Сортировка твердых бытовых отходов

Твердые коммунальные отходы (ТКО) представляют собой гетерогенную смесь органических и неорганических соединений сложного морфологического состава: черные и цветные металлы, макулатура, текстильные компоненты, стеклобой, керамика, пластмасса, пищевые и растительные отходы, камни, кости, кожа, резина, дерево, уличный смет и проч. Многие из них, в частности металлы, попадают в категорию отходов после разового использования.

Обогащение твердых бытовых отходов имеет свою специфику в выборе как процессов, так и аппаратов. Даже процессы, идентичные для других объектов обогащения, применительно к ТКО характеризуются своим режимом, имеют отличительные детали и особенности. В то же время устройства и технологические приемы, используемые при обогащении ТКО, могут быть применены при обогащении ископаемого сырья.

При переработке ТКО число обогатительных операций, их вид и последовательность в технологической схеме зависят от морфологического и гранулометрического состава, влажности отходов и определяются задачами сортировки в каждом конкретном случае, а также закономерностями обогащения материалов.

1. Ручная и механическая переработка твердых коммунальных отходов

Ручная переработка ТКО

Технология сортировки селективно отобранных отходов в большинстве случаев представляет собой ручную выборку определенных компонентов с ленты тихоходного конвейера с шириной ленты не более 1200 мм, скоростью не более 0,5 м/с, предпочтительно 0,1–0,2 м/с, в сочетании с механизированной сортировкой металлов. В ряде случаев ручной сортировке предшествует операция грохочения исходного материала с целью удаления мелкой фракции и рыхления массы отходов. При необходимости в технологическую схему возможно включение операции дробления (вскрытие упаковки).

Хвосты сортировки, как правило, подвергают уплотнению – контейнерному компактированию. Методом пакетирования уплотнению подвергают также ряд извлеченных компонентов: металлы, макулатуру, пластмассы, текстиль. При этом макулатура, пластмасса и текстиль всегда пакетируются с обвязкой проволокой, веревкой и т. п. Процессы пакетирования полезной продукции и компактирования хвостов сортировки полностью автоматизированы. Пакетирование повышает эффективность складирования продукции, ее хранения и доставки потребителю. Размещение пакетов на складе и их загрузка в транспортные средства осуществляется с помощью автопогрузчика. Для перемещения пакетов черного металла возможно применение магнитной шайбы. Процессы компактирования хвостов сортировки и их удаления в контейнерах в уплотненном виде снижают транспортные расходы.

Мусоровозы, доставляющие отходы на сортировку, проходят радиометрический контроль, взвешиваются и разгружаются на ровную бетонную площадку при минимальных размерах 30 × 30 м. С помощью фронтальных погрузчиков отходы подаются в хвостовую часть заглубленного ленточного конвейера или пластинчатого питателя легкого типа. Оптимальный вариант – использование горизонтально-наклонного питателя, к пластинам которого крепится резиновая лента, предотвращающая просыпь материала. Верхняя ветвь питателя – конвейера, подающего материал на сортировочный конвейер, заглублена на 0,4 м. Производительность линии сортировки, в зависимости от состава обогащаемого сырья, колеблется от 3 до 5 т/ч.

Отобранные в качестве вторсырья компоненты сбрасываются в люки и попадают либо в стоящие на нижней отметке контейнеры, либо в накопительные емкости – бункеры, расположенные на нижней отметке под сортировочной кабиной. Дном этих емкостей может служить горизонтальная конвейерная лента, что облегчает подачу на пакетирование макулатуры, пластмассы и текстиля. При этом осуществляется автоматическая подача материалов на горизонтально-наклонный конвейер, питающий пакетировочный пресс.

Для обслуживающего персонала, работающего на постах ручного отбора, посты оборудуются с двух сторон горизонтального сортировочного конвейера, создаются условия повышенного комфорта. Как правило, линии сортировки размещаются в специальных закрытых остекленных кабинах с местным усиленным освещением, пылеподавлением и кондиционированием воздуха. Сортировочные кабины, в свою очередь, находятся в здании, где размещается весь комплекс по приему сырья, его обработке и складированию продукции.

Механическая переработка ТКО

Механическая переработка – это совокупность технологических операций по измельчению, прессованию, брикетированию. Все это приводит к уплотнению и уменьшению объема мусора до 10 раз, что делает более удобными его транспортировку и хранение. Однако такие методы только упрощают проблему утилизации, но не решают ее полностью.

2. Оборудование для разборки и переработки твердых коммунальных отходов

Прессы. Без прессования отходов невозможно себе представить ни один завод по утилизации и переработке ТКО. После прессования отходы удобнее хранить и перевозить. Прессы могут иметь разные габариты: от гигантских до сравнительно небольших, способных уместиться на территории обычного магазина. В России используют два вида прессов – пакетировочные и брикетировочные.

По способу загрузки (рис. 1) прессы бывают вертикальные (с фронтальной загрузкой) и горизонтальные (способны сжимать мусор более плотно) .

а

 б

Рис. 1. Прессы для прессования ТКО: а – вертикальные; б – горизонтальные

Если размеры вертикальных прессов достаточно компактные, то горизонтальные обычно устанавливают только на больших заводах, так как их трудно уместить в обычном помещении. По назначению прессы бывают универсальные (для всех типов отходов) и специализированные (только для одного вида).

Компакторы. Очень близкими к прессам считаются компакторы (рис. 2). Из названия понятно, что они также делают мусор более сжатым. В основном на данном виде оборудования уплотняют ПЭТ – бутылки, полиэтиленовые пленки, алюминиевые банки, а также бумагу и картон. Для торговых комплексов такой вид оборудования незаменим, потому что там всегда есть необходимость в сжатии большого количества мусора. Компании по транспортировке отходов единогласно заявляют, что расходы на перевозку и хранение значительно снижаются благодаря уплотнению мусора с помощью компакторов. При этом совершенно не имеет значения, будет ли это компактор мобильный или стационарный.

Рис. 2. Мобильный компактор

У каждого из них есть свои плюсы и минусы. Если мобильные компакторы – это моноблоки, то стационарные компакторы содержат в себе пресс и сменный контейнер, что позволяет загружать намного больше отходов, чем в единый моноблок. Непрерывный цикл работы также значительно выделяет стационарный компактор среди другого утилизирующего оборудования. Хотя мобильный компактор можно использовать в разных местах, при этом его не нужно каждый раз монтировать и демонтировать вновь. Это герметично выполненная конструкция, что позволяет ей работать даже с влажными отходами.

Шредеры. Шредеры имеют совершенно иной тип работы, нежели прессы и компакторы. Они помогают в утилизации мусора тем, что измельчают или дробят его. Именно поэтому русскоязычные пользователи называют шредеры дробилками. Без них не обходится ни один завод по переработке ТКО (рис. 3). Шредеры предназначены для измельчения стекла, дерева, пластмасс, бумаги, резины, металла, органических и смешанных отходов, опасных веществ.

Рис. 3. Шредер

Некоторые шредеры работают только с одним видом отходов, например со стеклом. Но существует и немало моделей, которые предназначены для измельчения самого разнообразного мусора.

Контейнеры. С этим видом оборудования мы сталкиваемся ежедневно. Это привычные для нас емкости для мусора (рис. 4), которыми мы регулярно пользуемся. Материал, из которого изготавливаются контейнеры, – обычно пластик, хотя иногда встречается и металл. Контейнеры могут служить для раздельного хранения мусора либо для смешанных отходов. Не так давно контейнеры были стационарными, теперь все чаще встречаются емкости на колесах. Из контейнеров, оборудованных колесами, удобнее переваливать мусор в мусоровозы.

Рис. 4. Контейнеры

Сортировочные линии. Гораздо проще и эффективнее производить переработку ТКО в отсортированном виде. Для разного вида мусора существуют свои способы утилизации, поэтому так важно предварительно отделить один тип отходов от других. С этой целью на мусороперерабатывающих заводах в наши дни в обязательном порядке устанавливаются линии для сортировки отходов.

Рис. 5. Сортировочная линия

Сортировочные линии созданы для того, чтобы отделять твердые бытовые отходы по фракциям с целью их последующего прессования, уплотнения и превращения во вторичное сырье, которое затем может быть реализовано. Сортировочные линии стали неотъемлемой частью процесса переработки мусора.

3. Способы механической переработки мусора

Утилизация твердых отходов в большинстве случаев приводит к необходимости разделения на компоненты (в процессе очистки, обогащения, извлечения ценных составляющих) с последующей переработкой сепарированных материалов различными методами либо придания им определенного вида, обеспечивающего саму возможность утилизации отходов [43–53].

Измельчение, дробление. Процессы измельчения условно подразделяют на дробление (крупное, среднее и мелкое) и измельчение (тонкое и сверхтонкое). Измельчение материалов осуществляют путем раздавливания, раскалывания, истирания и удара. В большинстве случаев эти виды воздействия на материал используют комбинированно. При этом основное значение имеет один из них, что обусловлено конструкцией машины, применяемой для измельчения. В зависимости от физико-механических свойств и размеров кусков (крупности) измельчаемого материала выбирают тот или иной вид воздействия. Так, дробление твердых и хрупких материалов производят раздавливанием, раскалыванием и ударом, твердых и вязких – раздавливанием и истиранием.

Дробление материалов обычно осуществляется сухим способом (без применения воды), тонкое измельчение часто проводят мокрым способом (с использованием воды). При мокром измельчении пылеобразования не наблюдается и облегчается транспортирование измельченных продуктов.

Метод дробления используют для получения из крупных кусков перерабатываемого материала продуктов крупностью преимущественно 5 мм. Дробление широко используется при переработке отходов вскрыши при открытых разработках полезных ископаемых, отвальных шлаков металлургических предприятий, вышедших из употребления резиновых технических изделий, отвалов галита и фосфогипса, отходов древесины, некоторых пластмасс, строительных и многих других материалов (рис. 6).

Рис. 6. Дробилка передвижная

Метод измельчения используют при необходимости получения из кусковых отходов зерновых и мелкодисперсных фракций крупностью менее 5 мм. Процессы измельчения широко распространены в технологии рекуперации твердых отходов при переработке отвалов вскрышных и попутно извлекаемых пород открытых и шахтных разработок полезных ископаемых, вышедших из строя строительных конструкций и изделий, некоторых видов смешанного лома изделий из черных и цветных металлов, топливных и металлургических шлаков, отходов углеобогащения, некоторых производственных шламов и отходных пластмасс, пиритных огарков, фосфогипса.

Грохочение ТКО. Грохочение – процесс разделения твердых материалов на классы по крупности, осуществляется на просеивающей поверхности специальных аппаратов – грохотов.

В зависимости от назначения в технологической схеме переработки различают грохочение трех видов:

• подготовительное – перед обогащением, той или иной переработкой, дроблением;
• самостоятельное – для выделения определенного класса крупности в качестве готового или отвального продукта;
• обезвоживающее – для удаления из продукта основной массы воды после процессов мокрого обогащения (переработки).

Технически наиболее сложной является операция грохочения твердых материалов, содержащих глинистые компоненты, макулатуру, полимерную пленку и текстиль. Так, например, до настоящего времени нет аппаратов, обеспечивающих эффективность процесса грохочения влажных ТКО при высоком содержании в них текстильных компонентов (традиционный барабанный грохот (рис. 7) забивается текстилем в течение нескольких смен и перестает работать как сортирующее устройство). С повышением влажности понижается эффективность грохочения.

Теоретически при правильном режиме работы грохота все частицы исходного материала, размер которых меньше размера отверстий грохота, должны уйти в подрешетный продукт. В действительности вследствие несовершенной работы грохота и разнообразной формы кусков материала часть нижнего продукта всегда остается в надрешетном. Эффективность работы грохота характеризуется отношением массы подрешетного продукта грохота М к массе нижнего продукта в исходном материале М1 (η = М/М1).

Под оптимальной производительностью грохота имеют в виду его максимальную пропускную способность по исходному материалу (т/ч) при определенной заданной эффективности грохочения.

При прочих равных условиях чем дольше материал находится на грохоте, тем выше эффективность грохочения (повышается вероятность извлечения мелких классов в нижний продукт). При переработке твердых отходов наиболее часто применяются грохоты двух типов – барабанные и вибрационные; реже применяются колосниковые грохоты.

Барабанный грохот – наиболее распространенный аппарат, используемый в технологиях сепарации ТКО (рис. 7). Весьма часто применяют барабанные грохоты для промывки глинистых руд, для сортировки песка, гравия и щебня, а также при обогащении асбестовых, графитовых и некоторых других руд.

Рис. 7. Барабанный грохот

Барабанные грохоты имеют просеивающую поверхность цилиндрической, реже – многогранной формы.

Магнитная сепарация. Извлечение ферромагнитных металлов основано на их высокой магнитной восприимчивости и способности хорошо намагничиваться. К достоинству магнитной сепарации можно отнести то, что для извлечения металлов не требуется высокой напряженности электромагнитного поля, что делает извлечение ферромагнитных металлов достаточно дешевым.

Электродинамическая сепарация. Для выделения неферромагнитных или цветных металлов из потока смеси отходов или ТКО сухим способом применяется метод электродинамической сепарации – это процесс обогащения, основанный на использовании силового взаимодействия магнитного поля и вихревых токов, возникающих в электропроводном веществе под воздействием ЭДС, индуцированного магнитным полем (рис. 9).

Рис. 8. Мокрый магнитный сепаратор

Рис. 9. Принцип работы электродинамического сепаратора: 1–4 – детали сепаратора

К достоинствам данного метода можно отнести простоту оборудования, извлечение металлов без дробления, высокую производительность, возможность применения аппаратов из смежных областей. При движении материала в переменном магнитном поле или при действии на неподвижные электропроводные металлы переменного (бегущего) магнитного поля в проводнике индуцируется ЭДС и возникают вихревые токи, которые вступают во взаимодействие с первичным магнитным потоком, изменяя его индукцию. Эффектом взаимодействия контуров тока с породившим их магнитным потоком является, в частности, выталкивание неферромагнитных металлов из поля катушки переменного тока.

Лазерная сепарация. В настоящее время разработаны методы разделения макулатуры и полимерной пленки, которые основаны на использовании лазерной магнитной техники (рис. 10).

а

 б

Рис. 10. Лазерный сепаратор: а – принцип работы; б – промышленный лазерный сепаратор

Основой способа разделения материалов с помощью лазера является определение требуемого компонента среди других материалов посредством отраженного света при прохождении отходов в луче лазера. В инфракрасной зоне спектра электромагнитного излучения волокнистые материалы, подобные бумаге и картону, создают беспорядочно диффузное отражение, в то время как полимерные материалы – правильное отражение. Эти отражения улавливают и преобразовывают в электрические сигналы, которые используют для управления потоком воздух, отсортировывающим полимерную пленку от макулатуры.

Отсадка. Отсадка является высокопроизводительным, экономичным и универсальным способом разделения отходов. Отсадка представляет собой процесс разделения твердых частиц по плотности под действием переменных по направлению вертикальных струй воды (воздуха), проходящих через решето отсадочной машины.

Отсадке обычно подвергают предварительно обесшламленные широкоили узкоклассифицированные материалы оптимальной крупности 0,5–100 мм для нерудных и 0,2–40 мм для рудных материалов. В процессе отсадки материал расслаивается: в нижнем слое концентрируются тяжелые частицы, в самом верхнем – легкие мелкие. Получаемые слои разгружают отдельно.

Наиболее эффективна отсадка при разделении отходов, содержащих достаточно крупные зерна с сильно различающейся плотностью. В результате отсадки получают две фракции (I и II) материалов с различной плотностью и промежуточный продукт (III), который подлежит дальнейшему разделению.

При отсадке крупного материала на решете образуется так называемая постель – слой толщиной в 5–10 диаметров наибольших частиц. При отсадке мелкого материала (до 3–5 мм) на решете укладывают искусственную постель из крупных тяжелых частиц материала, размер которых в 3–4 раза превышает размер наиболее крупных частиц питания. Отсадочные машины (рис. 11) различаются способом создания пульсаций (движением диафрагмы, поршня, решета, пульсирующей подачей сжатого воздуха), типоразмерами, числом фракций выделяемых продуктов, конструктивными особенностями.

Рис. 11. Отсадочная машина

Аэросепарация ТКО – процесс обогащения в движущейся газовой (воздушной) среде, основанный на использовании различий в плотности компонентов и их скорости витания.

Аэросепарацию (пневмосепарацию) применяют при обогащении полезных ископаемых (угля, асбеста) и техногенного сырья (ТКО, дробленого электрокабельного лома – удаление неметаллических компонентов, дробленого демеркуризованного стеклобоя отработанных ртутных ламп, других отходов).

Аэросепарация эффективна для обеспыливания материалов, а также для выделения тонких классов крупности при сухом измельчении строительных материалов (воздушный сепаратор (рис. 12) работает в замкнутом цикле с аппаратом измельчения). Аэросепарацию при обогащении ТКО применяют для разделения потока отходов на легкую и тяжелую фракции (это необходимо, прежде всего, по условиям технологии извлечения металлов), а также для выделения горючих компонентов для последующей термической переработки, хотя, в принципе, возможна не только энергетическая утилизация легких компонентов. Кроме того, аэросепарацию применяют для очистки от примесей компоста, полученного из ТКО.

Рис. 12. Передвижной аэросепаратор

4. Анализ схем сортировки твердых коммунальных отходов

В зарубежной практике схемы сортировки ТКО наиболее часто начинается с операции грохочения. Отдельные классы крупности этой операции обогащаются раздельно тем или иным методом, что в итоге дает определенный технологический эффект. Однако отечественный опыт показывает, что установка барабанного грохота в начале процесса нецелесообразна, так как его отверстия легко забиваются текстильными и влажными компонентами. Аналогичные сложности отмечаются при грохочении исходных ТКО по классу 70–100 мм на заводах во Франции и Швейцарии.

Учитывая специфичность отечественных ТКО, механический перенос западных технологий сортировки в российские условия не является оптимальным решением. Любая западная технология должна быть адаптирована к российским условиям с учетом технологических свойств ТКО, отмеченных выше.

Рассмотрим технологические схемы сепарации ТКО ведущих зарубежных фирм, нашедшие практическое применение на заводах в различных странах за последнее время.

На рис. 13 приведена технологическая схема сортировки ТКО фирмы Orfa (Швейцария). Технология сортировки этой схемы отработана в Швейцарии на экспериментальном заводе производительностью 4 т/ч и продана в Японию (где уже построен опытный завод), Испанию, Чехию и Польшу. В 1997 г. технология предложена Правительству Москвы для решения проблемы переработки ТКО. Примерная стоимость оборудования для сортировки составляет 35 млн $ (производительность 250 тыс. т/год).

Рис. 13. Технологическая схема сортировки ТКО фирмы «Орфа» (Швейцария)

Цель рассматриваемой технологии – переработка ТКО только методами сепарации, без использования каких-либо других методов. Сущность технологии заключается в дроблении всей массы исходных ТКО до крупности менее 120 мм, магнитной сепарации дробленого продукта, грохочении немагнитной фракции по классу 10 мм с последующим дроблением крупной фракции до размера менее 10 мм и сушкой всего материала до сухого состояния при влажности 5 %.

Из высушенных мелкодробленых отходов с применением различных методов обогащения – магнитной и электрической сепарации, аэросепарации, грохочения, гравитационной сепарации – выделяют два готовых продукта (черные металлы и алюминий) и три полупродукта: легкая фракция, в которой сконцентрированы бумага и полимерная пленка, и две тяжелые – стекло, керамика и камни в одной, а также пластмассы, резина, дерево – в другой.

По данным фирмы Orfa, легкую фракцию можно использовать в производстве стройматериалов, для производства удобрений, связующего для сбора нефти при проливах, брикетированного топлива и др. Круг возможной реализации тяжелых фракций ограничен: инертные материалы можно использовать в дорожном строительстве, а фракцию, содержащую пластмассу, резину и дерево, – для изготовления покрытия для полов.

Из выделяемых для реализации материалов можно перерабатывать черные и цветные металлы, все остальные компоненты, сконцентрированные в трех фракциях при их суммарном выходе около 60 %, вовлечь в повторную переработку значительно сложнее. Поэтому технология фирмы Orfa интереса не представляет.

К числу очевидных недостатков технологии относится дробление всей массы исходных ТКО до тонкой – 10 мм – фракции. Второй серьезный недостаток – сушка всего материала и сепарация мелкодробленых отходов. ТКО как сырьевой источник значительно уступает по ценности минеральному сырью, поэтому механический перенос технологических приемов обогащения руд в область переработки ТКО не оправдан.

Недостатки технологии сепарации фирмы Orfa, а также серьезные трудности нахождения рынков сбыта выделяемых полупродуктов не позволяют рекомендовать ее для переработки российских ТКО.

На рис. 14 представлена технологическая схема сортировки ТКО фирмы Foster Wheeler (США) производительностью 500 тыс. т/год. Аналогичная схема проектируется для завода в г. Милане (Италия).

Рис. 14. Технологическая схема сортировки ТКО фирмы Foster Wheeler (завод «Робинз», г. Чикаго, США)

Целевое назначение технологии сортировки – максимально возможное выделение из ТКО топливной фракции при минимальном содержании в ней металлов, других минеральных компонентов и вредных примесей. Технологическая схема предусматривает грохочение до крупности 152 мм исходных ТКО и грохочение немагнитной фракции крупности 43 мм. Это объясняется морфологическим составом исходных ТКО, которые содержат всего 7 % пищевых и растительных отходов, специфичных для ТКО США.

Следует отметить, что при пуске завода освоение технологии вторичного грохочения было связано с определенными трудностями, связанными с забиванием отверстий барабанного грохота.

Оригинально решен вопрос извлечения цветных металлов из фракции, в которой они в основном концентрируются (класс –152 +63 мм); относительно небольшой выход этой фракции должен облегчать регулирование толщины слоя отходов в процессе электродинамической сепарации.

Очевидно, что грохочение российских ТКО по классу 150 мм неприемлемо, поскольку, по данным практики, неприемлемо грохочение даже по классу 250 мм; тем более невозможно реализовать грохочение по классу 40 мм. В российских условиях при решении задачи преимущественно энергетического использования ТКО технологическая схема сортировки должна быть иной, поскольку содержание в исходных ТКО пищевых и растительных отходов в среднем составляет 35 % (а не 7 %, как в США).

Таким образом, технология фирмы Foster Wheeler без ее адаптации не может быть рекомендована для сепарации российских ТКО.

На рис. 15 приведена схема сортировки ТКО фирмы Sorain Cecchini (Италия). Первые заводы, на которых осуществлялась сортировка ТКО, были введены в эксплуатацию в Риме еще в середине 1960-х гг. В настоящее время заводы этой фирмы функционируют в г. Перуджа и Фолино. Фирма Sorain Cecchini продала лицензии на свою технологию в Швейцарию, Чехию, Бразилию, Венесуэлу. Технология сортировки ТКО фирмы Sorain Cecchini предусматривает выделение четырех продуктов: черного металла, обогащенной органической фракции, пластиковых отходов и макулатуросодержащей фракции.

Сортировка ТКО для европейских заводов традиционно начинается с операции грохочения в барабанном грохоте с отверстиями 100 мм. Фракция –100 мм проходит вторую стадию грохочения в барабанном грохоте по классу –10 мм и направляется на компостирование. Фракция –10 мм является отвальной, она представляет собой землистый продукт. Выход обогащенной органической фракции, направляемой на компостирование, около 25 % по массе от исходного.

Рис. 15. Технологическая схема сортировки и переработки ТКО на заводах фирмы Sorain Cecchini (Италия)

Тяжелая фракция аэросепарации является отвальной, ее выход совместно с классом –10 мм грохочения составляет около 60 %. Степень утилизации ТКО на заводе не превышает 40 %.

Особенностью технологической схемы является операция разделения пленки и бумаги. Для разделения этих компонентов применяется избирательное дробление, использующее различия в эластичности пленки и бумаги. Затем грохочение в барабанном грохоте по классу 200 мм и затем происходит аэросепарация класса +200 мм; выход легкой фракции аэросепарации 1–1,5 %, она преимущественно содержит пленку. В класс –200 мм грохочения преимущественно попадает бумага, она направляется на производство топливных брикетов.

В целом анализируемая технологическая схема эффективна и применительно к итальянским ТКО. Ее основные недостатки заключается в следующем:

• одностадийная магнитная сепарация, не обеспечивающая высокого извлечения черного металла;
• отсутствие перечистки магнитного концентрата, в связи с чем черный металл загрязнен примесями;
• полная потеря цветных металлов;
• относительно невысокая эффективность аэросепарации ТКО, рассчитанная на сортировку сухих отходов.

Очевидно, использовать эту схему целиком для технологий российских ТКО нецелесообразно, заслуживают внимания лишь отдельные технологические операции.

На рис. 16 приведена схема сортировки ТКО фирмы Asahi Juken (Япония), предложенная для реализации в Москве в 1997 г.

Технология предусматривает грохочение исходных ТКО по классу 50 и 200 мм в трехзонном барабанном грохоте, последующую раздельную магнитную сепарацию мелких классов –50 мм и –200 +50 мм и ручную сортировку крупной фракции +200 мм. В процессе ручной сортировки фракции +200 мм предполагается выделять смесь пластмассовых отходов и цветной металл; аналогичная ручная сортировка предусмотрена для средней фракции –200 +50 мм. Отходы ручной сортировки подвергаются магнитной сепарации. Хвосты от нее поступают на дробление и затем на аэросепарацию с выделением легкой фракции для производства этанола. Тяжелая фракция аэросепарации является отвальной.

Рис. 16. Технологическая схема сортировки ТКО фирмы Asahi Juken (Япония)

Фракция +100 мм подвергается одностадийной магнитной сепарации и затем аэросепарации, где в месте перегрузки с конвейера на конвейер материал подвергается току воздуха, легкие компоненты при этом засасываются воздухом и выносятся в циклон.

Из хвостов магнитной сепарации мелких классов первичного грохочения –50 мм также с помощью воздушной сепарации выделяют мелкую фракцию, направляя ее в производство этанола.

Технологическую схему фирмы Asahi Juken нельзя считать эффективной. КПД первичного грохочения по узким классам крупности невысок, не оправдана реализация магнитной сепарации в четырех точках технологической схемы. Цветные металлы практически не содержатся в классе +200 мм, и их извлечение из этого класса планировать нельзя. Не оправдано двухстадийное дробление класса +200 мм, значительная часть пищевых и растительных отходов в производство этанола не поступает и безвозвратно теряется в виде тяжелой фракции аэросепарации. Совершенно очевидно, что практическое использование технологической схемы для сепарации российских ТКО нецелесообразно.

На рис. 17 приведена технологическая схема сортировки ТКО на заводе в г. Кельне (Германия). По существу, это первый в Германии опыт включения в технологическую схему промышленной переработки ТКО операции сортировки отходов перед их сжиганием. Этот опыт можно рассматривать как развитие методов подготовки ТКО к сжиганию, решаемой в основном за счет организации селективного сбора отходов в местах их образования.

Рис. 17. Технологическая схема сортировки ТКО на заводе в г. Кельне (Германия)

Как видно из рис. 17, первичная сортировка исходных ТКО на заводе осуществляется в трехзонном барабанном грохоте по классу 80 и 400 мм. Класс –80 мм подвергается магнитной сепарации и направляется на сжигание. Класс –400 +80 мм подвергается магнитной сепарации и ручной сортировке и также направляется на сжигание, класс +400 мм (выход – 15 %) подвергается дроблению и сжиганию.

Технологическая схема сортировки ТКО в г. Кельне не является совершенной, что признают сами немецы, объясняя это небольшим опытом в создании технологии сепарации отходов. Основные недостатки технологии: грохочение по классу 80 мм неэффективно; не предусмотрено извлечение цветных металлов; низкое извлечение черного металла из класса –400 +80 мм в условиях нерегулируемого потока отходов большой толщины.

Анализ пяти современных зарубежных схем сепарации ТКО показывает, что они не являются универсальными. Их нецелесообразно использовать при переработке российских ТКО, отличающихся более сложным составом. В большинстве случаев зарубежные технологии, решая частную задачу извлечения тех или иных ценных компонентов для коммерческой реализации, не предусматривают создание условий, обеспечивающих полноту извлечения этих компонентов и не решают комплексно задачу подготовки отходов к дальнейшей переработке тем или иным способом.

Лучшая из анализируемых технологическая схема сепарации ТКО фирмы Foster Wheeler. Заслуживают внимания построение технологии фирмы Sorain Cecchini. Практикой доказана также невысокая эффективность грохочения исходных ТКО по тонким классам крупности, поэтому схемы, включающие такие операции, не оптимальны для российских ТКО. Применение ручного труда в технологиях сепарации ТКО не является достоинством технологии, а механизированное извлечение цветных металлов из ТКО реализовано только на фирме Foster Wheeler. Вместе с тем ни одну из этих технологий нецелесообразно использовать без адаптации для сепарации российских ТКО.

Как показывает анализ, практически все зарубежные технологии предусматривают регулирование потока отходов, подвергаемых сепарации, с помощью грохочения. Очевидно, эффективность технологии сепарации должна быть выше, если для регулирования потока отходов, направляемых на сепарацию, использовать не только методы грохочения, а также воздушную сепарацию, разделяющую поток ТКО на легкую и тяжелую фракции. Аэросепарация основного потока ТКО также является операцией, способствующей подсушке отходов, повышению полноты извлечения металлов, отделению инертных компонентов.

Таким образом, по-прежнему актуальна задача использования на отечественных заводах работоспособной технологии сепарации ТКО, учитывающей их специфический состав, а также достижения мировой практики в этой области.

На рис. 18 представлена технологическая схема сортировки ТКО перед их сжиганием, заложенная в проект московского завода № 4 (промзона Руднево). Проектная технологическая схема сортировки ТКО на заводе в Руднево начинается аналогично зарубежной практике с операции грохочения исходных ТКО (по классу 250 мм). Класс +250 мм подвергается магнитной сепарации, дроблению и вторичному грохочению по тому же классу 250 мм. Класс +250 мм вторичного грохочения после дробления объединяется с классами –250 мм первичного и вторичного грохочения.

Рис. 18. Технологическая схема сортировки ТКО на заводе № 4. Промзона Руднево

Объединенный продукт поступает на извлечение черных и цветных металлов. Технологическая схема предусматривает возможность направления фракции +250 мм вторичного грохочения непосредственно в отвал (на полигон захоронения), минуя операции дробления и извлечения металлов, а также возможность направления продукта первичного дробления в операцию электродинамической сепарации, минуя операции вторичного грохочения, дробления и магнитной сепарации.

Основные недостатки рассматриваемой технологии сортировки ТКО:

• технологическая схема является умозрительной, она нигде не апробирована;
• установка барабанного грохота в голове процесса ошибочна (отверстия забиваются текстильными и влажными компонентами), эффективность первичного грохочения исходных ТКО невелика (не более 50 %);
• включение в технологическую схему операции вторичного грохочения по тому же классу не имеет смысла и только повышает стоимость производства;
• не предусмотрена перечистка черного металла, в связи с чем магнитный продукт будет сильно загрязнен посторонними примесями, что недопустимо (требования ГОСТ 2787–83).

Эта технология не учитывает состав и свойства исходного сырья как объекта обогащения, не соответствует уровню мировой практики и, по существу, неработоспособна.

По данным ситового анализа, основная часть ТКО, образующихся у населения, приходится на класс –150 мм. В этом классе концентрируется около 80 % черного металла, 80 % луженой тары, более 95 % лома алюминия, 60 % бумаги. При обогащении ТКО стоит техническая задача селективного разделения компонентов, входящих в узкий класс крупности –200(–150) +0 мм, а также отделения крупнокусковых компонентов.

Технологическая схема сортировки ТКО, основные операции которой отработаны на потоке ТКО при производительности 15 т/ч, приведена на рис. 19. Определенная последовательность операций, применение оригинальных аппаратов и технологических режимов, не имеющих аналогов за рубежом, использование прогрессивных элементов зарубежных разработок обеспечивают высокую эффективность и надежность апробированной российской технологии.

Технологическую схему (рис. 19), разработанную в ВИВРе, отличает от зарубежных наличие двух операций, предшествующих традиционному грохочению: магнитной сепарации и процесс удаления из потока текстильных и крупных пленочных компонентов, осуществляемого в аппарате оригинальной конструкции. Эти две операции оптимизируют последующее грохочение по классу 250 мм. Второе отличие отечественной технологии – регулирование основного потока ТКО (выход 65–70 % от исходного) с помощью воздушной сепарации, что позволяет оптимизировать последующие операции сортировки и подсушить компоненты легкой фракции.

Технология обеспечивает высокое извлечение металлов (черных – на уровне 95–98 %, цветных – на уровне 85 %) в самостоятельные продукты, удовлетворяющие требованиям российских стандартов, однако схема не реализована ни на одном российском предприятии.

Рис. 19. Технологическая схема сортировки ТКО (разработана в ВИВРе)

Принципы построения технологической схемы сепарации ТКО

Исследование сепарационных операций, изучение ТКО как объекта сепарации и анализ практики действующих предприятий позволяют обоснованно сформулировать принципы построения технологической схемы сепарации ТКО и объединения отдельных операций в единую технологию:

• выделение в голове процесса главных компонентов, затрудняющих последующую сепарацию;
• минимизация количества отходов для дробления;
• раздельная сепарация легкой и тяжелой фракции;
• реализация в схеме возможности регулирования массового потока отходов;
• направление на аэросепарацию и электродинамическую сепарацию фракции крупностью –250 мм;
• наиболее полное выделение черных металлов перед электродинамической сепарацией;
• максимально возможное удаление балластных и экологически опасных компонентов из фракции ТКО, направляемой на термообработку.

Наиболее полное и селективное разделение ТКО на компоненты достигается при монослойной подаче их к сортирующим аппаратам и устройствам, когда отдельные компоненты не перекрывают друг друга и находятся в разъединенном состоянии. Монослойную подачу отходов в процесс сепарации обеспечивают их разделение на легкую и тяжелую фракции и ступенчатое увеличение скорости потока ТКО (от 0,2до 1,5 м/с).