Műszaki Földtudományi Közlemények, 83. kötet, 1. szám (2012), pp. 61 70. A SZEMCSEALAK ALAPJÁN TÖRTÉNŐ SZÉTVÁLASZTÁS JELENTŐSÉGE FÉMTARTALMÚ HULLADÉKOK FELDOLGOZÁSA SORÁN SIGNIFICANCE OF SHAPE SEPARATION IN PROCESSING OF WASTE STREAMS CONTAINING METALS GOMBKÖTŐ IMRE 1 Absztrakt: A fémtartalmú fogyasztási hulladékok hasznosítása egyre inkább előtérbe kerül a nyersanyagárak jelentős és folyamatos emelkedésével. Előkészítési szempontból a fémek kinyerése a hulladék anyagáramból, elviekben elég jól megoldottnak tekinthető, azonban vannak olyan speciális esetek, amikor valamely tényező miatt fém nehezen választható le, így az eljárás hatásfoka és a fémkihozatal csökken. Ilyen eset például a háztartási kis és nagy gépek aprításakor keletkező drót- és kábelszálak, amelyek nem kellő aprítás során a durva frakcióba kerülnek, de hosszú, elnyújtott alakjuk miatt ezen szemcséket az adott méretfrakcióban alkalmazott fémleválasztó eljárások nem képesek megfelelően kezelni. Jelen tanulmányban összefoglaltam azokat a technológiákat, amelyekkel ez lehetséges, illetve beszámolok a Miskolci Egyetem Nyersanyag-előkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laboratóriumában a témakörben lefolytatott vizsgálatsorozat eredményeiről. Kulcsszavak: Alak szerinti szétválasztás, fémtartalmú hulladékok feldolgozása. Abstract: recycling of wastes streams with metal content become more and more important due to increasing raw material costs. Metal separation from these waste streams are considered to be easy in most cases, however there are some special cases where metals are hard to separate from other components for some reason. Such a circumstance where wires in the product of comminuted large and small household appliances. The wires are usually move together with the course fraction where applied separation techniques are not able to separate them from the non metal particles, because of their elongated shape. In this paper, shape separation techniques for wires are introduced and some results of a measurement series carried out in the laboratory of Institution of raw Material Preparation and Environmental Process Engineering. Keywords: Separation by shape, Processing of wastes containing metals. 1 DR. GOMBKÖTŐ IMRE Miskolci Egyetem, Nyersanyag-előkészítési és Környezetei Eljárástechnikai Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros ejtimreg@uni-miskol.hu
62 Gombkötő Imre 1. Bevezetés A fémeket tartalmazó hulladékok feldolgozása során gyakran tartalmaznak elektromos vezetékeket, kábeleket. Ezek mennyisége sok esetben nem olyan nagy, hogy külön kerüljenek leválasztásra és feldolgozásra, a szétválasztás eredményességére azonban mindenképpen hatással vannak, mivel alakjuk nagymértékben eltér az anyaghalmazt alkotó, többségében kubikus, illetve lapos szemcsék alakjától. Ezen drótszálak alak szerinti leválasztása ezért mindenképpen fontos, hangsúlyozva az alak szerinti szétválasztási eljárások fontosságát. 2. Az alak hatása az egyes szétválasztási eljárásokra A szemcsék alakjából következően egyes szemcsék látszólagos sűrűsége a szemcsét alkotó összetevő anyagi sűrűségétől jelentősen különbözhet. Üreges szemcsék esetében, nehézközeges szétválasztás alkalmazásakor a nehezítő anyag kiülepedhet a szemcse üregeiben, megnövelve azzal a szemcse látszólagos sűrűségét. Hasonló a helyzet egyes hidrofób szemcsék nedves közegben történő szétválasztási eljárásának kivitelezésekor, amikor a szemcsék üregeibe levegő buborékok kerülnek, és ezáltal a szemcse látszólagos sűrűségét jelentősen csökkenthetik. Áramkészülékek esetén ahol a szemcsék süllyedési sebessége nagymértékben függ a szemcsék alakjától, csak akkor remélhetjük a szétválasztás megfelelő jóságát, ha a szétválasztandó szemcsék alakja is közel azonos. Örvényáramú szeparálás során örvényáramokat indukálunk elektromos vezető szemcsékben. A szemcsékben ezáltal örvényáramok jönnek létre, melyek önmaguk is mágneses mezőt hoznak létre. Olyat, amely az őt létrehozó erő ellen dolgozik. Ez a mező a vezetőképesség, szemcseméret és sűrűség a szemcse alakja és elhelyezkedésének is függvénye. Abban az esetben, amikor nem-vas fémek egymástól történő elválasztása a célunk, a szemcsék alakjának döntő fontosságú szerepe van. Az automata válogató rendszerek az egyes szemcsék felismerése érdekében különböző szenzorokat (optikai kamerák, elektromágneses érzékelők, röntgen szenzorok stb.) és a szenzorok által küldött adatokat feldolgozó algoritmusokat alkalmaznak. A kamerák által megadott képek alapján az egyes szemcsék alaktényezője meghatározható. Az alaktényező és az egyes szenzorok által az adott szemcséhez rendelt egyéb változók (szín, érdesség, visszaverődés mértéke stb.) adják a felismerés és a szétválasztás alapját. Különleges alakú szemcsék esetén a felismerés hibás eredményre vezethet. 3. Alak alapján történő szétválasztási eljárások Az egyes szemcsehalmazok esetén az eltérő alakból adódó különböző tulajdonságokat használunk ki. Ezek a gurulóképesség, ahol egy lejtőn leguruló szemcse lényegesen nagyobb sebességgel tud mozogni, mint azok a szemcsék, amelyek csúsznak, mivel ebben az esetben a fellépő súrlódás jelentősen lassíthatja a szemcséket. Egy szemcse középső mérete általában meghatározza, hogy egy résnyíláson áthalad-e, vagy sem. Minél több irányultságában képes áthaladni, az áthaladás várható ideje úgy csökken. Ezáltal a szitálás kinetikájával, a résnyílások alakjával ez könnyen befolyásolható. Egyes eljárások azt használják ki,
A szemcsealak alapján történő szétválasztás jelentősége fémtartalmú hulladékok 63 hogy anyagminőségtől függően, az eredeti szemcsealak és a szemcsék sebességének függvényében becsapódáskor hogyan deformálódnak a szemcsék, míg más eljárások bizonyos speciális alakú szemcsék hulladékáramból történő kihalászását alkalmazzák. Hagyományos módja a lapos és hosszúkás szemcsék eltávolításának a réssziták alkalmazása. A réssziták olyan síksziták, ahol a rések alakja nem négyzetes vagy kör/ellipszis alakú, hanem olyan téglalap alakú nyílásokkal rendelkezik, ahol a hosszirányú méret a keresztirányú mérettel szemben több 10-szeres is lehet. Az ilyen szitasíkok esetén a lapos és hosszúkás szemcsék könnyen átesnek, míg a kubikus szemcsék gyakran áthaladnak a szitasíkon és a szita durva termékébe kerülnek. Ilyen elven működik az IFE által [3] kifejlesztett hulladékszita is, amely a nagyfelületű, lapos szemcséket egy külön virtuális szitasíkra tereli szitálás közben. A kaszkádkialakítás lehetővé teszi a helyigényéhez képest nagy osztályozó felület kialakítását úgy, hogy a kaszkádelemek döntésével az effektív résméretnél nagyobb résméretek kialakítására van lehetőség, így az eltömődés valószínűsége csökken. A kaszkádlépcsők végén kialakított tüskék/rudak gondoskodnak az anyagáram folyamatos fellazításáról és a nagy felületű, a szabad szitanyílásokat eltakaró, így a szitálás hatásfokát erősen rontó (pl. textil) szemcsék eltávolításáról. (1. ábra) Hasonló elven működik az ún. kaszkádrendszerű szeparátor, amelynek működése a 2. ábrán kerül bemutatásra. A szeparátor olyan egymással párhuzamos síkokból épül fel, amelyen a szétválasztandó szemcseméret frakciónak megfelelő nyílások találhatóak, az egymás alatt elhelyezkedő síkokon eltolva egymáshoz képest. 1. ábra. Kaszkád-hulladékszita és sematikus rajza [3]
64 Gombkötő Imre 2. ábra. Egylépcsős kaszkádrendszerű geometriai szeparátor Ezeken a nyílásokon a hagyományos szemcsék könnyedén átesnek, a drótszálak azonban alakjuk miatt akkor sem, ha hosszába vagy keresztbe kerülnek a nyílás fölé. A nagyobb feldolgozó képesség érdekében a nyílások méretét olyan módon kell megválasztani, hogy a nem hosszúkás szemcsék könnyen átessenek rajta, azonban a drótszálak nem. A szétválasztás élességét az egymás alá elhelyezett síkok számának növelésével lehet javítani. (nem kritikus szemek r = 1,2 1,5*x [mm]) (3.1) 3. ábra. Többsíkú geometriai kaszkádszeparátor A geometriai tulajdonságokat kihasználó hasonló rendszerű berendezés az ún. szögezett henger. A szögezett henger felépítését a 4. ábra mutatja. Hasonló elven végtelenített szögezett szállítóheveder is alkalmazható kellően nagy dőlésszög alkalmazása mellett.
A szemcsealak alapján történő szétválasztás jelentősége fémtartalmú hulladékok 65 4. ábra. Szögezett henger [2] A szétválasztás elméletben két módon lehetséges. Egyik módszer szerint a henger viszonylag nagy kerületi sebességgel járatjuk, az anyagot pedig egyenáramban (a tüskék lefelé mozgásának oldalán) a dobperemnél adagoljuk a hengerre. Ekkor elméletileg a nem hosszúkás szemcsék viszonylag könnyen átesnek a dob mellett a szögek között, míg a drótszálakat a szögek megütik, és ez pályájukat módosítja, amelynek hatására a nem hosszúkás szemcséktől külön gyűjthetőek. Másik módszer szerint a henger viszonylag kis kerületi sebességgel forog, az anyagot ellenáramban (a tüskék felfelé mozgásának oldalában) adjuk fel a dob pereménél. A szemcsék áthullnak a tüskék között, míg a drótszálak alakjuk miatt a tüskékbe akadnak, majd a dob átszállítja őket a másik oldalra, ahol a dob túloldalán leesnek a dobról, ezáltal a nem hosszúkás szemcséktől külön gyűjthetőek. Annak megfelelően, hogy az egyes szemcsék mennyire gurulóképesek, több megoldás létezik. Kiemelve egy példát láthatunk [1]. A szállítóheveder a menetirányra merőlegesen is döntve van, így azok a szemcsék, amelyek gurulóképesek, a feladást követően oldalirányba legurulnak a szállító hevederről.
66 Gombkötő Imre 4. Gyakorlati alkalmazás lehetőségei 5. ábra. Döntött heveder [1] Alaki szeparálás gyakorlati alkalmazásának fontosságát demonstrálandó, laboratóriumi körülmények között elektronikai hulladékok és aprított autóroncsokból származó fémtartalmú hulladékot dolgoztam fel. A feldolgozott minták jelentősebb mennyiségben tartalmaztak feltáratlan drótszálakat, amelyek rendre elrontották a szétválasztás élességét. A vizsgált termékek jellemzően kubikus szemcsékből állnak a tisztán fém-, üveg- és kőzetalkotók esetében, jellemzően lapos szemcsékből a műanyag alkotókat tekintve és viszonylag hosszú szemcsék jellemzik a drótszálakat, ahol az átmérő hosszúság arány meghaladja az 1:10 értéket is. Ilyen esetekben a konvencionális megoldás a dobsziták alkalmazása, ahol sikerrel lehet eltávolítani a hosszúkás szálak jelentős részét, az elválasztás azonban nem éles, így az eltávolított részekkel együtt jelentős mennyiségben távolítunk el normál szemcséket is, illetve a hagyományos szitáláshoz hasonlóan, a dobszita hosszától, tehát a tartózkodási idő mértékétől függően megjelennek a drótszálak a finom termékben is. Mind a rendelkezésre álló elektronikai hulladékmintát, mind a shrederezett autóroncsból származó mintát szemcseméret frakciókra bontottam és az egyes szemcseméret frakciókban meghatároztam a benne lévő drótszálak arányát, valamint a drótszálak átlagos hosszát. A kapott eredményeket az 1. és 2. táblázatban foglaltam össze [2].
A szemcsealak alapján történő szétválasztás jelentősége fémtartalmú hulladékok 67 Aprított elektronikai hulladék geometriai jellemzői 1. táblázat Szemcseméret frakciók [mm] Szemcseméret eloszlás [%] Frakcióban lévő drótszálak tömegaránya [%] Frakcióban lévő drótszálak átlagos hossza [mm] 0 0 0 3.15 2.78 17 41 5 8.59 4.8 44 8 25.03 2.3 50 10 39.06 1.5 66 12 53.57 0.4 67 16 88.15 1 92 20 98.79 0.4 100 x max 100 0 Összesen: 1.8 Shrederezett autóroncs geometriai jellemzői 2. táblázat Szemcseméret frakciók [mm] Szemcseméret eloszlás [%] Frakcióban lévő drótszálak tömegaránya [%] Frakcióban lévő drótszálak átlagos hossza [mm] 0 0 0 3.15 13.28 49.3 48 5 28.63 34.7 63 8 56.97 6.6 65 10 58.53 7.3 75 12 73.58 22.6 62 16 95.28 4 79 20 98.23 3.2 90 x max 100 4.7 117 Összesen: 6.2 5. Szisztematikus kísérletsorozat A kísérleti munka első felében a szemcseméret frakciókra bontott mintákat különkülön a kézzel kiválogatott drótszálakat és a maradék, elsősorban műanyagot tartalmazó mintafrakciókat feladtam a Miskolci Egyetem Nyersanyag-előkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laboratóriumában található légáramkészülékre és elektrosztatikus
68 Gombkötő Imre szeparátorra annak érdekében, hogy az adott berendezések alapértelmezés szerinti használhatóságát a drótszálak leválasztására megvizsgáljam. A légáramkészülék esetén a feladott mintafrakciókat rendre 5, 10, 15, 20 és 25 m/s légáramsebesség mellett vizsgáltam, a könynyű és nehéztermékre kapott termékek tömegkihozatalát regisztráltam. Az elektrosztatikus szeparátorra hasonló módón, szemcseméret frakciókra bontva adtam fel a mintaanyagokat rendre 5, 10 és 15 kv gerjesztő feszültséget alkalmazva. A termékek tömegkihozatalát regisztráltam. A kapott eredményeket jelen cikkben nem részletezem, mivel azok teljes mértékben megegyeznek az előzetes várakozásokkal. A szétválasztás mind légáramkészülék mind elektrosztatikus dobszeparátor alkalmazása mellett teljesen sikertelen volt bármely szemcseméret frakció tekintetében. Ennek oka a korábban ismertetett alaki eltérések, illetve az a tény, hogy a drótszálak jelentős része még feltáratlan, szigetelt drót, így a korona-kisüléses feltöltés teljesen hatástalannak bizonyult. 5.1. Kísérletek szögezett hengerrel A berendezést szakirodalmi adatok alapján a Nyersanyag-előkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laboratóriumában terveztük. A berendezés egy 190 mm átmérőjű és 210 mm széles dob, amelyre egymástól 25 mm-re eltolt sorokban 60 mm hosszúságú szögek lettek elhelyezve. A szögek menetesek, így az egymástól számított távolságuk 25, 50, 75 és 100 mm-re állítható a feladott szemcseméret függvényében. A dob egy frekvenciaváltón keresztül táplált villanymotor hajtja, amelyek között a mechanikai kapcsolatot lánckerék biztosítja, így a dob kerületi sebessége elviekben 0 és 12 m/s között átmenet nélkül szabályozható. Az intézeten tervezett szögezett henger a 6. ábrán látható. 6. ábra. Kísérleti szögezett henger
A szemcsealak alapján történő szétválasztás jelentősége fémtartalmú hulladékok 69 Mind az aprított elektronikai hulladékból, mind a shrederezett autóroncs könnyűtermékének feldolgozási maradékából kisebbítés után mintát vettem, majd a mintát az intézet mágneses szeparátorával vasatlanítottuk. Az így kapott mintákat a légáramkészüléknél is használt szemcseméret frakciókra bontottuk laboratóriumi szitálással (rendre: 0 3,15 mm, 3,15 5 mm: 5 8 mm, 8 10 mm, 10 12 mm, 12 16 mm, és 16 20 mm), majd kézi válogatással kiválogattuk a drótszálakat. Az egyes frakciókban a drótok tömegarányát, illetve átlagos hosszát meghatároztuk. (1. és 2. táblázat) Az így kapott mintákat anyagfajtánként (külön a drótszálakat és a szemcsés anyagot) ellenáramban feladtam a szöges hengerre 0,3; 0,5; 0,9 és 1,2 m/s kerületi sebesség mellett, majd a tömegkihozatalokat meghatároztuk. Mivel a szögek egymáshoz viszonyított távolságát nem változtattuk (25 mm), az eredmények alapján meghatározható az a méretarányszám, amely szükséges az adott kerületi sebesség mellett a szemcsés anyaghalmaz könnyű szögek közötti áteséséhez. A vizsgálatok eredményeként az alábbi következtetéseket lehet levonni: Ellenáramú feladás esetén a mintatípustól függetlenül a kis (elsősorban 0,3 0,5 m/s között) kerületi sebességek alkalmazásával lehetséges jó eredményeket elérni. Ennél nagyobb kerületi sebességek alkalmazása esetén a gép kialakításából következően a kubikus szemcsék is a drótszálas termékbe kerülnek, mivel a gyorsan forgó szögek amelyek elhelyezése váltott soros, azaz a hézag után a következő sorban szög következik a kubikus szemeket is kihordják. A 25 mm szögtávolság alkalmas a 40 mm-nél hosszabb drótszálak leválasztására. Ilyen szempontból ennél kisebb szögek közötti távolság nem javasolt, mivel a potenciálisan jó szétválasztással kecsegtető kis kerületi sebességek mellett a nagyobb szögek közötti távolságokkal adódó hézagokon a drótszálak nagyobb valószínűséggel esnek át. A szétválasztás jó eredményéhez a szögek közötti távolságot úgy kell megválasztani, hogy a kubikus szemcsék mérete 8 10-szer legyen kisebb mint a szögek közötti távolság. A berendezés-feldolgozó képességét alapvetően nem a szögek között könnyen áteső kubikus szemcsék, hanem a drótszálak mennyisége fogja meghatározni. Széles szemcsespektrummal rendelkező anyagokon a jó eredmény eléréséhez több egymást követő henger kialakítása szükséges, ahol a legnagyobb szögek közötti távolsággal rendelkező hengerre adjuk fel először az anyagot, majd az így kapott kubikus terméket amely még továbbra is szennyezett a rövidebb drótszálakkal adjuk fel a következő kisebb szögek közötti távolsággal kialakított hengerre.
70 Gombkötő Imre Köszönetnyilvánítás,,A tanulmány/kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. IRODALOMJEGYZÉK [1] Gotoh, Keisi Furuuchi, Masami: Shape separation of particles. Powder Technology, 1992. [2] Simon Szabolcs: Drótszálak fémtartalmú hulladékáramokból történő eltávolításának technológiai vizsgálata. Szakdolgozat. Miskolci Egyetem, 2010. [3] IFE Aufbereitungstechnik GmbH