Шарошечный измельчитель отходов

Органические отходы относятся к числу биологических отходов, и их обезвреживание является одной из актуальных проблем обеспечения экологической безопасности населения. В составе твердых коммунальных отходов (ТКО) количество органических отходов колеблется от 21 до 35 % [1] по массе. Соответственно, и затраты на их вывоз и захоронение на полигонах составляют около 1/3 от общих затрат на удаление ТБО [2]. Одним их перспективных способов обращения с органическими отходами является их измельчение в воде до образования пульпы [3, 4] и последующее удаление по канализационным сетям на очистные сооружения для хозяйственнобытовых стоков. Это позволяет уменьшить и количество отходов, поступающих на полиго- ны для захоронения [5], и затраты на их транспортировку мусоровозами. Недостатком серийных измельчителей с ножевыми и кулачковыми режущими устройствами [6–8] является: невозможность переработки волокнистых, жировых и пленочных отходов растительного и животного происхождения, крупных костных отходов и т. п., образование настылей в трубопроводах от измельчителя к канализационной сети [9].

Цель исследования – получение критериальных соотношений из безразмерных комплексов на основе методов теории подобия для расчета и проектирования шарошечных измельчителей отходов.

Материалы и методы исследования

Для устранения указанных выше недостатков в работе [10] была предложена новая конструкция измельчителя с шарошечными режущим устройством. В качестве объекта исследования использовали шарошечный измельчитель отходов. Задачей шарошечного измельчителя отходов является повышение производительности устройства путём создания новой конструкции измельчающего механизма, позволяющей измельчать более широкий перечень видов перерабатываемых отходов и расширение области применения данного измельчителя в таких областях как сельское хозяйство.

Шарошечный измельчитель отходов (рис. 1) работает следующим образом. Измельчение осуществляется с подачей воды для всех видов перерабатываемых отходов. Поступающие на измельчение отходы опадают в загрузочный люк 2.

Рис 1. Шарошечный измельчитель отходов (обозначения в тексте)

Далее отходы поступают в рабочую камеру 3, где измельчаются в зазоре (пространстве) между неподвижной наклонной дробящей поверхностью расположенной в её верхней части и выполненной в виде полого конуса 4 и под- вижной измельчающей шарошки 5, установленной на валу 6 и прикрепленной к неподвижному основанию чаши 7. Шарошка 5 приводится в движение с помощью электродвигателя 8, работающего от электросети (220 В). Кроме того, в устройстве установлен дебаланс 10, выполненный с возможностью саморегулирования угла наклона подвижной измельчающей шарошки 5. На поверхности измельчающего конуса закреплены пирамидальные штифты [10] (рис. 1), улучшающие измельчение поступающих отходов. В результате механического воздействия органические отходы, попадающие в зазор между полым конусом 4 и подвижной измельчающей шарошкой 5, измельчаются до состояния пульпы. Под действием силы тяжести и потока жидкости они выводятся из устройства через разгрузочное отверстие 11 и удаляются из места образования отходов путём сброса в канализацию. Таким образом, предложенная конструкция измельчителя отходов позволяет его использовать не только в быту, но и в других областях, например, в сфере общепита, лёгкой и пищевой промышленности и сельском хозяйстве, выбрав соответствующий типоразмер измельчителя.

Исследования эксплуатационных характеристик измельчителей проводились сериями из 10 опытов с образцами различных отходов массой по 3 кг каждого вида. Были исследованы процессы измельчения для следующих видов отходов: кости крупного рогатого скота с максимальным размером 100–150 мм и размером 50–70 мм, кости мелкого рогатого скота размером 50–70 мм, рыбные кости размером 50–70 мм, шкуро-жировые пленочные отходы, отходы сыроваренной, а также растительных, волокнистых отходов, овощных и фруктовых косточковых отходов.

Результаты и их обсуждение

Усредненные по 10 опытам результаты экспериментов приведены на рис. 2–8.

Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют разработать методику проектирования систем с использованием пульповой переработки органических отходов. При разработке и выборе соответствующего оборудования исходными данными являются физико-механические характеристики органических отходов, их фракционный состав, содержание в них загрязняющих примесей, требования, предъявляемые к качеству сбросов [11] и производительность по готовому продукту. Кроме этих

Рис. 2. Зависимость крупности фракций отходов от мощности привода серийного (1) и шарошечного (2) измельчителей для костей крупного рогатого скота с максимальным размером 100–150 мм; *– невозможно произвести измельчение из-за заклинивания аппарата

Рис. 3. Зависимость крупности фракций отходов от мощности привода диспоузера для костей мелкого рогатого скота размером 50–70 мм серийного (1) и шарошечного (2) измельчителей; *– невозможно произвести измельчение из-за заклинивания аппарата

Рис. 4. Зависимость крупности фракций отходов от мощности привода серийного (1) и шарошечного (2) измельчителей для рыбных костей размером 50–70 мм

Рис. 5. Зависимость крупности фракций отходов от мощности привода серийного (1) и шарошечного (2) измельчителей для шкуро-жировые компонентов; * – налипание жира на рабочие части аппарата и остановка двигателя привода

Рис. 6. Зависимость крупности фракций отходов от мощности серийного (1) и шарошечного (2) измельчителей для отходов сыроваренной продукции

Рис. 7. Зависимость крупности фракций отходов от мощности привода серийного (1) и шарошечного (2) измельчителей для овощных и фруктовых косточковых отходов

Рис. 8. Зависимость крупности фракций отходов от мощности двигателя измельчителя для пленочных отходов. В серийном измельчителе отходов в рассмотренном диапазоне мощностей происходит наматывание материала на рабочие части аппарата и выход его из строя

требований могут быть заданы дополнительные условия, связанные с конкретными особенностями создаваемой модели. В частности, если разрабатываемая технологическая линия привязывается к основному производству, т. е. к действующему предприятию, например, по переработке мясной продукции, создавая, тем самым, безотходные или малоотходные производство за счет включения отходов основного производства в технологический цикл предприятия, то для проектируемой линии предпочтителен выбор оборудования с большими мощностями и скоростью переработки отходов производства.

Анализ влияния действующих факторов при измельчении отходов проведем путем составления соотношений из безразмерных комплексов на основе методов теории подобия с применением π-теоремы [12]. Учитывая сложность получения критериальных соотношений, в данной работе методы теории подобия и размерностей были дополнены методами регрессионного анализа, так как это было предложено в работах [13, 14]. Программная обработка экспериментальных данных позволила получить набор значимых безразмерных параметров, сконструированных из числа измеряемых величин, табличных и литературных данных:

Δ

Π = С – эффективность дробления от-СН ходов, где Сн – измеряемый средний линей- ный размер частиц перед дроблением, ΔС – измеряемая разница между начальным и конечным средним линейным размером частиц перед дроблением и после него СК;

П ₂ = ^ρ _{Δ Р} – критерий Эйлера Eu , показывает отношение сил давления в потоке воды к силам инерции;

П 3 ₌ ρ ⋅ ω ⋅ D

–

критерий Рейнольдса

μ

Re w , показывает отношение сил инерции к силам трения потока воды; D – средний диаметр рабочей камеры шарошечной дробилки;

ρ ⋅ ω ⋅ d

П ₄ =        – критерий Рейнольдса Re p ,

μ показывает отношение сил инерции к силам трения для средней по размерам частицы, диаметром d, в камере измельчителя;

Δ ρ ⋅ g ⋅ d

П5 =         – критерий Ричардсона Ri, v2ρ показывает отношение потенциальной энергии частиц отходов, погружённых в воду к их кинетической энергии в камере измельчения; где ρ – усредненная плотность частиц отходов; ∆ρ – разность плотностей частиц и воды; g – ускорение свободного падения; d – характерный средний размер частицы в камере измельчения; v – характерная скорость частиц в камере измельчения. Как известно, для значений Ri, меньших 1, сила Архимеда не играет существенной роли для двухфазного течения, а при Ri, больших 1, сила плавучести доминирует, в том смысле, что конвективного расслоения среды не происходит.

Порогом значимости любого комплекса была выбрана величина 10^-3, т. е. П >  10“³ считались значимыми членами линейного регрессионного уравнения.

Обработка экспериментальных данных, в форме безразмерных комплексов, по описанной методике, использованной для аналогичных задач в работах [13, 14], дала соотношение:

Эф = 0,352 • Ей ⁰,¹⁷ • Ri ⁰,³³ • Re p ⁰,²⁵ • Re W ²⁵ , (1) где Эф = ( С н - С к )/ Сн = П 1 .

Диапазоны изменения безразмерных комплексов составляли:

Эф = от 0,7 до 0,97; Eu = от 0,004 до 4,15; Re w = от 1,6•10^-6 до 9,7•10^-5; Re p = от 1,6•10^-6 до 9,7•10^-5; Ri = от 0,1 до 2,06.

Погрешность соотношения (1) по отношению к экспериментальным данным, изложенным выше, составляет ±10 % во всем диапазоне изменения экспериментальных параметров процесса.

Заключение

Из результатов экспериментальных исследований шарошечного измельчителя отходов в местах их образования и свойств, получаемой в процессе измельчения различных видов отходов пульпы следует, что шарошечный измельчитель отходов позволяет значительно расширить перечень видов перерабатываемых органических отходов, по сравнению с серийными аппаратами. Полученные результаты были отмечены Фондом Содействия Инновациям в финале программы «Умник» [15].