CC BY
15Научная статья УДК 622; 621.3
doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.008
РАЗРУШЕНИЕ ТВЁРДЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ОТХОДОВ ИМПУЛЬСАМИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Василий Николаевич Селиванов1, Андрей Александрович Климов2
12Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра
Российской академии наук, Апатиты, Россия
1v.selivanov@ksc.ru
2a.klimov@ksc.ru
Аннотация
В настоящее время большая часть твёрдых техногенных отходов перерабатывается с применением комплексов механического дробления для выделения ценного сырья. Однако переработка высокопрочных композиционных отходов, в частности абразивных изделий и конструкций из армированного волокном бетона, с помощью механического дробления зачастую сопровождается повышенным износом измельчающих агрегатов, загрязнением регенерированного продукта и снижением его потребительских качеств. Показано, что использование высоковольтных разрядов для разрушения твёрдых непроводящих отходов позволяет с незначительными энергозатратами разделять их компоненты и получать пригодное для возвращения в производственные процессы сырьё. Ключевые слова:
электроимпульсная дезинтеграция (ЭИД), техногенные отходы, абразивные изделия, электрокорунд, высокопрочный бетон, энергоёмкость разрушения Благодарности:
работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 20-38-90233, а также в рамках государственного задания Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук (FMEZ-2022-0014). Для цитирования:
Селиванов В. Н., Климов А. А. Разрушение твёрдых композиционных отходов импульсами высокого напряжения // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2022. Т. 13, № 3. С. 79-86. doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.008
Original article
FRACTURING OF SOLID COMPOSITE WASTE WITH HIGH VOLTAGE PULSES Vasilii N. Selivanov1, Andrey A. Klimov2
12Northern Energetics Research Centre of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia 1 v.selivanov@ksc.ru 2a.klimov@ksc.ru
Abstract
Resently most of the solid technogenic waste is recycled using mechanical crushing complexes to separate valuable raw materials. However, the recycling of high-strength waste, in particular, abrasive products and structures made of fiber-reinforced concrete, with mechanical crushing is often accompanied by increased wear of crushing units, contamination of the recovered product and a decrease in its consumer qualities. This article shows that the use of high voltage pulses for destruction of solid non-conductive waste allows to separate their components with insignificant energy costs and obtain a suitable raw material for returning to production processes. Keywords:
electric pulse disintegration (EPD), technogenic waste, abrasive products, fused alumina, high perfomance concrete, specific breakage energy Acknowledgments :
the work was carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research within the framework of scientific project No. 20-38-90233 and within the framework of the State Research Program of the Northern Energetics Research Centre of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences (FMEZ-2022-0014). For citation:
Selivanov V. N., Klimov A. A. Fracturing of solid composite waste with high voltage pulses // Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2022. Vol. 13, No. 3. P. 79-86. doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.008
Введение
Множество законодательных актов и нормативных документов Российской Федерации направлено на развитие программ по созданию экологически чистых и энергетически эффективных промышленных производств. Одним из основных направлений таких программ является переработка скапливающихся отходов промышленности и возврат пригодного для повторного применения сырья в производственный цикл. По различным оценкам [1], более 90 % от массы всех образующихся отходов промышленности составляют отходы производства (техногенные отходы).
Одними из наиболее перспективных в плане полноты переработки и лёгкости вторичного использования можно считать отходы бетонных и железобетонных (ЖБИ) изделий и неликвиды абразивных изделий на твёрдой основе. Абразивная промышленность России, по данным РАПТЭ за 2013 г. [2], способна выпускать более 122 млн единиц абразивных кругов, 10 % из которых составляют изделия на твёрдой основе. Основными потребителями абразивного инструмента являются железнодорожная, судо- и автомобилестроительная промышленность, предприятия тяжёлого и энергетического машиностроения, деревообрабатывающая промышленность. Абразивные инструменты, не прошедшие проверку качества после изготовления, повреждённые в ходе эксплуатации или использованные до утраты потребительских свойств, складируются на специальных полигонах или применяются в подсобном строительстве. Отходы бетонных и ЖБИ-производств и строительный мусор от сноса зданий также утилизируются с помощью хранения на полигонах [3].
По данным Росстата и Мурманскстата, в год на территории Мурманской области в совокупности образуется около 6-7 тыс. т боя и лома бетонных, ЖБИ и абразивных изделий, и только около 12 % из них подвергается переработке [4]. Федеральный классификационный каталог отходов (ФККО) относит лом абразивов и бетона к практически неопасным отходам V класса, поэтому они могут быть почти полностью подвергнуты рециклингу.
Современные технологические линии по переработке абразивных изделий чаще всего включают в себя их механическое сухое крупнокусковое дробление с помощью щёковых дробилок и последующее доизмельчение валковыми дробилками, что всегда связано с определёнными трудностями: высокой энергоёмкостью многостадийного процесса разрушения [5]; высоким износом измельчающего оборудования [6]; загрязнением конечного продукта материалом дробилок и, как следствие, введением в процесс переработки стадии магнитной сепарации; переизмельчением исходного сырья из-за высокой хрупкости абразивных кристаллов; снижением эксплуатационных характеристик продукта.
Аналогичные сложности сопровождают переработку и разделение компонентов новых видов ЖБИ, например блоков высокопрочного бетона, армированного металлическим, стеклянным или синтетическим волокном. Такие конструкции всё в большем количестве применяются в арктических регионах с сильными температурными колебаниями из-за их повышенной прочности, пластичности и морозостойкости. Механическое дробление этих изделий затруднено и всегда сопровождается ухудшением свойств входящих в их состав компонентов.
Также значительным недостатком сухого механического дробления является высокое пылеобразование, поскольку пыль абразивная и пыль бетонная, по ФККО, относятся уже к IV классу опасности и для них устанавливаются определённые технологические требования по улавливанию и обезвреживанию.
Недостатки существующих технологических циклов переработки приведённых твёрдых техногенных отходов обуславливают необходимость поиска эффективных альтернатив для решения проблемы их накопления и утилизации. В последние годы наблюдается повышенный интерес исследователей к использованию электроимпульсных технологий в сфере переработки различных отходов промышленности, которые связаны с применением электрических разрядов с большими энергиями в газовых или жидких средах для измельчения материалов [7-9] естественного и искусственного происхождения.
Метод ЭИД представляет собой способ контролируемого нарушения целостности композиционных материалов с разделением входящих в их состав компонентов. Данный эффект достигается за счёт формирования в толще материала канала разряда с помощью источников коротких импульсов высокого напряжения. Быстрое развитие канала приводит к появлению всесторонних деформаций
растяжения внутри материала и распространению ударных акустических волн, разрушающих объект воздействия изнутри. Поскольку развитие канала происходит по границам различных фаз, при разрушении наблюдается высвобождение разнородных включений, находящихся в структуре дробимого материала. ЭИД осуществляется в диэлектрических жидкостях, поскольку их импульсная прочность намного превышает прочность твёрдых веществ.
Исследование ЭИД изделий из абразивных материалов, бетона и ЖБИ
В Центре физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук (ЦЭС КНЦ РАН) были проведены экспериментальные исследования по ЭИД отходов абразивных изделий на твёрдой основе. Такие изделия представляют собой композицию, в которой зерна абразива жестко закреплены материалом стеклообразного связующего вещества. Структура композиции включает три различные фазы: кристаллы абразива, связку и воздушные включения (рис. 1). Данные фазы равномерно распределены по всему объёму абразивного изделия. В промышленности основная масса шлифовальных изделий на твёрдой основе изготавливается из зернового электрокорунда, который является диэлектрическим материалом.
Рис. 1. Пример структуры абразивных изделий на керамической основе: 1 — зёрна абразивного материала; 2 — связка; 3 — поры Fig. 1. Example of the structure of vitrified bonded abrasive products: 1 — grains of abrasive material; 2 — bond; 3 — pores
Для подтверждения применимости ЭИД при переработке абразивов было исследовано дробление образцов, представляющих собой бой-лом колец из белого, нормального и хромотитанистого электрокорундов с керамическим связующим (рис. 2). Представленные виды электрокорунда отличались по своему химическому составу и по чистоте использованного для изготовления кристаллов сырья. Все образцы содержали в себе абразивные кристаллы с показателем зернистости F40/46 по стандарту FEPAF, то есть размер фракции исходных кристаллов электрокорунда находился в диапазоне 600-300 мкм, а основная фракция зёрен, то есть не менее 40 % массы фракции, имела размер от 425 до 355 мкм. Линейные размеры образцов колебались в довольно широких диапазонах: высота колец — от 50 до 150 мм, толщина — от 60 до 160 мм.
Для воздействия на образцы был применён семиступенчатый генератор импульсных напряжений (ГИН) с запасаемой в накопителях энергией 1,4 кДж, создававший импульсы с длительностью фронта порядка 250 нс и амплитудой напряжения в 320 кВ.
Эксперименты по дроблению проводились в специальной измельчительной камере с изоляционной конструкцией и электродной системой, близкой к конфигурации «остриё — чаша». Устройство камеры изображено на рис. 3. В процессе дезинтеграции фрагментированный материал проходил через перфорированный электрод-классификатор, определявший крупность получаемого продукта. Абразивные изделия подвергались последовательному дроблению на четырех ситах с размерами отверстий от 15 до 1 мм с выделением необходимых фракций на каждой стадии. Таким образом, исследуемый материал доводился до крупности менее 1 мм, поскольку данная фракция с минимальной обработкой может быть использована повторно.
Рис. 2. Образец абразивного кольца из хромотитанистого электрокорунда
Fig. 2. Sample of a vitrified grinding wheel made of pink fused alumina with titanium dioxide
Рис. 3. Устройство измельчительной камеры:
1 — высоковольтный электрод; 2 — изоляционный корпус камеры; 3 — вода; 4 — лом абразивных изделий;
5 — сито-классификатор; 6 — емкость для продукта дробления Fig. 3. Design of the crushing chamber:
1 — high-voltage electrode; 2 — insulating body of the chamber; 3 — water; 4 — abrasive scrap; 5 — sieve electrode;
6 — container for fractured product
Данные по фракционным составам продуктов дезинтеграции показали, что уже при уменьшении крупности образцов до 15 мм выход фракции менее 1 мм составляет 30-40 % по массе, что подтверждает высокую селективность электроимпульсного метода при измельчении твёрдых диэлектрических материалов с резко неоднородной структурой (таблица). Фракционные распределения продуктов измельчения размером менее 1 мм свидетельствуют о том, что после прохождения последнего сита-классификатора около 80 % массы зёрен, высвобожденных из связующего состава, соответствует по размерам кристаллическому материалу, использованному для изготовления изделий (рис. 4). Для сравнения: в техпроцессе механической переработки неликвидов абразивов с помощью щёковой дробилки на Волжском абразивном заводе (ВАЗ) более 60 % фракции подвергается переизмельчению, при этом до 25 % фракции уходит в размер менее 200 мкм, которая не используется ВАЗ как зерновой материал для абразивных изделий и применяется для производства огнеупоров. Энергоёмкость разрушения абразивов составила 7-15 кВт • ч / т в зависимости от стадии измельчения.
Выход продуктов измельчения в класс менее 1 мм для разных стадий ЭИД и энергозатраты на измельчение на данной стадии Fractured product yield of less than 1 mm size class for different stages of the EPD and specific breakage energy at each stage
Конечная крупность измельчения, мм 15 5 2 1
Содержание фракции менее 1 мм, % 32-42 47-50 78-85 100
Средняя энергоёмкость измельчения, кВт • ч / т 7,2 7,6 11,0 15,0
Рис. 4. Усреднённое фракционное распределение продуктов ЭИД абразивов размером менее 1 мм Fig. 4. Average grain size distribution of EPD abrasive products in less than 1 mm size class
Проверка полученных зерновых материалов из трех видов электрокорунда специалистами ВАЗ показала, что метод ЭИД высвобождает кристаллы абразива из керамической матрицы в практически нетронутом состоянии, прочностные характеристики регенерированного зерна не уступают таковым у нового, а его себестоимость значительно ниже. Полученный продукт может быть использован в повторном изготовлении абразивных изделий или в операциях гидроабразивной резки и абразивоструйной очистки на предприятиях, имеющих литейное, сварочное или механообрабатывающее производство с применением абразивных изделий в технологических процессах.
Схожую с абразивами структуру имеют изделия из бетона и железобетона, в которых в цементную матрицу с воздушными полостями включены фрагменты заполнителя из горных пород и искусственных материалов. Исследования по электроимпульсному измельчению кускового бетона и железобетона проводились ранее в Томском политехническом университете. В отношении разрушения некондиционного ЖБИ имеются сведения [10] об опытных образцах установок с применением перемещаемой одноэлектродной системы, в которых достигалась производительность разрушения плит в 1,2 м3 / ч при удельных энергозатратах в 2 кВт • ч / м3. Исследователи из Технологического института Карлсруэ (Германия) сообщали о создании прототипа полупромышленной установки FRANKA-Stein для селективного разрушения бетона с производительностью 1 т / ч и практически полным выделением гравийного заполнителя и армирующих материалов [11]. Наиболее актуальными являются данные исследовательской группы из французской компании BRGM (Bureaude Recherches Géologiqueset Minières), которой при измельчении блоков сверхвысокопрочного бетона с металлическим волокном (UHPFRC) с помощью установки SELFRAGAG удалось достичь 60 %-го уровня извлечения очищенных металлических волокон из массы блоков при уровне энергозатрат в 13,4 кВт • ч / т [12]. Также ими было отмечено, что на процесс фрагментации существенным образом не влияет прочность бетона на сжатие, что говорит о широкой применимости метода ЭИД для разрушения различных отходов бетона и ЖБИ.
Проведённые в ЦЭС КНЦ РАН эксперименты подтвердили возможность электроимпульсного разрушения лома ЖБИ с полным высвобождением стальной арматуры при уровне энергозатрат порядка 1 кВт • ч / м3 для изделий с гравийным заполнителем крупностью 0,5-7 см. Пример кускового разрушения представлен на рис. 5.
Рис. 5. Высвобождение стальной арматуры из бетона при электроимпульсном воздействии: 1 — образец ЖБИ до ЭИД; 2 — разрушенный образец
Fig. 5. Separation of steel reinforcement from concrete with electric pulse treatment: 1 — reinforced concrete sample before EPD; 2 — fractured sample
Заключение
Для представленных в статье техногенных композиционных отходов можно выделить следующие преимущества ЭИД перед механическим дроблением: 1) высокая селективность дробления неоднородных по составу и структуре материалов, обусловленная физикой процесса электрического пробоя; 2) низкий износ измельчающего оборудования, поскольку основным рабочим телом процесса является электрическая искра, а эрозия поверхности электродной системы минимальна; 3) отсутствие ограничений по твёрдости дробимого материала; 4) отсутствие дополнительного загрязнения продуктов при дроблении особо твёрдых материалов; 5) отсутствие сильного пылеобразования, поскольку измельчение происходит в водной среде (что особенно важно, например, в случае переработки отходов, загрязнённых радиоактивными веществами).
Таким образом, электроимпульсный метод переработки твёрдых техногенных отходов в определённых случаях может являться экологичной альтернативой традиционному механическому дроблению, сочетающей в себе малые энергетические затраты на процесс и высокую эффективность разделения компонентов перерабатываемых материалов.
Список источников
1. Романова С. М., Степанова С. В., Ярошевский А. Б. Процессы, аппараты и оборудование для защиты литосферы от промышленных и бытовых отходов. Казань: Изд-во КНИТУ, 2012. 144 с.
2. Абразивный инструмент: целесообразность и перспективы импортозамещения // Портал «master-forum.ru». М., 2014. URL: https://master-forum.ru/abrazivnyj-instrument-tselesoobraznost-i-perspektivy-importozameshheniya/ (дата обращения: 18.09.2022).
3. Electrical fragmentation applied to the recycling of concrete waste — Effect on aggregate liberation / S. Touzé, K. Bru, Y. Ménard [et al.] // International Journal of Mineral Processing. 2017. Vol. 158. P. 68-75.
4. Территориальная схема обращения с отходами, в том числе с твердыми коммунальными отходами Мурманской области. Приложение 1 (материалы в табличной форме, таблицы 1-8.2, 10-16) // Официальный сайт органов местного самоуправления города Кировска Мурманской области. URL: https://kirovsk.ru/main/oos/territorialnaya_shema_obraweniya_s_tko/ (дата обращения: 18.09.2022).
5. Ревнивцев В. И. Вибрационная дезинтеграция твердых материалов / В. И. Ревнивцев, Г. А. Денисов, Л. П. Зарогатский, В. Я. Туркин. М.: Недра, 1992. 429 с.
6. Клушанцев Б. В., Косарев А. И., Муйземнек Ю. А. Дробилки. Конструкция, расчет, особенности эксплуатации. М.: Машиностроение, 1990. 320 с.
7. Емелин М. А., Морозов В. Н., Новиков Н. П. Новые методы разрушения горных пород: учеб. пособие для горно-геологических вузов. М.: Недра, 1990. 239 с.
8. Electro-hydraulic fragmentation vs conventional crushing of photovoltaic panels — Impact on recycling / S.-M. Nevala, J. Hamuyuni, T. Junnila [et al.] // Waste Management. 2019. Vol. 87. P. 43-50.
9. The stripping effect of using high voltage electrical pulses breakage for waste printed circuit boards / C. Duan, J. Han, S. Zhao [et al.] // Waste Management. 2018. Vol. 77. P. 603-610.
10. Зиновьев Н. Т. Электроимпульсное разрушение некондиционного железобетона // Обогащение руд.1989.№ 4. C. 43-45.
11. FRANKA-Stein: Design, operation and industrial application / P. Hoppe, J. Singer, H. Bluhm [et al.] // IEEE Conference Record of the 25th Power Modulator Symposium. 2002. P. 559-562.
12. Investigation of lab and pilot scale electric-pulse fragmentation systems for the recycling of ultra-high performance fibre-reinforced concrete / K. Bru, S. Touzé, P. Auger [et al.] // Minerals Engineering. 2018. Vol. 128. P. 187-194.
References
1. Romanova S. M., Stepanova S. V., Jaroshevskij A. B. Processy, apparaty i oborudovanie dlja zashhity litosfery ot promyshlennyh i bytovyh othodov [Processes, devices and equipment for protecting the lithosphere from industrial and household waste]. Kazan, KNITU, 2012, 144 p. (In Russ.).
2. Abrazivnyj instrument: celesoobraznost' i perspektivy importozameshhenija [Abrasive tools: feasibility and prospects of import substitution]. (In Russ.). Available at: https://master-forum.ru/abrazivnyj-instrument-tselesoobraznost-i-perspektivy-importozameshheniya/ Accessed 18.09.2022).
3. Touzé S., Bru K., Ménard Y., Weh A., Von der Weid F. Electrical fragmentation applied to the recycling of concrete waste — Effect on aggregate liberation. International Journal of Mineral Processing, 2017, vol. 158, pp. 68-75.
4. Territorial'naja shema obrashhenija s othodami, v tom chisle s tverdymi kommunal'nymi othodami Murmanskoj oblasti. Prilozhenie 1 (materialy v tablichnoj forme, tablicy 1-8.2, 10-16) [Territorial scheme of waste management, including solid municipal waste of the Murmansk region]. (In Russ.). Available at: https://kirovsk.ru/main/oos/territorialnaya_shema_obraweniya_s_tko/ Accessed 18.09.2022).
5. Revnivcev V. I., Denisov G. A., Zarogatskij L. P., Turkin V. Ja. Vibracionnaja dezintegracija tverdyh materialov [Vibrational disintegration of solid materials]. Moscow, Nedra, 1992, 429 p. (In Russ.).
6. Klushancev B. V., Kosarev A. I., Mujzemnek Ju. A. Drobilki. Konstrukcija, raschet, osobennosti jekspluatacii [Crushers. Design, calculation, operation features]. Moscow, Mashinostroenie, 1990, 320 p. (In Russ.).
7. Emelin M. A., Morozov V. N., Novikov N. P. Novye metody razrushenija gornyh porod: uchebnoe posobie dlja gorno-geologicheskih vuzov [New methods of rock destruction: a textbook for mining and geological universities]. Moscow, Nedra, 1990, 239 p. (In Russ.).
8. Nevala S. M., Hamuyuni J., Junnila T., Sirvió T., Eisert S., Wilson B. P., Serna-Guerrero R., Lundstrom M. Electro-hydraulic fragmentation vs conventional crushing of photovoltaic panels — Impact on recycling. Waste Management, 2019, vol. 87, pp. 43-50.
9. Duan C., Han J., Zhao S., Gao Z., Qiao J., Yan G. The stripping effect of using high voltage electrical pulses breakage for waste printed circuit boards. Waste Management, 2018, vol. 77, pp. 603-610.
10. Zinov'ev N. T. Jelektroimpul'snoe razrushenie nekondicionnogo zhelezobetona [Electric pulse destruction of substandard reinforced concrete]. Obogashhenie rud [Ore Dressing], 1989, no. 4, pp. 43-45. (In Russ.).
11. Hoppe P., Singer J., Bluhm H., Frey W., Giese H., Massier H., Edinger W., Schweike U. FRANKA-Stein: Design, operation and industrial application. IEEE Conference Record of the 25th Power Modulator Symposium, 2002, pp. 559-562.
12. Bru K., Touze S., Auger P., Dobrusky S., Tierrie J., Parvaz D. Investigation of lab and pilot scale electric-pulse fragmentation systems for the recycling of ultra-high performance fibre-reinforced concrete. Minerals Engineering, 2018, vol. 128, pp. 187-194.
Информация об авторах
В. Н. Селиванов — кандидат технических наук, директор;
А. А. Климов — младший научный сотрудник.
Information about the authors
V. N. Selivanov — PhD (Engineering), Director;
A. A. Klimov — Junior Researcher.
Статья поступила в редакцию 15.09.2022; одобрена после рецензирования 20.09.2022; принята к публикации 08.10.2022.
The article was submitted 15.09.2022; approved after reviewing 20.09.2022; accepted for publication 08.10.2022.
