При разрушении жилых зданий, сооружений и строительных конструкций образуется большое количество отходов, в том числе бетонолома. Возникает необходимость в его переработке и использовании в качестве вторичного сырья для различных нужд народного хозяйства. Экологическая и экономическая целесообразность повторного использования отходов производства и потребления в хозяйственный оборот в качестве вторичного сырья доказана многолетней практикой во многих странах мира. В настоящее время из бетонолома получают и используют вторичный щебень фракций от 40 мм и выше, а мелкие фракции щебня товарного достоинства не производят, хотя потребность в них очень велика. Происходит это потому, что отсутствует оборудование, способное четко классифицировать мелкие фракции щебня (0–0,5 мм; 0,5–2,5 мм; 2,5–5 мм; 5–20 мм). Поэтому бетонолом, содержащий мелкие фракции, как правило, не используется и зачастую отправляется в отвал, увеличивая антропогенную нагрузку на полигоны захоронения, а это порядка 50% от общего количества бетонного лома. В статье представлен разработанный авторами новый способ четкого разделения мелких фракций вторичного щебня и устройство для его осуществления. Это аэрационно-вибрационный грохот. По результатам разработки был получен патент РФ на изобретение. Разработанная технологическая схема разделения включает, помимо аэровиброгрохота, дополнительные стадии разделения самых мелких фракций, которые представляют собой циклоны и рукавные фильтры. Также была разработана методика расчета вибрационно-аэрационного грохота. Была произведена оценка областей применения мелких фракций щебня и выяснено, что в целом эти фракции целесообразно использовать при отсыпке дорог и съездов, укреплении слабых грунтов, благоустройстве территорий в качестве наполнителя в бетоны и строительные смеси, что снижает себестоимость бетона примерно на 25%. При изучении и оценке областей применения мелких фракций щебня также были изучены физико-химические свойства полученного материала: насыпная плотность, угол естественного откоса, содержание зерен лещадной и угловатой формы, прочность при сжатии и прочность на износ и др.
бетонолом, вторичный щебень, разделение мелких фракций вторичного щебня, вибрационно-аэрационный грохот.
Некондиционные бетонные и железобетонные изделия, конструкции, отслужившие свой срок, полученные при демонтаже строительных объектов, отходы производства строительных материалов после переработки превращаются в строительный щебень вторичного происхождения. Металлическая арматура идет в переплавку и используется повторно как качественная сталь с высоким содержанием легирующих элементов. На сегодняшний день очень мало информации о том, какая доля строительных отходов используется для получения так называемой «вторички» – вторичного бетонного, кирпичного и асфальтного щебня. В Европе, например, рециклинг в строительстве составляет до 60%, в Японии до 98%, а у нас же – от силы 15% [17, 18, 19].
При строительстве потребляется огромное количество материалов в виде щебня и песка, значительную часть которых можно получить при переработке отходов бетона и железобетона. Использование вторичного щебня позволит снизить затраты на возведение новых объектов за счет сокращения встречных потоков нерудных материалов и одновременно уменьшить нагрузку на городские полигоны, исключить образование несанкционированных свалок, а также сохранить земельные ресурсы, отводимые под размещение новых карьеров [8, 21, 22].
Области применения вторичного бетонного щебня:
• обустройство щебеночных оснований под полы и фундаменты зданий;
• устройство нижних слоев дорог, не имеющих статуса федеральных;
• в качестве крупного заполнителя в бетонах прочностью 5...20МПа;
• при производстве бетонных и железобетонных изделий;
• при отсыпке временных дорог, съездов;
• при подсыпке под все виды тротуарных дорожек;
• при подсыпке под автостоянки и асфальтируемые площадки;
• для укрепления слабых грунтов (в частности, когда нужно делать подсыпку траншей при прокладке инженерных сетей, бутить днища котлованов);
• для замены грунта при засыпке;
• под фундаментное основание;
• в ландшафтной архитектуре.
Для разделения измельченных твердых тел на фракции с зернами приблизительно одинаковой величины применяют грохочение или ситовую классификацию. Хотя процесс грохочения является универсальным способом классификации, однако он имеет некоторые недостатки:
- недостаточная четкость разделения материала на классы;
- большие габариты аппарата;
- сложность смены сит.
Использование таких процессов, как воздушная сепарация и гидравлическая классификация сегодня применяется весьма широко. При сравнении этих двух методов необходимо отметить, что воздушная сепарация более эффективна, поскольку сопротивление воздуха движению твердых частиц значительно меньше сопротивления воды, следовательно, частицы осаждаются в воздухе во много раз быстрее, чем в воде. Но использование данного способа при разделении щебня фракцией 0,5–20мм невозможно, т.к. ее (а также гидравлическую классификацию) применяют для разделения частиц с размером менее 2–3 мм [2, 3, 14, 18].
Технологическая схема производства вторичного щебня
Общая схема производства вторичного щебня представлена на рис.1, 2. Она состоит из следующих основных стадий [10, 17, 20]:
Сбор отходов. Строительный мусор грузовым транспортом свозится на сортировочную площадку.
- Предварительная сортировка. Из завезенного материала отбирают крупногабаритные части железобетона, которые собирают по характеру материала в накопительные места хранения для дальнейшей переработки.
- Измельчение крупногабаритного железобетона. Крупногабаритный железобетон измельчается на части, удобные для последующего дробления, с помощью металлического шара («шар-баба»). Извлекается металлическая арматура. Измельченный бетон и металл разделяют по накопителям.
- Измельчение бетона. Подготовленный материал загружается в приемный бункер щековой дробилки и измельчается. После дробления из материала магнитным сепаратором извлекаются металлические включения.
- Сортировка щебня по фракциям. После дробления, по конвейеру, щебень поступает в виброгрохот, где происходит разделение материала по фракциям.
- Фракции менее 20 мм подвергаются дальнейшей классификации в аэровиброгрохоте и последующих стадиях технологической схемы.
- Фракции 20–40 и 40–70 мм складируются и затем отправляются потребителю.
- Щебень размером более
Рис. 2. Технологическая схема производства вторичного щебня
1-щековая дробилка, 2-транспортер, 3-магнитный сепаратор, 4-виброгрохот, 5-конусная дробилка, 6-вибрационно-аэрационный разделитель, 7-циклон Ц-15, 8-ботарейный циклон, 9-калорифер, 10-вентилятор, 11-рукавный фильтр.
Мелкие фракции щебня, полученные из отсева различного гранулометрического состава, используют следующим образом.
Менее 0,5 мм в виде мелкодисперсного порошка используют в качестве добавки в состав асфальтобетонной смеси для повышения ее однородности, а также в качестве пигмента и проч.
С размером частиц от 0,5 до
С размером частиц от 2 до
С размером частиц от 5 до
Аэрационно-вибрационный разделитель
Хотя в настоящее время известно много способов разделения сыпучих материалов, но не один из них не позволяет максимально эффективно утилизировать отсев дробления бетонного лома. Технической задачей, на решение которой направлена разработка нового типа разделителя, является повышение степени утилизации строительных железобетонных отходов путём дополнительного разделения ранее неиспользуемого отсева фракций 0,5–20мм и придания им товарных форм.
Поставленная задача решается применением новой конструкции грохота, в котором классификацию щебня осуществляют путем сочетанного воздействия механической вибрации и аэрации в вибрационно-аэрационном разделителе. На этот способ разделения и конструкцию аппарата получен патент РФ. Преимущества разработанного нами вибрационно-аэрационного разделения щебня следующие: простота конструкции, дешевизна, высокое качество разделения материала, возможность полного разделения материала по фракциям [14, 15, 20, 22].
Вибрационно-аэрационный разделитель (рис. 3) включает корпус 1 с патрубком 2 загрузки и патрубками выгрузки 3, 4, 5 соответственно. Для обеспечения эффективного разделения корпус 1 выполнен двухуровневым. В корпусе 1 размещены две горизонтальные перфорированные решетки 6 и 7 соответственно. При этом диаметр перфорации каждой решетки выбирается из условия получения заданного гранулометрического состава фракций бетонного лома. По крайней мере, один уровень корпуса состоит из двух частей, разделенных, по меньшей мере, двумя последовательно установленными подпружиненными шиберными заслонками 8 и 9 для предотвращения уноса мелких фракций. Патрубки корпуса могут быть также снабжены подпружиненными шиберными заслонками 10. Подпружиненные шиберные заслонки в ненагруженном состоянии полностью и без зазоров перекрывают проходное сечение патрубков уровней корпуса. Заслонки выполнены с возможностью открываться только в направлении перемещения материала (в направлении вибрации). Корпус грохота 1 установлен на опорных пружинах 11 и соединен с вибрационным приводом 12.
Бетонный лом отделяют от железной арматуры и дробят любым известным способом и далее подают его в вибрационно-аэрационный разделитель на первый уровень через патрубок 2 загрузки на горизонтальную перфорированную решетку 6 с диаметром перфорации менее
Часть дробленого бетонного лома размером меньше
Для отделения налипших мелких фракций (0,071 до
При разработке методики расчета аэрационно-вибрационного разделителя и установки в целом, были решены следующие задачи: выбрана просеивающая поверхность; рассчитаны основные параметры режима работы грохота (производительность, эффективность классификации), проведен конструктивный расчет и определен кпд установки. Производительность установки была определена, исходя из технического задания нескольких предприятий перерабатывающих бетонолом 40т/ч отсева размером 0–20 мм. По расчетам необходимо сито размером 3,5×3,5м (площадь 12,25м2).
При разделении и отсеве для отделения налипшей фракции размером до
Разделение фракций размера песка в одиночном циклоне
Циклоны являются наиболее распространенными аппаратами газоочистки, широко применяемые для отделения пыли от газов и воздуха в самых разных отраслях промышленности. При небольших капитальных затратах и эксплуатационных расходах циклоны обеспечивают очистку газов эффективностью 80–95% от частиц пыли размером более 10 мкм. В основном их рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед высокоэффективными аппаратами (например, фильтрами или электрофильтрами). В ряде случаев достигаемая эффективность циклонов оказывается достаточной для выброса газов или воздуха в атмосферу [4, 9, 21, 22].
При изучении фракционного состава отсева вторичного щебня [1, 6, 7, 11, 12] было выяснено, что он распределяется следующим образом: 0–2мм – 20%, 2–5мм – 35% и 5–20мм – 45%. Причем половина самой мелкой фракции (0–2мм) в аэровиброгрохоте не разделяется, а проходит его транзитом. Для разделения этой части песка в схеме предусмотрен одиночный циклон типа ЦН-15. Следовательно, нагрузка на циклон по твердой фазе составит 4000 кг/ч. Принимая запыленность воздуха на входе в циклон 690 г/м3 , его расход при нормальных условиях составит 5739 м3/ч. Характеристика песка, подаваемого на разделение в циклон, и результаты расчетов циклона представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Характеристика песка, подаваемого в циклон на разделение
|
Размер частиц,dm,мкм |
<1,5 |
1,5-4 |
4-10 |
10-15 |
15-30 |
30-50 |
>50 |
|
Дисперсия а, % |
2,2 |
2,5 |
12,8 |
23,4 |
35,4 |
15,5 |
8,2 |
Таблица 2
Результаты расчета единичного циклона
|
d,мкм |
Фракцион-ный состав до очистки, а, в долях |
Количество пыли до очистки, ∑× a, г/с |
Параметр Х |
Эффекти-вность очистки Ф(х)=η |
Количество пыли после очистки, ∑× a·(1- η), г/с |
Фракцион- ный состав пыли после очистки, а1 |
|
< 1,5 |
0,022 |
27,428 |
-0,547 |
0,29 |
19,474 |
0,1 |
|
1,5 - 4 |
0,025 |
31,168 |
-0,314 |
0,37 |
19,636 |
0,1 |
|
4 - 10 |
0,128 |
159,58 |
0,403 |
0,655 |
55,055 |
0,283 |
|
10 - 15 |
0,234 |
291,73 |
1,157 |
0,875 |
36,466 |
0,187 |
|
15 - 30 |
0,354 |
441,34 |
1,412 |
0,915 |
37,514 |
0,193 |
|
30 - 50 |
0,155 |
193,24 |
1,376 |
0,91 |
17,392 |
0,089 |
|
>50 |
0,082 |
102,23 |
1,352 |
0,91 |
9,2 |
0,048 |
|
Сумма |
1 |
1246,72 |
- |
|
194,737 |
1 |
∑ – суммарное количество пыли. Параметр Х рассчитывается по формуле (2):
X 
, где: dm – средний размер подлежащих улавливанию частиц;
lgσч –среднее квадратичное отклонение в функции заданного распределения;
lg ση* – стандартное отклонение в функции распределения парциальных коэффициентов очистки, d50 – размер частиц, улавливаемых с эффективностью 50%.
Соответственно, зная параметр Х по табл., определяем эффективность очистки по фракциям Ф(х).
Общая концентрация мелкого песка на выходе из циклона, таким образом, составит 107,78 г/м3.
Разделение фракций мелкого песка в батарейном циклоне
Батарейный циклон – аппарат, составленный из большого количества параллельно установленных циклонных элементов, объединенных в одном корпусе и имеющих общие подвод и отвод газа, а также сборный бункер. Эффективность разделения в батарейных циклонах существенно выше, чем в одиночных, поскольку циклонные элементы имеют диаметр 150–250 мм, а при данной окружной скорости величина центробежной силы обратно пропорциональна радиусу вращения. Для наших целей возможно применение батарейных циклонов практически любой марки (ЦБ-254Р, ЦБ-231У, ЦБ-2 ПЦБ и др.) [5, 9, 12]. Характеристика песка, подаваемого на раазделение в батарейный циклон, и результаты расчетов батарейного циклона представлены в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Характеристика песка, подаваемого в батарейный циклон
|
Размер частиц,dm,мкм |
<1,5 |
1,5-4 |
4-10 |
10-15 |
15-30 |
30-50 |
>50 |
|
Дисперсия,a % |
10 |
10 |
28,3 |
18,7 |
19,3 |
8,9 |
4,7 |
Таблица 4
Результаты расчета батарейного циклона
|
d,мкм |
фракцион-ный состав до очистки, а1, в долях |
количество пыли до очистки, г/с |
Х |
Ф(Х)=η |
количество пыли после очистки, г/с |
фракцион-ный состав пыли после очистки, а2 |
|
< 1,5 |
0,1 |
19,474 |
-0,437 |
0,335 |
12,95 |
0,243 |
|
1,5 - 4 |
0,1 |
19,636 |
-0,187 |
0,425 |
11,291 |
0,212 |
|
4 - 10 |
0,283 |
55,055 |
0,438 |
0,67 |
18,168 |
0,342 |
|
10 - 15 |
0,187 |
36,466 |
1,037 |
0,85 |
5,47 |
0,103 |
|
15 - 30 |
0,193 |
37,514 |
1,369 |
0,915 |
3,189 |
0,06 |
|
30 - 50 |
0,089 |
17,392 |
1,411 |
0,92 |
1,391 |
0,026 |
|
>50 |
0,048 |
9,2 |
1,414 |
0,92 |
0,736 |
0,014 |
|
Сумма |
1 |
194,737 |
- |
- |
53,195 |
1 |
Суммарная концентрация песка на выходе из батарейного циклона 29,44 г/м3.
Завершающая стадия отделения самых мелких фракций в рукавном фильтре
В теории фильтрования степень разделения твердых частиц в общем виде определяется следующей функциональной зависимостью: η = f (Stk, R, D, G, K), где: Stk, R, D, G, K – безразмерные параметры осаждения частиц за счет эффектов инерции, касания, диффузии, гравитационных и электрических сил (2, 12, 13). При разделении мелкого песка и промышленных пылей наибольшее значение имеют механизмы захвата за счет сил инерции и касания [5, 9, 12]. Ограничившись двумя этими механизмами, суммарный коэффициент улавливания (разделения) частиц определится из выражения η =1- (1- ηStk) ×(1-ηкас). Характеристика песка, подаваемого на разделение в рукавный фильтр, и результаты расчетов фильтра представлены в табл. 5 и 6.
Таблица 5
Характеристика песка, подаваемого в рукавный фильтр
|
Размер частиц,dm,мкм |
<1,5 |
1,5-4 |
4-10 |
10-15 |
15-30 |
30-50 |
>50 |
|
Дисперсия,a % |
24,3 |
21,2 |
34,2 |
10,3 |
6,0 |
2,6 |
1,4 |
Таблица 6
Результаты расчета рукавного фильтра
|
d,мкм |
фракцион-ный состав до очистки, а2, в долях |
количество пыли до очистки, г/с |
Σ η |
количество пыли после очистки, г/с |
фракцион-ный состав пыли после очистки, а3 |
|
< 1,5 |
0,243 |
12,95 |
0,09 |
11,78 |
0,621 |
|
1,5 - 4 |
0,212 |
11,291 |
0,443 |
6,29 |
0,331 |
|
4 - 10 |
0,342 |
18,168 |
0,95 |
0,91 |
0,048 |
|
10 - 15 |
0,103 |
5,47 |
1,0 |
0 |
- |
|
15 - 30 |
0,06 |
3,189 |
1,0 |
0 |
- |
|
30 - 50 |
0,026 |
1,391 |
1,0 |
0 |
- |
|
>50 |
0,014 |
0,736 |
1,0 |
0 |
- |
|
Сумма |
1 |
53,195 |
- |
18,98 |
1 |
Таким образом, разработана новая комплексная установка классификации вторичного щебня, позволяющая утилизировать мелкие фракции размером 0–20 мм, прежде не используемые из-за отсутствия необходимого оборудования. Все фракции имеют товарную ценность. Кроме того, при этом существенно снижается антропогенная нагрузка производства на окружающую природную среду [13, 16]. Результаты расчетов и экспериментов по разделению мелких фракций вторичного щебня установки производительностью 40 000 кг/час представлены в результирующей табл. 7.
Таблица 7
Классификация вторичного щебня на комплексной установке
|
Параметр |
Аэровиброгрохот |
Одиночный циклон |
Батарейный циклон |
Рукавный фильтр |
|||
|
Фракции, мм |
≥ 20 |
5,0-20 |
2,0-5,0 |
0,5-2,0 |
0,01-0,05 |
0,004-0,015 |
0,0015-0,004 |
|
кг/час |
22000 |
6550 |
3450 |
3580 |
3787 |
510 |
123 |
|
% |
55 |
16,38 |
8,62 |
8,95 |
9,47 |
1,28 |
0,3 |
1. Справочник по пыле – золоулавливанию [Текст] / Под общ. Ред. А.А. Русанова.- 2-изд., М., Энергоатомиздат, 1983.-312 с., ил.
2. Анохин В.Д., Плисс В.А., Монахов В.Н. Вибрационные сепараторы [Текст] / В.Д. Анохин, В.А. Плисс, В.Н. Монахов. – М.: Недра, 1991. – 157с.
3. Мизонов В.Е., Ушаков С.Г. Аэродинамическая классификация порошков [Текст] / В.Е. Мизонов, С.Г. Ушаков. – М., Химия, 1989. – 160 с.
4. Циклоны НИИОГАЗ. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации [Текст]. – Ярославль: Верхне - Волжск. кн. изд-во, 1971г. 95с.
5. Батарейные циклоны. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации [Текст]. – М., Госхимиздат, 1955. 104с.
6. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов [Текст] / П.А. Коузов. – Л.: Химия, 1974. – 280 с.
7. Ужов В.Н., Мягков Б.И. Очистка промышленных газов фильтрами [Текст] / В.Н. Ужов, Б.И. Мягков. – М.: Химия, 1970. – 320 с.
8. Рукавные фильтры [Текст] / Моргулис М. Л., Мазус М. Г. и др. – М.: Машиностроение, 1977. 256с.
9. Газоочистное оборудование [Текст]: Каталог. – М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМаш, 1981. 72с.
10. Газоочистное оборудование. Рукавные фильтры [Текст]: каталог. – М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМаш, 1989. 11с.
11. Банит Ф.Г., Малыгин А.Д. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов [Текст] / Ф.Г. Банин, А.Д. Малыгин. – М.: Стройиздат, 1979. 352с.
12. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли [Текст] / В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, Б.И. Мягков, И.К.Решидов. – М.: Химия, 1981. -392с., ил.
13. Луканин А.В., Соломаха Г. П. Гидродинамика течения и массоперенос в продуваемом закрученном слое жидкости [Текст] / А.В. Луканин, Г.П. Соломаха // ТОХТ.1988.Т. XXII. № 4.С. 435–441.
14. Flow hydrodynanics and vass transfer in a bubbling liquid layer [Text] /A.V. Lukanin Lukanin A.V., Solomakha G.P. // Теоретические основы химической технологии. 1988. Т. 22. № 4. С. 435.
15. Луканин А.В. Процессы и аппараты биотехнологической очистки сточных вод [Текст]: учебное пособие / А.В. Луканин. – М.: Научно-издательский центр Инфра-М, 2016.
16. Луканин А.В. Инженерная экология: процессы и аппараты очистки сточных вод и переработки осадков [Текст]: учебное пособие / А.В. Луканин. – М.: Научно-издательский центр Инфра-М, 2017.
17. Луканин А.В. Инженерная экология: защита литосферы от твердых промышленных и бытовых отходов [Текст]: учебное пособие / А.В. Луканин. – М.: Научно-издательский центр Инфра-М, 2018.
18. Луканин А.В. Утилизация бетонного лома в крупных городах [Текст] / А.В. Луканин // Экологический вестник России. – 2011. – № 12. – С. 34.
19. Луканин А.В.Утилизация мелких фракций вторичного щебня [Текст] / А.В. Луканин // Экология производства. – 2012. – № 2. – С. 46.
20. Лаврушина Ю.Т., Луканин А.В., Мартьянов А.А., Сахарова А.И., Тарасова Е.В. Способ утилизации бетонного лома. Патент на изобретение RUS 2425723 17.11.2009
21. Луканин А.В. Инженерная экология: процессы и аппараты очистки газовоздушных выбросов [Текст]: учебное пособие / А.В. Луканин. – М.: Научно-издательский центр Инфра-М, 2017.
22. Луканин А.В. Полная переработка бетонолома во вторичный щебень[Текст] / А.В. Луканин // Экология и промышленность России. – 2012. – № 4. – С. 16–19.
