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»
