Совершенствование методов переработки автомобильных шин

В дальнейшем было предложено более  простое решение: использовать для  охлаждения экструдера либо охлажденную  до 5 – 10°С воду, либо тосол с температурой – 10°С. Это позволило снизить удельные энергозатраты при измельчении шинной резины в экструдерах “Berstorff” до 400 кВт.ч/т [10]. Полученный в этих условиях измельченный продукт содержит более 70 вес.% мелкого рыхлого порошка. Интересно отметить, что по данным электронной микроскопии структура такого мелкого порошка американской шинной резины практически не отличается от структуры активного порошка, полученного измельчением российской шинной резины в роторном диспергаторе. Аналогичными параметрами характеризуется измельчение резины в двухшнековых экструдерах ZSK-типа.

Измельчение шинной резины в некоторых  других двухшнековых экструдерах, в  частности в экструдерах с  конусными шнеками, не позволяет  получить высокодисперсный порошковый материал. При переработке кусков резины размером 10 – 20 мм в экструдерах-измельчителях “ЭИ-4” фирмы “Росполимер” (Москва) содержание высокодисперсных частиц (размером менее одного мм) также не превышает 10-12 вес.%. Однако, эти экструдеры и укомплектованные ими линии с успехом используют для грубого дробления, т.е. получения шинной крошки с размером частиц 1-5 мм.

3. РАЗРАБОТКА НЕПРЕРЫВНОГО СПОСОБА  СЖИГАНИЯ ШИН И УСТРОЙСТВА  ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

3.1. Технико-экологические требования  технологий и устройств

Известен технологический комплекс (1) для переработки безотходным  способом твердых органических отходов, в том числе изношенных автопокрышек, авиационных и других покрышек с  получением энергоносителей (бензиновой фракции, мазутов, пиролизного газа), пирокарбона (твердого углеродного  остатка) и металла. Способ включает подготовку исходного сырья с  его многостадийным измельчением до размера крошки порядка 20-25 мм и последующей  сушкой. Высушенная крошка поступает  в реактор, где при температуре  около 950°С подвергается деструкции с  выделением парогазовой смеси, а  твердый углеродистый остаток с  металлическими включениями под  собственным весом и давлением  вновь поступающего сырья продвигается в нижнюю часть реактора. Затем  через систему охлаждения его  направляют в двухвалковую дробилку для предварительного измельчения  и отделения металла от “припеченного” углерода. Из дробилки измельченный твердый  остаток по ленточному транспортеру поступает в бункер - запасник, при  этом предварительно из него извлекаются  металлические включения. Из бункера - запасника углеродистый остаток  винтовым питателем подают в микроизмельчитель, где происходит окончательное измельчение  до заданной фракции. Пиролизный газ  частично подают на обогрев реактора, остальную часть - потребителю. Из паров  жидких углеводородов после нефтехимической  конденсации и ректификации выделяют бутадиен, бензин, толуол и бензол.

К недостаткам известного способа  следует отнести наличие высокоэнергоемких  процессов измельчения шин и  сушки крошки, а также цикличность  работы реактора, в связи с периодичностью процесса загрузки сырья и выгрузки твердого остатка из реактора и связанные  с этим существенные энергетические потери.

Известен способ утилизации резиновых  отходов в среде инертного  теплоносителя - кварцевого песка (2). Способ включает пиролиз отходов резины в реакторе при температуре 500 – 700°С, отделение твердой фазы, разделение жидкой и газообразной фаз путем конденсации и сжигание последней для поддержания процесса пиролиза.

Недостатком этого способа является высокая энергоемкость и низкая производительность вследствие цикличности  процессов загрузки-выгрузки в реактор  и неизбежных при этом потерях  тепловой энергии.

Известна также технология переработки  резиновых отходов методом парового термолиза (3). Способ включает “переваривание”  резины в рабочей среде - перегретом водяном паре. Водяной пар при  охлаждении позволяет легко концентрировать  продукты разложения. При этом используют парогазовую смесь, состоящую из 98 – 85 мас.% перегретого до 300 – 1600°С водяного пара и 2 – 15 мас.% газа, полученного из газообразных продуктов разложения. Резиновые отходы предварительно перед термическим разложением смешивают с 3 – 40 мас.% масла путем пропускания газообразных продуктов разложения и рабочей среды через слой отходов при их массовом соотношении (0,05-1,62):1. Твердые продукты разложения смешивают с 4 – 40% масла и прессуют в брикеты с одновременным нагревом до 100 – 500°С путем фильтрации газа, полученного из газообразных продуктов разложения.

К недостаткам способа следует  отнести высокую температуру  разложения резиновых отходов, достигающую 1600°С и цикличность процесса переработки, что существенно увеличивает энергетические затраты.

Следующий способ – деструкция резиновых отходов методом разложения в реакторе в среде перегретого пара (4). Способ включает предварительную подготовку и пиролиз изношенных шин под избыточным давлением в среде перегретого водяного пара. При этом пар берут в количестве 18 – 110% от массы отходов, а полученную углеродистую твердую фазу измельчают до размера частиц 0,001 – 0,210 мм. Жидкую фазу отделяют вместе с паром и смешивают с 23,0 – 55,8 мас.% измельченной углеродистой фазы с получением жидкого топлива. Технологический процесс разложения включает периодическую загрузку резиновых отходов в реактор и выгрузку из него твердой углеродистой фазы через шлюзовые камеры. Термическую деструкцию проводят при температуре 400 – 500°С. Газы деструкции вместе с водяным паром конденсируют, а неконденсирующиеся газы направляют на сжигание в топку парогенератора для поддержания процесса пиролиза.

Жидкий конденсат после смешения с измельченным углеродистым остатком до гомогенного состояния представляет собой топливо - аналог мазута марки  М-40.

Недостатком известного способа является цикличность процесса переработки  резиновых отходов и, как следствие, низкая производительность и большие  потери тепловой энергии, неизбежные при  периодической загрузке сырья в  реактор и выгрузке из него твердой  фазы.

Известно устройство (5) для термического разложения углеводородного сырья, в том числе старых автомобильных  шин. Устройство содержит пиролизную камеру - накопитель, который размещен в  печи обращенным вниз открытым торцом. Печь содержит верхнюю часть в  виде колпака с двойными стенками и нижнюю часть - днище, соединенное  с верхней частью коническим разъемом с уплотнениями. Накопитель образует с боковыми стенками и потолком печи общий зазор, соединенный патрубками для подвода и отвода продуктов  пиролиза.

Недостатком устройства является низкая производительность и эффективность, обусловленная цикличностью процесса разложения, связанная с периодической  загрузкой сырья и выгрузкой  твердой фазы из камеры - накопителя.

Известна также печь для пиролиза автомобильных шин (6). Устройство содержит верхнюю и нижнюю части, соединенные  посредством конического разъема  с уплотнительными кольцами. В  полости верхней части печи вертикально  смонтирована пиролизная камера. Печь снабжена кольцевым лотком с патрубком  для отвода жидких продуктов пиролиза. Работает устройство циклично: поднимают грузоподъемным устройством верхнюю часть печи, в пиролизную камеру загружают пакет шин, затем возвращают верхнюю часть на место и закрепляют разъемные соединения. Далее подают горячие газы из топочного устройства между стенками печи и пиролизной камерой и осуществляют разложение шин по заданному режиму с последующей выгрузкой в обратном порядке твердого остатка из пиролизной камеры.

Недостатком конструкции печи является цикличность работы и высокие  энергопотери, связанные с необходимостью периодического нагрева печи до рабочей  температуры после очередной  загрузки шин и последующего охлаждения при выгрузке твердой фазы продуктов  деструкции.

Наиболее близко к разрабатываемому устройству устройство для переработки резиновых отходов методом пиролиза под избыточным давлением в среде перегретого водяного пара, которое и взято за прототип (7). Устройство содержит вертикальный реактор с верхней шлюзовой камерой с люком (затвором) для загрузки шин и шнековый транспортер выгрузки твердой фазы. Посредством привода транспортер кинематически связан со шлюзовым люком нижней камерой разгрузки. Реактор через трубопровод с краном и расходомером функционально связан с парогенератором, а также с конденсатором и накопительной емкостью - отстойником жидкой фазы.

В реактор через шлюзовую камеру периодически загружают шины, закрывают  люк-затвор. Одновременно от парогенератора через кран и расходомер подают перегретый водяной пар под избыточным давлением  и осуществляют термолиз по заданному  режиму. Газообразные продукты пиролиза в смеси с водяным паром  конденсируют в конденсаторе. Неконденсирующиеся газы через кран и расходомер направляют на сжигание в топку парогенератора. Образующийся конденсат из конденсатора сливают в накопительную емкость - отстойник. После завершения процесса разложения твердую фазу (углеродистый остаток) шнековым транспортером через  шлюзовый люк разгрузочной камеры удаляют  из реактора и направляют на измельчение. Далее реактор загружают новой партией шин и возобновляют цикл пиролиза.

3.2. Описание способа и устройства-прототипа

В качестве прототипа разрабатываемого способа был выбран способ переработки  изношенных шин, осуществляющий пиролиз  под давлением в среде перегретого  водяного пара, последующее отделение  твердой фазы, разделение жидкой и  парогазообразной фаз со сжиганием  последней для поддержания процесса пиролиза и удаление из реактора твердой  и жидкой фаз. Установка и способ были разработаны НПО "Технопром", запатентованы 2003.06.02.

  Пиролиз проходит при отрицательном давлении в реакторе в интервале 0,01 – 0,1 атм. в режиме непрерывной загрузки шин и выгрузки твердой фазы. Шлюзовые камеры заполняют водой с возможностью загрузки (6) и выгрузки (7) реактора (3), заполняют водой с образованием водяного затвора. Парогазообразную фазу дополнительно подвергают каталитическому крекингу. Жидкую фазу в количестве 25-30% сжигают в реакторе для поддержания процесса пиролиза. Устройство для переработки изношенных шин содержит вертикальный реактор со шлюзовой камерой для загрузки шин, средство выгрузки твердой фазы и функционально связанные с реактором конденсатор парогазовой фазы и накопительную емкость-отстойник жидкой фазы с краном и расходомером. Устройство снабжено шлюзовой камерой выгрузки. Шлюзовые камеры загрузки и выгрузки выполнены с водяными затворами с возможностью герметизации реактора. Шлюзовая камера загрузки снабжена транспортером загрузки, который на входе и выходе водяного затвора оборудован прижимными вальцами. Реактор дополнительно снабжен патроном каталитического крекинга и оборудован печью с горелками. Корпус печи выполнен коническим в виде направляющей для нанизывания шин на вершину конуса с транспортера загрузки. В основании конуса печи смонтирован кольцевой инфракрасный излучатель из жаропрочной стали. Изобретение позволяет повысить производительность процесса переработки изношенных шин и снизить удельные энергозатраты.

Шины при подготовке рассекают  в поперечном кольцевом сечении  в радиальном направлении, а в  процессе пиролиза перемещают в реакторе сверху вниз и разгибают в ленту  при выгрузке на выходе из реактора.

На рис. 7. приведена принципиальная схема устройства-прототипа для осуществления способа.

Рис. 7. Схема устройства-прототипа

Устройство содержит участок 1 для  подготовки шин 2, реактор 3 с теплоизоляционной  стенкой 4 и патроном каталитического  крекинга 5, шлюзовые камеры загрузки 6 и разгрузки 7 с водяными затворами 8, цепной загрузочный транспортер 9 с крюками захвата 10 и прижимными вальцами 11, ленточный разгрузочный транспортер 12 с магнитным сепаратором 13 для отделения металлических  включений 14 и бункер 15 складирования  углеродистой фазы 16. Функционально с реактором 3 связан конденсатор 17 с вытяжным вентилятором 18, емкость-отстойник 19 с кранами 20, 21 и промежуточным баком 22, трубопроводом 23. Печь 24 реактора 3 с вертикальной перегородкой 25, дымоходом 26, спиральным дымоходом 27, вытяжной трубой 28, кольцевым инфракрасным излучателем 29 и горелками 30.

Указанный способ и устройство позволяют вести процесс парового термолиза резины в непрерывном режиме, исключив циклическую остановку реактора на период загрузки исходного сырья и выгрузки твердых продуктов разложения из рабочей зоны. Непрерывность процесса деструкции достигают посредством отсечения рабочей зоны реактора от внешней среды посредством водяных затворов в шлюзовых камерах загрузки и выгрузки, что позволяет вести процесс термолиза в стационарном режиме, не останавливая реактор разложения. При этом смачивание шин водой, при прохождении водяного затвора камеры загрузки, благоприятно влияет на кинетику последующего разогрева отходов резины до температуры разложения (280-500°С). Рабочую температуру в зоне разложения реактора, после выхода на режим, поддерживают за счет собственного источника энергии - сжигания газовых и части жидких продуктов разложения отходов. При этом жидкую фазу деструкции резины, для целей энергообеспечения процесса разложения, используют в количестве 25-30% от полученного объема, а газовую составляющую продуктов разложения полностью сжигают в печи реактора. Таким образом, достигается высокая экологическая безопасность и экономичность процесса утилизации резиновых отходов.

Существенно, что паровой термолиз ведут при отрицательном давлении в рабочей зоне реактора (0,01 – 0,1 атм.), последнее обеспечивает эффективное парообразование при более низкой температуре в реакторе за счет сдвига точки равновесного влагосодержания и повышает безопасность и экономичность процесса разложения шин.

В процессе деструкции резины вместе с летучей парогазовой фазой  выделяется мелкодисперсная сажа, улавливаемая посредством сменного цеолитового  патрона, которым дополнительно  оборудован реактор. При этом патрон пропитан солями металлов с переменной валентностью (Ni, Co, Сr, Сu и т.п.), что  обеспечивает каталитический крекинг  органической составляющей парогазовой  фазы и повышает экологическую безопасность процесса утилизации изношенных шин.