Belgorod, Belgorod, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
OKSO 08.06.01 Техника и технологии строительства
BBK 30 Техника и технические науки в целом
TBK 50 Технические науки в целом
BISAC EDU000000 General
The article deals with theoretical and experimental studies of the compaction processes of various types of powdered polydisperse materials for the study of kinematic, design-technological and energy-power parameters of units. The basic laws of briquetting in press-roll units and the need for their constructive and technological implementation have been established. The calculation of the main energy-power parameters of the equipment for briquetting (pressing force; power expended by the roller and jaw pre-compactors; total power consumed by the roller press) is presented. It allows considering the physicomechanical characteristics and physicochemical properties of technogenic materials. The paper presents patent-protected designs of aggregates for briquetting polydisperse waste with both high and low bulk density. The necessity of preliminary compaction of briquetted charges during their molding is shown, which is effective in the implementation of any compaction process. The use of devices for preliminary compaction of the material and the forming elements of the grooved-toothed and cell-type rolls make it possible to obtain briquettes of a given geometric shape and dimensions, taking into account the requirements of the consumer. The results of theoretical and experimental studies can be used not only for the processing and disposal of secondary raw materials (polydisperse waste) of individual industries, but also for the production of various types of marketable products.
compacting, forming, briquetting, press-roll unit, polydisperse waste, pre-compaction
Введение. Утилизация полидисперсных отходов различных производств предполагает решение, как экологических вопросов, так и технологических, связанных с формованием порошкообразных материалов в спрессованные тела заданной геометрической формы и размеров (гранулы или брикеты). Для этого разработаны различные способы компактирования материалов: брикетирование, экструдирование, агломерация и другие [1-8].
Применение технологии брикетирования позволяет получать брикеты с заданными физико-механическими характеристиками и химическими свойствами, что уменьшает их потери при транспортировке, хранении, перемещении, распределении при дальнейшем использовании, переработке, а также улучшает технологические, экологические и экономические показатели их использования. Актуальность комплексной переработки полидисперсных отходов различных производств не вызывает сомнения, хотя процесс ее реализации имеет свои особенности и сложности.
Для формования сыпучих отходов с невысокими пластическими свойствами используют специальное брикетирующее оборудование, среди которого особое место занимают наиболее производительные пресс-валковые агрегаты (ПВА) [9-12]. Данные машины характеризуются простотой конструкции, необходимой эксплуатационной надежностью, высокой производительностью и небольшими удельными энергозатратами [13-18].
Материалы и методы. Пресс-валковые агрегаты эффективно используют для брикетирования полидисперсных отходов различных производств: утилизации пылеуноса сушильных и обжиговых агрегатов, золо-шлаковых отходов, отходов химических и деревообрабатывающих производств, целлюлозно-бумажных отходов, органических ТКО для получения альтернативных видов тепловой и электрической энергии и др.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования процессов компактирования различных видов порошкообразных полидисперсных материалов заключаются в использовании комплексного подхода, основу которого составляют системный, критериальный анализ и анализ размерностей; теория подобия, математическое и физическое моделирование; многофакторное планирование эксперимента, использование математической статистики, электронно-вычислительной техники и САПР; испытания стендовых, опытно-промышленных агрегатов и технологических комплексов.
Основная часть. Разработанный пресс-валковый агрегат [19] относится к оборудованию для брикетирования и изготовления спрессованных тел из сыпучих и вязко-пластичных материалов с заданными физико-механическими характеристиками и химическими свойствами: минералогическим и химическим составом, дисперсностью, плотностью, влажностью, пластичностью и др. и может быть использован в различных отраслях промышленности: строительных материалов, химической, энергетической, деревообрабатывающей, в сельскохозяйственном производстве, в дорожном строительстве и др.
Эффективное использование ПВА нашло свое применение при брикетировании полидисперсных отходов с низкой насыпной плотностью (менее 500-600 кг/м3). ПВА, оснащенный валковым и вибро-щековым уплотнителем, позволяет получать качественные брикеты с различными физико-механическими характеристиками. Для этих целей разработана серия патентозащищенных конструкций агрегатов для брикетирования полидисперсных отходов как высокой, так и низкой насыпной плотностью [20-22].
Проведенные многолетние теоретические и экспериментальные исследования процессов компактирования различных видов порошкообразных полидисперсных материалов позволили установить основные закономерности брикетирования в ПВА и необходимость их конструктивно-технологической реализации:
- предварительное уплотнение шихты (kупл.=2,5-3), особенно для материалов с низкой насыпной плотностью;
- повышение качества брикетов за счет обезвоздушивания, эффективной упаковки частиц при вибровоздействии или предварительном уплотнении материалов;
- равномерное распределение потока шихты по рабочей поверхности валков;
- обеспечение равномерного распределения напряжений по объему прессуемых тел;
- выдержка шихты под давлением для релаксации напряжений в брикетах;
- повышение качества готовой продукции и производительности агрегата за счет возврата просыпи в зону формования;
- надежный выход брикетов из желобов формующих элементов при использовании специальных устройств и др.
При изучении процесса брикетирования полидисперсных порошкообразных отходов были проведены теоретические исследования по изучению кинематических, конструктивно-технологических и энергосиловых параметров агрегатов.
Уплотнение и деформация шихты в ПВА осуществлялось посредством вращающихся навстречу друг другу прессующих валков желобково-зубчатого и ячейкового типа. В случае брикетирования шихты, обладающей выраженными пластическими свойствами (когда не требуется высокое давление формования, 
МПа) мы использовали валки ячейкового типа (рис. 1).
Rяч – радиус ячейки, м; R0 – радиус вальцов по внутреннему контуру ячеек, м; lяч – длина ячейки, м; hяч –высота ячейки, м; bяч =b – ширина ячейки, м; 
– зазор между вальцами, =(0,5
)·10-3м; rз – радиус зуба, м
При вращении вальцов ПВА навстречу друг другу брикеты испытывают максимальное давление на линии центров (рис. 2). После прохождения линии центров наблюдаются резкий спад напряжений в сформованных брикетах и их упругое расширение. За счет скольжения вдоль поверхности ячеек преодолеваются силы трения. Выход спрессованных тел из ячеек осуществляется за счет упругого расширения брикетов и их силы тяжести.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований вальцевого пресса с формующими элементами желобково-зубчатого типа получено выражение для определения усилия прессования Px, которое зависит от геометрических параметров вальцов (радиуса – R, ширины – B), зазора между ними – 
, частоты вращения nв, а также степени плотности шихты 
, запрессованной в ячейки формующих элементов:
(1)
где 
– коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона); 
– предельное давление прессования, МПа;
– параметр, учитывающий сцепление прессуемых частиц при номинальном давлении прессования, МПа;
– угол внутреннего трения, 
; 
, 
, 
, 
- физико-механические характеристики прессуемого материала, соответственно, исходная плотность, плотность в сбрикетированном состоянии, коэффициент внутреннего трения, коэффициент бокового распора; 
, 
– площадь и периметр пресс-матрицы, соответственно, м2, м; 
– исходная высота слоя шихты, м.
В виду того, что ПВА разработан для брикетирования порошкообразных полидисперсных материалов с различными физико-механическими характеристиками и физико-химическими свойствами (в т.ч. материалов с низкой насыпной плотностью), для эффективного формования возникает необходимость предварительного уплотнения шихты. Это реализовано валковым и щековым предуплотнителями, соответственно.
На рисунке 3 представлена схема валкового предуплотнителя. Мощность, затрачиваемая валковым предуплотнителем, рассчитывается следующим образом:
(2)
где 
– суммарный момент сопротивления, преодолеваемый при уплотнении шихты и перемещении бесконечной ленты, Н·м; 
– угловая скорость вращения валков, рад/с; 
– давление уплотнения исходной шихты валком, МПа; 
– коэффициент внешнего трения материала о поверхность валка; 
– ширина валка (уплотненной ленты), м; 
– длина дуги валка в зоне максимального давления уплотнения шихты, м; 
– угол максимального давления уплотнения, рад (
); 
– радиус валка, м.
Мощность, затрачиваемая щёковым предуплотнителем, рассчитывается следующим образом:
, (3)
где 
–давление уплотнения шихты в щёковом предуплотнителе, МПа; 
– ширина пластин щёкового предуплотнителя, м; 
,
– толщина уплотняемого материала в щёковом и дугообразном уплотнителе, соответственно, м; 
– угол наклона корпусов эксцентриков к вертикальной поверхности щёк (угол вибровоздействия, 
); 
, 
–плотность уплотненных слоев материала в щёковом и дугообразном уплотнителе, соответственно, кг/м3; 
– коэффициент трения уплотненного материала о поверхность щёк; 
– длина и ширина ячейки формующего элемента, соответственно, м;
– частота вращения эксцентрикового вала, об/с; 
– масса брикета, спрессованного в вальцевом прессе, кг; 
– коэффициент использования поверхности вальцов для формующих элементов ячейкового типа – 
.
Тогда мощность, затрачиваемая валковым прессом, после стадии предуплотнения:
(4)
где 
– нейтральный угол, град; 
– средний радиус валка, м; 
– результирующая сила от силы тяжести вальцов, Н; 
– радиус вальцов, м; 
– угловая скорость вращения вальцов в вальцевом прессе, рад/с;
На рисунке 5 изображен общий вид пресс-валкового агрегата с валковым и вибро-щековым предуплотнителями.
ПВА состоит из двух блоков: первый (I) содержит валковые устройства для предварительного уплотнения материала и стабилизации скоростных потоков шихты; второй блок (II) содержит вибро-щековый уплотнитель, который обеспечивает дальнейшее уплотнение полидисперсных отходов и равномерное их нагнетание в межвалковое пространство прессующих вальцов. Для дополнительного уплотнения полидисперсных отходов предусмотрены специальные нагнетательные валики. Они нагнетают уплотняемую шихту в ячейки вальцов. Под блоками (I) и (II) непосредственно установлен вальцевый пресс с желобково-зубчатыми формующими элементами (рис. 5).
Основной задачей разработок являлось получение брикетов заданной геометрической формы и размеров, которые производятся из полидисперсных отходов различных предприятий и могут быть использованы по соответствующему технологическому назначению: в нефтехимии – как брикетированные сорбенты на основе перлита для очистных сооружений; в деревообрабатывающей промышленности – как топливные брикеты; в строительной – в качестве теплоизоляционных заполнителей для теплоизоляции строительных сооружений или для производства конструкционно-теплоизоляционных изделий с добавлением фибронаполнителей и др. (рис. 6).
Выводы. Проведенные испытания подтвердили возможность брикетирования порошкообразных полидисперсных отходов и получения брикетов со следующими физико-механическими характеристиками: для теплоизоляционных заполнителей плотность брикетов составила (280÷300) кг/м3, прочность – (45÷50) Н/бр., коэффициент уплотнения шихты в ПВА – (2,0÷2,2); для фибронаполнителей: плотность брикетов (560÷590) кг/м3, прочность – (15÷20) Н/бр., коэффициент уплотнения в ПВА (3,5÷3,6).
Данное научно-практическое направление – разработка и исследование агрегатов и процесса брикетирования с использованием ПВА для формования полидисперсных материалов и отходов различных производств имеет важное значение для решения актуальных задач по комплексной переработке ТКО и получения из них конкурентоспособной товарной продукции.
Анализ результатов проведенных опытно-промышленных испытаний разработанного оборудования ПВА для комплексной переработки порошкообразных полидисперсных отходов подтверждает техническую, технологическую и экономическую целесообразность его использования.
ПВА, оснащенный валковым и вибро-щековым уплотнителем позволяет получать качественные брикеты с различными физико-механическими характеристиками.
Источник финансирования. Работа выполнена в рамках реализуемого проекта НОЦ «Инновационные решения в АПК» № 10089447 (2020-2022 гг.) научно-производственной платформы «Рациональное природопользование»
1. Kulagin R.A., Kulagin O.R. Results of briquetting of fine-grained and fine-dispersed waste products [Rezultaty briketirovaniya melkozernictyh I melkodispersnyh othodov proizvodstva] Collection of abstracts of the Russian-Kazakh Symposium "coal chemistry and ecology of Kuzbass". Kemerovo: OOO "Firm POLYGRAPH". 2014. 48 p. (rus)
2. Nazarov V.I., Makarenkov D.A., Chetvertakov G.V. and others. Processing and utilization of dispersed materials and solid waste [Pererabotka I utilizatsiya dispersnyh materialov I tverdyh othodov] Textbook Moscow: Alfa-M. 2014. 462 p. (rus)
3. Dudka S.V., Toshinsky V.I. Research of granulation and drying process in the technology of Superagro N:P 10:40 fertilizers [Issledovanie protsessa granulirovaniya I syshki v tehnologii udobrenij marki «SUPERAGRO N:P 10:40»] Eastern European journal of advanced technologies. 2012. Vol. 4. No. 6 (58). Pp. 7-10. (rus)
4. Lobovikov D.V., Khanov A.M., Matygulina E.V. Research of granulation of powdered composites in a planetary granulator [Issledovaniya granulirovaniya poroshkovyh kompozitov v planetarnom granulyatore] Vestnik PSTU. Perm. 2010. Vol. 12. No. 1. Pp. 30-36. (rus)
5. Sevostyanov M.V., Ilyina T.N., Sevostyanov V.S., Emelyanov D.A. Metodological Principles of Agglomeration Processes Improvement in Technologies of Disperse Materials Processing. Research Journal of Applied Sciences. 2014. 9(11). Pp.738-744.
6. Rakhimov M.A., Rakhimova G.M., Imanov E.M. Problems of polymer waste utilization [Problemy utilizatsii polimernykh otkhodov] Fundamental research. 2014. No. 8. Pp. 331-334. (rus)
7. Ilina T.N. Classification of dispersed materials and recommendations for their agglomeration processes [Klassifikatsiya dispersnykh materialov i rekomendatsii po protsessam ikh aglomeratsii]: Chemical and oil and gas engineering. 2013. (4). Pp. 17-19. (rus)
8. Il’ina T.N. Structural and mechanical properties of pelletized fine materials: Chemical and Petroleum Engineering, 2009. 45 (3-4). Pp.115118.
9. Shinkarev L.I. Classification principles of creating aggregates for forming natural and technogenic materials [Klassifikatsionnyye printsipy sozdaniya agregatov dlya formovaniya prirodnykh i tekhnogennykh materialov] SB. Dokl. IV mezhdunar. scientific-practical Conf. "Ecology-education, science, industry and health, Part I-Belgorod. 2011. Pp. 215-220. (rus)
10. Gridchin A.M., Sevostyanov V.S., Uralsky A.V. Energy-Saving equipment and technologies for complex processing of natural and technogenic materials [Energosberegayushchaya tekhnika i tekhnologii dlya kompleksnoy pererabotki prirodnykh i tekhnogennykh materialov] Ecovestnik Of Russia. 2010. No. 1. Pp. 68-79. (rus)
11. Glagolev S.N., Sevostyanov V.S., Ilina T.N., Uralsky V.I. Technological modules for complex processing of technogenic materials [Tekhnologicheskiye moduli dlya kompleksnoy pererabotki tekhnogennykh materialov] Chemical and oil and gas engineering. 2010. No. 9. Pp. 43-45. (rus)
12. Bobovich B.B., Devyatkin V.V. Processing of production and consumption waste [Pererabotka otkhodov proizvodstva i potrebleniya]: reference edition Edited by B. B. Bobovich. Moscow: Intermet Engineering, 2000. 496 p. (rus)
13. Dec R.T. Roll press agglomeration of industrial wastes for treatment and recycle / Second International Symposium on Extraction and Processing for the Treatment and Minimization of Wastes, Proceedings in print October, 1996, Phoenix, AZ
14. Dec R.T, Komarek K.R. Experimental study of new type roll presses for granular solids. ACHEMA91, International Meeting on Chemical Engineering and Biotechnology, Frankfurt am Main.
15. Making dense briquettes from fine dust, case study at General Electric's Lighting Division. Powder and Bulk Engineering, September 1998.
16. Dec R.T. Problems with processing of fine powders in roll press. IB A Proceedings, Vol. 24, October, 1995, 24th Biennial Conference, Philadelphia.
17. Dec R.T. Theoretical and experimental study of compaction process in roll press / SME'2000 Annual Meeting and Exhibit, Salt Lake City, UT.
18. Nguyen Khyu Fuk Investigation of the compaction of refractory press-powders with the introduction of surfactants during semi-dry pressing and high-frequency vibration [Issledovaniye uplotneniya ogneupornykh press - poroshkov s vvedeniyem poverkhnostno - aktivnykh veshchestv pri polusukhom pressovanii i pri vibratsii bol'shoy chastoty] Author's abstract. for the degree of Ph.D. M. 1968. 24 p. (rus)
19. Glagolev S.N., Sevostyanov V.S., Sverguzova S.V., Shinkarev L.I., Spirin M.N., Fetisov D.D., Sevostyanov M.V., Sverguzova Zh.A. Pat. 2473421 RF MPC B28V 3/12 Method of forming technogenic materials and press-roll unit for its implementation [Sposob formovaniya tekhnogennykh materialov i press-valkovyy agregat dlya ego osushchestvleniya]. Applicant and patent holder of V. G. Shukhov BSTU. 2013. No. 3 10 p. (rus)
20. Sevostyanov V.S., Barbanyagre V.D., Sevostyanov M.V. Pat. 2133673 RF MPC In 30 In 11/18, In 22 F 3/02 Press roll unit [Press-valkovyy agregat]. The applicant and the patent holder of Belgtasm; publ. in bul. No. 21 27.07.99-6 p. (rus)
21. Sevostyanov V.S., Zubakov A.P., Bondarenko V.N., Novikov E.V., Sevostyanov M.V. Pat. 2204486 RF 7 In 30 In 11/18, In 28 In 3/14 Roller press for briquetting powdery materials [Valtsovyy press dlya briketirovaniya poroshkoobraznykh materialov]. Applicant and patent holder of BSTU named after V.G. Shukhov. 2003. No. 14. (rus)
22. Sevostyanov M.V., Il'Ina T.N., Martakov I.G. Process of charge prevention with low bulk density. «International Conference on Energy System 2018». (2019) IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 552 (1), No. 012039, DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899X/552/1/012039
