Archives of Waste Management and Environmental Protection Archiwum Gospodarki Odpadami http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 11 (2009), Issue 1, p-55-62 Badanie wpływu charakterystyki odpadów na efektywność pracy młyna nożowego Wandrasz Janusz W. 1, Hryb W. 2 1 Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów Politechnika Śląska w Gliwicach ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice; tel. 048 32 237 12 13, fax +48 32 237 11 67 e-mail: janusz.wandrasz@polsl.pl 2 Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów Politechnika Śląska w Gliwicach ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice; tel. 048 32 237 21 04, fax +48 32 237 11 67 e-mail: wojciech.hryb@polsl.pl Streszczenie W dostępnej literaturze, jak również w katalogach oferowanych przez producentów urządzeń przetwarzania odpadów, można stwierdzić brak charakterystyk ich pracy dla różnych odpadów. Przeprowadzone badania prezentują wpływ właściwości materiału rozdrabnianego, jak również wielkości oczek sita na efektywność pracy i zużycie mocy czynnej młyna rozdrabniającego. Prezentują celowość stosowania takich charakterystyk przy projektowaniu instalacji przetwarzania odpadów. Abstract Study of influence of waste characteristics on the cutting tool mill operation efficiency Both professional literature and catalogues offered by the producers do not include the operating characteristics of waste recycling equipment for the various wastes. The objective of the study was to determine the impact of material properties as well as the size of the mesh sieve on the effectiveness of work and power consumption of the mill. The usefulness of such characteristics in the design of the waste processing facility is presented. 1. Wstęp Niezbędnym procesem realizowanym w ramach przetwarzania odpadów jest proces ich rozdrabniania. Rozdrabnianiem nazywa się operację rozdzielania ciał stałych na cząstki za pomocą siły zewnętrznej niszczącej ich wewnętrzną spoistość [1].
56 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11 nr 1 (2009) Podstawowym celem operacji rozdrabniania stosowanej przy przetwarzaniu odpadów jest [2]: zwiększenie powierzchni właściwej odpadów, w celu przyspieszenia dalszych procesów, którym mają podlegać zazwyczaj rozdrabnianie prowadzone jest w ramach obróbki wstępnej odpadów jako podstawowa operacja technologiczna; uzyskanie produktu o określonym rozmiarze cząstek (odpowiednim składzie granulometrycznym) często prowadzone jest w ramach obróbki końcowej. W zależności od rodzaju odpadu, jego właściwości i ilości, stosowane są różnego rodzaju rozdrabniacze. Dobór właściwego urządzenia do przewidywanej ilości i składu morfologicznego przerabianych odpadów stanowi podstawowy warunek skutecznego procesu ich segregacji i przetwarzania. Producenci urządzeń podają najczęściej jedynie podstawowe informacje dotyczące ich wydajności, mocy znamionowej, gabarytów, wagi, itp. Brak jest natomiast informacji dotyczących efektywności pracy tych urządzeń dla konkretnego rodzaju i składu odpadów, np. poleca się młyn do rozdrabniania tworzyw sztucznych, jako rozdrabniacz tekstyliów. Dlatego celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu właściwości materiału rozdrabnianego (masa, wilgotność, powierzchnia itp.) jak również wielkości oczek sita (osprzęt młyna) na efektywność pracy (czas rozdrabniania) i zużycie mocy czynnej młyna. Do badań użyto młyn produkcji Trymet typ T4-5,5 SW. W praktyce przy doborze sposobu rozdrabniania, należy uwzględnić następujące uwarunkowania [3]: podatność materiałów na rozdrabnianie, zależna od właściwości wytrzymałościowych rozdrabnianych materiałów (modułu sprężystości i granicy wytrzymałości), pracę techniczną niezbędną do rozdrobnienia danego materiału, zależną od struktury materiału (szczególnie ważne w przypadku materiałów polimerowych i często ich dwufazowej struktury), czas przebywania materiału w przestrzeni roboczej rozdrabniacza, zwiększenie stopnia rozdrobnienia związane jest przede wszystkim ze zwiększeniem hipotetycznej liczby zetknięć materiału z elementami roboczymi (funkcjonalnymi) maszyny rozdrabniającej. Przedłużenie czasu, ma wpływ na wydajność procesu, destrukcję i degradację rozdrabnianego tworzywa. 2. Opis stanowiska badawczego Stanowisko badawcze [4] składało się z młyna produkcji Trymet typ T4-5,5 SW oraz tablicowego miernika mocy czynnej typ PA39 (pomiar mocy czynnej w sieci 3-fazowej, 4- przewodowej niesymetrycznie obciążonej, klasa dokładności przyrządu 1,5%). Stanowisko badawcze przedstawiono na rys.2.1.
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 11 issue 1 (2009) 57 Rys.2.1. Stanowisko badawcze młyna produkcji Trymet wraz z tablicowym miernikiem mocy czynnej firmy Lumel. Młyn, w zależności od rodzaju rozdrabnianego materiału, wyposażony jest w łamacz płaski do folii, papieru, tektury i tekstyliów lub hakowy do tworzyw sztucznych. Młyn posiada także dwa wymienne sita o wielkości oczek 8 i 14 mm. Wyposażenie młyna przedstawiono na rys. 2.2 Rys.2.2. Osprzęt młyna: dwa wymienne sita, dwa łamacze płaski (po prawej) i hakowy (po lewej). W komorze rozdrabniania mechanizm rozdrabniający stanowią 3 zamontowane noże ruchome i 5 noży stałych osadzonych w korpusie młyna, co przedstawiono na rys.2.3. Młyn wyposażony jest dodatkowo w wizjer umożliwiający obserwację procesu rozdrabniania w komorze. Młyn typu T4-5,5 SW jest przeznaczony do rozdrabniania przede wszystkim tworzyw sztucznych, takich jak: opakowania po chemii gospodarczej i produktach spożywczych, pudełka, skrzynki, kubki, doniczki, profile cienkościenne, rury cienkościenne, płytki, itp.. Rozdrabniać w nim można także inne materiały takie jak papier, tekturę, folię i tekstylia jednakże w przypadku tego typu materiałów należy zastosować łamacz płaski.
58 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11 nr 1 (2009) Urządzenie posiada stabilną spawaną konstrukcję stalową posadowioną na podstawkach wibroizolacyjnych. Napęd główny stanowi silnik elektryczny, napędzający mechanizm rozdrabniający [5]. Właściwe rozdrabnianie surowca odbywa się w korpusie rozdrabniającym pomiędzy wzajemnie współpracującymi nożami. Materiał przeznaczony do rozdrobienia wrzucany jest do wsypu maszyny, poprzez który trafia dalej do wnętrza korpusu rozdrabniającego, na mechanizm rozdrabniający. Po rozdrobnieniu produkt wyrzucany jest odśrodkowo poprzez sito do podwieszonego worka [5]. W pracy [4] badano zależności dla okresowej pracy młyna, ze względu na to, że jest on najczęściej wykorzystywany w małych zakładach, gdzie proces rozdrabniania realizowany jest po zebraniu odpowiedniej ilości odpadów konkretnego rodzaju, np. tworzyw sztucznych. Podawanie materiału odbywa się ręcznie. Dane techniczne młyna produkcji Trymet typ T4-5,5 SW przedstawiono w tabeli 2.1 Zużycie mocy czynnej dla biegu jałowego młyna, tzn. pracy z pustą komorą rozdrabniania wynosi 1,1 kw. Tab. 2.1. Dane techniczne młyna produkcji Trymet typ T4-5,5 SW [5] Wartość/określenie Jednostka zasilanie elektryczne: napięcie częstotliwość L3NPe 400 50 V moc znamionowa silnika elektrycznego 5,5 [kw] liczba noży ruchomych 3 [szt.] liczba noży stałych 5 [szt.] załadunek ręczny - gabaryty: szerokość długość wysokość sito: średnica otworów w sicie średnica otworów w sicie 800 1600 1500 8 14 max. wydajność* 100 [kg/h] max. poziom hałasu ** 87 [db(a)] masa całkowita 380 [kg] *Wydajność jest między innymi ściśle uzależniona od: stanu ostrzy noży, wielkości oczek w zainstalowanym sicie (im większe oczka, tym większa wydajność), rodzaju rozdrabnianego materiału i jego właściwości fizycznych, równomiernego dozowania określonej porcji wsadowej materiału. **poziom hałasu uzależniony jest od: - rodzaju rozdrabnianego materiału, - warunków ekspozycji maszyny. Hz
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 11 issue 1 (2009) 59 Rys. 2.3. Mechanizm rozdrabniający młyna - 3 noże ruchome i 5 noży stałych. 3. Wyniki badań Materiałem rozdrabnianym była tektura i butelki PET. Przykładowe wyniki z przeprowadzonych badań przedstawiono graficznie na rys. 3.1, 3.2, 3.3 i 3.4. Rys.3.1 przedstawia wpływ masy próbki rozdrabnianej tektury i wielkości oczek sita na czas potrzebny do jej rozdrobnienia, a rys.3.2 prezentuje zależność zużycia mocy czynnej urządzenia od masy rozdrabnianej tektury i wielkości oczek sita. sito 14 mm sito 8 mm sito 8 mm sito 14 mm t [s] 30 25 20 15 10 5 0 t = 0,0555m R 2 = 0,955 t = 0,0397m R 2 = 0,9862 0 100 200 300 400 500 m [g] Rys. 3.1. Wpływ masy próbki i wielkości oczek sita na czas rozdrabniania tektury (suchej). Na rys. 3.3 przedstawiono wpływ zawartości wilgoci w próbce tektury na zużycie mocy czynnej urządzenia. Zarejestrowany spadek mocy czynnej urządzenia po przekroczeniu 30% zawartości wilgoci w materiale wynikał ze zmiany struktury tektury w wyniku jej rozmiękczenia. Powoduje to zaklejanie powierzchni czynnej sita i większość materiału pozostaje w komorze rozdrabniania, co przy ciągłym podawaniu materiału do młyna uniemożliwia dalszy proces rozdrabniania. Dlatego można stwierdzić, że młyn produkcji
60 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11 nr 1 (2009) Trymet ze względu na swoją budowę nie nadaje się do rozdrabniania tektury o zawartości wilgoci powyżej 30%. Rys.3.4 przedstawia porównanie wpływu masy i wymiarów butelek PET na zużycie mocy czynnej młyna [4]. 7 6 N [kw] 5 4 3 2 1 N = 0,0125m + 1,1 R 2 = 0,9949 sito 14 mm sito 8 mm sito 8 i 14 mm 0 0 100 200 300 400 500 m [g] Rys.3.2. Wpływ masy próbki tektury i wielkości oczek sita na zużycie mocy czynnej urządzenia. 6 5 N [kw] 4 3 2 N = -0,002w 2 + 0,1529w + 3,2 R 2 = 0,9995 1 0 0 10 20 30 40 w [% m.w.] maksymalna zawartość wilgoci w materiale rozdrabnianym dla młyna produkcji Trymet typ T4 5,5SW Rys.3.3. Wpływ zawartości wilgoci w próbce tektury na zużycie mocy czynnej urządzenia dla sita 14 mm.
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 11 issue 1 (2009) 61 7 butelki 1,5 l butelki 0,5 l butelki 1,5 l butelki 0,5 l N [kw] 6 5 4 3 2 1 0 N = 0,0111m + 1,1 R 2 = 0,9464 N = 0,0076m + 1,1 R 2 = 0,8834 0 100 200 300 400 500 m [g] Rys.3.4. Porównanie wpływu masy próbki na zużycie mocy czynnej urządzenia dla różnych rozmiarów butelek dla sita o wielkości oczek 14 mm. 4. Wnioski W wyniku badań procesu rozdrabniania tektury i butelek PET w młynie produkcji Trymet typ T4-5,5 SW uzyskano zależności zużycia mocy czynnej urządzenia i czasu potrzebnego do rozdrobnienia w funkcji masy, rozmiarów i wilgotności próbki odpadu oraz wielkości oczek sita [4]. Wyniki uzyskane z przeprowadzonych badań rozdrabniania tektury wykazały, że: ze wzrostem masy jednorazowo podawanej próbki tektury zwiększa się zużycie mocy czynnej młyna, jak również wydłuża się czas potrzebny do jej rozdrobnienia, ze wzrostem wielkości oczek sita liniowo skraca się czas potrzebny do rozdrobnienia materiału, a zatem rośnie wydajność procesu, rozmiar podawanych kawałków tektury nie ma wpływu na czas potrzebny do ich rozdrobnienia i zużycie mocy czynnej do momentu, kiedy przekroczy się tzw. graniczny - maksymalny rozmiar cząstek materiału, który powoduje zwiększenie czasu rozdrabniania, a zatem zmniejszenie wydajności młyna. O wartości granicznej rozmiarów cząstek podawanego materiału dla tego rodzaju młynów decyduje głównie wielkość komory rozdrabniania, która determinuje wielkość otworu zasypowego. wzrost zawartości wilgoci w tekturze do tzw. granicznej wilgotności (30%) powoduje zwiększone zużycie mocy czynnej urządzenia. Powyżej wilgotności
62 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11 nr 1 (2009) granicznej ze wzrostem wilgotności zużycie mocy czynnej zaczyna maleć, co związane jest z utratą spójności struktury tektury. Wyniki uzyskane z przeprowadzonych badań rozdrabniania butelek PET wykazały, że: ze wzrostem masy jednorazowo podawanej próbki zwiększa się zużycie mocy czynnej młyna, jak również wydłuża się czas potrzebny do jej rozdrobnienia, im większy rozmiar butelek PET tym wyższe zużycie mocy czynnej urządzenia i dłuższy czas potrzebny do ich rozdrobnienia. Wyniki badań stanowią przykład charakterystyki tego typu urządzeń, których opracowanie winno stanowić jeden z elementów analiz optymalizacyjnych. W przyszłości planuje się doposażyć młyn w cyfrowy miernik wraz z odpowiednim oprogramowaniem (stanowisko z komputerem) pozwalającym na stały monitoring zużycia energii, jak również doposażyć młyn w system dozujący i przenośnik taśmowy pozwalający na przeprowadzenie badań dla pracy ciągłej urządzenia.,,praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2005-2007 jako projekt badawczy Literatura [1]. Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1995 [2]. Praca zbiorowa pod redakcją Skalmowskiego K.: Poradnik gospodarowania odpadami. Wydawnictwo Dashoefer Sp. z o. o. W - wa 2001 [3]. Bieliński M.:,,Uwarunkowania techniczne recyklingu materiałowego, miesięcznik Recykling Review, listopad 2003, str. 32-36 [4]. Hryb W.:,, Analiza optymalizacyjna procesów segregowania i sortowania odpadów Rozprawa doktorska, maszynopis dostępny w bibliotece Politechniki Śląskiej, Gliwice, 12.2007 [5]. Dokumentacja Techniczno-Ruchowa DTR NR T4-5,5SW-1919 PILCHOWO 2006