Совершенствование методов переработки автомобильных шин

В настоящее время такие линии  наиболее распространены, т.е. имеются  во многих странах. Назовем некоторые  из фирм, занимавшихся или занимающиеся разработкой, изготовлением и эксплуатацией  линий этого типа: “SIMP” (Франция), “Hot-Lap” (Германия), “Granutech-Saturn Systems Corporation” (США), “Sin Sheng Kuang Electric & Machinery Industrial Co., Ltd” (Тайвань), “Hyndai Motors” (Южная Корея), “Salvadori” (Италия), ОДО “Астека” (Болгария), “Konings Rubber Ttchnology BY” (Голландия), ГУП НИИШП и ОАО “Тушинский машиностроительный завод” (Москва, Россия), ГНПП “КОРД-ЭКС” (Пермь, Россия), “Ermafa Kunststofftechnik Chemnitz GmbH&Co” (Германия) и многие другие. Переработки автопокрышек на таких линиях обычно состоят из:

• грубого дробления (разрезания) шин на фрагменты (иногда этому предшествует вырезание бортовых колец, в других случаях шину разрезают вместе с кольцами);
• отслоения корда от резины и его сепарации
• тонкого измельчения резины.

Для этого на первом этапе используют шредеры, ножевые или фрезерные  дробилки; на втором (для отслоения  корда) – молотковые или валковые дробилки, а также сепараторы, и  на третьем этапе – мельницы тонкого  помола. Обращает внимание, что на линии  фирмы “Konings Rubber Ttchnology BY” (Голландия), а также линии тайваньской фирмы “Sin Sheng Kuang ” , которая, по-видимому, создавалась при непосредственном участии Голландской фирмы, шредер и роторная установка для отслоения корда размещены в одном блоке, что создает определенные удобства при эксплуатации. Интересную конструкцию имеют роторы, используемые на этих линиях для отслоения корда и подвергающиеся в процессе переработки шиной резины наиболее сильному абразивному износу. Во время работы преимущественно стачиваются расположенные на поверхности ротора выступы. Каждый такой выступ выполнен в форме сменной накладки, что существенно облегчает ремонт роторов.

Производственная мощность рассматриваемых  линий составляет        6000 – 10000 тонн/год, стоимость – от 1,2 до 2,0 млн. дол. США. Конечным продуктом является резиновая крошка с размером 0,3 – 5 мм с монолитной структурой частиц. Удельные энергозатраты на получение такой крошки составляют  450 – 800 кВт.ч./т. К наиболее часто встречающимся недостаткам линий следует отнести недостаточно эффективные системы охлаждения блоков переработки. Например, на линии фирмы “Konings Rubber Ttchnology BY” для увеличения отвода тепла из блока грубого измельчения и сдвигового отслоения резины от корда применяют введение определенного количества воды непосредственно внутрь блока. Естественно, что это приводит к образованию интенсивного парового выброса с примесями токсичных веществ. Неэффективный отвод тепла от перерабатываемого материала характерен и для многих других линий переработки изношенных автопокрышек. Например, на линии Тушинского машиностроительного завода основной причиной, затрудняющей работу линии в непрерывном режиме, является перегрев резины на стадии отслоения ее от корда и на стадии тонкого измельчения резины в экструдерах “ЭИ-4” и “ЭИ-5”.

Относительно низкой стоимостью отличается линия по переработке автопокрышек, разработанная российско-болгарской компанией “Астека”. Линия комплектуется  из набора модульного оборудования, что  позволяет собирать либо полную линию, либо отдельные технологические участки. Такой подход позволяет снизить общую цену линии, поскольку допускает возможность использования на каждом этапе оборудования, уже имеющегося у заказчика.

Для первой стадии процесса переработки  предлагается поставка участка со следующим  набором оборудования: а) станок для  шероховки шин, с помощью которого осуществляют отделение и измельчение  протекторной резины до первого слоя корда; б) две борторезки (для шин  размером менее 18 дюймов и от 18 и 22 дюймов) для разделения шины на два бортовых кольца, две боковины и центральную, протекторную часть и в) гильотина, обеспечивающая разрезание боковин  и протекторной части на мелкие сегменты. Оборудование этого участка может  быть установлено либо в стационарном помещении, либо на автомобильном шасси. В последнем случае оно может  быть использовано без подключения  ко внешней электросети. В зависимости  от конструкции гильотины на данном оборудовании можно получать куски  покрышек размером либо 10 × 10 см, либо 2,5 × 2,5 см, либо еще более мелкие куски. Стоимость такого участка при производительности до 1 тонны в час, включая вибросита с магнитосепаратором и циклоном, не превышает 100 тыс. дол. США.

Дальнейшая переработка происходит в мельницах режущего и роторного  типа, где получают гранулят размером от 3 мм до 0,8 мм. При этом обеспечивается содержание в резине текстильного корда  менее одного процента и достигается  практически полное отсутствие металлического корда. В этом случае стоимость комплекта  оборудования возрастает до 400 с небольшим  тысяч долларов, оставаясь значительно  ниже, чем в комплектах других фирм. Отметим и другие особенности  данной линии: энергозатраты на получение  конечного гранулята не превышают 250 кВт.ч/т и обеспечивается возможность  переработки крупногабаритных шин.

На технологической линии, разработанной  фирмой ГНПП “ЭКОРД-ЭКС” (г.Пермь, Россия), переработку изношенных автопокрышек осуществляют с использованием бародеструкционной (БД) технологии. Эта технология, защищенная несколькими патентами РФ [3], основана на явлении “псевдоожижения” резин в условиях интенсивного объемного сжатия. В состав линии входит 3 модуля: модуль отслоения металлокорда и получения грубой резино-тканиевой крошки, модуль измельчения и модуль фракционирования и упаковки полученного порошка. Автопокрышки от легковых автомобилей весом до 20 кг перерабатываются по БД технологии целиком без предварительного разрезания на части. Шины от грузовых автомобилей предварительно режутся с помощью гильотинного пресса на доли (части) весом до 20 кг, которые далее помещают в цилиндрическую камеру пресса и с помощью плунжера подвергают интенсивному сжатию. При этом значительная часть резины вместе с синтетическим кордом выдавливается из камеры в виде резино-тканиевой крошки через небольшие отверстия в днище камеры. Крошку подвергают доизмельчению, а корд отслаивают от резины и затем отделяют с помощью вибросепаратора. Образовавшийся в камере пресса брикет из металлической проволоки и остатков резины подвергают переработке в двух аппаратах, которые отделяют проволоку от остатков резины. Полученную резиновую крошку разделяют на вибросите на несколько фракций размером 0,3 – 1,0 мм; 1,0 – 3,0 мм и 3 – 10 мм. Для доизмельчения грубой фракции и превращения ее в активный дискретно девулканизованный порошок используется роторный диспергатор “ЭКОРД-230 АР2М”.

 В настоящее время в России  находятся в эксплуатации две  такие линии. Они используются  для переработки покрышек легковых  и грузовых автомобилей с диаметром  до 1200 мм и шириной профиля  до 320 мм, а также различных резиносодержащих  материалов (ездовые камеры, пневморессоры,  отходы обувные и др.). Производственная  мощность линий составляет 6000 т/год.  Удельные энергозатраты на переработку  одного кг исходной резины  не превышают 0,46 кВт.ч.

Следует упомянуть еще об одной  технологии переработки автопокрышек при нормально температуре –  технологии озонного разрушения, разработанной  Троицкой технологической лабораторией (г.Троицк, Московская обл.) и Институтом химической физики им.Н.Н.Семенова РАН. При ее разработке был использован хорошо известный эффект растрескивания резины в газовом потоке, содержащем озон. Для реализации технологии созданы специальные установки, в которых автопокрышки или их фрагменты подвергают одновременно воздействию озона и деформированию. При этом происходит эффективное отслаивание резины от корда и ее разрушение на отдельные частицы размером 1 – 10 мм. Более подробно технология рассмотрена в работе [4].

3. Линии переработки покрышек при высоких температурах

Под высокими температурами понимают в данном случае те специфические для каждого типа резины температуры, при которых в резинах начинается термоактивированный распад полисульфидных или других межмолекулярных связей. Например, для изопреновых резин высокими температурами следует считать температуры выше 140°С, для резин на основе этиленпропилендиенового каучука – температуры выше 200°С и т.д. Интерес к столь высоким температурам определяется, прежде всего, тем, что термоактивированный распад межмолекулярных связей облегчает механическое разрушение резины и, тем самым, приводит к снижению удельных энергозатрат на измельчение. Однако, большинство существующих методов измельчения не удается применять при столь высоких температурах из-за постепенного налипания перерабатываемой резины на режущие лезвия, на применяемые для ударного разрушения молотки и на стенки камеры измельчения. Пожалуй, единственным исключением является метод сдвигового измельчения, который в случае изопреновой резины применяют даже при 180–190°С, а в случае этиленпропилендиеновой резины при 240 – 250°С. Именно поэтому в данном разделе рассмотрены линии переработки покрышек с использованием технологии сдвигового измельчения, именно, реализуемой при достаточно высокой температуре.

Технологическая линия, разработанную Институтом химической физики им.Н.Н.Семенова РАН, ЗАО “РОДАН” и ОАО”Вибротехника” (Москва) для переработки изношенных автопокрышек и получения из них активного резинового порошка, порошковых композитных модификаторов и других коммерчески ценных материалов. На этой линии высокотемпературное сдвиговое воздействие применено на двух основных этапах переработки: при отслоении шинной резины от корда и при тонком измельчении резины.

В процессе работы над этим проектом специалисты указанных организаций  разработали и внедрили в практику:

• метод сдвигового измельчения кусков покрышек при повышенных температурах, обеспечивающий отслоение резины от корда и ее грубое разрушение на куски размером 0,2 – 8 мм, минуя стадию разрушения металлической проволоки;
• уже упоминавшийся выше, метод получения активного порошка дискретно-девулканизованной шинной резины [5];
• роторный металлоотделитель “ЭКОРД–9,0 ОМ” для переработки кусков автопокрышек, отслоения резины от металлокорда и других армирующих элементов и грубого дробления резины с производительностью 190 – 250 кг/час [6];
• роторный диспергатор-измельчитель “ЭКОРД-230 АРМ” для получения методом ВСИ высокодисперсных активных порошков резины и других полимеров, конструкция которого обеспечивает автоматическую настройку на наиболее экономичный режим измельчения [5];
• магнитные сепараторы для отделения кусков металлокорда от резиновой крошки; установки типа ПрВ-0,8 для отделения резиновых порошков от синтетического корда и разделения резиновых порошков по фракциям, а также смесители СмВ-0,4 для смешения полимерных порошков с порошковыми функциональными добавками;
• промышленную технологию получения порошковых композиционных модификаторов асфальтобетона и битума путем высокотемпературного сдвигового соизмельчения отходов шинной резины с полимерными термопластами и другими функциональными добавками;
• промышленную технологию получения порошковых и листовых сорбентов для сбора жидких нефтепродуктов с поверхности земли и воды;
• технологию получения на основе измельченного синтетического корда и металлической проволоки модификатора для упрочнения изделий из бетона.

Отметим основные особенности переработки  изношенных автопокрышек с помощью  рассматриваемой технологической  линии. Для первичного разрушения автопокрышек разработчики данной линии рекомендуют  использовать либо головной блок рассмотренной  выше фирмы “Астека”, либо шредер. Переработка кусков автопокрышек в  диспергаторе “ЭКОЛРД-9,0 ОМ” на стадии сдвигового отслоения резины от металлического и синтетического корда сопровождается измельчением самой резины до размера  частиц от 0,2 мм до 8 мм. При этом наиболее мелкие резиновые частицы с размером 0,2–0,8 мм представляют собой активный порошок дискретно девулканизованной  резины. Эти мелкие частицы имеют  рыхлую структуру и состоят из микроблоков размером 5 – 20 мкм. Остальные, более крупные частицы отличаются монолитной структурой и гладкой поверхностью. Переработка резины в диспергаторе “ЭКОРД-9,0 ОМ” производится при 140 – 150оС, удельные энергозатраты не превышают при этом 150 кВт.ч./т. Несмотря на низкое содержание активного высокодисперсного порошка, измельченную в диспергаторе “ЭКОРД-9,0 ОМ” шинную резину уже можно использовать для создания некоторых изделий – плит для трамвайных переездов, плитки для настила полов и т.д.

Однако, основное количество активного  порошка получают при переработке  резины в диспергаторе “ЭКОРД-230 АРМ”. В этом устройстве образование порошка  происходит при температуре 160-180оС, а содержание активного шинного порошка (левый максимум на кривой распределения порошковых частиц по размерам, рис.8) достигает в этом случае 80-85 вес.%. Общие удельные энергозатраты на этой стадии не превышают 200 кВт.ч./т.

Для увеличения скорости отвода тепла  от перерабатываемого материала  и обеспечения длительной эксплуатации диспергаторов “ЭКОРД-230 АРМ” и  “ЭКОРД-9,0 ОМ”, на внутренней поверхности  камер измельчения и на внешней  поверхности шнеков (роторов) размещают  несколько съемных гильз, каждая из которых имеет внутренние каналы для циркуляции жидкого хладоагента. Такое конструктивное решение позволяет  при диаметре ротора 230 мм и температуре  используемой в камере хладоагента  воды +20°С увеличить производительность при измельчении резины до 200 – 230 кг/час и поддерживать температуру выгружаемого порошка не выше 40°С.

Особый интерес представляет, так  называемый, процесс соизмельчения  шинной резины с другими полимерными  или низкомолекулярными материалами, кода в диспергатор “ЭКОРД-230 АРМ” одновременно загружают куски шинной резины и куски (или гранулы других веществ. Для этого на рассматриваемой  линии предусмотрена система  двойной дозированной подачи в диспергатор  предназначенных для измельчения  материалов. В результате соизмельчения  удается получать более ценные порошковые композиционные высокооднородные материалы, пригодные либо для создания различного рода изделий, либо для использования  в качестве модификаторов.

При переработке покрышек на линии  фирмы “Berstorff GmbH” (Ганновер, Германия) отслоение резины от корда осуществляют с помощью дробильных вальцев. Затем, после сепарации корда резину подвергают высокотемпературному сдвиговому измельчению в двухшнековом экструдере. Впервые измельчение резины в экструдере ZE-типа было осуществлено еще в 1986 году [7] специалистами НПО “Норпласт” (Москва) и фирмы “Berstorff GmbH”. Как выяснилось с самого начала, измельчение в этом и в некоторых других двухшнековых экструдерах позволяет получать очень тонкие порошки резины и других полимеров. Однако, у двухшнековых экструдеров наблюдаются существенные затруднения с отводом тепла из зоны измельчения.Измельчение в экструдере происходит только в тех микроучастках, где осуществляется зацепление шнеков друг за друга, т.е. в зонах расположения кулачковых элементов. Такое случайно-статистическое измельчение вдоль шнеков с неизбежностью приводит к тому, что часть уже измельченного материала в следующих зонах снова монолитизируется и снова измельчается. В результате, увеличиваются удельные энергозатраты на получение порошка и увеличивается количество выделяющегося тепла. Кроме того, система охлаждения шнеков не слишком эффективна. По приведенным в работе [8] данным, система охлаждения шнеков экструдера почти в 3 раза менее эффективна, чем система охлаждения корпуса. Поэтому специалисты фирмы “Berstorff” провели большую работу с целью увеличения скорости отвода тепла из зоны измельчения экструдера. Сначала они предложили выводить из экструдера перерабатываемый материал, когда его температура достигает 130 – 150°С, охлаждать его воздушным потоком в специальных теплообменниках на 40 – 60°С и снова вводить в экструдер для доизмельчения [9]. Созданная для этого установка оказалась слишком дорогой, а удельные энергозатраты дополнительно возросли из-за необходимости неоднократного нагрева перерабатываемого материала.