Текст книги "Исследование возможности и разработка технических решений по переработке отходов производства щебня. Научный отчет"

Результаты проведенного литературного и патентного обзора сведены в таблицу 2.1.

На основании вышеизложенного можно заключить, что для разделения смеси крупнодисперсного сыпучего материала достаточно эффективны гравитационные классификаторы, но при необходимости разделить более тонкодисперсные продукты, которые к тому же близки по плотности, необходимо использование гравитационно-центробежных сепараторов. Для доулавливания в зависимости от дисперсного состава улавливаемого материала целесообразно применять циклоны и вихревые пылеуловители.

Таблица 2.1 – Методы сепарации сыпучих материалов

Продолжение таблицы 2.1.

Исследования дисперсного состава пылевидных отходов производства щебня

Для оценки эффективности разделения сыпучих материалов аэродинамическим методом необходимо знать основные физико-химические свойства сыпучих материалов, а главное, дисперсный состав исходных продуктов и продуктов разделения.

Объем проведенных исследований включал определение морфологического состава пылей и фактора формы частиц, определение плотности сыпучих материалов, оценка комплексных свойств пылевидных отходов.

Для исследования основных свойств были отобраны пробы дисперсного материла в карьере «Перекопский» Клетского района Волгоградской области.

Дисперсный состав отсевов щебня определялся ситовым методом, а дисперсный состав глинистых частиц микроскопическим методом [2, 14,18,25,26].

Из отобранных проб приготовлялись навески необходимой массы, например для определения насыпной плотности и углов естественного откоса– 200 ¸ 300 г; [14,18]. При этом сокращение пробы проводилось путём квантования конусов крестообразным делителем [14,18], а перемешивание пыли перед проведением анализа – методом накатки [18].

Для проведения ситового анализа использовался ручной рассев. Анализируемая проба помещалась на наиболее тонкое сито, а полученный остаток перекладывался на следующее по крупности ячеек сито. Преимущество такой последовательности в том, что грубое зерно способствует просеву на более тонких ситах [26]. После окончания просева проход из поддона собирали и взвешивали на весах с точностью до 0,01г, а остаток помещали на следующее сито в порядке увеличения размера ячеек. Рассев считали законченным, если через сито при повторном рассеве в течение 3 мин проходит не более 1% пыли, находящемся на данном сите [26].

Для микроскопического анализа пробы готовились непосредственно на предметном стекле, поскольку исследуемая пыль имеет большую плотность (около 3000 кг/м³) и приготовление проб для дисперсного анализа путем диспергирования в соответствующей жидкости с добавкой дефлотирующего вещества неприменимо, поэтому в данном случае препараты готовили непосредственно на предметном стекле [14,18].

Подготовка препаратов для проведения дисперсного анализа методом микроскопии [2,14,18] проводилась в следующем порядке. На предметное стекло насыпался материал, подвергающийся анализу. Затем аккуратным постукиванием по столу удалялся избыток материала. Часть пыли за счет сил поверхностного натяжения прилипло к поверхности стекла, что позволило получить тонкую прозрачную плёнку с прочно зафиксированными пылевыми частицами. Сверху препарат накрывался покровным стеклом.

Для получения иллюстративного материала для определения морфологического состава пылей и фактора формы частиц, проводилось микрофотографирование предметных стёкол с образцами пылевидных частиц.

Микрофотоприставка МФН-2 устанавливалась вместо окуляра микроскопа, при этом освещённость объектов регулировалась с помощью конденсора микроскопа [2]. В качестве негативных материалов использовались фотопластинки типа «УФШ—3» технические (размеры 90́120мм, чувствительность 16 единиц с эмульсией № (157), обеспечивающие получение негатива нормальной плотности при кратковременной экспозиции – 10 сек.

Проявление фотопластинок продолжалось 9 минут при температуре 18°С в проявляющем растворе следующего состава: на 1000 мл дистиллированной воды – 75 г безводного сульфата натрия, 2г метола, 8 г гидрохинона, 40 г карбоната натрия, 5г бромида калия. Для закрепления изображения фотопластинки (после проявления и промежуточной промывки дистиллированной водой) подвергались воздействию фиксатора, имеющего состав: на 1000 мл дистиллированной воды – 25 г сульфата натрия, 25 г борной кислоты, 250 г тиосульфата натрия кристаллического. Далее производилась промывка пластинок в проточной воде в течение 30 минут и сушка негативов [2].

Для анализа содержания и распределения частиц по размерам подготовленные фотопластинки сканировались с помощью ручного сканера в чёрно—белом режиме, в результате чего были получены электронные копии изображений на фотопластинках. Снятие изображения со сканера и его последующая обработка производилась с помощью графического пакета Adobe PhotoShop 4,0.

Графическая обработка отсканированного изображения предполагает выделение рабочей области изображения; инвертирование изображения; сохранение в формате Windows Bitmap в чёрно—белом режиме [2].

Дальнейшая обработка полученных микрофотографий включала в себя: определение эквивалентных диаметров и подсчёт числа частиц на микрофотографии; распределение частиц по размерам в заданных размерных сетках; математическую обработку результатов с построением гистограмм; дифференциальных и интегральных кривых распределения. Цифровая обработка микрофотографий выполнялась с помощью специально разработанной программы DiSPERADO, которая позволяет работать в пакетном режиме, обрабатывать подряд множество файлов микрофотографий с одним эталоном, с последующей математической обработкой, как всего множества файлов, так и каждого отдельно [2, 14].

Дисперсный состав отсевов щебня проводился ситовым методом, результаты которого представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Результаты гранулометрического состава отсева дробления Перекопского карьера Клетского района Волгоградской области

Графически дисперсный состав отсевов щебня представлен в виде интегральной кривой распределения массы частиц по диаметрам в логарифмически нормальной и в двойной логарифмической сетке на рис. 3.1 и 3.2 соответственно.

Дисперсный состав глинистых частиц, определенный методом микроскопии представлен на рис. 3.3, 3.4, 3.5, 3.6.

Рис. 3.4. Интегральная кривая распределения массы по диаметрам частиц D (d_ч) в вероятно-логарифмической сетке координат для глинистых частиц

Сравнительный анализ дисперсного состава пылевидных отходов [4] и их составляющих позволил определить принципиальную возможность их разделения аэродинамическими методами.

Отсевы щебня представляют собой карбонатное сырье, химический состав которого представлен в табл. 3.2., а физические свойства в табл. 3.3 [8,16,37,38,66,74].

На основании проведенных анализов согласно [75] установлено, что содержание пылеватых и глинистых частиц в отсевах после дробления составляет 40%.

Таблица 3.2 – Химический состав карбонатного сырья

Таблица 3.3 – Физические свойства карбонатного сырья

Анализ дисперсного состава и свойств отсевов щебня показал, что пылевидные отходы содержат значительное количество пылевой фракции.

Пыль строительных материалов по своим физико-химическим свойствам очень разнообразна, поэтому она отрицательно воздействует на многие органы человека. Влияние пыли на организм человека усиливается из-за одновременного ее воздействия на несколько органов. Наибольшему влиянию пыли подвержены органы дыхания, в меньшей степени кожа, глаза, кровь и желудочно-кишечный тракт. При воздействии пыли известняка, щебня у человека обнаруживали [8,16] катары верхних дыхательных путей, бронхиты с энфиземой легких, пневмокониозы, выявлены гастриты и нарушения функций печени.

Частицы размером от 1 до 20 мкм могут длительное время находиться в атмосфере, следуя потоку воздуха [20]. Следовательно, при длительном хранении и транспортировке происходит унос мелкой фракции в атмосферу. Известно [20], что при транспортировке пылевидных отходов на 1 км выбрасывается в атмосферу 0,6 кг/т, а при хранении их 5—8 дней – 0,15 кг/т. Таким образом, по приблизительным оценкам только при хранении накопившихся к 2002г. отсевов щебня выброс пыли в атмосферу составит 272,4 т/год.

Пыль оказывает вредное воздействие не только на здоровье человека, но и на окружающую среду в целом (табл. 3.4) [20].

Таблица 3.4 – Воздействие пыли на окружающую среду

Таким образом, несмотря на то, что класс опасности пылевидных отходов отсевов щебня—4 [91], их токсическое действие обусловлено содержанием мелкодисперсной фракции пыли, которая оказывает негативное воздействие на окружающую среду и человека.

Применение метода микроскопии для дисперсного анализа позволило наряду с последним провести изучение формы и строения частиц отсевов щебня, глинистых частиц. Морфологические исследования показали, что изучаемые пыли представляют собой смеси частиц, образующихся при измельчении вводимых ингредиентов. Частицы твёрдые, непрозрачные, и имеют цвет, соответствующий цвету исходного продукта. Частицы монолитны, агрегатов не наблюдается, форма глинистых частиц – неправильная, вытянутая.

Степень отклонения формы реальных частиц от шарообразной может быть учтена с помощью различных коэффициентов. Если ввести понятие об объёмном коэффициенте форме а_v, связывающем проектированный диаметр частицы и её объём, то будет справедливо соотношение [18].

Экспериментально показано [18], что величина а_v постоянна для частиц данной формы в определённых интервалах размеров и изменяется от 0,524 для частиц шарообразной формы до 0,14—0,20 для частиц неправильной формы с размерами от 1 до 100 мкм.

Истинная плотность зерен щебня определяется путем измерения массы единицы объема измельченного высушенного материала [79].

Для определения истиной плотности горной породы из исходной геологической пробы готовится лабораторная проба путем дробления горной породы в лабораторной дробилке и дальнейшего рассева продуктов дробления.

Для определения истиной плотности зерен щебня, отбирается аналитическая проба массой 1,0 кг для щебня размером фракции от 5 до 10 мм, 1,5 кг —для фракции (10—20) мм, 2,5 кг для фракции (20—40) мм, 5 кг для фракции (40—70) мм.

При использовании кусков камня неправильной формы или зерен щебня они очищаются металлической щеткой от пыли [79], измельчаются на лабораторной дробилке до крупности менее 5 мм, после чего перемешиваются и сокращается проба примерно до 150 г. Полученная проба вновь измельчается до крупности менее 1,25 мм, после чего перемешивается и сокращается до 30г. Подготовленная проба измельчается до порошкообразного состояния (размер зерен менее 0,125 мм) в чугунной или фарфоровой ступке, насыпается в стаканчик для взвешивания или фарфоровая чашку, высушивается до постоянной массы и охлаждается до комнатной температуры в эксикаторе над концентрированной серной кислотой или над безводном хлоридном кальция, после чего отвешивается две навески массой 10 г каждая.

Каждая навеску всыпается в чистый сухой пикнометр и наливается дистиллированная вода комнатной температуры в таком количестве, чтобы пикнометр был заполнен не более чем на половину своего объема. Пикнометр в слегка наклонном положении ставится на песчаную или водяную баню и кипятится его содержимое в течение 15—20 мин для удаления пузырьков воздуха. После удаления воздуха пикнометр обтирается, охлаждается до комнатной температуры, доливается до метки дистиллированной водой комнатной температуры и взвешивают.

Истинная плотность ρ, г/см³ определяется по формуле [79]:

где m-масса навески порошка, высушенного до постоянной массы, г;

ρ_в-плотность воды, принимаемая равной 1г/см³;

m₁-масса пикнометра с дистиллированной водой, г;

m₂-масса пикнометра с навеской и дистиллированной водой после удаления пузырьков воздуха, г.

Расхождение между результатами двух определений не превышало более 0,02 г/см³.

При определении показателей качества смеси фракций испытывается отдельно каждая фракцию и определяется средневзвешенное значение Х определяемого показателя в соответствии с содержанием фракции в смеси по формуле [79]:

где х₁, х₂, …,х_i-значение определяемое показателя;

а₁, а₂,…., а_i-содержание фракции, %.

Насыпная плотность щебня определяется взвешиванием определенного объема щебня данной фракции (или смеси фракций), высушенной до постоянной массы [79].

Щебень насыпается в предварительно взвешенный цилиндр с высоты 10 см до образования конуса, который снимается стальной линейкой вровень с краями движением к себе, от себя, после чего цилиндр со щебнем взвешивается. В зависимости от наибольшего номинального диаметра щебня применяются цилиндры объемом от 5 до 50л.

Насыпная плотность щебня r_н, кг/м³, определяется с точностью до 10 кг/м³ по формуле [79]:

где m-масса мерного цилиндра, кг;

m₁-масса мерного цилиндра со щебнем, кг;

V– объем мерного цилиндра, м³.

Плотность известняка, щебня полученная по описанным выше методикам приведена в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Плотность отсевов щебня и щебня

Разработка принципиальной схемы разделения пылевидных отходов производства щебня

На основании результатов проведенных экспериментальных, теоретических исследований и с учетом дисперсного состава сыпучего материала разработана и внедрена на АКОТ «Волгоградагропромдорстрой» [89] опытно-промышленная система, предназначенная для отделения глинистых из отсевов щебня и выделения чистого щебня с содержанием глинистых не выше 3% [80].

Опытно-промышленные испытания проводились для отсевов щебня, отобранных в карьере «Перекопский» Клетского района. В исследуемом материале первоначальное содержание глинистых частиц составляло 40% (данные протокола лаборатории представлены в таблице 5.1).

Учитывая, что фракция размером <0,14 содержит только глинистые и пылеватые частицы, ее целесообразно сразу отделить. А наибольшее количество щебня содержится во фракции> 2,5 мм, поэтому ее целесообразно использовать. В отобранных отсевах щебня отбиралась фракция больше 2,5 мм, которая составляла 46% от общего количества щебня, а содержание глинистых частиц в нем составляло 8,85%. (табл. 5.2.), что не допускается по ГОСТ [80].

Таблица 5.1 – Результаты анализа на определение содержания пылеватых и глинистых частиц и гранулометрического состава отсевов щебня Перекопского карьера

Таблица 5.2 – Результаты анализа на содержание пылеватых и глинистых частиц в отдельных фракциях отсевах щебня

Опытно-промышленная установка разделения отсевов щебня представлена на рис. 5.1 [59, 89].

Основными элементами установки являются: узел загрузки материала, аппарат отвеивания, вихревой пылеуловитель, вентилятор.

Установка работает следующим образом. Из загрузочного бункера пылевидные отходы подаются через вход шнековым питателем и поступают в аппарат отвеивания. Продукт проходит в аппарат отвеивания и смешивается с засасываемым с помощью вентилятора воздухом. В аппарате отвеивания происходит разделение пылевидных отходов на две фракции: тяжелая фракция падает вниз, а легкая фракция отвеивается и через верхний вход аппарата отвеивания подается в вихревой инерционный пылеуловитель. При этом поток воздуха, содержащий легкую фракцию отходов на верхний ввод пылеуловителя и через регулирующую задвижку и выносной закручиватель на нижний ввод пылеуловителя.

Очищенный в пылеуловителе воздух выходит через верхний осевой выход и через всасывающий вход вентилятора направляется в атмосферу. Выделившаяся в аппарате отвеивания фракция отходов выгружается по мере необходимости из бункера. Для отсечения и исследования фракций предусмотрены шиберы в аппарате отвеивания.

Для определения и подтверждения достоверности полученных результатов разделения проводился анализ полученных продуктов лабораторий АКОТ «Волгоградагропромдорстрой», результаты которого представлены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 – Результаты анализа на содержание глинистых и пылеватых частиц и анализа гранулометрического состава фракции> 2,5мм уловленная в бункере аппарат отвеивания

В результате проведенных испытаний удалось уменьшить содержание глинистых до 1,4%, что соответствует ГОСТ 8287—93 (содержание глинистых не превышает 3%). Таким образом, полученный продукт предлагается использовать для строительства дорог. Эффективность разделения составила 82,5%. В случае предварительного отделения только фракции <0,14 мм эффективность разделения будет ниже полученной не более чем на 1%, что также укладывается в допустимые пределы согласно ГОСТ 8287—93. [80]

Разработка рекомендаций по внедрению схемы переработки отходов производства щебня для предприятий Волгоградской области

На основании результатов проведенных и описанных опытно-промышленных исследований предлагается использовать разделенные компоненты [28,38,39,45,46]. Отделенный щебень возможно возвратить в производство и использовали для строительства дорог. Кроме того, щебень может быть использован в качестве крупного заполнителя для всех видов тяжелого бетона марки М-300 сборных и монолитных конструкций, изделий и деталей для устройства оснований усовершенствованных капитальных покрытий в соответствии с ГОСТ 9128—76 щебень пригоден для устройства оснований для дорог I и IV категории из горячих и теплых асфальтобетонных смесей типа В и холодных асфальтобетонов. Фракция менее 0,14 мм отсевов щебня, которая содержит только глинистые частицы, а также отделенные глинистые частицы других фракций можно использовать в производстве цемента, где необходима смесь известняка и глины.

Внедрение системы разделения отсевов щебня связано с затратами, поэтому необходимо провести технико-экономическое обоснование, которое строится на сравнении экономических показателей базового и предлагаемого вариантов с учетом прибыли, получаемой от реализации извлеченного щебня. В качестве базы сравнения использовались показатели рассматриваемого производства до внедрения мероприятий. Целью расчета является определение годового эколого-экономического эффекта, предотвращенного ущерба и показателя абсолютной экономической эффективности средозащитных вложений. Годовой эколого-экономический эффект определяется как разность приведенных отходов базового и предлогаемого вариантов с учетом прибыли, получаемой от реализации извелеченного щебня [62,67].

Неутилизированные твердые отходы могут либо уничтожаться, либо складироваться, либо захораниваться. Указанные способы во многих случаях сопровождаются вторичным загрязнением окружающей среды. Уровень этого загрязнения зависит от количества и состава отходов, а также от техники их уничтожения, складирования и захоронения.

Исходные данные для расчета эколого-экономического эффекта представлены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 – Исходные данные для расчета эколого-экономического эффекта

Результаты расчета представим в виде таблицы 6.5.

Таблица 6.5 – Эколого-экономические показатели

Проведенная оценка позволила определить предотвращенный экологический ущерб, который составил 45635,67 руб. Эколого-экономический эффект от внедрения установки отделения глинистых частиц от щебня составил 1052,45 руб/на 1 т отходов и коэффициент абсолютной экономической эффективности средозащитных капитальных затрат Эсзк> 0,15, что говорит об экономической целесообразности внедрения установки. Из 159 тыс. т. ежегодно образующихся отходов производства щебня можно вернуть в производство 131, 2 тыс. т, что позволит значительно снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду. Учитывая, что в Волгоградской области уже накоплено 1,657 млн. т. и ежегодно образуется 159 тыс. т. отходов производства щебня, можно оценить какая экономия щебня возможна при внедрении технологии.

Заключение

– Анализ состава пылевидных отходов, образующихся в технологических процессах производства щебня, показал, что они содержат наряду с исходным продуктом и посторонние включения, что препятствует их использованию в производстве, поэтому пылевидные отходы направляются на полигоны и несанкционированные свалки. Отделение примесей обеспечит предотвращение загрязнения окружающей среды путем снижения площадей несанкционированных свалок, предотвращения вторичного загрязнение атмосферы из-за уноса глинистых частиц.

– На основании проведенного литературно-патентного обзора определены достоинства и недостатки существующих методов сепарации и их возможность применения для исследуемых материалов. Рассмотрена целесообразность применения метода разделения сыпучих материалов по аэродинамическим свойствам

– Анализ дисперсного состава, свойств и токсичности пылевидных отходов, направляемых на полигоны, позволил оценить их влияние на окружающую среду и человека.

– Проведенные исследования показали, что сыпучие материалы являются полидисперсными. При этом основная доля частиц имеет форму вытянутую, продолговатую.

– На основании сравнительного анализа дисперсного состава отходов и их составляющих сделан вывод о принципиальной возможности применения аэродинамических методов разделения с целью сокращения объемов пылевидных отходов.

– Теоретические расчеты и экспериментальные исследования зависимости скоростей витания от диаметра частиц пылевидных отходов показали, что скорость витания для отсевов щебня удовлетворительно описываются формулой Гастерштадта, для глинистых частиц – формулой Страховича.

– Проведены опытно-промышленные испытания установки разделения отсевов щебня. Эффективность разделения составила 82,5% и содержание глинистых частиц в щебне ниже допустимого в 2 раза. После разделения щебень используется для строительства дорог и в качестве заполнителя для бетонов, а глинистые можно использовать в производстве цемента.