Даценко Віталій Михайлович. Удосконалення технології та устаткування переробки твердих побутових відходів

Краткое описание

Даценко Віталій Михайлович. Удосконалення технології та устаткування переробки твердих побутових відходів.- Дис. канд. техн. наук: 21.06.01, Держ. ВНЗ "Придніпр. держ. акад. буд-ва та архітектури". - Дніпропетровськ, 2014.- 155 с.

ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

На правах рукописи

ДАЦЕНКО ВИТАЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 691.002.8(477.62)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

21.06.01– экологическая безопасность

ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Пенчук Валентин Алексеевич

МАКЕЕВКА 2014

СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………..…………………………..….................4
Раздел 1. Обоснование темы работы……..…………………………..…...............10
1.1 Характеристика среды взаимодействия ………………………...….............10
1.2 Существующие технологии и методы сбора и хранения
бытовых отходов …................................................................................................14
1.3 Анализ существующих технологий переработки бытовых отходов …......19
1.4 Существующие теории оценки эффективности переработки ТБО .............25 1.5 Выводы по разделу ………………………………………….…………….…27
Раздел 2. Теоретическое обоснование технологий сортировки ТБО с использованием блочных и мобильных установок …………………………......29
2.1. Взаимосвязь объема и рассредоточения ТБО с типом установок
для их переработки………………………………………………………….…29
2.2 Математическая модель эффективности сортировки ТБО с учетом их объемов и дальности рассредоточения ….…………………………………….33
2.3. Логистические аспекты в технологии применения мобильных сортировочных установок ………………………………………………………40
2.4. Выводы по разделу …………………………………………………………60
Раздел 3. Закономерности процессов ручной сортировки ТБО на конвейере…62
3.1 Обоснование рациональных параметров конвейера………………………62
3.2 Сортировка продуктов ТБО без их предварительной подпрессовки……65
3.3 Влияние подпрессовки продуктов ТБО на процесс сортировки…………72
3.4. Выводы по разделу………………………………………………………….74
Раздел 4. Экспериментальные исследования процессов переработки ТБО……75
4.1 Планирование экспериментальных исследований………………………..75
4.2 Исследование морфологического состава ТБО учебных заведений
и баз отдыха…………………………………………………………………….77
4.3 Исследование влияния под прессовки твердых бытовых отходов
на время сортировки……………………………………………………………80
4.4 Математическая модель оценки времени, которое тратится на
сортировку твердых бытовых отходов в местах их образования……………87
4.5 Выводы по разделу…………………………………………………………98
Раздел 5. Экономическое обоснование и рекомендации по применению…….99
5.1 Методика определения экономической эффективности
применения блочных и мобильных установок сортировки ТБО……………99
5.1.1 Определение годового объема работ…………………………………….99
5.1.2 Расчет капитальных затрат………………………………………………100
5.1.3 Расчет текущих затрат……………………………………………………101
5.1.4 Определение годового экономического эффекта………………………103
5.1.5 Удельная фондоемкость………………………………………………….103
5.1.6 Годовые эксплуатационные издержки………………………………….103
5.1.7 Снижение затрат на материалы………………………………………….104
5.1.8 Срок окупаемости……………………………………………………….104
5.2 Экономическое обоснование целесообразности применения
блочной установки на примере ДонНАСА………………………………….105
5.3 Методика инженерного расчета и выбора рациональных
параметров блочных и мобильных установок………………………………107
5.4 Охрана труда при эксплуатации блочных и мобильных
установок сортировки ТБО……………………………………………………108
5.4.1 Устройства и механизмы применяемые при эксплуатации блочных
и мобильных установок сортировки ТБО…………………………………….108
5.4.2 Основные опасные и вредные факторы возникающие при
эксплуатации установок сортировки ТБО……………………………………109
Выводы по работе………………………………………………………………115
Список использованных источников…………………………………………117
Приложения……………………………………………………………………129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы
В XXI веке разнообразие продуктов потребления и упаковок для их доставки и хранения все увеличиваются и увеличиваются, поэтому количество отходов увеличивается и с каждым годом ухудшается экологическая обстановка. На свалках отходов могут образовываться разнообразные ядовитые газы: бензопирены, меркаптаны и один из самых «свежих» и сильнейших ядов - диоксин. Без специального оборудования для переработки ТБО вблизи городов происходит образование как бы мощных «термохимических мин» замедленного действия, «разминирование» которых в дальнейшем потребует крупных затрат. Учитывая тяжелое экономическое положение, в котором находятся многие постсоветские страны, в том числе Украина, трудно рассчитывать на возможность выделения под мусорную проблематику значительных средств. Зарубежное оборудование и технологии стоит очень дорого, поэтому даже для крупных городов весьма затруднительно приобрести специальное импортное оборудование. Следует обратить внимание на то, что в большинстве государств Западной Европы и Америки правильная утилизация мусора приносит не убыток специализированным фирмам, а наоборот - существенную прибыль.
Поэтому изучение и создание новых энергосберегающих способов переработки твердых бытовых отходов с применением блочных и мобильных установок по сортировке, является актуальной и важной научно-технической задачей.
Связь работы с научными программами, планами, темами
Диссертационная работа выполнена в рамках научных исследований по госбюджетным тематикам ДонНАСА: Д-2-09-11 «Разработка новых технических и технологических решений по эффективной утилизации твердых бытовых отходов» (№ гос. регистрации 0111U001807); К-2-12-06 «Эффективное использование иностранной техники в условиях Донбасса» (№ гос. регистрации 0107U000100) и К-2-12-11 «Основы физических процессов строительных и коммунальных машин и оборудования».

Цель и задачи исследования
Целью работы является установление особенностей и закономерностей сортировки ТБО с использованием блочных и мобильных сортировочных установок.
Для достижения цели автором были сформулированы следующие задачи:
– провести оценку влияния степени подпрессовки ТБО на качество и время сортировки;
– установить закономерности процессов сортировки ТБО с учетом их объемов и дальности расположения;
– обосновать области рационального применения блочных и мобильных сортировочных установок;
– разработать методику назначения рациональных маршрутов движения и количества перестановок мобильных сортировочных установок для конкретных городских условий;
– провести экспериментальные исследования с целью подтверждения предлагаемых технологий сортировки ТБО и математических моделей исследуемых процессов.
Объект исследования: процессы сортировки твердых бытовых отходов при малообъемных и рассредоточенных местах сбора.
Предмет исследования: блочные и мобильные установки по сортировке ТБО.
Методы исследований базируются на системном подходе и анализе существующих исследований, ранее накопленного опыта и выполненных исследований в области теории и методов утилизации твердых бытовых отходов, аналитические исследования с использованием числового анализа фундаментальных положений теории сортировки, теории вероятности. В экспериментальных исследованиях использовались методы физической имитации рабочих процессов со статистической обработкой результатов экспериментов.
Научная новизна полученных результатов:
– впервые установлены закономерности сортировки твердых бытовых отходов с учетом возможности их степени сжатия ξ = 0, ξ = 2, ξ = 4;
– Впервые установлены условия эффективного применения технологии сортировки ТБО и оборудование для ее реализации с учетом их объемов и дальности расположения;
– Получили дальнейшее развитие аналитические зависимости для определения рационального расположения блочных и мобильных установок сортировки ТБО;
– Усовершенствованы научно обоснованные методы аналитических и экспериментальных исследований параметров и рабочих процессов блочных и мобильных установок сортировки ТБО.
Практическая значимость полученных результатов состоит:
1) в обосновании технической возможности и экономической целесообразности применения блочных и мобильных установок сортировки ТБО;
2) в разработке конкретных рекомендаций по применению блочных и мобильных установок сортировки ТБО;
3) в установлении рациональных маршрутов движения мобильной установки сортировки ТБО;
4) во внедрении рациональных решений проектирования блочных и мобильных установок в учебный процесс при выполнении дипломных проектов студентами специальности 7.090214 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, мелиоративные машины и оборудование»;
5) в экономическом эффекте от внедрения блочной установки сортировки ТБО в ДонНАСА.

Достоверность научных положений, выводов и полученных результатов
Научные исследования, выводы и предложения, предоставленные в диссертационной работе, базируются на анализ ранее накопленного опыта и выполненных исследований в области теории и методов утилизации твердых бытовых отходов, аналитическом исследовании с использованием числового анализа фундаментальных положений теории сортировки, теории вероятности. В экспериментальных исследованиях использовались методы физической имитации рабочих процессов со статистической обработкой результатов экспериментов.
Личный вклад соискателя определяется постановкой научной задачи, формулировкой цели, поиском их решений путем проведения теоретических и экспериментальных исследований, полученными научными разработками и практическими результатами.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы получены автором самостоятельно, а именно:
– обоснована необходимость применения блочных и мобильных установок сортировки ТБО;
– установлен фракционный состав ТБО общественных мест, на примере ДонНАСА;
– изготовлен экспериментальный стенд для изучения влияния процессов подпрессовки ТБО на время сортировки;
– проведены натурные экспериментальные исследования блочной установки;
– обоснованы основные рациональные геометрические и силовые параметры блочных и мобильных установок;
– проведены экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности предложенных математических моделей и эффективности предложенного способа сортировки твердых бытовых отходов блочными и мобильными установками;
– определен экономический эффект от принятия в эксплуатацию блочных и мобильных установок сортировки ТБО.
Материалы научной работы, которая выносится на защиту, отображены в печатных изданиях, опубликованных в соавторстве, со следующим вкладом автора: рассмотрены понятия малообъемность и рассредоточенность [65,67,104] проанализированы особенности и тенденции развития технологий переработки бытовых отходов [64, 66, 68]; в работах [63, 69] проанализировано влияние подпрессовки на время сортировки ТБО.
Апробация результатов диссертации
Материалы диссертационной работы были представлены и получили позитивную оценку на заседаниях кафедры и научных семинарах кафедры «ПТСДМО» ДонНАСА (г. Макеевка, 2011-2014 гг.), всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и студентов "Создание, эксплуатация и ремонт машин и оборудования для производства строительных материалов и конструкций" (г. Полтава, 2012 г.); заседание секции Научно-методического совета по машиностроению и металлообработки Министерства образования и науки, молодежи и спорта Украины по направлению «Подъемно-транспортные. строительные, дорожные, мелиоративные машины и оборудование » (г. Харьков, 2012 г.); Международных выставках-конференциях «Экология промышленного региона. (г. Донецк, 2011, 2012 г.) выставке при VI Международном инвестиционном Саммите «Устойчивое развитие: энергоэффективность, ресурсосбережение, экобезопасность» (г. Донецк, 2013 г.).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 14 научных работах, в том числе получены патенты Украины на полезную модель (Пат. 51677, Пат. 52556, Пат. 62043, Пат. 72810).

Диссертация выполнена на кафедре подъемно-транспортных, строительных, дорожных машин и оборудования ДонНАСА в период
2011-2014 гг. под научным руководством д.т.н., профессора, В.А. Пенчука.

Список литературы

Выводы по работе

1. На основе обобщения исследований по переработке бытовых отходов установлено, что существующие технологии с использованием стационарных сортировочных пунктов чаще всего используют для доставки специальные машины с подпрессовкой ТБО, что приводит к снижению их эффективности. Предварительное подпрессовка ТБО при транспортировке значительно усложняет процесс сортировки. В частности, при степени сжатия, время, затрачиваемое на сортировку і-го объема отходов, возрастает до 30%.
2. Разработана новая классификация установок сортировки бытовых отходов по их мобильности и производительности. На ее базе впервые научно обоснована целесообразность блочных и мобильных установок. Получены и проанализированы технологические параметры установок сортировки ТБО, такие как мобильность, рассредоточение и рациональный маршрут движения.
3. Предложенная методика технико-экономического анализа технологий применения различных видов установок позволяет установить область применения блочных, мобильных и стационарных установок для сортировки ТБО.
Численным анализом установлено, что наиболее эффективным является применение блочных установок при объемах м3 и дальности их сбора и доставки км, а мобильных установок - при объемах м3 и дальности их сбора и доставки км.
4. Состав ТБО учебных заведений и баз отдыха отличается от морфологического состава городов Украины, отсутствует строительный мусор, черный металлолом, уменьшается количество цветного металлолома, отсутствуют деревянные отходы, увеличивается количество стекла, пластика, бумажных отходов.
5. В результате исследований процессов сортировки блочными установками на объектах высшей школы показано:
– при сборе ТБО в полиэтиленовые кульки накопительный бункер на выходе необходимо оборудовать разрезным устройством, целесообразно принудительного действия;
– производительность сортировки на конвейерах шириной В=0,8 м и длиной L=3 м составляет 50 м3/сутки;
– количество постов сортировки составляет 3…4;
6. Исследования процессов сбора, доставки и сортировки ТБО с применением мобильной установки показали:
– при выборе мест расположения установки в городских условиях целесообразно использовать место расположения избирательных участков;
– при обосновании рационального маршрута движения мобильной установки по городу можно использовать алгоритм лексического перебора
7. Скорость движения конвейера определяет качество сортировки продуктов ТБО. Она зависит от скорости зрительных и мускульных движений человека. Теоретически установлены пределы скорости движения ленты конвейера в диапазоне м / мин. Рекомендуется в зависимости от объемов, фракционного состава и необходимого качества сортировки продуктов ТБО, осуществлять регулирование скорости движения конвейера за счет частотного регулирования привода.
8. При сортировке продуктов ТБО наиболее рациональная последовательность отбора фракций ТБО зависит от морфологического состава отходов. Для общепринятого соотношение наиболее рациональная последовательность отбора фракций ТБО будет следующая: макулатура; стекло; пластмасса; металл; текстиль.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Адлер Ю.П., Марков Е.В., Грановский Ю.В. – [2-е изд. перераб. и доп.]. – М.: Наука, 1976. – 279 с.
2. Александровская З. И. Организация службы мусороудаления и уборки городов / З. И. Александровская. – М.: Стройиздат, 1976 . – 127с.
3. Анализ и оценка зарубежного опыта обращения с твердыми бытовыми отходами / [Лихачев Ю.М., Федашко М.Я., Селиванова С.В. и др.]. – Спб: Рос. муницип. акад., 2008. – 265 с.
4. Бабанин И.В. Оценка эффективности раздельного сбора отходов /И. В. Бабанин // Твердые бытовые отходы. − 2006. − №7. – С.40–43.
5. Белоусов А. И. Экономические методы управления утилизацией твердых бытовых отходов / А. И. Белоусов, С. А. Панков // Вестник Московского университета. Сер. 6; Экономика. – 2004. – № 2. – С. 74–85.
6. Берлінг Р.З. Поняття відходів: еволюція трактувань і сучасні підходи / Р.З. Берлінг // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. Проблеми економіки та управління – 2002. – № 448. – С. 147–151.
7. Билитевски Б. Опыт Германии в области переработки отходов / Б. Билитевски, К. Дорнак // Твердые бытовые отходы. – 2006. – №10. – С.54−57.
8. Блохин А.В. Теория эксперимента: Курс лекций в двух частях: Ч. 2 / А.В. Блохин. – Мн.: БГУ, 2002. – 67 с.
9. Бобович Б.Б. Переработка отходов производства и потребления : справочное издание. / Б.Б. Бобович, В.В. Девяткин; под ред. Б.Б. Бобовича. М.: Интермет инжиниринг, 2000. - 496 с.
10. Бондарь И. Л. Исследование морфологического состава твердых бытовых отходов, образующихся в жилой застройке и на предприятиях г. Харькова / И. Л. Бондарь // Коммунальное хозяйство городов: науч. – техн. сб. – К. : Техніка, 2001. – Вып. 29. – С. 102 – 105.
11. Бондар І. Л. Екологічні аспекти впливу твердих побутових відходів різного морфологічного складу на довкілля / І. Л. Бондар // Коммунальное хазяйство городов: науч. – техн. сб. – К. : Техніка, 2002. – Вып. 36. – С. 222 – 226.
12. Бухгалтер Э.Б. Обращение с отходами как важнейшее направление устойчивого развития в странах Европейского Союза Текст. / Э.Б. Бухгалтер, Б.О. Будников, О.А. Будникова // Экология производства. 2004. - № 10. - С. 45 -57.
13. Булгаков С. Н. Новые технологии комплексной переработки твердых коммунальных отходов - дублирующая сырьевая экономика / С. Н. Булгаков// Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2007. – № 6(101). – С. 62–64.