Подвижная установка для утилизации смеси осадков водоподготовки с торфом Российский патент 2024 года по МПК C02F11/13 B09B3/00 F26B3/06 

Разработка относится к сельскому хозяйству, к городским водным хозяйствам, где существуют станции подготовки питьевой воды. Может быть использована как для утилизации осадков водоподготовки фильтровальных станций в составе гуминового удобрения, так и для рекультивации загрязненных нарушенных земель, восстановления горных выработок, шлаковых отвалов, а также в производстве материалов стройиндустрии - цемента, кирпичей, монолитных блоков.

В современном городском водном хозяйстве, где существуют станции подготовки питьевой воды, в результате обработки природной воды коагулянтами образуются осадки сооружений водоподготовки, которые еще называют водопроводным осадком. Для крупных населенных пунктов вопрос утилизации таких осадков, образующихся в большом количестве, является актуальным.

Наиболее широко применяемым способом утилизации осадков водоподготовки за рубежом и отработанным в опытно-промышленных условиях на некоторых российских станциях является механическое обезвоживание осадков с предварительным кондиционированием различными реагентами, например, известью.

При этом необходим переход на интенсивные методы обработки осадков в целях уменьшения их объемов, предотвращения загрязнения окружающей среды, получения пригодных для использования вторичных продуктов. Обработка осадков водоподготовки в большинстве случаев связана со значительными техническими трудностями и материальными затратами, которые обусловлены высокой влажностью, а также широким диапазоном колебаний исходных свойств осадков, что связано с качеством воды в водоисточнике и технологией ее очистки. Наиболее распространенными в отечественной практике приемами обработки осадков являются их естественная сушка на специальных площадках и сброс в искусственные накопители. При этом материальный и экологический ущерб за счет отчуждения значительных площадей вблизи городских агломераций весьма существенен.

Выбор оптимальной технологии утилизации осадков водоподготовки должен основываться на экспериментальных исследованиях с учетом существующей технологической схемы обработки воды и образования осадков, а также других факторов.

Известен способ получения жидкого торфо-гуминового удобрения, включающий приготовление смеси раствора с высоким рН с гуматосодержащим веществом (Патент RU 2566993. Опубл. 27.10.2015. Бюл. № 30). В процессе приготовления смеси раствора с гуматосодержащим веществом воду предварительно обрабатывают посредством электролиза. Полученную таким образом воду с высоким рН смешивают с торфяной суспензией влажностью 75-85 %, приготовленной на активированной воде, перемешивают и затем смесь подвергают кавитационной обработке в ультразвуковом поле.

Недостатком указанного способа является наличие энергоемкого кавитационного диспергирования в ультразвуковом поле и процедуры электролиза, необходимой для активации воды. Кроме того, применение гидродинамического кавитационного диспергирования при длительности обработки свыше 10 минут вызывает нежелательный рост уровня кислотности среды (https://www.vimsmit.com/jour/article/view/95/51).

Известны подвижные установки для сбора сыпучего материала, содержащие подвижную установку с воздуховодом сжатого воздуха, сопло для подачи сжатого воздуха, трубопроводы, камеру загрузки. (Патент № 169496. Транспортное средство для пылеулавливания. Опубл. 21.03.2017. Бюл. № 9; патент № 2613751. Транспортное средство высокой проходимости. Опубл. 21.03.2017. Бюл. № 9; патент № 169250. Транспортное средство для пылеулавливания. Опубл. 13.03.2017. Бюл. № 8)

Известные устройства предназначены для подъема и засасывания пылевых частиц сыпучего материала и не оснащены специальными механизмами для ворошения и сбора сыпучих материалов (частиц торфа) с поверхности грунта. Нет сведений о сушке торфа.

Известна подвижная установка для сбора сыпучего материала, включающая подвижный подборщик торфа с воздуховодом сжатого воздуха, ворошитель торфяной крошки, содержащий пустотелый вращающийся вал подборщика торфа и трубопровод для засасывания торфяной крошки. (Патент № 2772001. Транспортное средство для сбора сыпучего материала. Опубл. 16.05.2022. Бюл. № 14).

В описании этой известной установки нет сведений о смешивании торфа с осадками водоподготовки фильтровальной станции и сушке смеси.

Известен способ использования кипящего слоя, включающий размещение материалов равномерным слоем на пористой газораспределительной беспровальной решетке агрегата и подачу газа под давлением и со скоростью, достаточными для создания над беспровальной решеткой кипящего слоя с высотой Н, содержащего как крупные, так и мелкие пылеобразные частицы (С.Я. Давыдов. Энергосберегающее оборудование для транспортировки сыпучих материалов. Исследование, разработка, производство. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 2007. 317 с., С.Я. Давыдов, А.Н. Семин. Энергосберегающее оборудование пневматического транспорта: вчера, сегодня, завтра. Теория, расчет, исследования, производство. М.: Изд. Фонд «Кадастровый резерв». 2016. 472 с.)

Недостатком способа является отсутствие выделения фракций частиц различного размера из кипящего слоя, горячие газы не используются и отсутствует процесс сушки торфоводяной смеси.

Известен сушильный агрегат с кипящим слоем, содержащий сушилку с камерами, решетку для загрузки на нее материала и создания его кипящего слоя. Сушилка с кипящим слоем содержит газораспределительную камеру и камеру загрузки для барботажного смешения. Материал для сушки загружается на перфорированную решетку. Воздух для сушки подается через решетку, которая обеспечивает равномерность потока. При прохождении газа через обрабатываемый материал последний начинает интенсивно перемешиваться, а часть его переходит во взвешенное состояние - кипит. По мере высушивания пылевидные частицы поднимаются кверху. (Патент RU № 2305240. Сушка кипящего слоя. Опубл. 27.08.2007 Бюл. № 24; Справочник химика. Химия и химическая технология. Сушилки с кипящим слоем материала. (https://studfile.net/preview/6217386/page:3/).

В этих разработках неизвестно о конкретном высушиваемом материале, а именно о торфе, неизвестно о способе его подборки и подачи в сушилку, отсутствует информация о разделении материала на гранулометрические фракции.

Задачей предлагаемой разработки является расширение области применения сушильной установки для утилизации осадков водоподготовки с использованием частиц торфа. Предлагается смешивать торф с осадками водоподготовки, установив над подвижным подборщиком торфа сушилку, что расширяет область применения установки и позволяет получить новое исходное сырье для последующего экологичного использования в качестве удобрения. Дополнительно разработка может быть использована для получения материалов стройиндустрии (производство цемента, кирпичей, монолитных блоков).

Поставленная задача обеспечивается тем, что установка для утилизации смеси осадков водоподготовки с торфом выполнена подвижной и содержит подвижный подборщик торфа с вращающимся пустотелым валом, над которым смонтирована сушилка смеси, содержащая газораспределительную камеру, камеру для загрузки, барботажного смешения смеси торфяной крошки с осадками водоподготовки и сушки полученной смеси, содержащая патрубок подвода осадков водоподготовки, газораспределительную беспровальную решетку, ограничительную решетку, установленную ниже высоты Н кипящего слоя, решетку с отверстиями для прохода смеси и патрубок выпуска полученной смеси, камеру сбора и вывода отработанного газа, при этом в газораспределительную камеру подведен нагнетательный трубопровод подачи сжатого воздуха от подборщика торфа, в который вставлено сопло со встроенной горелкой для подогрева смеси, в камеру для загрузки, барботажного смешения и сушки подведен материалопровод для подачи торфяной крошки от подвижного подборщика торфа, а к камере для сбора и вывода отработанного газа подсоединен подводящий газовод для вывода отработанного газа и подачи его во вращающийся пустотелый вал подборщика торфа.

На фиг. 1 показан общий вид установки для сборки фрезерного торфа, его смешивания с осадками водоподготовки и сушки полученной смеси. На фиг. 2 представлен узел сборщика торфа.

Подвижная установка для утилизации осадков водоподготовки содержит подвижный корпус 1, над которым размещена сушилка 2. На подвижный корпус 1 навешен узел 3 (фиг. 2) подборщика торфа. Узел 3 подборщика торфа снабжен вращающимся пустотелым валом 4, на котором смонтированы щетки 5 для ворошения торфяной залежи, и соплом 6 для засасывания смеси воздуха с торфяной крошкой (частицы). К соплу 6 подсоединен материалопровод 7 для подачи потока смеси воздуха с торфяной крошкой в сторону сушилки 2. Сушилка 2 содержит газораспределительную камеру 8, камеру 9 для загрузки, барботажного смешения торфяной крошки с осадками водоподготовки и сушки полученной смеси, и камеру 12 для смеси с определенной фракцией. Для пропуска частиц смеси с определенной фракцией установлена решетка 13, а над ней смонтирована фильтровальная сетка 16. Камера 9 снабжена патрубком 14 подвода осадков водоподготовки и материалопроводом 7 для подвода воздушно-торфяной крошки. Камера 10 предназначена для сбора и вывода отработанного газа. Камера 9 содержит пористую газораспределительную беспровальную решетку 11 и ограничительную решетку 15, установленную ниже высоты Н кипящего слоя. К камере 10 подсоединен подводящий газовод 17 для вывода отработанного газа и подачи его в пустотелый вал 4 узла 3 (фиг. 2). Н – уровень высоты кипящего слоя. Воздухопровод 19 предназначен для подачи сжатого воздуха от источника сжатого воздуха 18 подвижного корпуса 1 и подачи его в газораспределительную камеру 8. В нагнетательный трубопровод 19 встроено сопло 20 с горелкой 25 (на фигурах не показано) для подогрева воздуха до необходимой температуры; 21 – поток частиц торфа. 22 – поток сжатого воздуха. Патрубок 23 предназначен для выпуска негабаритных частиц смеси из камеры 9 загрузки, барботажного смешения торфяной крошки с осадками водоподготовки и сушки полученной смеси. Патрубок 24, встроенный в камеру 12, предназначен для выпуска полученной смеси с определенной фракцией.

Работа подвижной установки для утилизации осадков водоподготовки осуществляется следующим образом. Щетки 5 нарушают капиллярные связи с залежью торфа и обеспечивают направление потока смеси воздуха с торфяной крошкой через сопло 6 в материалопровод 7 потоков смеси воздуха 22 и частиц торфа 21 (фиг. 2) в камеру 9 загрузки для барботажного перемешивания с осадками водоподготовки. Основная задача ворошения щетками 5 и сбора фрезерного торфа состоит в интенсификации сушки при технологических требованиях:

- создание рыхлого равномерного по толщине слоя торфа;

- подфрезеровывание торфяной залежи;

- сметание торфа с нарушением капиллярных связей с залежью. (Патент RU № 2772001. Транспортное средство для сбора сыпучего материала. Опубл. 16.05.2022. Бюл. № 14).

При добыче фрезерного торфа для последующего смешивания с осадками сооружений водоподготовки использовали закрепленные на пустотелом валу 4 (фиг. 2) вращающиеся эластичные цилиндрические щетки 5, которые создают рыхлый равномерный по толщине слой за счет подфрезеровывания торфяной залежи.

По способу распределения ворса цилиндрические щетки 5 делятся на щетки с равномерным распределением ворса (щеточные диски) и с неравномерным (отдельными сметающими элементами). Процесс активного ворошения щетками 5 залежи торфа (фиг. 2) сопровождается дроблением крупных частиц торфа и уменьшением их размера на 10-15 %. При пористом (взрыхленном) расстиле создаются благоприятные условия для пневматической уборки торфа при наличии разности давлений, которая воздействует на частицы с определенной подъемной силой.

Фрезерный торф по ГОСТ Р 52067-2003 для производства питательных грунтов направляют по материалопроводу 7, а осадки водоподготовки направляют по патрубку 14 в камеру 9 для барботажного перемешивания полученной смеси. (фиг. 1). Смесь осадков с торфом размещается равномерным слоем на пористой газораспределительной беспровальной решетке 11 (аэроднище).

При механическом измельчении влажного торфа минимально достижимый размер частиц составляет порядка 100 мкм. Влажность торфа при этом не лимитируется. Для исследований использовали не обезвоженные осадки водоподготовки Западной фильтрационной станции г. Екатеринбурга, отобранные в летний период водозабора.

Результаты гранулометрических исследований показывают, что осадки водоподготовки представляют собой полидисперсную систему. При этом сканирование осадков водоподготовки с помощью электронного микроскопа свидетельствует о преобладании частиц несферической формы. Отметим, что угловатые частицы имеют более развитую поверхность, чем округлые частицы. В отношении величины площади поверхности также важен размер частиц: мелкие частицы имеют большую поверхность, чем такое же количество по массе более крупных частиц. Гранулометрический анализ позволяет заключить, что осадки водоподготовки при контакте с другими веществами характеризуются развитой поверхностью границы раздела. Данный факт имеет положительное значение для процесса адсорбции, протекающего на границе раздела фаз.

Осадки водоподготовки за счет проявления нейтрализующего действия в отношении кислой среды способствуют лучшей экстракции активных веществ из исходного торфяного сырья, что положительно сказывается на общем содержании в получаемом продукте агрохимически активных гуматов. В качестве пористой газораспределительной беспровальной решетки 11 была использована металлическая беспровальная сетка СД 200-08Х18Н10 (ГОСТ 3187-76. Сетки проволочные тканые фильтровые. Технические условия. Утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР - М. 1976 г. 7 с. ) Эта сетка выпускается ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК ТЕТИЗ» (сетка саржевого переплетения двухсторонняя, предназначенная для фильтрования, обезвоживания, сушки).

Сжатый воздух подогревается горелкой 25, встроенной в сопло 20 нагнетательного трубопровода 19 до необходимой температуры, и подается под пористую беспровальную решетку 11 газораспределительной камеры 8. После прохода через решетку 11 направленный вверх поток горячего газа оказывает аэродинамическое воздействие на частицы смеси из осадков водоподготовки и торфа, в результате чего они перестают падать вниз. На некотором расстоянии от решетки 11 образуется слой постоянно циркулирующих частиц смеси (псевдоожиженный кипящий слой), в процессе которого указанные частицы смешиваются, частично измельчаются и из них выпаривается содержащаяся в них влага. Сжатый горячий газ проходит под давлением и со скоростью, достаточной для создания над беспровальной решеткой 11 кипящего слоя с высотой Н. Решетку 15 устанавливают ниже высоты Н верхнего уровня кипящего слоя сушильного агрегата. Эта высота определяется из следующего выражения:

где ε₀ – порозность неподвижного слоя частиц смеси материалов; ε – порозность кипящего слоя частиц смеси материалов; H₀ – высота неподвижного слоя смеси определяется из зависимости:

H_{0 =} m/(F ρ),

где m – масса слоя смеси материалов, кг; F – площадь решетки, м²; ρ - плотность смеси материала, кг/м³. (Давыдов С.Я. Энергосберегающее оборудование для транспортировки сыпучих материалов. Исследование, разработка, производство: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 2007. 317 с., Давыдов С.Я., Семин А.Н. Энергосберегающее оборудование пневматического транспорта: вчера, сегодня, завтра. Теория, расчет, исследования, производство. М.: Изд. Фонд «Кадастровый резерв». 2016. 472 с. )

Отверстия решетки 15 должны быть больше трехкратного размера частиц смеси. Над этой решеткой 15 вновь создается кипящий слой пылеобразных частиц смеси, по высоте ограниченный решеткой 13 с отверстиями для прохода определенной фракции смеси. Выпуск полученной смеси с определенной фракцией производится через патрубок 24, встроенный в камеру 12. Фильтровальная сетка 16 установлена над решеткой 13.

В кипящем слое происходит быстрое выравнивание температур твердых частиц и сушильного газа и достигается интенсивный тепло - и массообмен между твердой и газовой фазами.

В результате проведенных расчетов было определено изменение влагосодержания сушильного газа на входе при температуре 20 С, на входе в сушилку при температуре 150 С и на выходе из сушилки при температуре 70 С. В результате было получено, что влагосодержание воздуха изменилось от 0,012 кг/кг сухого воздуха до 0,054 кг/кг. Было определено, что при среднем размере частиц 1-2 мм и сушке при заданных условиях скорость начала псевдоожижения будет равна 0,365 м/с, а скорость уноса частиц 6,497 м/с. Рабочая скорость сушильного газа 0,84 м/с. Скорость воздуха на входе в сушилку 0,634 м/сек. Перепад давления 21400 Па.

Таким образом, с ростом скорости горячего газа контакт между частицами уменьшается, и они получают большую возможность хаотичного перемешивания по всем направлениям. При этом возрастает среднее расстояние (просветы) между частицами, т.е. увеличивается порозность слоя и, следовательно, его высота H. Наличие сопла 20 с горелкой 25, встроенного в воздухопровод для подачи сжатого воздуха от подвижного корпуса 1 подборщика торфа, позволяет подогревать воздух до необходимой температуры и подать его в газораспределительную камеру 8. Происходит весьма интенсивный тепло- и массообмен между твердой и газовой фазами, что отражается на уменьшении энергозатрат. Ограничение верхнего уровня Н кипящего слоя увеличивает расходную концентрацию смеси, то есть уменьшает удельные затраты горячего газа. Увеличение расходной концентрации смеси водопроводного осадка с торфом приводит к уменьшению удельных затрат горячего газа, а значит и затрат энергии. При проходе через диспергирующую решетку происходит дополнительное механическое разрушение частиц смеси. Предложенный способ позволяет обеспечить высокую интенсивность сушки без реализации энергозатратных и сложных режимов сушки и при этом получить исходное сырье для последующего использования в качестве удобрения. Пылеобразная часть высушенной смеси может использоваться в качестве материала для стройиндустрии в производстве цемента, кирпичей, монолитных блоков.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к городским водным хозяйствам и может быть использовано для утилизации осадков водоподготовки фильтровальных станций и получения как гуминового удобрения, так и для рекультивации загрязненных нарушенных земель, восстановления горных выработок, выполаживания откосов полигонов, планировки золоотвалов, шлаковых отвалов и для получения материалов для стройиндустрии. Установка выполнена подвижной и содержит подвижный подборщик торфа с вращающимся пустотелым валом, над которым смонтирована сушилка смеси. Сушилка содержит газораспределительную камеру, камеру для загрузки, барботажного смешения смеси торфяной крошки с осадками водоподготовки и сушки полученной смеси. Камера сушки содержит патрубок подвода осадков водоподготовки, газораспределительную беспровальную решетку, ограничительную решетку, установленную ниже высоты Н кипящего слоя, решетку с отверстиями для прохода смеси и патрубок выпуска полученной смеси, камеру сбора и вывода отработанного газа. В газораспределительную камеру подведен нагнетательный трубопровод подачи сжатого воздуха от подборщика торфа, в который вставлено сопло со встроенной горелкой для подогрева смеси. В камеру для загрузки, барботажного смешения и сушки подведен материалопровод для подачи торфяной крошки от подвижного подборщика торфа. К камере для сбора и вывода отработанного газа подсоединен подводящий газовод для вывода отработанного газа и подачи его во вращающийся пустотелый вал подборщика торфа. Технический результат: утилизация осадков водоподготовки с использованием частиц торфа с получением нового исходного сырья с уменьшением энергозатрат и высокой интенсивности сушки, расширение области применения сушильной установки для утилизации осадков водоподготовки с использованием частиц торфа с получением нового исходного сырья для последующего использования в качестве удобрения или материалов стройиндустрии. 2 ил.

Установка для утилизации смеси осадков водоподготовки с торфом, отличающаяся тем, что выполнена подвижной и содержит подвижный подборщик торфа с вращающимся пустотелым валом, над которым смонтирована сушилка смеси, содержащая газораспределительную камеру, камеру для загрузки, барботажного смешения смеси торфяной крошки с осадками водоподготовки и сушки полученной смеси, содержащая патрубок подвода осадков водоподготовки, газораспределительную беспровальную решетку, ограничительную решетку, установленную ниже высоты Н кипящего слоя, решетку с отверстиями для прохода смеси и патрубок выпуска полученной смеси, камеру сбора и вывода отработанного газа, при этом в газораспределительную камеру подведен нагнетательный трубопровод подачи сжатого воздуха от подборщика торфа, в который вставлено сопло со встроенной горелкой для подогрева смеси, в камеру для загрузки, барботажного смешения и сушки подведен материалопровод для подачи торфяной крошки от подвижного подборщика торфа, а к камере для сбора и вывода отработанного газа подсоединен подводящий газовод для вывода отработанного газа и подачи его во вращающийся пустотелый вал подборщика торфа.