ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

Физические методы сепарации отходов

При переработке твердых промышленных отходов (особенно минеральных, содержащих черные и цветные металлы; вышедшей из строя радиоэлектронной аппаратуры и других изделий на основе металлов и сплавов; некоторых топливных зол; смесей пластмасс; шлаков цветной и черной металлургии и ряда других BMP) ис­пользуют различные физические методы сепарации, в основе кото­рых лежат различия в магнитных, электрических и других физи­ческих свойствах отходов.

Магнитные методы тесно переплетаются с гравитационными, а также используются в некоторых видах флотации и тяжелосредной сепарации. Они позволяют создать мощные силы воздействия на материалы, которые превышают силу гравитации в 100 и более раз, что облегчает процессы разделения. Эти методы обладают вы­сокой избирательной способностью, экологической чистотой, про­стотой обслуживания и низкой себестоимостью.

Магнитные методы используют для отделения парамагнитных (слабомагнитных) и ферромагнитных (сильномагнитных) компо­нентов смесей твердых материалов от их диамагнитных (немагнит­ных) составляющих. Магнитной сепарацией можно выделить веще­ства с удельной магнитной восприимчивостью выше 10 м /кг. Сильномагнитными свойствами обладают железо и его сплавы, а также магнетит (FeO • РегОз), маггелит (РегОз), пирротин, тита­номагнетит, ферросилиций, франклинит, сидерит, слабомагнитные оксиды железа после их обжига и некоторые другие вещества. Ряд оксидов, гидроксидов и карбонатов железа, марганца, хрома и ре­дких металлов относится к материалам со слабомагнитными свой­ствами. Различные породообразующие минералы (кварц, полевые шпаты, кальцит и т. п.) относятся к немагнитным материалам.

Удельной магнитной восприимчивостью /уд (м /кг) называют объемную магнитную восприимчивость вещества Хоб^ отнесенную к его плотности <3:

Худ = Хоб/<5. (6.16)

Удельную магнитную восприимчивость определяют из уравнения

ХУд =//(«о Я), (6.17)

Где / - намагниченность (магнитный момент) вещества; цо ~ маг­нитная постоянная; Я - напряженность магнитного поля в этом веществе.

Слабомагнитные материалы обогащают в сильных магнитных полях (напряженностью Я = 800 - 1600 кА/м), сильномагнит­ные - в слабых полях (Я = 70 - 160 кА/м). Магнитные поля про­мышленных сепараторов бывают в основном постоянными или пе­ременными; комбинированные магнитные поля применяют реже.

Магнитная сепарация. В магнитных сепараторах неоднород­ность магнитного поля создается полюсными наконечниками раз­личной формы.

Для получения магнитных полей с малой величиной grad Я применяют естественные или искусственные магниты из специаль­ных сплавов с постоянным магнитным полем. Сильные магнитные поля с высоким градиентом напряженности создаются катушками, питаемыми постоянным током и снабженными стальными сердеч­
никами. При этом чем больше величина намагничивающего тока и количество витков в катушке, тем выше напряженность магнитно­го поля в рабочем зазоре сепаратора.

Магнитная сила /"мага, действующая на частицу материала, оп­ределяется по формуле:

= УЦ> Н grad Я,

Где V — объем частицы; ц> - объемная магнитная восприимчивость; Н - напряженность магнитного поля.

Удельное значение магнитной силы равно: ^магн VipH GradН Q ~ V6

^ *yfl#gradtf,

Где Q - масса частицы.

Принцип работы магнитного сепаратора схематически показан на рис. 6.17.

FL

--1Г

Рис. 6.17. Принцип работы магнитного сепаратора:

А - верхняя зона; б - нижняя зона; в - вертикальная зона; I - исходное сырье; II - Магнитный продукт; III - немагнитный продукт

Кроме магнитной силы, на частицу, находящуюся в рабочей зоне сепаратора, действуют силы тяжести Р, трения FT, центро­бежная Fn и сопротивления среды Fc.

Для успешного разделения магнитных и немагнитных частиц в магнитном поле сепаратора магнитная сила, действующая на маг­нитные частицы, должна превышать равнодействующую всех ме­ханических сил. Взаимодействие между всеми силами зависит от способа подачи сырья в рабочую зону сепаратора, конструктивных особенностей аппарата, режима его работы.

Подлежащие магнитной сепарации материалы, как правило, подвергают предварительной обработке (дроблению, измельчению, грохочению, обесшламливанию, магнетизирующему обжигу и др.). Магнитное обогащение материалов крупностью 3-50 мм проводят сухим способом, материалов мельче 3 мм - мокрым. Технология магнитной сепарации зависит прежде всего от состава подлежаще­го переработке материала и определяется типом используемых се­параторов. Последние обычно снабжены многополюсными откры­тыми или закрытыми магнитными системами, создающими различ­ные типы магнитных полей. Они отличаются способами питания (верхняя или нижняя подача материала), перемещения продуктов обогащения (барабанные, валковые, дисковые, ленточные, ролико­вые, шкивные сепараторы), характером движения обрабатываемого потока и эвакуации магнитных компонентов (прямоточные, проти - воточные, полупротивоточные) и другими особенностями.

Оценить производительность магнитных сепараторов весьма сложно вследствие влияния на нее многих факторов. Опыт эксплу­атации этих аппаратов позволяет в ряде случаев рассчитывать их производительность с использованием выражения:

Q = QnLp, (6.20)

Где Q - производительность сепаратора по сухому исходному пита­нию, т/ч; Q - удельная производительность, т/(м-ч); п — число го­ловных барабанов, валков или роликов в сепараторе; Lp - рабочая длина барабана, валка или ролика, м.

Эвакуируемые из магнитного поля зерна сильномагнитных ма­териалов вследствие остаточной намагниченности могут агломери­роваться в агрегаты разного вида. С целью устранения последствий этого явления, называемого магнитной флокуляцией, используют многократное перемагничивание таких материалов в переменном магнитном поле размагничивающих аппаратов.

Электромагнитные сепараторы, предназначенные для извлече­ния железных и других ферромагнитных предметов из разрыхлен­ных немагнитных материалов, нашли широкое применение при пе­реработке твердых отходов.

Номенклатура электромагнитных сепараторов, используемых для разделения отходов, достаточно велика, и они могут быть классифицированы следующим образом: подвесные железоотдели - тели, электромагнитные шайбы, электромагнитные шкивы, элект­ромагнитные барабаны, электромагнитные сепараторы. Кроме того, выпускаются мобильные электромагнитные установки для отделе­ния магнитных материалов в полевых условиях или в условиях, где нецелесообразно использование стационарной установки.

Промышленность выпускает магнитные сепараторы типов Э (электромагнитные) и П (с постоянным магнитом). Классифика­ция магнитных сепараторов производится по напряженности маг­нитного поля. Существуют сепараторы для разделения сухих зер­нистых или кусковых материалов и сепараторы для разделения ма­териалов в водной среде.

Для удаления магнитных материалов из продуктов дробления применяют шкивные электромагнитные сепараторы (железоотде - лители) типа ШЭ (рис. 6.18), которые устанавливаются вместо приводного барабана ленточного конвейера.

Электромагнитный сепаратор состоит из электромагнитной сис­темы, укрепленной на валу, подшипников и токосъемной коробки. Секции электромагнитной системы неподвижно закреплены на ва­лу, который через редуктор вращается мотором. Эффективность работы электромагнитного шкива зависит от массы, геометрии и магнитной восприимчивости извлекаемых магнитных материалов, а также плотности транспортируемого материала и скорости дви­жения ленты конвейера.

Принцип работы электромагнитных шкивов состоит в том, что ферромагнитные материалы, транспортируемые лентой конвейера, притягиваются к ней в зоне установки шкива, а немагнитные сбра­сываются с ленты по ходу ее движения. Освобождение ленты от ферромагнитных материалов происходит в том месте конвейера, где отсутствует магнитное поле, т. е. там, где прекращается ее кон­такт со шкивом. Скорость движения ленты должна составлять 1,25 - 2,0 м/с. При более высокой скорости движения ленты сни­жается полнота разделения магнитной и немагнитной фракций.

Другой разновидностью сепараторов являются железоотделите - ли подвесные саморазгружающиеся типа ПС, предназначенные для извлечения и удаления ферромагнитных предметов из сыпучих не­магнитных материалов, в том числе из лома и отходов цветных металлов.

Сепараторы типа ПС работают в непрерывном режиме и осу­ществляют механическую разгрузку конвейера от магнитных мате­риалов. В конструкцию сепаратора (рис. 6.19) входят опорный 1, ведущий 4 и натяжной 6 барабаны, электромагнит 3, разгрузочная лента 2 и привод 7. Все элементы подвесного сепаратора смонтиро­ваны на раме 5.

Принцип работы сепараторов типа ПС заключается в притяги­вании магнитных частиц к разгрузочной ленте, которая выносит их в сторону для разгрузки.

Подвесные железоотделители устанавливаются над ленточными конвейерами, которыми транспортируются смеси магнитных и не­магнитных дробленых отходов.

Сепараторы типа ПС можно устанавливать в двух вариантах: над лентой транспортирующего конвейера поперек его продольной оси и под углом над барабаном транспортирующего конвейера (рис. 6.20).

Предпочтительна установка сепаратора над барабаном в зоне разгрузки, так как материал там находится в разрыхленном состо­янии.

Для подъема крупных кусков магнитных материалов и транс­портировки их для дальнейшего использования применяют грузо­подъемные электромагнитные шайбы (рис. 6.21), которые работа­ют, как правило, в периодическом режиме.

Для разделения на фракции потока сыпучих материалов удоб­ны электромагнитные барабаны (рис. 6.22).

Сыпучий продукт, поступаю­щий на барабан, разделяется на два потока: магнитная фракция, притянутая к его поверхности, раз­гружается в дальнее по ходу вра­щения барабана приемное устрой­ство, а немагнитная фракция схо­дит с барабана под действием силы тяжести в ближнюю приемную во­ронку. Распределитель потока 8 Предназначен для регулирования степени разделения дробленого ма­териала на фракции.

Для обезжелезивания сыпучих материалов разработаны бара­банные сепараторы (рис. 6.23).

Сепараторы этого типа установлены в герметичном корпусе, имеющем штуцер для отсоса пыли. Разделяемая смесь сыпучих материалов поступает в бункер і и с помощью лоткового питателя 2, снабженного вибратором 3, равномерным потоком подается на барабан 4, внутри которого расположена магнитная система 5. Не-

А - барабан; б - установка барабана в приемном бункере; I - немагнитная фрак­ция; II - магнитная фракция; I - корпус барабана; 2 - полюсная скоба; 3 - полюс­ные наконечники; 4 - катушки; 5 - крышка; 6 - отбойная плита; 7 - лоток; 8 - Распределитель потока; 9 - регулировочный винт; 10 - приемный бункер

Магнитная фракция ссыпается с барабана в первую по ходу вра­щения течку, а магнитная про­должает движение на поверхно­сти барабана и ссыпается в сле­дующую по ходу вращения течку. Установка смонтирована на раме 6.

В табл. 6.16 приведены ха­рактеристики некоторых маг­нитных сепараторов.

Существуют и другие отечественные и импортные магнитные сепараторы. Так, для разделения слабомагнитных и немагнитных отходов цветных металлов размером частиц < 20 мм (например, смешанной стружки сплавов на медной основе) используют сепара­торы электромагнитные типа СЭ-3 и СЭ-4.

Электродинамическая сепарация. Метод электродинамической (ЭД) сепарации основывается на силовом взаимодействии перемен­ного электромагнитного поля с твердыми электропроводными тела­ми, имеющими различную электропроводность.

В зависимости от условий взаимодействия и характера электро­магнитного поля выделяют четыре класса ЭД сепараторов: с вра­щающимся магнитным полем, с бегущим магнитным полем линей­ного асинхронного двигателя, с неоднородным переменным магнит­ным полем, а также устройства, в которых сила взаимодействия возникает при перемещении электропроводных частиц относитель­но неоднородного магнитного поля постоянных магнитов.

Одним из видов ЭД сепарато­ров с вращающимся магнитным по­лем являются однороторные сепа­раторы (рис. 6.24). Вращающееся магнитное поле сепаратора созда­ется многополюсным ротором с не­зависимым приводом вращения. Магнитное поле ротора возбужда­ется обмоткой, питаемой постоян­ным током.

Ротор находится внутри бара­ і бана из нержавеющей стали, слу-

(^L / / жащего для транспортирования

Разделяемого материала в зоне действия вращающегося магнитно­го поля. Частота вращения ротора 17 с"1. Барабан вращается под вли­янием электродинамических сил взаимодействия с полем ротора.

Частота его вращения поддержива­ется на уровне 0,11 с"1 специаль­ным демпфирующим устройством. Разделяемый материал равно­мерно подается на барабан сепаратора, откуда электропроводные частицы отбрасываются полем ротора в дальний приемный бункер, а неэлектропроводные - свободно скатываются с барабана в ближ­ний бункер.

Электродинамический сепаратор ленточного типа (рис. 6.25) представляет собой комплекс механизмов, включающий ленточный транспортер, приводной барабан которого выполняет роль сепара­тора. Вращающееся магнитное поле создается обмоткой трехфазно­го переменного тока, помещенной в пазы ротора.

Электрическая сепарация применяется для обработки сыпучих материалов крупностью от 0,05 до 5 мм, переработка которых дру­гими методами малоэффективна или недопустима с экологической точки зрения.

При электрической сепарации дробленых отходов используются различия в эффектах взаимодействия заряженных частиц разделя­емых компонентов с электрическим полем. Различают электриче­скую сепарацию в электростатическом поле, поле коронного разря­да, трибоадгезионную сепарацию. С их помощью решают задачи обогащения, классификации и обеспыливания как рудного сырья и некондиционных продуктов в металлургии черных, цветных и ред­ких металлов, так и многих неметаллических материалов (тонко­дисперсного кварца, формовочных песков, известняка, песка для стекольной промышленности и др.).

В однородном электрическом поле на заряженную частицу дей­ствует электрическая (кулоновская) сила F, обусловленная нали­чием заряда на частице:

F = Eq,

Где Е - напряженность электрического поля, В/м; Q — заряд час­тицы, Кл.

В неоднородном электрическом поле воздействие на такую час­тицу более сложно.

Электростатическая сепарация основана на различии электро­проводности и способности к электризации трением (трибоэлектри - ческий эффект) минеральных частиц разделяемой смеси. При кон­такте частиц сепарируемых материалов с поверхностью заряжен­ного металлического электрода электропроводные частицы приоб­ретают заряд и отталкиваются от него. Величина заряда зависит от электропроводности частиц.

При небольшой разности в электропроводности частиц исполь­зуют электризацию их трением (путем интенсивного перемешива­ния или транспортирования по поверхности вибролотка). Наэлект­ризованные частицы направляют в электрическое поле, где проис­ходит их сепарация.

Сепарация в поле коронного разряда, создаваемого между ко - ронирующим (заряженным до 20 - 50 кВ) и осадительным (зазем­ленным) электродами, основана на ионизации пересекающих это поле минеральных частиц оседающими на них ионами воздуха и на различии в интенсивности передачи этими частицами приобре­тенного таким образом заряда на поверхность осадительного элект­рода. Эти различия выражаются в траекториях движения частиц.

Трибоадгезионная сепарация основана на различии в адгезии (прилипании) к поверхности наэлектризованных трением частиц разделяемого материала. Температура процесса существенно влия­ет на силу адгезии, которая увеличивается или уменьшается элек­трическими силами, вызываемыми трибоэлектрическими зарядами. Помимо этого, на частицы действуют силы тяжести и центробеж­ные силы, что в совокупности приводит к разделению частиц по вещественному составу и крупности.

Электрические сепараторы классифицируют по характеру элек­трического поля (электростатические способу электризации (с электриза­цией контактным способом, в поле коронного разряда, трибоэлектриза - цией и др.) и по конструкции рабочих органов (барабанные, камерные, лен­точные, лотковые, пластинчатые, по­лочные и др.).

На рис. 6.26 показана принципи­альная схема барабанного электриче­ского сепаратора для разделения сме­си материалов по электропроводности. Исходный материал из бункера I мо­нослоем подается на заряженный ба­рабан 2. В результате заряжения час­тиц одноименным зарядом при кон­такте с барабаном они отталкиваются от него и, двигаясь по криволинейным траекториям, попадают в приемник для электропроводных фрак­ций 7. Неэлектропроводные частицы, заряжаясь медленнее, пада­ют без отклонения или частично удерживаются на барабане и по­падают в приемник 4 в результате очистки поверхности барабана щеткой 3. Смесь частиц материалов различной электропроводности
концентрируется в среднем приемнике 5. Регулирование качест­венного состава фракций осуществляется поворотом делительной перегородки 6.

Электрический механизм лежит в основе работы электрофильт­ров, широко используемых для очистки аспирационного воздуха и дымовых газов от твердых частиц пыли и золы-уноса. Они пригодны для очистки газов с температурой до 400 °С, а в отдельных случаях и выше.

Работа электрофильтра основа­на на воздействии электрического поля на частицы пыли, имеющие электрический заряд. Электриче­ское поле создается электродами фильтра, а зарядка частиц пыли производится коронным разрядом, образующимся между коронирую - щим и осадительным электродами. Удаление пыли с осадительных электродов производится путем их встряхивания или орошения водой. Конструкция одного из распростра­ненных унифицированных верти­кальных электрофильтров серии УВ показана на рис. 6.27.

Подлежащие электрической се­парации материалы обычно под­вергают подготовительным опера­циям (дроблению и классификации по крупности, отделению от шла - мов, сушке, термообработке при температуре до 300 °С). Процесс сепарации наиболее эффективен, если размеры частиц не превыша­ют 5 мм.

Наряду с рассмотренными про­цессами сепарации при переработ­ке твердых отходов в ряде случаев используют и другие физические методы (сепарация по коэффици­енту трения и по форме, радиомет­рическая и т. д.).