной экологии.

Глава 1. Анализ методов брикетирования ТБО

Задача обзора заключается в оценке существующих технологий по компактированию и брикетированию ТБО в крупногабаритные блоки. Обоснование способов компактирования ТБО в крупногабаритные блоки. Анализ математических моделей компактирования ТБО и их программ. 1.1. Сравнительный анализ степени экологической безопасности полигонов при захоранении брикетов ТБО

Парниковый к)|фек1

'' Рассеивание примесей в атмосфц

Ныи-мния фч .ырды

Распространение /г"? ^Ш1 паразитов А -I пс^агыик мгяриич* ф\(Ы[\-га.

Распространение паразитов_|

'Гамра И.НЯЙ чщршшхбтч!)' I

4

ирИ,Л1|«> № 1лЩ,Ш\ ¡1(1 I .. ? .

Рис. 1.1. Выбросы в атмосферу поступающие с полигонов насыпного типа захоронения, воздействие на окружающую среду

и их

Ниже приводится физико-химический состав ТБО насыпным способом захоронения на полигоне :[3]

• Органическое вещество на сухую массу 70-80%;

• Влажность 60%;

• Плотность 190 кг/м3;

Фильтрат содержит загрязнения, характеризуемые следующими показаниями, мг/л:

• Химическая потребность в кислороде (ХПК) - 1500-51 тыс.,

• Биохимическое потребление кислорода (БПК) - 1500-4800,

• сульфаты - 650-2900,

• хлориды -650-2900,

• железо-200-1700.

В толще тела полигона, под воздействием микрофлоры происходит биотермический анаэробный процесс распада органической составляющей ТБО. Конечным продуктом этого процесса является биогаз, основную объемную массу которого составляют метан и диоксид углерода. Биохимическое разложение и химическое окисление материала насыпного полигона может сопровождаться образованием очагов выделения тепла с повышением температур до 75°С, т.е. возможно самовозгорание отходов. Гниение материала ТБО сопровождается распространением запаха на расстояние более 1 км.

Брикеты с прошивкой обладают, гарантированной плотностью свыше

•э

1.000 кг/м сокращают объём ТБО в четыре раза больше, чем при захоронении непрессованных ТБО и как минимум в два раза по сравнению с захоронением ТБО, уплотняемых уже на полигоне по стандартной системе с применением тяжёлых бульдозеров или катков. Это даёт дополнительные преимущества: [2]

• Продление полезной жизни санитарного полигона;

• Эффективность транспортировки;

• Экономия земли;

• Низкое выделение биогаза и неприятных запахов;

• Отсутствие разноса ветром лёгких отходов.

Брикеты с повышенной прочностью, которым не нужна дополнительная стадия прошивки, обладают насыпной плотность более 1,5

о

т/м , влажность не достигает 35%, так как происходит большое влагоудаление при брикетировании коническим пуансоном. Пористость

таких брикетов очень низкая, поглощение атмосферных осадков минимально.

Основные результаты водного баланса и выхода фильтрата по вариантам с насыпной плотностью и плотностью брикетов ТБО 1500, 1000 и 190 кг/м3 представлены в виде графиков на рис. 1.2.-1.4. Отрицательные значения внутреннего водного баланса (дефицит влажности) означают, что насыщение влагой порового пространства за счет уплотнения и биохимической деструкции отходов не достигает значений предельной полевой влагоемкости отходов, поэтому при отсутствии дополнительного поступления влаги с инфильтратом атмосферных осадков выделение фильтрата отсутствует на протяжении практически всего периода размещения отходов на данном участке полигона.

Максимальное суточное количество фильтрата с полигона предлагается определять по формуле: [1]

Яср.сут=К(С>а.г. + Оп.г.)/365

где К - коэффициент, учитывающий влагопоглощаюшую и испарительную способность бытовых отходов (для полигонов по высотной схеме К=0,1, по наклонной К=0,15);

С>аг - суммарное годовое количество атмосферных осадков, выпадающих на поверхность отходов, м3/год;

С>п.г. - суммарное годовое количество прочих вод, распределяемых по поверхности отходов (стоки от мойки мусоровозов и контейнеров, собственно фильтрат из складируемых ТБО), м /год.

Объем фильтрата составит: [1]

\\^тах+\¥ср, м3,

где \¥тах - максимальный объем суточного стока от дождей расчетной

интенсивности;

\Уср - усредненный за год суточный объем стока;

Wmax = Hmax(l-V)F1,м3,

где Нтах - суточный максимум осадка с вероятностью однократного превышения расчетной интенсивности дождя Р=1год

V - коэффициент суточной неравномерности, равный 0,3-0,4 - площадь участков захоронения отходов

Нтах = Н(1+СУФ),

где Н - среднее значение годовых максимумов суточных осадков, мм/сут;

Су - коэффициент вариации;

Ф - нормированное отклонение от среднего значения.

х

(О с; га ю

£ 2

20 15 10 5 0

ш .5 У

| ¡2 -5

X

(и а.

£

5 -15

-10

-20

7 Ж х

/

—

оЧ 10 20 3 0 4 0 5 0 6

WT..................

Время от начала эксплуатации полигона, лет

Рис. 1.2. Годовой внутренний водный баланс отходов ■— 1500 кг/м^*:' 1000 кг/м3, 190кг/м3;

40

2 35 л

I =1

& 2 30 ■©■ >

8 5 25 г и я 2 20

га го

5 § 15

с 11 5 3 10

•е- о

I 5

" г

Чг ■ „._........74.

/ / \/

..... — -----------

/ /

а

// ...............

10 20 30 40 50

Время от начала эксплуатации полигона, лет

60

Рис. 1.3. Годовые объемы инфильтрата атмосферных осадков

1500 кг/м

1000 кг/м3;—190 кг/м3;

Рис. 1.4. Годовые объемы фильтрата — 1500 кг/м3*—— 1 ООО кг/м3 190 кг/м3;

Общий водный баланс полигона (см. рис. 1.4.) представляет собой объем избыточной влаги, который может выделиться из тела полигона в виде фильтрата, и определяется как сумма внутреннего водного баланса (см. рис. 1.2.) и объемов инфильтрации атмосферных осадков в тело полигона (см. рис. 1.З.).

Производство биогаза в результате биоразложения будет происходить в течение 50 лет. На рис. 1.5. изображен процесс производства биогаза (кг/год на 1 т ТБО).

Годовое количество биогаза С)в, выделившегося с полигона заданной вместимости определяется по следующей зависимости:[4]

дв=1000ОудАНотх

где С2уд — удельный выход биогаза, 1/год;

А 2

А - площадь полигона, м ;

Н0тх - глубина складирования отходов, м.

Максимальная концентрация метана в атмосфере над поверхностью полигона определяется по формуле:

См=СсОсП4

Время от начала эксплуатации полигона, лет

Рис. 1.5. Годовые объемы биогаза —1500 кг/м3;— 1000 кг/м3;—190 кг/м3; Для повышения экологической безопасности полигонов ТБО необходимо захоронение плотных брикетов ТБО с повышенной прочностью без обвязки.

1.2. Устройства для формирования крупногабаритных брикетов ТБО На рынке в данный момент, можно наблюдать огромное количество промышленных прессов для компактирования ТБО, как отечественного, так и з