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

Москва 2012 1

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».

Защита 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 «» 2012 г.

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.

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.

Создание инженерной методики расчета линии объемного брикетирования Научная новизна работы:

Впервые получены экспериментальные данные о распределении физикомеханических свойств в объеме брикета ТБО при прессовании коническим 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 По результатам экспериментальных и расчетно-теоретических исследований разработана схема технологической линии брикетирования ТБО без 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 технология: новые перспективы развития», 2012 г.

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

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 ( наименований) и 4 приложения.

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:

- напряжение нормально продольное и - 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, равного отношению сил трения и давления в виде зависимости между силой трения и силой нормального давления P, как для отдельных фракций, так и для осредненных по сечению параметров брикета ТБО:

величиной постоянной; – суммарная площадь действительного контакта между частицами дисперсного материала брикета ТБО и граничной поверхностью (стенкой камеры прессования); – 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 Mвр – вращающий момент; p давление прессования; R - радиус пуансона.

Методика определения параметров предельного состояния, как для отдельных фракций, так и для осредненных по сечению параметров брикета ТБО, в виде, где - касательная составляющая вектора напряжений, действующая на площадке сдвига с нормалью n; - 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 начальный коэффициент прессования, кг/м3МПа; - коэффициент потери сжимаемости,МПа-1.

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

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

Плотность Рис.2. Зависимость плотности от давления прессования древесной фракции ТБО (древесные отходы Установлено, что в диапазоне реальных давлений компактирования (рис.2.) (от до 120 МПа) коэффициент бокового давления для большинства отдельных фракций ТБО с увеличением внешней нагрузки возрастает. Такая же тенденция наблюдается и для 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 Коэффициент внешнего трения Рис.4. Зависимость коэффициента внешнего трения от давления прессования полиэтиленовой фракции 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 fт = 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.).

Рис.5. Зависимость коэффициента внешнего трения от давления прессования текстильной фракции ТБО 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 fт = 0,3 - 0,7, а при давлениях выше 50 МПа fт снижается до величины 0,25 - 0,1.

Рис.6. Зависимость коэффициента внешнего трения от давления прессования древесной фракции ТБО Величины коэффициентов внешнего трения f 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 fвнешн для этих материалов резко падают от 0,6 - 0,7 (при рос = 7 МПа) до 0,1 - 0, (при рос > 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 fвнеш 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.) fвнутр, хотя их абсолютные величины, как и следовало ожидать, значительно превышают значения fвнеш для каждого материала.

Коэффициент внутреннего трения Рис.7. Зависимость коэффициента внутреннего трения от давления прессования керамической фракции Рис.8. Зависимость коэффициента внутреннего трения от давления прессования полиэтиленовой фракции 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 влаги в массе ТБО на процесс брикетирования эксперименты проводились при трех влажностях: 0 (условно), 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 конкретного состава предлагается рассчитывать по принципу аддитивности:

где Y ТБО - определяемая физико-механическая характеристика ТБО; Y i количественное значение физико-механической характеристики i-того компонента ТБО;

Коэффициент бокового давления:

Коэффициент внешнего трения:

Коэффициент внутреннего трения:

коэффициент бокового давления (кг/м3) от давления прессования Р (МПа) (Рис. 9), коэффициент внешнего трения статический fвнеш.стат. (Рис.10) и динамический fвнеш.дин.

(Рис.11) от давления прессования Р (МПа) и определение параметров предельного состояния, таких как, напряжение сдвига fвн.(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 соответствии с ГОСТ Р 53417-2009 соответствовала среднему времени транспортировки брикетов на полигон.

Амплитуда колебаний, мм 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 (рис.14). При этом получаются брикеты 4 прямоугольной формы в виде параллелепипеда.

Рис. 14. Схема расчетной модели прессования в прямоугольной форме. Здесь: x1, y1, z1 текущие координаты точек прессовки; lэкв= S / П эквивалентный размер поперечного сечения, H, L, В – соответственно высота, длина и ширина поперечного сечения матрицы; P усилие прессования; Pmin наименьшее давление в материале; р = р0 = 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 2. В результате прессованные изделия имеют различную плотность по высоте:

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 z; деформация материала в направлении осей x и y (Ux,, Uy) малы по сравнению с деформацией вдоль оси z (Uz).

Условие равенства суммы продольных напряжений под пуансоном по всему поперечному сечению усилию прессования Р представим как:

где a=1+L/B; b=1+B/L; 0xa, 0yb.

Условие наличия вдоль боковой поверхности матрицы «сухого» внешнего трения скольжения выразим в виде брикетирования находим по формуле где Vmax = V - скорость перемещения пуансона; Vmin = 0 (скорость на Наименьшее давление в материале брикета будет на поверхности стенки камеры, где a=b=2; с =0,25; k = fтр; b =g=fтр(0,5x)1/2;

Распределение плотности в объеме брикета можно найти по следующей формуле:

соответствующего давлению прессования (находятся из соответствующих кривых прессования).

Рис.15. График изменения плотности брикета при прессовании коническим пуансоном 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 4040 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 < E < 0,2, значения критерия Пуассона в интервале геометрических параметров 1,0 L/B 2, (обозначения рис. 14) находятся в диапазоне 0,06 < < 0,12, а значения модуля объемного сжатия - в интервале геометрических параметров 1,0 L/B 2,0 (обозначения рис. 14), находятся в пределах 1,5 Eсж 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).

пресс-камеру 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 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 себестоимость производства брикетов.

устройству, способствует формованию брикетов меньшего удельного объема, что 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

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 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.

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.

В результате вибрационных испытаний, проведенных в соответствии с ГОСТ Р 53417-2009 и имитирующих транспортные нагрузки, установлено, 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.

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%.

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

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 Л.С., Гонопольский А.М. «Безобвязочная технология компактирования твердых бытовых отходов в крупногабаритные блоки». Журнал Химическое и нефтегазовое машиностроение. стр.18. №11. 2010 г.

2. Гонопольский А.М., 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., 6. Ермакова Л.С., Гонопольский А.М. «Технология объемного брикетирования ТБО».

Научная конференция «Экологический интеллект 2012», Украина, Днепропетровск 24-25 апреля 2012 г.

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