Файл: Учебное пособие Процессы и аппараты защиты окружающей среды.pdf

162
Основным показателем грохочения является его эффек- тивность Е, определяемая отношением количества подрешет- ного продукта к его общему количеству в исходном материале
(в %):
Е = 104(α – υ)/α(100 - υ), (7.39)
(3.1) где α и υ – содержание нижнего класса в исходном материале и надрешетном продукте, %.
Для разделения твердых материалов в виде пульп исполь- зуются классификаторы грубой (чашевые, реечные, спираль- ные) и тонкой (гидроциклоны, отстойные центрифуги, конусы и т.д.) классификации.
При гравитационном и центробежном способах разделе- ние измельченных продуктов на классы или выделение целе- вого продукта осуществляется методом раздельного высажи- вания частиц из несущей среды под действием гравитационно- инерционных или гравитационно-центробежных сил.
Разделение сыпучих материалов под действием гравита- ционно-инерционных сил производится в газовых осадителях и гидравлических классификаторах, а под действием гравита- ционно-центробежных сил – в сепараторах циклонного типа, с вращающимися лопастями и т.п.
В том случае, если отходы могут содержать металличе- ские включения, их обычно пропускают через магнитный се- паратор (например, с движущейся лентой). В магнитном поле, создаваемом с помощью электромагнитов, происходит отде- ление магнитных металлов от органической части отходов.
Окускование отходов. Наряду с методами уменьшения размеров кусковых материалов и их разделения на классы крупности в рекуперационной технологии твердых отходов распространены методы, связанные с укрупнением мелкодис- персных частиц, использующие приемы гранулирования, таб- летирования, брикетирования и высокотемпературной агломе- рации. Их используют при переработке в строительные мате- риалы ряда компонентов отвальных пород, хвостов обогаще-

163 ния углей, в процессах утилизации пластмасс, древесной ме- лочи и т.д.
Гранулирование – процесс формирования агрегатов ша- рообразной или цилиндрической формы из порошков, паст, расплавов или растворов перерабатываемых материалов. Эти процессы основаны на различных приемах обработки мате- риалов: окатывание, прессование порошков в дисперсных по- токах, гранулирование расплавов. Гранулирование порошко- образных материалов окатыванием наиболее часто проводят в ротационных и вибрационных грануляторах различных конст- рукций.
Гранулирование порошков прессованием характеризуется промежуточной стадией упругопластичного сжатия их частиц, проходящего под действием давления и нагрева с образовани- ем коагуляционной структуры, способной к быстрому перехо- ду в кристаллическую.
Брикетирование – подготовительные (с целью придания отходам компактности, обеспечивающей лучшие условия транспортировки, хранения, а часто и саму возможность пере- работки) и самостоятельные операции в практике утилизации твердых отходов. Брикетирование дисперсных материалов проводят без связующего при давлениях прессования Р
пл
>
80 МПа и с добавками связующих при давлении Р
пл
≤ 15-
25 МПа. На процесс брикетирования дисперсных материалов существенное влияние оказывают состав, влажность и круп- ность материала, температура, удельное давление и продолжи- тельность прессования. Необходимое удельное давление прес- сования обычно находится в обратной зависимости от влажно- сти материала.
Прессование при высоких давлениях – один из способов улучшения условий эксплуатации полигонов (свалок). Уплот- ненные отходы дают меньшее количество фильтрата и газовых выбросов, при этом снижается вероятность возникновения пожаров, эффективнее используется земельная площадь поли- гона.

164
Высокотемпературная агломерация используется при пе- реработке пылей, окалины, шламов и мелочи рудного сырья в металлургических производствах, пиритных огарков и других дисперсных железосодержащих отходов. Для проведения аг- ломерации на основе таких вторичных минеральных ресурсов
(BMP) приготовляют шихту, включающую твердое топливо
(коксовая мелочь 6-7% по массе), и другие компоненты (кон- центрат, руда, флюсы). Усредненную и увлажненную до 5-8% шихту размещают в виде слоя определенной высоты, обеспе- чивающей оптимальную газопроницаемость шихты, на распо- ложенные на решетках движущихся обжиговых тележек (па- лет) агломерационной машины слои возвратного агломерата крупностью 12-18 мм, предотвращающие спекание шихты с материалом тележек и прогар решеток. Воспламенение и на- грев шихты обеспечивают просасыванием через ее слой про- дуктов сжигания газообразного или жидкого топлива и возду- ха. 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 валковых зубчатых дробилках, продукт дробления подвергают грохочению и последующему охлаждению. Просев грохоче- ния – фракцию – 8 мм, выход которой составляет 30-35%, воз- вращают на агломерацию.
При утилизации и переработке твердых отходов исполь- зуют различные методы термической обработки как исходных твердых материалов, так и получаемых на их основе продук- тов. Эти методы включают различные приемы пиролиза (на- пример, отходов пластмасс, древесины, резиновых техниче- ских изделий, шламов нефтепереработки), переплава (напри- мер, отвальных металлургических шлаков, отходов термопла- стов, металлолома), обжига (например, некоторых шлаков цветной металлургии, пиритных огарков, ряда железо- содержащих шламов и пылей) и огневого обезвреживания
(сжигания) многих видов твердых отходов на органической основе.

165
Пиролиз представляет собой процесс разложения органи- ческих соединений под действием высоких температур при отсутствии или недостатке кислорода. Характеризуется проте- канием реакций взаимодействия и уплотнения остаточных фрагментов исходных молекул, в результате чего происходит расщепление органической массы, рекомбинация продуктов расщепления с получением термодинамически стабильных веществ: твердого остатка, смолы, газа. Применяя термин
«пиролиз» к термическому преобразованию органического материала, подразумевают не только его распад, но и синтез новых продуктов. Эти стадии процесса взаимно связаны и протекают одновременно с тем лишь различием, что каждая из них преобладает в определенном интервале температуры или времени.
Общую схему пиролиза можно представить следующим образом: твердые отходы + Q→твердый остаток + жидкие продукты + газы ± Qi, где Q – дополнительное тепло, Qi – вто- ричное тепло.
Следует отличать пиролиз от близкого к нему процесса газификации. Газификация является термохимическим высо- котемпературным процессом взаимодействия органической массы или продуктов ее термической переработки с газифици- рующими агентами, в результате чего органическая часть или продукты ее термической переработки обращаются в горючие газы. В качестве газифицирующих агентов применяют воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода, а также их смеси.
Процессы пиролиза отходов получили большее распро- странение, чем газификация. Пиролизу подвергаются твердые бытовые и близкие к ним по составу промышленные отходы, отходы пластмасс, резины (в том числе, автомобильные по- крышки), другие органические отходы.
С санитарной точки зрения процесс пиролиза обладает лучшими показателями по сравнению со сжиганием. Количе- ство отходящих газов, подвергаемых очистке, намного мень- ше, чем при сжигании отходов. Объем твердого остатка, полу- чаемого по схеме высокотемпературного пиролиза, может

166 быть значительно уменьшен. Твердый остаток можно исполь- зовать в промышленности (сажа, активированный уголь и др.).
Таким образом, некоторые схемы пиролиза отходов могут быть безотходными.
Смешение порошкообразных и пастообразных материалов широко используют в практике переработки твердых отходов для усреднения состава дисперсных отходов, приготовления на их основе многокомпонентных смесей шихтовых мате- риалов и получения различных масс, обеспечивающих воз- можность переработки BMP в товарные продукты.
Существующие смесительные механизмы периодическо- го и непрерывного действия основаны на использовании ме- ханических, гравитационных и пневматических способов вза- имного перемещения частиц обрабатываемых материалов и характеризуются большим разнообразием конструкций.
Среди смесителей периодического действия наиболее распространенными являются барабанные, бегунковые, пнев- матические, циркуляционные и червячно-лопастные. К кругу аппаратов непрерывного действия принадлежат барабанные, вибрационные, гравитационные, лопастные, центробежные и червячно-лопастные смесители.
Процессы смешения могут быть охарактеризованы степе- нью однородности (коэффициентом неоднородности), интен- сивностью и эффективностью.
3.2. ОБОГАЩЕНИЕ
В практике рекуперации твердых отходов промышленно- сти (особенно минеральных, содержащих черные и цветные металлы, фрагментов деталей вышедшей из строя радиоэлек- тронной аппаратуры и других изделии на основе металлов и сплавов, некоторых топливных зол, смесей пластмасс, шлаков цветной металлургии и ряда других BMP) используют различ- ные методы обогащения перерабатываемых материалов, под- разделяемые на гравитационные, магнитные, электрические, флотационные и специальные.

167
Гравитационные методы обогащения основаны да разли- чии в скорости падения в жидкой (воздушной) среде частиц различного размера и плотности. Они объединяют обогащение отсадкой, в тяжелых суспензиях, в перемещающихся по на- клонным поверхностям потоках, а также промывку.
Отсадка представляет собой процесс разделения мине- ральных зерен по плотности под действием переменных по направлению вертикальных струй воды (воздуха), проходящих через решето отсадочной машины.
Отсадке обычно подвергают предварительно обесшлам- ленные широко- или узкоклассифицированные материалы оп- тимальной крупности 0,5-100 мм для нерудных и 0,2-40 мм для рудных материалов. При отсадке крупного материала находя- щийся на решете его слой толщиной в 5-10 диаметров наи- больших частиц в подаваемом на переработку материале (пи- тании) называют постелью. При отсадке мелкого материала
(до 3-5 мм) на решете укладывают искусственную постель из крупных тяжелых частиц материала, размер которых в 3-4 раза превышает размер наиболее крупных частиц питания. В про- цессе отсадки материал расслаивается: в нижнем слое концен- трируются тяжелые частицы, в самом верхнем – легкие мел- кие. Получаемые слои разгружают раздельно.
Обогащение в тяжелых суспензиях и жидкостях заключает- ся в разделении материалов по плотности в гравитационном или центробежном поле в суспензии или жидкости, плотность которой является промежуточной между плотностями разде- ляемых частиц.
Тяжелые суспензии представляют собой взвешенные в воде тонкодисперсные частицы тяжелых минералов или маг- нитных сплавов-утяжелителей, в качестве которых использу- ют ферросилиций, пирит, пирротин, магнетитовый и гематито- вый концентраты и другие материалы крупностью до 0,16 мм.
В качестве тяжелых жидкостей используют растворы хлори- дов кальция и цинка, тетрахлорида углерода, тетрабромэтана, хлорного олова и других соединений.

168
Наиболее распространенными аппаратами обогащения в тяжелых средах являются барабанные, конусные, колесные и гидроциклонные сепараторы.
Обогащение в потоках на наклонных поверхностях вклю- чают обогащение на концентрационных столах, а также в струйных сепараторах, шлюзах и подшлюзках, в винтовых се- параторах и шлюзах.
Обогащение на концентрационных столах характеризует- ся разделением минеральных частиц по плотности в тонком слое воды, текущей по наклонной плоской деке стола, совер- шающей возвратно-поступательные горизонтальные движения перпендикулярно направлению движения воды.
Питание смывной водой ведут с верхнего края, ниже мес- та ввода пульпы. Частицы разделяемого материала большей плотности оседают в межрифленных пространствах и под дей- ствием колебаний наклонной деки продвигаются вдоль риф- лей, достигая нерифленой части деки, где образуют веер час- тиц различной плотности, удаляемых раздельно. Неоседающие частицы меньшей плотности переносятся смывным потоком через рифли; их в виде раздельных продуктов отводят с по- верхности концентрационного стола.
Обогащение на винтовых сепараторах и шлюзах происхо- дит, как и на столах, в небольшой толщины (6-15 мм) потоке пульпы разделяемых материалов, подаваемой в верхнюю часть наклонного желоба (содержание твердого в пульпе 6-40%).
Флотация. В практике переработки отдельных видов твердых отходов (некоторых шламов, металлургических шла- ков, рудных и нерудных компонентов отвалов и т. п.) находит применение метод их обогащения флотацией. Крупность фло- тируемых материалов обычно не превышает 0,5 мм.
Магнитное обогащение используют для отделения пара- магнитных (слабомагнитных) и ферромагнитных (сильномаг- нитных) компонентов (веществ с удельной магнитной воспри- имчивостью выше 10
-7
м
3
/кг) смесей твердых материалов от их диамагнитных (немагнитных) составляющих.

169
Подлежащие магнитной сепарации материалы как прави- ло подвергают предварительной обработке (дробление, из- мельчение, грохочение, обесшламливание, магнетизирующий обжиг и др.). Обычно магнитное обогащение материалов крупностью 3-50 мм проводят сухим способом, материалов мельче 3 мм – мокрым.
3.3. ФИЗИК О-ХИМ ИЧЕСК ОЕ ВЫДЕЛЕНИЕ К ОМ ПОНЕНТОВ
ПРИ У ЧАСТИИ ЖИДК ОЙ ФАЗЫ
Многие процессы утилизации твердых отходов в про- мышленности основаны на использовании методов выщелачи- вания (экстрагирований), растворения и кристаллизации пере- рабатываемых материалов.
Выщелачивание (экстрагирование) широко используется в практике переработки отвалов горнодобывающей промыш- ленности, некоторых металлургических и топливных шлаков, ипритных огарков, древесных и многих других BMP. Метод основан на извлечении одного или нескольких компонентов из комплексного твердого материала путем его (их) изби- рательного растворения в жидкости-экстрагенте.
В зависимости от характера физико-химических процес- сов, протекающих при выщелачивании, различают простое растворение (целевой компонент извлекается в раствор в со- ставе присутствующего в исходном материале соединения) и выщелачивание с химической реакцией (целевой компонент, находящийся в исходном материале в составе малораствори- мого соединения, переходит в хорошо растворимую форму).
При выборе экстрагента (растворителя) к нему предъявля- ют ряд требований в отношении селективности, величины ко- эффициентов распределения и диффузии, плотности, горюче- сти, коррозионной активности, токсичности и ряда других по- казателей. На процесс выщелачивания обычно существенное влияние оказывают такие параметры как концентрация экстра- гента, размер и пористость зерен обрабатываемого материала,

170 интенсивность гидродинамики, температура, наложение раз- личных силовых полей (ультразвуковых, постоянных электри- ческих, электромагнитных, высокочастотных, центробежных и других) и в некоторых случаях присутствие различных микро- организмов (бактериальное выщелачивание).
Процессы экстракции могут быть периодическими и не- прерывными. Периодические процессы проводят настаива- нием (обработкой залитого экстрагентом материала в течение определенного времени с последующим сливом экстрагента и заменой его свежим) или вытеснением – перколяцией (об- разующийся экстракт непрерывно вытесняется из слоя мате- риала чистым растворителем). Более прогрессивное непре- рывное экстрагирование проводят путем многоступенчатого контакта прямоточным, противоточным и комбинированным способами.
Используемые для реализации процессов экстракции ап- параты характеризуются весьма большим разнообразием кон- струкций. Экстракторы классифицируют по способу действия
(периодические и непрерывнодействующие), по направлению движения растворителя и твердой фазы (противо- и прямоточ- ные, с процессом полного смешения, с процессом в слое и комбинированные), по характеру циркуляции растворителя (с однократным прохождением, с рециркуляцией и ороситель- ные) и по ряду других принципов.
При расчете производительности реактора выщелачива- ния любого типа основываются на заданной степени извлече- ния или остаточном содержании целевого компонента в обра- батываемом твердом материале С
ост
, определяя необходимое время выщелачивания то по кинетической кривой C
ост
= f (t).
Увеличения производительности единичных непрерыв- нодействующих реакторов достигают, объединяя их в прямо- точный каскад, что обеспечивает снижение выхода твердых частиц с малым временем пребывания. Более рациональная с позиций кинетики организация противоточного каскада требу- ет разделения твердой и жидкой фаз после каждого аппарата выщелачивания.

171
Кристаллизация. Выделение твердой фазы в виде кри- сталлов из насыщенных растворов, расплавов или паров имеет большое распространение при переработке различных твердых отходов.
Для оценки поведения растворов при их кристаллизации и рационального выбора способа проведения этого процесса используют диаграммы состояния растворов, выражающие зависимость растворимости соответствующих солей от темпе- ратуры. Скорость процесса кристаллизации зависит от многих факторов (степени пересыщения раствора, температуры, ин- тенсивности перемешивания, содержания примесей и др.) и изменяется во времени, проходя через максимум. Соотноше- ние скоростей основных параллельных процессов возникнове- ния зародышей кристаллов и их роста определяет величину суммарной поверхности зерен образующейся твердой фазы.
Создание необходимого для кристаллизации пересыще- ния раствора обеспечивают двумя основными приемами – ох- лаждением горячих насыщенных растворов (изогидрическая кристаллизация) и удалением части растворителя путем выпа- ривания (изотермическая кристаллизация) или их комбинаци- ей (вакуум-кристаллизация, фракционированная кристаллиза- ция, кристаллизация с испарением растворителя в токе возду- ха или другого газа-носителя). Наряду с ними в практике кри- сталлизации из растворов иногда используют кристаллизацию высаливанием (введение в раствор веществ, понижающих рас- творимость соли), вымораживанием (охлаждением растворов до отрицательных температур с выделением кристаллов соли или их концентрирование удалением части растворителя в ви- де льда) или за счет химической реакции, обеспечивающей пересыщение раствора, а также высокотемпературную (авто- клавную) кристаллизацию, обеспечивающую возможность по- лучения кристаллогидратов с минимальным содержанием кри- сталлизационной влаги.