CC BY
4Раздел 6. Современные инновации и технологии
УДК 628.543
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЖИДКИХ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ И ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ПОМОЩЬЮ УСТАНОВКИ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО
ГОРЕНИЯ
Урецкий Е.А.1, Николенко И. В.2, Мороз В. В.3
'Республиканское унитарное предприятие Белорусский государственный проектный институт "БелГПИ" 10602, Республика Беларусь, г. Витебск, ул. Пушкина, 6. e-mail: euretsky@yandex.by 2Институт «Академия строительства и архитектуры», ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского» 295493, Республика Крым, г. Симферополь, ул. Киевская 181 e-mail: energia-09@mail.ru 3Брестский государственный технический университет 224017 Республика Беларусь г. Брест, ул. Московская, 267 e-mail: vovavall@mail.ru
Аннотация. В статье показано, что одной из проблем утилизации жидких и твёрдых отходов производств защитных покрытий (ПЗП) и печатных плат (ППП) является отсутствие малозатратных установок для их термической обработки. Применяемые в настоящее время в отечественной и зарубежной практике для упаривания и сжигания отходов ПЗП и ППП многоподовые, барабанные, распылительные, циклонные печи, а также печи с «кипящим» слоем осадка недостаточно экономичны. Для снижения энергозатрат при сжигании жидких отходов ПЗП и ППП авторами статьи была разработана, исследована и внедрена компактная установка с использованием высокоэкономичного метода пульсирующего горения. При испытании опытно-промышленной установки были определены основные технологические параметры её работы: зависимость температур в резонансной трубе камеры пульсирующего горения (КПГ) от расхода топлива; зависимость сухого остатка соли от расхода топлива: зависимость конечной концентрации от начальной концентрации раствора; зависимость сухого остатка от начальной концентрации раствора. Проведенные испытания установки показали её высокую эффективность при упаривании и сжигание отходов. Проведен анализ полученных результатов, а также даны рекомендации по использованию установок для сжигания твёрдых и жидких отходов ПЗП и ППП.
Ключевые слова: Пульсирующее горение, резонансная труба, теплоотдача, термопары, теплопотери, топливо, рассол, осадок.
ВВЕДЕНИЕ
Главным и глобальным риском для всего мирового сообщества в течение следующих десятилетий является водный кризис, который становится одним из угрожающих вызовов человечеству. Возрастающая антропогенная нагрузка на водные объекты, неадекватность используемых технологий водоочистки с дополнительно загрязняющими компонентами обусловливают приоритетную значимость экологических аспектов в решении проблем обеспечения безопасности водопользования. На долю промышленного производства приходится до четверти всего мирового водопотребления. В большинстве промышленно развитых стран 50...80% общего спроса пресной воды используется в промышленном производстве. По мере индустриализации развивающихся стран, где большая часть воды в настоящее время используется в сельском хозяйстве, потребности в воде для промышленности будут неуклонно и быстро расти.
Современной отраслью промышленности, обеспечивающей инновационный путь развития многих стран и их регионов, является радиоэлектроника и производство компьютерной и телекоммуникационной техники. Интенсивное развитие и организация новых производств промышленного выпуска такой техники, радиоэлектронной аппаратуры, их комплектующих с высокой конкурентоспособностью требует снижения затрат на организацию производства, в том числе на уменьшение негативного влияния на экологию. На предприятиях радиоэлектроники и приборостроения пресная вода используется во всех основных технологических процессах: в электрохимических, гальванических производствах, в процессах обезжиривания, при производствах защитных покрытий (ПЗП) и печатных плат (ППП) и т.д. Поэтому оптимизация производственных процессов вспомогательных и обслуживающих производств на радиоэлектронных предприятиях при создании эффективной технологии обработки сточных вод может обеспечить существенное снижение себестоимости основной продукции, за счет экономии финансовых средств на поставку свежей воды и снижение затрат, связанных с промышленным загрязнением водных ресурсов.
Обработка и утилизация жидких, пастообразных отходов производств, осадков, получаемых при обработке промышленных сточных вод, представляет сложную техническую и экологическую проблему. Многие виды отходов, не относящиеся к категории сильно токсичных, в настоящее время ещё довольно часто складируют в поверхностных хранилищах, что приводит к отчуждению больших земельных площадей, загрязнением поверхностных и подземных вод и является экономически неоправданным.
Подземное захоронение в глубоких горизонтах применяют для отходов, для которых не найдены надёжные и экономически приемлемые методы их обработки. Захоронение в подземных горизонтах применяют лишь при гарантированном исключении распространения загрязняющих веществ под землёй и других нежелательных последствий. Сброс отходов в глубинные части акватории мировых океанов, практикуемый рядом стран, также не лучшее экологическое решение.
Для ряда жидких и других отходов, переработка которых механическими, биологическими и другими методами не дают надёжных результатов, применяют термическую обработку при высоких температурах. Этот метод целесообразно применять, когда утилизация отходов невозможна или экономически нецелесообразна, когда ограничена или отсутствует территория их складирования. В отдельных случаях термическую обработку применяют для уменьшения объёма отходов, подлежащих удалению.
ПОСТАНОВКА И СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Установки термической обработки играют важную роль в создании замкнутых систем водного хозяйства предприятий, где они при переработке концентрированных технологических растворов, элюатов ионообменных установок, высокоминерализованных продувочных вод оборотных систем, сжигания масло- и нефтепродуктов, которые нерентабельно утилизировать, обработки осадков, флотошламов.
В настоящее время широкое распространение для обработки осадков (отходов, содержащих органические вещества) получил «огневой» метод (парофазное окисление). Следует отметить, что при высоких концентрациях горючих примесей процесс огневого обезвреживания может быть практически автотермичным с минимальным расходом топлива лишь на предварительный разогрев реактора.
В отечественной и зарубежной практике существует несколько десятков типов термических установок, работающих по различному принципу. Простейшим устройством для сжигания являются топки твёрдого, жидкого и газообразного топлива с выводом продуктов сгорания в атмосферу через дымовую трубу. Для сжигания применяют камерные, многоподовые, барабанные, распылительные, циклонные печи, а также печи с «кипящим» слоем осадка.
В последнее время начали применяться установки термического обезвреживания жидких отходов в устройствах пульсирующего горения, которое имеет следующие достоинства: интенсивность горения здесь значительно выше, чем при стационарном потоке; возрастает при прочих равных условиях конвективная теплоотдача; уменьшается расход энергии на подачу воздуха для горения и на удаление продуктов сгорания; пульсация потока оказывает очищающее воздействие на поверхность нагрева; почти полностью отсутствует химический недожог при низком коэффициенте избытка воздуха; уменьшается выход окислов азота. Применение пульсирующего горения интенсифицирует процесс обезвреживания и способствует более полному осаждению твёрдого продукта. Это приводит к удешевлению установки обезвреживания стоков.
С учетом указанных преимуществ, представляет интерес разработка малогабаритных установок с использованием в них камер пульсирующего горения для ПЗП и ППП, а также более глубокого изучение процессов пульсирующего горения протекающих в этих установках с оценкой технико-экономических показателей этого способа термической обработки жидких отходов.
ОСНОВНОЙ МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
На Брестском электромеханическом заводе разработана, внедрена и испытана установка «Вулкан», для термического обезвоживания отходов с использованием камеры пульсирующего горения с резонансной трубой. При её разработке было учтено техническое решение согласно авторскому свидетельству №1024657 [7]. Эта установка разработанная, изготовленная и внедрённая на Брестском электромеханическом заводе в сборе показана на рис. 1 [1.2.3].
Сжатый воздух
Рассол
< 8
У^ 1
10
2
: >- 6
ь
Рис. 1. Установка "Вулкан" в сборе: а - общий вид; Ь - состав установки: 1 - пульт управления; 2 -топливный бак; 3 - шестерёнчатый насос с электродвигателем; 4 - камера пульсирующего горения; 5 - конус с завихряющими лопатками; 6 - открывающийся бункер; 7 - форсунка; 8 - нагревательный элемент; 9 -камера для рассола; 10 - узел подачи рассола; 11 - термопары
Установка "Вулкан" (рис.1а) состоит из камеры пульсирующего горения (К1II ) с резонансной трубой 4, куда подаётся насосом 3 из топливного бака 2 через форсунку 7 дизтопливо. Для включения установки, через трубопровод подаётся воздух от компрессора. Запал топлива в камере пульсирующего горения (КПГ) осуществляется нагревательным элементом 8, который после зажигания топлива выводится из КПГ соленоидом. Через воронку заливаются стоки в ёмкость, внутри которой проходит резонансная труба КПГ 4. Из устройства подачи стоков 11 при открытии пробковых кранов предварительно подогретые стоки вводятся в резонансную трубу КПГ 4, где подхватываются движущимися потоками газа и частично испаряются. Далее при помощи лопастной конусной направляющей насадки стоки в газовом потоке закручиваются по циклоиде и упариваются в контактной камере. Упаренный рассол или твёрдая фракция выводятся из установки через бункер 6, а пар и газы - через отверстие диаметром 250 мм, расположенное в верхней части установки. Для контроля температуры установлены термопары в 3-х точках аппарата, для определения температуры сточных вод в камере и газов в резонансной трубе и на выходе из резонансной трубы. Для регистрации показания температуры установлен пульт управления 1 с прибором регистрации температур.
Разработанная установка компактная и экономичная, так как выводится на рабочий режим практически мгновенно. Выпаренные отходы добавляются в обезвоженный осадок сточных вод производств защитных покрытий для совместной их утилизации на предприятиях по производству керамической продукции. Состав этих отходов аналогичен составу осадка, а объем не превышает 2 % от объема утилизируемого осадка. Безопасность полученных обезвоженных осадков подтверждена Белорусским институтом санитарии и гигиены. Одновременно при работе термического аппарата может производиться сжигание отработанных нефтепродуктов и других жидких горючих отходов производства.
ИСПЫТАНИЕ УСТАНОВКИ
Испытание установки проводили при упаривании водных растворов хлористого натрия различных концентраций следующим образом. Предварительно, до начала работ, дизтопливо было отфильтровано и залито в топливный бак. Установка включена и введена в рабочий режим. В течение 2 мин. 42 с. температура в баке в точке 3, т.е. в резонансной трубе, достигала примерно
а
750оС. Приготавливали 20 л солевого раствора расчетной концентрации и заливали его в резервуар для стоков. Снимали показания температуры в резонансной трубе до начала ввода раствора и результат заносили в журнал наблюдений. Температура регистрировалась также самописцем прибора для её измерения на ленте. Время залива раствора составляло 2 мин. 30 с. Затем стоки вводили в резонансную трубу полным открытием пробкового крана 2 и открытием крана 2 на определённую предварительно протарированную величину. Время работы установки с начала открытия пробкового крана фиксировали секундомером. Упаренный раствор собирали в ёмкость, затем объём его определяли мерным цилиндром. Опыты проводили при различных расходах топлива и начальных концентрациях раствора. После окончания опыта установка вновь выводилась на начальную температуру в резонансной трубе до 700 - 750 ОС. Затем проводились следующие опыты в той же последовательности. Концентрация исходного и конечного растворов определялась с помощью реохордного моста весовым методом.
На основании опытных данных определяли массу соли в растворе на входе и выходе аппарата и массу твёрдого остатка, задерживаемого в аппарате. Определяли также затраты топлива на упаривание растворов и количества тепла, выделенного при сжигании топлива в периоды залива раствора в установку и упаривание его. Кроме того, вычисляли количество тепла, затрачиваемого на испарение воды.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПО ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКЕ ОТХОДОВ ПОКРАСОЧНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
В покрасочном производстве при окраске изделий применяются различные лакокрасочные материалы (ЛКМ). При этом образуются отходы, содержащие как органические, так и минеральные вещества. С целью определения возможности тепловой обработки этих отходов была проведена серия экспериментов, результаты которых представлены в таблице 1 и таблице 2. Место отбора проб - сборник отходов.
Цвет - синий, пастообразный, загустевшая масса, хорошо тянется
Таблица 1.
Результаты тепловой обработки отходов при времени прокаливания 15 минут
№ опы та Температура прокаливания 0С Вес, г Время прокили -вания, Т, мин Фиксированные физические изменения
1 550 10 15 Цвет-синий, пастообразный,, появились поры, типа высохшей краски, каучук, при прокаливании распространяется резкий запах
2 600 15 15 Масса горит, идёт дым, рыхлая чёрно-коричневого цвета с радужным отливом, на краях чашки тёмно-жёлтая плёнка, внутри масс цвета морской волны, хорошо размельчается
3 650 7 15 Чёрная масса, большое количество дыма,, вид древесного угля, структура пористая
4 700 6 15 Цвет - чёрный, серый, лимонный, попадаются горячие угольки, хорошо размельчается, структура спёкшихся кусочков, пористая
5 750 6 15 Сверху цвет лимонный, снизу - серочёрный порошок, Хорошо размельчается. Внутри горящие угольки, После остывания - серо- чёрный
6. 800 5,4 15 Порошок лимонного цвета, внутри угольки. После остывания цвет лимонно- белый, порошок типа мела
Таблица 2.
Результаты тепловой обработки отходов при времени прокаливания 20 минут
№ опыта Температура прокаливания 0С Вес, г Время прокилива-ния, Т, мин Фиксированные физические изменения
1 550 64,5 20 Сине-зелёная горит
2 600 60,8 20 Сине-зелёная горти
Продолжение таблицы 2
3 650 59,4 20 Сверху сероватая, снизу первоначальный цвет, обугленный
5 700 58,8 20 Цвет кофе с молоком
5 750 50,1 20 Цвет кофе с молоком
6 800 48,2 20 Цвет кофе с молоком
Из анализов приведенных данных видно, что по мере повышения температуры выгорает органика и остаётся минеральная составляющая отходов. Полное выгорание органического вещества в отходах цеха покраски осуществляется при температуре 750-800 0С. Сжигание даёт возможность уменьшить количество образующихся отходов примерно на 40%, что составляет 120 кг/сут (таблица 3).
Предполагается, что установка «Вулкан» может быть использована для сжигания отходов цеха покраски, для чего необходимо предварительно приготовить жидкую фракцию до ввода в приёмную ёмкость установки. Для окончательного решения этих вопросов, следует проводить дополнительные испытания установки
Таблица 3.
Результаты тепловой обработки отходов по количество образующихся отходов
Вес Выгоревшая
№ прокалённого Вес после часть
опыта остатка, прокаливания,
г г г %
1 15 5,6 9,4 62,6
2 76 43,0 33,0 45,5
3 45 39,0 6,0 13,3
4 150 98,2 56,8 37,8
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
Из анализа ранее полученных данных и приведенных на рис. 2-5 следует, что при увеличении расхода топлива на установку на 56,7% от 11,1 до 17,4 л/ч температура в резонансной трубе возрастает на 12,3% от 730 до 820 оС. С увеличением расхода топлива возрастало также количество сухого остатка соли (рис. 2, 3).
ТоС ' 900 800 700 к М, г ' 1200 1000 400 300 к
-г 10 15 20, Ут л/ч Рис. 3. График зависимости сухого остатка соли М от расхода топлива Ут при Ь = 0,4 м3/ч
10 15 20, Ут л/ч Рис. 2. График зависимости температур Т в резонансной трубе КПГ от расхода топлива Ут
На характеристику работы установки также оказывает влияние начальная концентрация раствора (рис. 4, 5). Так, при изменении начальной концентрации раствора от 4,8 до 14,2 % увеличивалась конечная концентрация упаренного раствора с 24 до 60 %, а количество сухого остатка соли от 408 до 1172 г.
С % А Скон>% 60 40 20 к
4 6 8 10 12 14 16 Сшщ%
Рис. 4. График зависимости конечной концентрации С кон от начальной концентрации Снач раствора при L = 0,4 м3/ч, при Vm = 17,4 л/ч
М, г 1200 800 400 i к
0 0 4 6 8 10 12 14 Снач, %
Рис 5. График зависимости сухого остатка М от начальной концентрации раствора Снач при Ь = 0,4 м3/ч, Ут = 17,4 л/ч
Экспериментально установлено, что потери тепловой энергии при работе установки составляли в диапазоне 30.. .40 %. Удельный расход топлива составлял в среднем 60 кг на 1 м3 испаренной воды, что значительно ниже удельного расхода топлива, требуемого для упаривания и сжигания сточных вод, которое обычно составляет 200.300 кг/м3.
Статьи затрат и стоимость упаривания 1 м3 воды на установках непосредственного сжигания и выпарных с топкой приведены в таблице 4 [4, 5, 6]. Для разработанной и изготовленной под руководством авторов установке по данным Северянина В.С., на момент проведения испытаний стоимость упаривания на установке пульсирующего горения была равна - 3,76 руб. (в масштабе цен 1991г.), при стоимости дизтоплива на то время 66 руб. за 1 т (в масштабе цен 1991г.), что экономичнее традиционных установок по сравнению с известными методами упаривания, без учёта расходов на электроэнергию, обслуживающий персонал, амортизацию и ремонт оборудования [7].
Таблица 4.
Статьи затрат в рублях для расчета стоимости упаривания 1 м3 сточной воды
№№ п/п Установки
Статья расхода непосредственного сжигания выпарная с топкой
Топливо:
1. удельный расход условного топлива в т, стоимость в руб/т. 0,220 4,40 0,026 0,52
2. Пар: удельный расход в ГДж/т, стоимость в руб/т 2,83 3,40
Продолжение таблицы 4
3. Вода: удельный расход в м3/т стоимость в руб. 2,00 0,10
Сжатый воздух:
4. удельный расход в м3/т 3,0
стоимость в руб/т 0,12
Итого 4,40 4,14
Теплонапряжение камеры непосредственного контакта упариваемого раствора с газами составляло 25 МДж/м3. Это значение является достаточно высоким, поскольку согласно [5] при сжигании жидких отходов обычно камера сгорания имеет теплонапряжение порядка 930 МДж/м3, хотя для некоторых высокотур-булентных вихревых камер теплонапряжение достигает 3720 МДж/м3.
Таким образом, проведенные испытания установки показали её работоспособность при расходах топлива от 11,09 до 17,4 л/ч и расходах, подаваемого на упаривание, раствора соли от 0,4 до 0,5 м3/ч. Рабочее давление топлива при этом составляло от 0,2 до 0,4 МПа. Эти величины могут быть рекомендованы в качестве рабочих. Для уменьшения теплопотерь корпус установки следует теплоизолировать, а дымовые газы и выделяющиеся пары воды утилизировать.
В результате, экспериментально установлено, что стоимость упаривания 1 м3 сточной воды на установке пульсирующего горения снижается как минимум на 9.. .15%. Кроме этого, выпаренные отходы, которые получаются на установке добавляются в обезвоженный осадок сточных вод производств защитных покрытий для совместной их утилизации на предприятиях по производству керамической продукции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Урецкий, Е.А. Ресурсосберегающие технологии в водном хозяйстве промышленных предприятий: Монография / Е.А. Урецкий - Брест, ид-во БрГТУ, 2008. - 320 с.
2. Гогина., Г.С. Ресурсосберегающие технологии промышленного водоснабжения водоотведения: Справочное пособие. / Г.С. Гогина, А.Д., Гуринович, Е.А. Урецкий - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2012. - 312 с.
3.. Урецкий, Е.А. Ресурсосберегающие технологии в водном хозяйстве промышленных предприятий: Монография:/ Е.А. Урецкий - Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing, Germany.
- 432 с.
4.. Быстров, Г.А. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс /. Г.А. Быстров. -Л.: «Химия», 1982. - 228 с.
5. Ясиновский, А.А. Оборудование термического обезвреживания стоков. / А.А. Ясиновский. - М.: «Машиностроение», 1972. - 145 c.
6. Кафаров, В.В. Принципы создания безотходных химических производств / В.В. Кафаров.
- М: «Химия»,1982. - 146 с.
7. А. с. 10244657 СССР, МПК C02F 1/02. Установка для термической обработки промышленных жидких отходов/ Урецкий Е.А, Митин Б.А., Северянина Л.П., Фальковский В.Г., Беличенко Ю.П. - Опубл. 23.06.83, бюл. № 23.
Экономнка cipoHTe^bCTBa h npup0g0n0flb30BaHHH № 3 (84) 2022 r.
HEAT TREATMENT OF LIQUID WASTE FROM THE PRODUCTION OF PROTECTIVE COATINGS AND PRINTED BOARDS USING A PULSED COMBUSTION INSTALLATION
Uretsky E.A.1, Nikolenko I.V.2, Moroz V.V.3
'Republican Unitary Enterprise Belarusian State Design Institute "BelGPI" , Republic of Belarus, Vitebsk 2Institute «Academy of Construction and Architecture» of the Crimean Federal University named after V.I. Vernadsky, Republic
of Crimea, Simferopol 3 Brest State Technical University, Republic of Belarus Brest Abstract. The article shows that one of the problems of recycling liquid and solid waste from the production of protective coatings (PPC) and printed circuit boards (PCB) is the lack of low-cost installations for their heat treatment. The multi-hearth, drum, spray, cyclone furnaces, as well as furnaces with a "boiling" layer of sediment, currently used in domestic and foreign practice for evaporation and incineration of PPC and PCB wastes, are not economical enough. In order to reduce energy consumption during the incineration of liquid waste from the PPC and PCB, the authors of the article developed, researched and implemented a compact plant using a highly economical method of pulsating combustion. When testing a pilot plant, the main technological parameters of its operation were determined: dependence of temperatures in the resonant tube of a pulsed combustion chamber (PCC) on fuel consumption; dependence of dry salt residue on fuel consumption: dependence of the final concentration on the initial concentration of the solution; dependence of the dry residue on the initial concentration of the solution. The tests carried out on the plant showed its high efficiency in evaporation and incineration of waste. The analysis of the obtained results was carried out, and recommendations were given on the use of installations for the incineration of solid and liquid wastes of the PPC and PCB.
Keywords: Pulsating combustion, resonant tube, heat transfer, thermocouples, heat loss, fuel, brine, sediment.
