Совершенствование методов переработки автомобильных шин

 

1. Описание промышленных способов утилизации резиновых отходов и определение направлений совершенствования

Динамичный рост парка автомобилей во всех развитых странах приводит к постоянному  накоплению изношенных автомобильных  шин.

Объем их переработки  методом измельчения не превышает 10%. Большая часть собираемых шин (20%) используется как топливо. Вышедшие из эксплуатации изношенные шины являются источником длительного загрязнения  окружающей среды:

• шины не подвергаются биологическому разложению;
• они огнеопасны и в случае возгорания, погасить их достаточно трудно, а при горении в воздух выбрасываются вредные продукты сгорания и в том числе канцерогены;
• при складировании они служат идеальным местом для размножения грызунов и кровососущих насекомых, переносчиков инфекционных заболеваний.

Вместе с тем, амортизированные автошины содержат в  себе ценное сырье: каучук, металл и  текстильный корд.

Проблема переработки  изношенных автомобильных шин и  вышедших из эксплуатации резинотехнических  изделий имеет большое экологическое  и экономическое значение для  всех развитых стран мира. А невосполнимость  природного нефтяного сырья диктует  необходимость использования вторичных  ресурсов с максимальной эффективностью, т.е. вместо гор мусора мы могли бы получить новую для нашего региона  отрасль промышленности - коммерческую переработку отходов.

В настоящее время, все известные методы переработки  шин можно разделить на две  группы:

1. Физический метод переработки шин
2. Химический метод переработки шин
1. Физические методы переработки резиновых отходов

 

Физические  методы переработки отличаются способами измельчения, которые можно представить в виде схемы на рис. 1.

 

Рис.1. Классификация способов измельчения шин и резинотехнических изделий.

В настоящее  время все большее значение приобретает  направление использования отходов  в виде дисперсных материалов. Наиболее полно первоначальная структура  и свойства каучука и других полимеров, содержащихся в отходах, сохраняются  при механическом измельчении.

Установление взаимосвязи  между размерами частиц материала, их физико-химическими и механическими  характеристиками и затратами энергии  на измельчение и параметрами  измельчающего оборудования необходимо для расчета измельчителей и  определения оптимальных условий  их эксплуатации.

Процесс измельчения, несмотря на кажущуюся простоту, очень  сложный не только по определению  характера, величины и направления  нагрузок, но и по трудности количественного  учета результатов разрушения.

 

1.1.1 Низкотемпературная  технология утилизации шин

 

При низкотемпературной обработке изношенных шин дробление  производится при температурах – 60 ºС … – 90 ºС, когда резина находится в псевдохрупком состоянии. Результаты экспериментов показали, что дробление при низких температурах значительно уменьшает энергозатраты на дробление, улучшает отделение металла и текстиля от резины, повышает выход резины. Во всех известных установках для охлаждения резины используется жидкий азот. Но сложность его доставки, хранения, высокая стоимость и высокие энергозатраты на его производство являются основными причинами, сдерживающими в настоящее время внедрение низкотемпературной технологии. Для получения температур в диапазоне – 80 ºС ... – 120 ºС более эффективными являются турбохолодильные машины. В этом диапазоне температур применение турбохолодильных машин позволяет снизить себестоимость получения холода в 3-4 раза, а удельные энергозатраты в 2-3 раза по сравнению с применением жидкого азота. Технология не внедрена.

Рис. 2 Низкотемпературная технологическая линия переработки шин.

 

Изношенные автомобильные  шины подаются в машину для удаления бортовых колец. После этого шины поступают в шинорез и далее  в ножевую роторную дробилку. Затем  следует магнитный сепаратор  и аэросепаратор. Для охлаждения порезанные и предварительно очищенные  куски резины подаются в холодильную  камеру, где охлаждаются до температуры  – 50 ºС...– 90 ºС. Холодный воздух для охлаждения резины подается от генератора холода воздушной турбохолодильной машины. Далее охлажденная резина попадает в роторно-лопаточный измельчитель, откуда она направляется на повторную очистку в магнитный сепаратор и аэросепаратор.

 

2. Бародеструкционная технология

 

Технология  основана на явлении "псевдосжижения" резины при высоких давлениях  и истечении её через отверстия  специальной камеры. Резина и текстильный  корд при этом отделяются от металлического корда и бортовых колец, измельчаются и выходят из отверстий в виде первичной резино-тканевой крошки, которая подвергается дальнейшей переработке: доизмельчению и сепарации. Металлокорд  извлекается из камеры в виде спрессованного брикета.

Рис. 3. Бародеструкционная технологическая линия переработки шин.

 

Автопокрышка подаётся под пресс для резки шин, где  режется на фрагменты массой не более  20 кг. Далее куски подаются в установку высокого давления. В установке высокого давления шина загружается в рабочую камеру, где происходит экструзия резины в виде кусков размерами 20-80 мм и отделение металлокорда.

После установки  высокого давления резинотканевая крошка и металл подаются в аппарат очистки  брикетов для отделения металлокорда (поступает в контейнер) от резины и текстильного корда, выделение  бортовых колец. Далее остальная  масса подаётся в магнитный сепаратор, где улавливается основная часть  брекерного металлокорда. Оставшаяся масса подаётся в роторную дробилку, где резина измельчается до 10 мм.

Далее вновь в  кордоотделитель, где происходит отделение  резины от текстильного корда и разделение резиновой крошки на две фракции:

менее 3 мм;

от 3 до 10 мм.

Отделившийся от резины текстильный корд поступает  в контейнер.

В случае если резиновая  крошка фракцией более 3 мм интересует потребителя как товарная продукция, то она фасуется в бумажные мешки, если нет, то она попадает в экструдер-измельчитель.

После измельчения  вновь в кордоотделитель, текстильный корд – в контейнер, а резиновая крошка – в вибросито, где происходит дальнейшее её разделение на три фракции:

I – от 0,3 до 1,0 мм;

II – от 1,0 до 3,0 мм;

III – свыше 3,0 мм.

Фракция резиновой  крошки более 3 мм возвращается в экструдер-измельчитель, а резиновая крошка I и II фракции отгружается покупателю.

 

1.1.3. Механическая переработка шин.

 

В основу технологии переработки заложено механическое измельчение шин до небольших  кусков с последующим механическим отделением металлического и текстильного корда, основанном на принципе "повышения  хрупкости" резины при высоких  скоростях соударений, и получение  тонкодисперсных резиновых порошков размером до 0,2 мм путем экструзионного измельчения полученной резиновой крошки.

Рис. 4. Механическая технологическая линия по переработке шин.

Технологический процесс  включает в себя три этапа:

• предварительная резка шин на куски;
• дробление кусков резины и отделение металлического и текстильного корда;
• получение тонкодисперсного резинового порошка.

На первом этапе  технологического процесса поступающие  со склада шины подаются на участок  подготовки шин, где они моются и  очищаются от посторонних включений.

После мойки шины поступают в блок предварительного измельчения - агрегаты трехкаскадной  ножевой дробилки, в которых происходит последовательное измельчение шин  до кусков резины, размеры которых  не превышают 30х50 мм.

На втором этапе  предварительно измельченные куски  шин подаются в молотковую дробилку, где происходит их дробление до размеров 10х20 мм. При дроблении кусков обрабатываемая в молотковой дробилке масса разделяется на резину, металлический корд, бортовую проволоку и текстильное волокно.

Резиновая крошка с  выделенным металлом поступает на транспортер, с которого свободный металл удаляется  с помощью магнитных сепараторов  и поступает в специальные  бункеры. После металлические отходы брикетируются.

На третьем этапе  куски резины подаются в экструдер-измельчитель. На этой стадии обработки происходит параллельное отделение остатков текстильного волокна и отделение его с  помощью гравитационного сепаратора от резиновой крошки. Очищенный от текстиля резиновый порошок подается во вторую камеру экструдера-измельчителя, в котором происходит окончательное  тонкодисперсное измельчение.

По выходу из экструдера - в вибросито, и где осуществляется рассев порошка на три фракции:

I – от 0,5 до 0,8 мм;

II – от 0,8 до 1,6 мм;

III – дополнительная фракция - 0,2...0,45 мм (поставка по заказу).

 

1.2. Химические методы  переработки автомобильных шин

 

Химические методы переработки  –  это методы, приводящих к глубоким необратимым изменениям структуры полимеров. Как правило, эти методы осуществляются при высоких температурах и заключаются в термическом разложении (деструкции) полимеров в той или иной среде и получению продуктов различной молекулярной массы.

Классификация химических методов  представлена на рис. 5.

 

Рис. 5. Химические методы переработки шин и резиносодержащих изделий.

 

1.2.1. Сжигание

 

 

При прямом сжигании шины, грубоизмельченные или целиком, сжигают в избытке кислорода. Иногда грубоизмельченные шины добавляют к другому сжигаемому материалу для повышения его теплотворной способности.

Сжигание шин производится в  первую очередь в цементной промышленности и на теплоэлектроцентралях. Шины используются, как материалзаменитель угля и мазута.

Ряд недостатков сжигания шин лежит  в самой природе данного метода. Температурные колебания в процессе горения ведут к неполному  сгоранию шины. При этом при температуре  ниже 1100°C образуются такие ядовитые вещества, как хлорированный диоксин  и фуран.

С точки зрения экологии использование  изношенных шин для получения  энергии оценивается неоднозначно. При сгорании резины покрышек генерируется широкая гамма чрезвычайно токсичных соединений, кроме того, образуются гидроксильные окислы серы, углерода, и азота, которые являются инициаторами кислотных дождей, а также сажа, которая, хотя и не является токсичным элементом, но из-за высокой сорбционной способности, поглощает вредные соединения, и становится весьма токсичной.

Метод сжигания шин неперспективен также с энергетической точки  зрения: с учетом КПД при сжигании легковой шины количество энергии примерно равно получаемой от сжигания 3 л. нефти, а энергия, накопленная в шине, равна энергии, получаемой при сжигании 27-30 литров нефти (21 литр расходуется  на изготовление сырья и 6 литров на процесс переработки). Кроме того сжигание шин в печах осложняется тем, что в состав шин входят металлические элементы – бортовые кольца, металлокорд, шипы противоскольжения.

Одним из главных недостатков  переработки сжиганием является тот факт, что при сжигании изношенных шин, как и при сжигании нефти, уничтожаются химически ценные вещества, содержащиеся в материале изношенных шин.

Косвенный метод сжигания основан на том, что для процесса сжигания поступает газ, полученный в процессах переработки изношенных шин.  Энергия горючего газа используется для получения горячей воды или водяного пара при помощи теплообменников.

 

1.2.2. Пиролиз

 

Пиролиз – технология переработки, альтернативная сжиганию. В наиболее развитых странах (США, Японии, Германии, Швейцарии и др.) уже довольно длительное время эксплуатируются  опытно-промышленные установки по пиролизу шин мощностью 7 – 15 тыс. т. в год по сырью.

Пиролиз кусков шин и резиновой  крошки осуществляется в среде с  недостатком кислорода, в вакууме, в атмосфере водорода в присутствии  катализаторов и без них, в  реакторах периодического и непрерывного действия, в псевдокипящем слое при  различных температурах.

Так при термообработке целых  и измельченных шин наиболее высокий  выход масел наблюдается при 500 °С, при 900 °С отмечается наибольший выход  газа. При этом выход продуктов  определяется только температурой, а  не размерами кусков шин. Из тонны  резиновых отходов можно получить пиролизом 450 – 600 литров пиролизного масла и 250 – 320 кг. пиролизной сажи, 55 кг. металла, 10.2 м³ пиролизного газа.