На поведение легких компонентов ТБО в процессе аэросепарации решающее влияние оказывает подъемная аэродинамическая сила – равнодействующая всех сил (нормальных и тангенциальных), распределенных по поверхности частицы, находящейся в воздушном потоке. Аэродинамическая сила зависит как от параметров частиц (форма, размеры, состояние поверхности, положение в потоке), так и от параметров воздушного потока и пневмосепаратирующей системы в целом (скорость воздуха и ее направление, степень турбулентности, равномерность скоростного потока, ширина струи).
Расчет необходимой скорости воздуха, обеспечивающей разделение ТБО на две фракции – легкую и тяжелую, можно производить приближенно по скорости витания компонентов легкой фракции, вычисляемой с применением графоаналитического метода.
На одиночную частицу, падающую в воздушной среде, действуют сила тяжести, направленная вниз и определяемая объемом V и плотностью ρт твердой частицы:
(2.1)
и вторая сила (архимедова сила, направленная вверх и равная 
. Ввиду малого значения этой силы ею можно пренебречь; она имеет значение при сепарации в жидкой среде), направленная вверх – сила аэродинамического сопротивления среды Fc, которая выражается квадратичным законом Ньютона:
, (2.2)
где: V – объем частицы (компонента), м3;
и 
– плотности соответственно компонента и воздуха, кг/м3;
WВ – скорость витания компонента, м/с;
СА – коэффициент лобового сопротивления (аэродинамический коэффициент сопротивления воздуха движению частицы);
– характерный линейный размер компонента, м.
Под скоростью витания понимают конечную скорость, которую приобретает частица (компонент) при свободном падении, когда силы тяжести и сопротивления среды уравновешиваются.
При условии равновесия сил 
и 
:
(2.3)
, (2.4)
, (2.5)
где: 
– толщина пленочного материала (например, макулатуры, полимерной пленки), м.
При аэросепарации используются два основных способа разделения компонентов: в горизонтальном потоке воздуха (направление воздуха перпендикулярно действующей на компоненты силе тяжести) и в вертикальном потоке воздуха (направление воздуха противоположно направлению действующей на компоненты силе тяжести). Соответственно в аэросепараторе компоненты легкой фракции транспортируются воздухом в горизонтальном или вертикальном направлении.
Расчеты позволяют получить выражение для определения теоретической рабочей скорости воздуха в процессе аэросепарации:
– в вертикальном потоке воздуха:
, (2.6)
– в горизонтальном потоке воздуха:
, (2.7)
где: l – смещение частиц в горизонтальном потоке воздуха, равное примерно 20 l т, м (l т – линейные размеры частицы);
h – высота рабочей зоны сепарации, м.
Рассчитываемая на основании двух последних выражений теоретическая рабочая скорость воздуха составляет для сепарации ТБО в вертикальном потоке 5 м/с, в горизонтальном – 2,5 м/с. Практически для обеспечения эффективности процесса разделения ТБО на две фракции – легкую и тяжелую скорость воздуха должна быть увеличена в 1,5-2 раза.
Технология аэросепарации муниципальных отходов разработана в ВИВРе (Всероссийском институте вторичных ресурсов, ныне НИЦПУРО – научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами, г. Москва).
Укрупненно-лабораторная установка аэросепаратора с вертикальным потоком воздуха (рис. 2.1) включает следующие основные узлы: 1 – дутьевой вентилятор; 2 – заслонку, регулирующую расход воздуха в пределах скорости от 0 до 6,5 м/с; 5 – вертикальную камеру разделения, состоящую из нижней цилиндрической трубы и верхней части, образованной двумя элементами усеченной конической формы; 6 – загрузочное устройство; 7 – осадительную камеру циклонного типа; 8 и 9 – разгрузочные устройства соответственно легкой и тяжелой фракции. Для замера скорости воздуха в рабочей зоне аэросепаратора предусмотрены отверстия.
В соответствии с минимальным диаметром рабочей зоны сепаратора максимальная крупность материала в опытах составляет 160-180 мм. Производительность вертикального сепаратора, как и горизонтального, лимитируется его загрузочным устройством и составляет около 5 кг/мин [3].
1 – дутьевой вентилятор; 2 – заслонка, регулирующая расход воздуха в пределах скорости от 0 до 6,5 м/с; 5 – вертикальная камера разделения, состоящая из нижней цилиндрической трубы и верхней части, образованной двумя элементами усеченной конической формы; 6 – загрузочное устройство; 7 – осадительная камера циклонного типа; 8 и 9 – разгрузочные устройства, соответственно легкой и тяжелой фракции
Рисунок 2.1 – Укрупненно-лабораторный аэросепаратор для сортировки легковесных фракций ТБО в вертикальном потоке воздуха
Аэросепаратор работает следующим образом: воздух с помощью вентилятора 1 через заслонку 2 и узел подвода воздуха 3 подается снизу в цилиндрическую камеру разделения 4 и движется вверх, образуя в ней вертикальный поток. Подлежащий сепарации материал подается загрузочным устройством 6 в зону минимальной скорости (камеру разделения 5), образуемую основаниями элементов усеченной конической формы, где из него вертикальным потоком воздуха выдуваются вещества низкой плотности (преимущественно, макулатура, полимерная пленка, текстиль). Тяжелая фракция выводится из сепаратора снизу цилиндрической части камеры разделения (через разгрузочное устройство 9). Некоторые компоненты легкой фракции, которые при попадании в верхнюю часть камеры разделения 5 не успели отделиться от тяжелой фракции и увлекаются последней вниз, поступают в нижнюю часть камеры разделения 4 в зону большей скорости воздуха и выносятся вверх, попадая в конечном итоге в осадительную камеру 7 установки. Иными словами, конструкция сепаратора предусматривает увеличение скорости вертикального потока воздуха вверх и вниз от зоны разделения (вблизи загрузки материала), обеспечивает чистоту разделения материала на компоненты и полноту их извлечения, то есть эффективность сепарации. При этом соотношение диаметров оснований элементов усеченной конической формы рабочей зоны разделения составляет 1,2:1,5, а соотношение их высот 2:1 (сверху вниз).
Основными факторами, влияющими на технологические показатели аэросепарации, являются скорость воздуха, крупность материала и его влажность. Все три фактора влияют, главным образом на извлечение картона, ламинированной бумаги и текстиля из натуральных волокон.
При аэросеперации в горизонтальном потоке воздуха искусственной смеси ТБО (воздушно-сухое состояние) в легкую фракцию извлекается преимущественно газетная и ламинированная бумага, а также пленочные пластмассы; оптимальная скорость воздуха – около 5 м/с. Содержание макулатуры в легкой фракции достигает 75 % (повышается по сравнению с исходным почти в 2 раза). Извлечение в легкую фракцию всех компонентов с повышением влажности (скорость 5 м/с) монотонно снижается. С повышением влажности селективность процесса аэросепарации несколько возрастает и содержание макулатуры в легкой фракции при влажности 40-50 % возрастает до 80 % (в случае сепарации сухих смесей – 75 %). Состав тяжелой фракции (хвостов) аэросепарации с повышением влажности ТБО несколько изменяется вследствие больших потерь в ней текстильных компонентов и картона.
Аэросепарация ТБО в вертикальном потоке воздуха, по сравнению с разделением в горизонтальном, позволяет получить более чистый по содержа-нию макулатуры продукт, но при значительно меньшем извлечении. При сепарации влажных ТБО в легкую фракцию переходит преимущественно один из видов макулатуры – газетная бумага. Практически извлечение макулатуры снижается с 55 % (воздушно-сухое состояние) до 43 % (влажность 60 %), а содержание возрастает (с 78 до 88 %). Таким образом, селективность процесса аэросепарации в вертикальном потоке воздуха выше, чем в горизонтальном.
Наилучшим образом естественные свойства ТБО как объекта сепарации используются при последовательной аэросепарации в вертикальном и горизонтальном потоке воздуха, когда питанием горизонтального аэросепаратора является тяжелая фракция вертикального. При аэросепарации влажных ТБО уже после первой стадии процесса в значительной степени происходит подсушка материала (содержание влаги снижается на 10-20 %), при необходимости возможно использование подогретого воздуха), что способствует доизвлечению во второй стадии плотных разностей макулатуры (картон, ламинированная бумага). Однако практическая реализация двухстадийной аэросепарации ТБО существенно усложняет объемно-планировочные решения цеха сортировки, поэтому она может включаться в технологические схемы обогащения ТБО в тех редких случаях, когда требуется, например, максимальное извлечение макулатуры для вторичного использования (рис. 2.2). В случае направления легкой фракции на сжигание технологически оправдана одностадийная аэросепарация.
Рисунок 2.2 – Схема двухстадийной аэросепарации
Следует отметить, что процесс аэросепарации, в зависимости от состава сепарируемого сырья и технологических задач, можно регулировать с помощью формирования соответствующих скоростных полей воздушного потока. Так, выбирая необходимый скоростной профиль горизонтального потока воздуха, можно при обогащении легкой фракции, полученной в вертикальном сепараторе, значительно повысить содержание в продукте полимерной пленки.
Наиболее эффективен процесс аэросепарации при скорости горизонтального потока воздуха 0,9 м/с в верхней части камеры разделения и 1,25 м/с – в нижней, причем для интенсификации процесса разделения материалов, близких по плотности и аэродинамическим характеристикам, физические свойства компонентов легкой фракции направленно регулируются увлажнением материала (оптимальная влажность материала – около 40 %).