Расчет экономической эффективности переработки использованных автомобильных шин

В последнее время большое внимание уделяется проблеме использования отходов производства и потребления, в том числе изношенных шин. [35, 38, 47 50, 56, 60.] Эта проблема имеет важное экологическое значение, поскольку изношенные шины, накапливаются в местах их эксплуатации (на автобазах, аэродромах, промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, горно-обогатительных предприятиях и т. д.), вывозимые на свалки или рассеянные на окружающих территориях, загрязняют окружающую среду так как не разлагаются, вследствие своей высокой стойкости к действию внешних факторов (солнечного света, влаги, кислорода, озона, микробиологических воздействий). Места скопления изношенных шин служат также благоприятной средой для обитания и размножения грызунов и насекомых, являющихся разносчиками различных заболеваний. Кроме того, шины обладают высокой пожароопасностью, а продукты их неконтролируемого сжигания оказывают крайне вредное влияние на окружающую среду (почвы, воды, воздушный бассейн), так и на ее обитателей. [56, 55] При этом постоянное ужесточение принятых международных норм, ограничивающих загрязнение окружающей среды отходами, вынуждает тратить значительные средства на ликвидацию последствий загрязнения. Таким образом, назрела острая необходимость утилизации отходов резинотехнических изделий, в том числе изношенных шин. [56]

Проблема изношенных шин имеет так же существенное экономическое значение, поскольку потребности хозяйства в природных ресурсах непрерывно растут. Последние становятся все более ограниченными, а их добыча — все более дорогостоящей.

В изношенных шинах содержится не только резина, свойства которой сравнительно близки к первоначальным, но и большие количества армирующих (текстильных и металлических) материалов. Использование этих материалов позволит значительно сэкономить ресурсы, а ликвидация свалок изношенных шин освободит значительные площади занимаемых ими земель. 55]

Вышедшие из эксплуатации шины, резиновые изделия и отходы резинотехнического и шинного производств являются одним из самых многотоннажных полимерных отходов [38, 41, 56, 58]. На момент выхода изделия из эксплуатации их полимерная основа претерпевает незначительные изменения, вследствие чего эти изделия можно рассматривать как важное сырье и источник экономии природных ресурсов. 58]

Заметную часть твердых отходов производства составляют изношенные шины (ИШ), в развитых индустриальных странах доля их достигает 1−2% от общего количества твердых отходов [48]

Ежегодный объем автомобильных покрышек в России составляет 720 тысяч тонн. Вместе с тем изношенные автошины являются источником ценного вторичного сырья: резины (каучука), сажи (практически чистого углерода), металла и синтетического корда. 90% всех резиносодержащих отходов находятся в шинах и представляют огромный резерв сырья. При наметившейся в промышленности невосполнимости материальных ресурсов большое значение приобретает эффективное использование вторичного сырья. [33]

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Переработка отходов производства

Объем утильных варочных камер и диафрагм, являющихся неизбежными отходами шинного производства, довольно значителен и составляет по отрасли около 1200 т в год. В связи с этим переработка и рециклизация их открывает возможности как улучшения экологической ситуации, так и значительной экономии первичного сырья. [57]

Шины для автомобильного транспорта, вышедшие из строя вследствие износа протектора, подлежат восстановительному ремонту методом наложения нового протектора, после чего вновь используются по прямому назначению.

Изношенные шины, не подлежащие использованию по прямому назначению, перерабатываются по следующей технологии:

— грубое и тонкое дробление покрышек, в результате которого резина и армирующие материалы не претерпевают каких-либо физико-химических изменений и сохраняют свою структуру;

— частичное разрушение пространственной сетки резины и каучуковых цепей (получение шинного регенерата);

— термические методы, при использовании которых происходит полное разрушение каучукового вещества (сжигание и пиролиз шин). [56]

Утилизация варочных камер и диафрагм отличается от вторичных резин шинного назначения по составу, структуре вулканизационной сетки и предыстории, особенностью которой является эксплуатация в условиях интенсивных термомеханических воздействий.

По результатам проведенных исследований на ОАО «Ярославский шинный завод» создан участок по переработке вышедших из эксплуатации варочных камер и диафрагм в продукты, удобные для дальнейшего использования в составе резиновых смесей. При оптимизации производственных рецептур резин с продуктом переработки варочных камер и продуктом переработки диафрагм учтены рекомендации по корректировки состава вулканизующей группы. Показано, что по вулканизационным характеристикам и пластичности смеси, изготовленные с применением вторичных резин, существенно не отличаются от эталонных. Готовые изделия не уступают серийным образцам, а по ряду показателей превосходят последние. [57]

1.2 Получение регенерата

Для того чтобы рекомендовать к использованию те или иные виды оборудования необходимо знать реологические свойства перерабатываемых композиций, в том числе и вязкость, что необходимо для определения энергочисловых параметров процесса переработки материалов. [40]

Независимо от применяемого метода при регенерации происходит в той или иной мере деструкция вулканизационной сетки резин. В результате в регенерате по сравнению с исходной резиной возрастает количество углеводорода каучука, растворимого в хлороформе (золь-фракции), и уменьшается содержание гель фракции. В процессе регенерации происходит также частичное разрушение сетки наполнителя (технического углерода). Поскольку регенерация резин осуществляется в присутствии низкомолекулярных продуктов (агентов регенерации), в регенерате содержится также больше не входящих в сетку веществ некаучуковой природы. 50]

1.2.1 Сырье и материалы регенеративного производства

Существующая в настоящее время технология переработки изношенных шин основана на их полном измельчении и получении резиновой крошки, которая является сырьем для изготовления регенерата и может использоваться в качестве ингредиента в резинотехнических изделиях, битумных мастиках, а также в дорожном строительстве.

На современных технологических линиях по переработке шин происходит их измельчение до резиновой крошки разметом от 1,5 мм и менее. 60]

1.2.2 Дробление изношенных покрышек и камер

Высокая энергоемкость стадии дробления отработанных шин вызывает необходимость постоянной разработки новых видов оборудования для этой цели.

Наиболее распространенный метод измельчения резин в высокоэластическом состоянии с помощью вальцовочных машин, роторных и дисковых мельниц. 54]

Все технологии измельчения изношенных шин с получением резиновой крошки условно разделяют на две категории:

— криогенное измельчение, при котором резина охлаждается до температуры −80…−15 °С с использованием жидкого азота или холодного воздуха, генерируемого с помощью турбодетандеров или турбохолодильных установок;

— измельчение при нормальной температуре.

Основным преимуществом криогенного измельчения является эффективное отделение металлокорда от резины. [55, 56] Вместе с тем криогенная крошка из-за гладкой поверхности хуже совмещается с каучуком при введении в резиновую смесь, чем крошка полученная при нормальной температуре. И не обеспечивает хорошего сцепления со средствами поверхностной обработки при ее модификации. существенным недостатком криогенной технологии является высокий расход энергии на производство жидкого азота (1,2 (кВт*ч) /кг). [55]

В настоящее время криогенные система для высококачественного перемола работают на жидком азоте (при температуре -190єС), который испаряется в специальном контейнере и создает охлаждающий эффект. В результате получается конечный продукт высокого качества, который может быть использован для производства различных потребительских товаров; однако такой подход требунт значительных энергетических затрат для производства жидкого азота. В России метод измельчения шин с использованием жидкого азота не получил широкого распространения в следствие высокой стоимости этого хладоагента. [56]

Разработанная специалистами РКЦ «Курчатовский институт» технология предполагает производство высококачественной резины при помощи утилизации резиновых отходов на основе криогенной системы без использования азота. Необходимо подчеркнуть что при этом достигается низкая стоимость производства (примерно в 5−7 раз меньше по сравнению с аналогами, работающими на жидком азоте) и получается высококачественный конечный продукт. Новая технология является не только единственной в своем роде, но и экологически чистой и не производит выбросов вредных охладителей во время производственного процесса. Основой установки является воздушный турбохолодильный агрегат (ВТХА), включающий высокоскоростной турбодетандр. Производительность такой установки 3тонны в час. [46]

В настоящее время ведутся работы по измельчению шин при температуре ниже температуры стеклования с использованием холодного воздуха. Опытно-промышленная установка функционирует в г. Нижнекаменске. Особенности и преимущества технологической линии:

— переработка изношенных шин как с текстильным, так и с металлическим кордом;

— высокая степень очистки резины (от металла-0,1%, от текстиля-1%);

— экологическая чистота (не используются для охлаждения фреон, жидкий азот, аммеак);

— возможность получения резиновой крошки требуемого размера, фракции от 5 мм до 0,2 мм. [46]

Способы криогенной переработки не смотря на некоторые преимущества, еще не получили достаточного распространения из-за значительных капитальных затрат и громоздкого оборудования.

Вместе с тем уже давно высказывалось мнение о том, что хрупкое разрушение эластических материалов возможно и при комнатных температурах, если скорость нагружения будет достаточно высокой. В настоящее время имеется техническая возможность обеспечить очень высоки скорости нагружения.

Однако хрупкое нагружение материала будет гораздо более эффективной, если в ней создаются условия для распространения хрупких трещин. Такие условия возможны когда материал находится в напряженном состоянии.

В случае переработки изношенных шин перевод их в напряженное состояние легко осуществить, растянув шину за бортовые кольца.

Преимущества данной технологии являются:

— практически полная экологическая безопасность процесса переработки шин с металлокордом;

— возможность деструкции шин любых типоразмеров и массы и получения крошки с размерами частиц в заданных весьма узких интервалах за счет регулирования размеров ее светогидравлического доизмельчения и/или составов рабочих жидкостей;

— возможность практически многократного и неограниченного использования оборотных рабочих сред;

— существенное сокращение энергетических затрат и превращения процесса переработки амортизированных шин в высокорентабельное производство. [52]

Для производства резиновой крошки при нормальной температуре используется валковое оборудование. Сущность технологии состоит в последовательном измельчении кусков резины сначала на дробильных вальцах с рифленой поверхностью валков, затем на размалывающих вальцах, отличающихся более мелкой нарезкой поверхности и более высокой фрикцией. Валковая технология предназначена для переработки покрышек с текстильным кордом. С ее помощью можно перерабатывать и покрышки с металлокордом, но при этом резко увеличивается расход энергии на измельчение и снижается экономическая эффективность процесса переработки. Такой процесс реализован на ОАО «Чеховский регенеративный завод» [56]

В источнике предложены следующие технологические решения по переработке изношенных автомобильных шин и отходов РТИ с характерными показателями:

1. Комплексная технологическая линия с вихревой мельницей;

2. Комплексная технологическая линия с применением охлаждения воздухом;

3. Технологическая линия для переработки изношенных шин на продукты крупных фракций;

4. Передвижной комплекс для предварительной разделки шин.

Все этапы технологических процессов автоматизированы (кроме пункта 4).

Станок борторезный предназначен для вырезания из автомобильных покрышек бортовых колец и разрезания покрышек на две половины по периметру в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

Шредер DNV2−400, в соответствии с рисунком 1.2 и рисунком 1.3, предназначен для грубого измельчения автомобильных шин с предварительно вырезанным бортовым кольцом и получения кусков резины шириной от 60−65 мм различной длины.

Дробилка роторно-ножевая предназначена для дробления кусков автомобильных шин с металлическим и текстильным кордом, предварительно измельченных в шредере.

Отличительными особенностями предлагаемых технологий являются:

— экологическая чистота производства, отсутствие каких-либо вредных выбросов и выделений в процессе механического дробления шин;

— высокая мобильность технологического оборудования, позволяющая производить утилизацию шин в местах их хранения;

— высокая надежность;

— высокая эффективность при невысокой стоимости;

— небольшое потребление энергии.

Передвижной комплекс для предварительной переработки изношенных шин представляет собой:

Транспортировку целых шин на предприятие, перерабатывающее шины, сопряжена с неэффективным использованием транспортных средств. Повысить эффективность транспортных перевозок возможно путем увеличения загрузки транспортного средства, что достигается предварительной порезкой или предварительным дроблением шин в местах их складирования. Это позволит довести загрузку транспортного средства до 80−100% соответственно. Предварительную порезку изношенных шин можно производить на передвижных комплексах в следующем составе:

— борторезный станок, смонтированный на автомобильном прицепе;

— станок для выдергивания бортовых колец;

— станок-секатор для разделки шин на сегменты.

Технология предварительной порезки шин проста: на борторезном станке из шины вырезается часть шины с бортовым кольцом и одновременно шина разделяется по диаметральному сечению на две половинки. Затем часть шины с бортовым кольцом поступает на станок для выдергивания бортового кольца, где и происходит его удаление. Половинки шин без бортового кольца поступают на секатор, где происходит их порезка на части ''сегменты'' -4−6-8 штук.

Передвижной комплекс может быть дополнен передвижным шредером, установленным на автомобильном прицепе (рисунок 1.6). В таком случае половинки шин, или целые шины с вырезанным бортовым кольцом подаются в шредер, где происходит их измельчение до размеров около 60×120 мм. Такой материал позволяет использовать 100% грузоподъемности транспортного средства.

Подобный передвижной комплекс позволяет переработать не менее 10 000 тонн шин в год при двухсменной работе и, практически, охватить места свалок изношенных шин в двух — трех соседних областях. [33]

1.2.3 Методы «девулканизации» (регенерации) резин

Компания «Van Aarsen» разработала систему переработки автомобильных покрышек, которая позволяет клиентам осуществить переработку покрышек целиком, и с низкими эксплуатационными затратами всего в три этапа изготовить товарный гранулят Первым этапом процесса переработки на оборудовании компании «VANAARSENRUBBERTECHNOLOGY» является измельчение посредством специальной установки-измельчителя SRS1300/1300 S (рисунок 1.7). Покрышки нарезаются целиком, включая борта, на куски размером примерно 100×150 мм. В измельчитель добавляют воду в качестве смазочного материала, а также для охлаждения и уменьшения пылеобразования. Использованная вода попадает в отстойный бак. Отстоявшаяся вода уходить в канализационную систему через сливное отверстие. Остается лишь дорожная грязь.

На втором этапе происходит обработка в главной мельнице RTG 800/1250. Обработка в мельнице является механическим процессом и представляет собой перемалывание, а не нарезку. Куски покрышки раздавливаются между зубчатым ротором и статором.

После процесса перемалывания в измельченных кусках появляется стальная проволока из бортов покрышек. Уже после этого этапа измельченные куски уменьшаются до размеров гранулята 0−20 мм. Еще одним преимуществом этого уникального дизайна является извлечение 96% процентов стальной проволоки на этом этапе.

Температура обработки в мельнице, около 80 єС, поддерживается при помощи добавления технической воды. Добавляемая вода испаряется в процессе размола и, прежде чем выйти в атмосферу, очищается посредством увлажняющего фильтра.

После мельничной обработки резина вместе с извлеченной стальной проволокой транспортируется на виброконвейере. Сталь, очищенная от резины, готова к продаже. Резиновый помол и волокнистая смесь пневматически транспортируются к первичному грохоту для разделения на 3 различных группы по размеру. На первичном просеивании отделяются волокна, которые затем пневматически транспортируются к центральной системе аспирации (всасывания) пыли.

На третьем этапе задействован гранулятор GN800/1200. Возьмем на переработку, например, 80% покрышек легковых автомобилей и 20% покрышек грузовиков. Более 60% продукта после обработки в главной мельнице имеет фракцию гранулята более 4 мм. Частицы резины размером превышающим 4 мм. подаются в гранулятор (ы), где происходит процесс грануляции в частицы с фракцией менее 4 мм. Резиновый гранулят повторно транспортируются на первичное просеивание. Износ ножей и грохотов гранулятора сравнительно низок, так как на этапе обработки в мельнице извлекается более 96% стали. 31]

Инженерным предприятие «Экотехника» предложена технология основана на многоступенчатом механическом измельчении изношенных шин в эластичном состоянии с возможным выделением фракций:

— на 1-ой ступени — 60−120 мм;

— на 2-ой ступени — до 14 мм;

— на 3-ей ступени — 3−5 мм;

— на 4-ой ступени — 0,1−1,0 мм.

После 2-ой ступени возможен отбор крошки и измельчение ее до 10−20 микрон в вихревых измельчителях с охлаждаемой камерой

В процессе измельчения металлический и волокнистый корды отделяются в магнитных и аэросепараторах для последующей утилизации. Металлокорд прессуется и передается на металлургические предприятия Волокнистый корд с остатками резины может быть переработан в гидроизоляционные плиты, шифер, покрытия спортивных сооружений и т. д. на поставляемом ИП «Экотехника оборудовании» [46, 62]

Компания «МТВ-Recycling» — Франция. Предлагает следубщюю технологию:

Переработка шин осуществляется в 4 этапа:

— дробление. Данный этап применяется во всех технологиях. На данном этапе шины последовательно измельчаются шредерами на куски размером 12−14 мм для отбора основного количества стали и дальнейшей грануляции. Серия шредеров, применяемая на данном этапе, может измельчать шины любых размеров на куски величиной от 10 до 150 мм, при этом производительность процесса переработки составляет от 0,5 до 15 тонн в час;

— грануляция. На данном этапе куски шин последовательно измельчаются грануляторами на гранулы размером 0−4 мм для полного отбора частиц стали и текстиля и получения чистой резиновой крошки. Требуемые размеры гранулята регулируются размерами отверстий сит, установленных на грануляторах. Серия грануляторов, применяемая на данном этапе, может измельчать предварительно разрубленные куски на гранулы величиной 0−10 мм, при этом производительность переработки составляет от 0,5 до 15 т/ч;

— сепарация. На данном этапе последовательно магнитным и воздушными вибросепараторами производится отбор частиц стали и текстиля из резиновой крошки

— сортировка. На данном этапе с помощью вибростолов последовательно производится сортировка резиновой крошки на требуемые размеры — 0−4 мм. Размеры частиц крошки регулируются размерами сит, установленных на вибростолах.

В результате переработки шин легковых автомобилей получают, %:

— резина — 70;

— сталь — 18;

— текстиль — 0,8;

прочее 0,4;

В результате переработки шин грузовых автомобилей получают, %:

— резина — 70;

— сталь — 25;

— текстиль — 0,1;

— прочее 0,4.

Технология ЗАО «Ярполимермаш-Татнефть» переработки изношенных шин заключается в механическом измельчении при положительных температурах с последующим фракционированием, отделением кордных отходов и магнитной сепарацией металлических включений.

В процессе переработки происходит полное отделение резины от металлического и текстильного корда.

Выход резинового порошка из одной тонны покрышек — 500 кг.

Производительность линии до 8 тыс. тонн покрышек в год при трехсменной работе. Увеличение/уменьшение производительности достигается за счет увеличения/уменьшения количества оборудования, входящего в состав линии. [62]

Технология Тушинского машиностроительного завода (г. Масква) позволяет переработать автомобильные шины с металлокордом и текстильным кордом диаметром до 1200 мм и шириной профиля до 320 мм без предварительного удаления бортового кольца.

Технология переработки условно делится на три этапа:

— предварительная резка шин на куски;

— дробление кусков резины и отделение металлокорда и текстильного корда;

— получение тонкодисперсного резинового порошка.

Настоящая технология позволяет получить резиновый порошок с размером частицы не крупнее 0,5 мм.

Отходами данного производства являются металлокорд и текстиль, которые могут быть легко утилизированы в смежных производствах безо всякого ущерба для окружающей среды. [46, 62]

Особенностью технологии ассоциации предприятий АО «ЭкоКварц», ТОО «Хорс», НПФ «Энтар» и АО «ТТЛ» являются процессы измельчения и модификации и компоненты модифицирующего состава. Компоненты модифицирующего состава не являются дефицитными и дорогостоящими. Расход модифицирующего состава не превышает 5% от массы резиновой крошки. В качестве исходного сырья могут быть любые отходы резинотехнических изделий, в том числе кордовые.

Технология позволяет изготовить изделия с широким спектром эксплуатационных свойств. [46]

Система переработки шинного утиля «REGULANT 6000» представляет собой новейшую технологию, разработанную в Европе и Америке, является эффективной и продуктивной системой вторичного использования шинного утиля легковых автомобилей, мотоциклов, велосипедов, самолетов и др. материалов.

Цель сводится прежде всего к сепарированию отдельных частей шинного утиля как легковых, так и грузовых автомобилей.

Стальные и текстильные части перерабатываются отдельно. Регенерат подвергается переработки в гранулят и может быть использовано для нового производства. [46]

Принципиально новый способ утилизации автомобильных покрышек, а, а также установка для его осуществления. Разработана специалистами института химической физики имени Н. Н. Семенова РАН, Троцкой технологической технологии лаборатории и АО ВНИИЭТО. В основе метода-использование так называемого «озонового ножа».

Связи серы с каучуком-слабые места структуры, которые могут быть разрушены при комнатной температуре озоном. [46]

Ультразвуковые методы, широко используемые в различных производственных процессах, могут существенно увеличить эффективность переработки изношенных автомобильных покрышек. Представляется целесообразным применить ультразвуковые методы на следующих стадиях:

— На стадии предварительной очистки изношенных покрышек от посторонних загрязнений. Значительный опыт в этой области позволяет утверждать, что ультразвуковые ванны, объемом 160−180 литров, снабженные современными ультразвуковыми преобразователями, расположенными в ванне соответствующим образом, обеспечат быструю и высококачественную очистку поверхностей изношенных автопокрышек;

При этом:

— существенно сокращается длительность процесса очистки;

— снижается расход поверхностно-активных моющих веществ;

— сокращается расход воды на споласкивание мытых покрышек;

— увеличивается срок службы фильтров;

— уменьшается нагрузка на очистные сооружения.

— На стадии разрушения материала изношенных автомобильных покрышек в атмосфере озона. Ультразвук широко применяется для интенсификации различных химических процессов и очевидно даст возможность ускорить процесс разрушения материала покрышек за счет снижения диффузных ограничений в поверхностном слое, переменного акустического давления и значительных периодических высокочастотных механических деформаций поверхностного слоя изношенных покрышек, возбуждаемых с помощью магнитострикционных преобразователей в резонансных режимах;

При этом:

— значительно ускоряется процесс разрушения материала изношенных покрышек;

— облегчается отделение корда от основного материала;

— обеспечивается однородность размера частиц.

— На стадии девулканизации с использованием разработанного ранее принципа девулканизации и оборудования для его реализации. Экспериментальные исследования показали, что под воздействием мощных ультразвуковых колебаний рвутся связи C-S (углерод-сера), что ведет к девулканизации;

При этом:

— обеспечивается повышение качества девулканизованного материала;

— активируются бензольные связи;

— снижаются механические нагрузки на экструдер, а, следовательно, увеличивается срок его службы.

На стадии резания и измельчения разрушенной резиновой крошки;

Применение ультразвука в процессах резания, значительно снижает коэффициент трения режущих частей, что позволяет:

— повысить износостойкость режущих частей;

— увеличить скорость резания резины;

На стадии формообразования — снижает внутреннее трение в жидких средах, что позволяет:

— повысить текучесть композита;

— сократить время операции;

— улучшить качество и внешний вид изделия;

На стадии составления композита ультразвук обеспечивает сильный перемешивающий и дегазирующий эффекты в жидких средах, что делает применение ультразвуковых методов весьма эффективным для гомогенизации жидких смесей и суспензий с низкой и высокой вязкостью.

Использование ультразвука при составлении композита позволяет:

— повысить гомогенность смеси;

— активировать химические связи ее составляющих;

— удалить из смеси пузырьки воздуха;

Бародеструкционная технология основана на явлении «псевдоожижения» резины при высоких давлениях и истечении ее 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.

ООО фирма «АСТОР» разработана, на основе барродеструкционного способа технология, предусматривающая переработку изношенных шин без предварительной вырезки бортовых колец, а также различных резиносодержащих материалов в ценное сырье — резиновую крошку различных фракций, удовлетворяющую ТУ 38.108 035−87.

Сущность технологии состоит в том, что шина или ее часть перемещается в рабочую камеру, в которой при высоком гидростатическом давлении происходит «псевдоожижение» резины и истечение ее вместе с текстильным кордом через отверстия камеры.

Имеющиеся в шине бортовые кольца остаются в камере По сути, 90% имеющегося в шине металла отделяется на этой фазе, а резинотекстильная крошка поступает на дальнейшую переработку: доизмельчение, сепарацию и фракционирование.

В состав технологической линии входят:

— модуль отделения металлокорда и получения первичной крошки;

— модуль измельчения;

— модуль фракционирования и упаковки.

ЗАО Научно-технический центр «ЭКОРД» и Институт химической физики Российской Академии Наук разработана технология в основе которой лежит сдвиговое высокотемпературное измельчение, т. е. процесс осуществляется исключительно за счет внутреннего тепловыделения измельчаемого материала. Технология позволяет превратить в порошки со средним размером частиц 10−800 мкм практически любые природные и синтетические полимеры, полимерные композиты и их отходы: синтетические термопласты, реактопласты, пенополиуретан, пенополистирол, текстолит, углеи стеклопластики, амидные волокна, резину, дерево, шелк и многое другое

Уникальность технологии, в частности, состоит в том, что она позволяет осуществить тонкое измельчение автомобильных и авиационных шин с синтетическим и металлическим кордом. Измельчение каждого полимера происходит в индивидуальном экономном температурном режиме, который автоматически устанавливается через 2−3 минуты после начала загрузки.

Наличие инородных примесей (гвоздей, кусков стекла и т. д.) не является препятствием для процесса измельчения. В результате реализации данной технологии можно получить порошковые полимерные концентраты, содержащие дисперсные красители, стабилизаторы и многие другие функциональные добавки.

Технология обеспечивает идеальную гомогенизацию любых многокомпонентных полимерных смесей и композитов.

Введение

таких порошков в количестве 1−2 проц. позволяет, в частности, значительно улучшить основные свойства асфальта: повысить стойкость к удару, морозостойкость, влагопоглощение, увеличить в 2−4 раза срок эксплуатации асфальтовых покрытий. [62]

В работе при получение регенерата с использованием СВЧ излучения показано, что при действии СВЧ излучения на вулканизаты (при температуре до 190 °С) не происходит существенного изменения густоты сетки и содержания гель фракции в них.

Показано, что предварительная пластификация и последующее СВЧ облучение модельных не наполненных серных вулканизатов в температурном интервале 145−190 °С позволяет получить регенерат с разреженной вулканизационной сеткой путем разрушения поли-, дии моносульфидных поперечных связей. Деструкция углерод-углеродных связей при этом не значительна.

Высказано мнение, что проведение регенерации в указанном температурном интервале с использованием предварительной пластикации позволяют осуществить процесс разрушения поперечных серных связей в условиях резонанса и предотвратить рекомбинацию образующихся радикалов.

На основании результатов химического анализа и исследования модельных образцов методом импульсной ЯМР спектроскопии установлено, что содержание связанной серы в пластифицированном вулканизате после воздействия СВЧ облучения не меняется, а радикалы, образующиеся при распаде мостичных связей перегруппировываются с образованием циклических структур.

Показано, что при воздействии СВЧ облучения на перекисные вулканизаты (как пластифицированные так и не пластифицированные) не происходит разрушения их вулканизационной сетки при проведении процесса при температурах не превышающих 190 °C.

Предложен метод получения регенерата путем предварительной пластификации вулканизатов и последующим их СВЧ облучением. Оптимальные результаты достигаются при проведении прочеса в инертной среде в условиях термостатирования в интервале температур 145−150 °С. Показано, что использование полученного регенерата в качестве компонента резиновой смеси позволяет получить вулканизаты с упруго-прочностными свойствами близкими к контрольным. [29]

Процесс регенерации резины основан на термомеханическом методе. Термомеханический метод обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами переработки. Он отличается непрерывностью ведения процесса и компактностью технологических схем. Кроме того, термомеханический метод характеризуется быстротой осуществления технологического процесса и высокой степенью его механизации. Процесс регенерации включает следующие технологические операции:

1. Подготовка, сортировка и измельчение резины;

2. Освобождение резиновой крошки от металлокорда и текстильного волокна;

3. Девулканизация;

4. Механическая обработка девулканизата.

Имеющиеся в России немногочисленные промышленные технологии и оборудование для измельчения шин либо не приспособлены для переработки шин без предварительного удаления бортового кольца, либо характеризуются значительной стоимостью и высокой энергоемкостью, а также определенной экологической опасностью.

Исходя из источника [62], где предлагается технология и оборудование для переработки изношенных шин как с текстильным, так и металлическим кордом без предварительного удаления бортового кольца на базе измельчающих устройств, работающих на принципах резания, высокоскоростного удара и упруго-деформационного воздействия и позволяющих получать тонкодисперсный резиновый порошок с размерами частиц до 0,5 мм, а также крошку более крупного помола с более низкими, по сравнению с другими (в том числе зарубежными) технологиями, энергетическими затратами.

Технология переработки автомобильных шин условно делится на три этапа:

— предварительная резка шин на куски;

— дробление кусков резины и отделение металлического и текстильного корда;

— получение тонкодисперсного резинового порошка.

На первом этапе очищенные от посторонних включений шины подаются с помощью цепного конвейера на переработку в агрегаты трехкаскадной ножевой дробилки, в которых происходит последовательное измельчение шин до кусков, размеры которых не превышают 30×50 мм.

На втором этапе предварительно измельченные куски шин ленточным транспортером подаются в молотковую дробилку, где происходит их дробление до размеров 10×20 мм. При дроблении кусков обрабатываемая в молотковой дробилке масса разделяется на резину, металлический корд, бортовую проволоку и текстильное волокно.

Выделенный из резины текстиль удаляется из молотковой дробилки системой удаления текстиля и оседает в циклонах, а воздух поступает в фильтры тонкой очистки, где окончательно очищается и выбрасывается в атмосферу.

На третьем этапе куски резины подаются шнековым транспортером в экструдер-измельчитель, предназначенный для экструзионного измельчения резиновой массы.

На этой стадии обработки происходит параллельное отделение остатков текстильного волокна с помощью гравитационного сепаратора. Очищенная от текстиля резина подается пневмотранспортной системой во вторую камеру экструдера-измельчителя, в котором происходит окончательное измельчение до размеров конечного продукта. После выхода из эктрудера-измельчителя резиновый порошок отбирается пневмотранспортной системой и подается в разделитель фракций (вибросито), где осуществляется рассев порошка на фракции, которые шнековыми транспортерами загружаются в бункеры-накопители готового продукта, откуда с помощью дозирующих устройств расфасовываются в полиэтиленовые мешки по 20 кг или в мягкие контейнеры типа «big-bag». Управление работой оборудования комплекса осуществляется с центрального пульта управления [62]

1.3 Применение регенерата

1.3.1 Влияние регенерата на свойства резиновых смесей и их вулканизатов

Применение регенерата в резиновых смесях позволяет ускорить процесс смешения. Поскольку регенерат содержит диспергированные ингредиенты, затрата энергии уменьшается. Использование регенерата улучшает технологические свойства смесей, повышает скорость вулканизации, сокращает расход химикатов. Вулканизаты, содержащие регенерат, характеризуются более высокой стойкостью к окислению и тепловому старению, однако уменьшаются эластичность, предел прочности при растяжении и раздире, сопротивление истиранию и усталостная прочность. Снижение прочности ограничивает применение регенерата. [54]

В работе исследованы механические свойства резинопластов на основе ПЭНП и резиновых порошков из изношенных шин, полученных различными методами. Показано, что морфология резиновой крошки, зависящая от способа ее получения, оказывает существенное влияние на деформационно-прочностные свойства композитов. При неизменной форме частиц резиновой крошки прочность и относительное удлинение при разрыве композитов повышается с увеличением удельной площади порошка. При неизменной удельной площади поверхности порошка указанные характеристики материала уменьшаются с повышением концентрации частиц с неразветвленной поверхностью.

1.3.2 Область применения регенерата

Наиболее эффективное использование резинотехнических отходов в качестве резиновых смесей (регенератов) для производства шин и резинотехнических изделий, поскольку рыночная стоимость тонкодисперсной резиновой крошки (порошка), используемой для приготовления регенерата, в 3 раза ниже стоимости самого каучука. Регенерат получают из резиновой крошки путем механической, термической, термоокислительной или термомеханической переработки. Он используется в качестве частичной замены натурального или синтетического каучука в шинной и резинотехнической промышленности. В ответственных резиновых смесях для шин можно применять не более 10% необработанной резиновой крошки без заметного ухудшения технических характеристик шин. [56]

Резиновая крошка, получаемая из изношенных шин, используется в резиновых смесях различного назначения, в том числе при изготовлении обуви, массивных шин для мелких транспортерных средств и протекторов, различных резиновых покрытий, линолеумов, спортивных матах, покрытий спортивных дорожек и игровых детских площадок, получение композитных материалов с термопластами, строительных материалов. [55]

Резиновый порошок, полученный в результате переработки изношенных автошин механическим способом, имеет многочисленные и перспективные области дальнейшего применения. Эффективная организация маркетингового сопровождения, обеспечит быструю и устойчивую реализацию резинового порошка на отечественном и зарубежном рынках.

Порошок резиновый применяется:

· в качестве активного наполнителя при производстве автомобильных шин и наварке протектора при их ремонте, что увеличивает срок эксплуатации автошины;

· в качестве добавки (до 70%) при изготовлении резиновой обуви и других резинотехнических изделий;

· для изготовления современных кровельных материалов типа «Рубитекс», «Рубимаст», «Бикрост» и «Техноэласт» ;

· в качестве наполнителя в составе резинобитумных мастик для гидроизоляции при строительстве, изоляции трубопроводов, для покрытия корпусов судов;

· в качестве сорбента для сбора и предотвращения растекания сырой нефти и жидких нефтепродуктов с поверхности водоемов и почвы, а также в качестве наполнителя для очистных сооружений;

· для тампонирования, добавки в промывочные жидкости при бурении газовых и нефтяных скважин;

· в качестве добавки в асфальт, придающая дорожному покрытию дополнительную прочность и увеличивающая долговечность в несколько раз;

· в качестве добавки при изготовлении мостовой и аэродромной мастики, динамических дорожные порогов, ведущих элементов дорожного движения;

· в промышленном и гражданском строительстве (звукоизоляция, виброгасители, дренажные элементы);

· для благоустройства;

· для изготовления спортивного инвентаря (беговых дорожек, спортивных площадок). [32]

Известно, что на шиноремонтном производстве, при шероховки одной грузовой покрышки образуется до 5 кг резиновой крошки. Учитывая, что микрофильтры из обожженной крошки не могут найти применение для очистки сточных води разделения нефтяных эмульсий и латексов, возможность изготовления микрофильтров из отходов шиноремонтного производства имеет большое значение с точки зрения рекуперации вторичных материалов и охраны окружающей природной среды.

При обжиге резиновой крошки различных типов получен порошкообразный материал с пористыми частицами; определены размеры и тип пор, образующихся при обжиге резиновой крошки. Показана возможность изготовления микрофильтрующих элементов из обожженной резиновой крошки, являющихся отходами шиноремонтного производства, и применение таких микрофильтров для эффективной очистки глицериновой воды от остатков жиров и жирных кислот в производстве глицерина. [42]

1.3.3 Технико-экономическая эффективность применения регенерата в резиновых смесях

Обязательное условие при получении и применении регенерата (в том числе и модифицированного) — экономическая эффективность при максимальном соблюдении требований экологии.

Отношение к регенерату, не является однозначным, а целесообразность его применения вызывает все большее сомнение. Сокращение производства регенерата обусловлено более строгим законодательством по охране окружающей среды. Большинство регенеративных заводов было закрыто из-за протестов населения, вызванных неприятным запахом вокруг этих предприятий. Оставшиеся заводы смонтировали дорогостоящие установки для очистки отработанного воздуха и сточных вод. Возникают также проблемы связанные температурой технологических процессов, применением агрессивных химикатов, расходом энергии.

С экономической точки зрения использование регенерата из резин на основе каучуков общего назначения является нерентабельным; выгодно использовать регенерат из резин на основе дорогостоящих каучуков спецназначения, в частности фторкаучука. [48]

В публикации представлены результаты сравнительного изучения использования регенерата и тонкодисперсного порошка из протектора изношенных шин в протекторных резинах разного состава. Проведена оценка технологических характеристик, физических и механических свойств получаемых резин. Показано, что использование порошка с размерами частиц менее 0,250 мм позволяет получить результаты, по крайней мере не хуже, чем при использовании регенерата.

1.3.4 Состояние и перспективы производства и потребления регенерата

Одной из основных задач в области регенерации резин является поиск методов эффективного разрушения поперечных серных связей резин без сколько-нибудь заметной деструкции полимерных цепей. Необходима всесторонняя оценка качества полученных при этом продуктов для решения вопроса о перспективе и целесообразности способа регенерации резин.

В перспективе регенерат найдет применение в резиновых смесях, особенно при изготовлении малоответственных изделий, гидроизоляционных мастик, в качестве сравнительно дешевого связующего при производстве некоторых технических и строительных изделий. [48]

Институтом теплои массообмена Республики Беларусь, предложена новейшая технология в области переработки резиновых отходов.

Метод заключается в термической деструкции органических отходов в среде перегретого водяного пара практически при атмосферном давлении и температуре 100−500°С. Как продукты переработки получаются металлический корд, горючий газ, жидкая фракция горючих углеводородов и технического углерода. При этом не требуется дорогостоящего измельчения отходов до мелкодисперсного состояния. Установка не велика по размерам. Одним из вариантов ее применения может быть перемещение установки с помощью колесного тягача к месту складирования отходов. Благодаря этому отпадает необходимость в перевозки отходов. Что касается выхода продуктов переработки: из одной тонны покрышек получается около 450 кг углерода. 400 кг мазута М40. до 100 кг металла и остальное — горючий газ.

Установка по переработки резиновых отходов относится к четвертой категории опасности, то есть ее воздействие на окружающую среду минимально. Санитарно защитная зона такого предприятия должна быть около 50 м. Фактических выбросов при данной технологии быть не должно, поскольку процесс закрыт. [49]

В России проводились работы по модификации резиновой крошки. Применение крошки, модифицированной N-2-(метил-2-нитропропил)-4-нитроанилином и эпоксидированным полибутадиеном, повышает морозостойкость, стойкость к тепловому старению и прочностные свойства резин. В случае крошки, модифированной нитрилом, улучшаются технические свойства резины, а при модификации серой, ускоритель вулканизации и активатором деструкции повышается прочность и износостойкость резины.

Исходя из того, что модификация резиновой крошки позволяет существенно расширить области и объемы ее применения м что, а ряде случаев ее использования более эффективно по сравнению с регенератом, работы по модификации резиновой крошки, ее производству и применению следует признать одним из наиболее перспективных направлений переработки и использования изношенных шин. 55]

Фирма «Вредстайн Раббер Ресайклинг» (Голландия) поставляет на европейский рынок обработанную крошку с товарным названием «Суркрум». Сообщается также, что «Суркрум» можно вулканизовать без дополнительных добавок.

Использование энергии взрыва для измельчения изношенных шин. Работы проводятся на уровне лабораторных исследований.

Разработан способ утилизации глубокоохлажденных резин и резинотехнических изделий, армированных металлом, где в качестве рабочего инструмента используется искра. 56]

Предлагаемая в источнике ресурсосберегающая и экологически безопасная технология утилизации изношенных шин основана на принципе минимизации энергои трудозатрат, замены полного, нерационального измельчения шин на эффективные процессы их шероховки — снятия наружного резинового слоя, извлечения бортовых колец и последующего разрезания шин на плоские заготовки для практически 100%-го использования в различных резинотехнических изделиях в качестве армирующих элементов.

1.4 Применение дробленых резин в дорожном строительстве, производстве строительных и технических материалов

В США, Франции, Бельгии, Австралии, Японии получены хорошие результаты по применению резиновой крошки в дорожных покрытиях: значительно повышает износои морозостойкость, снижается шумообразование. Увеличивается срок службы, сокращается тормозной путь.

Применение резиновой крошки при строительстве дорог считается перспективным во Франции, США, Великобритании. Работы, проведенные в России, также показали, что при применении резиновой крошки в дорожных покрытиях улучшается их фрикционность, трещино-сдвигустойчевость, а оптимальной технологией изготовления асфальтобетонных является приготовление резинобитумного вяжущего с использованием предварительно набухшей в сланцевом смягчителе резиновой крошки и последующее смешение вяжущего с минеральными составляющими асфальтобетона.

Наиболее эффективным является применение резиновой крошки в верхних слоях дорожных покрытий в качестве резинобетона.

Опыт СибГТУ использования резинобетона в Ярцевском ЛПХ Красноярского края в пос. Майский. Резиновая крошка была использована для подъездной дороги в РММ и гараж в качестве добавки в цементобетонную смесь 1989;1990 годах. [55]

Исходя из источника разработана безотходная технология утилизации отработанных шин с применением термического сольволиза шинной резины. Сочетание процессов термического сольволиза и термического окисления позволяет управлять физико-механическими свойствами битумов. Полученные модифицированные битумы, обладающие отличным сцеплением с мрамором и гранитом, можно использовать самостоятельно в дорожном строительстве или в качестве добавки к стандартным битумам для улучшения их адгезии к минеральным материалам.

Тонкодисперсная резиновая крошка с размером частиц не более 0.5−0,8 мм используется для модификации нефтяного битума в производстве асфальта.

Резиновая крошка с размером частиц более 1 мм широко используется для изготовления различных рулонных гидроизоляционных материалов, антикоррозионных мастик, а также массивных плит различного назначения для настилов: полов промышленных зданий, спортивных игровых площадок, полов для животноводческих помещений, трамвайных и железнодорожных переездов, тротуарных плиток. [56]

1.5 Переработка резин методом пиролиза

Наиболее распространенный метод переработки отработанных шин является крекинг, протекающий с распадом высокомолекулярных соединений. Возможны и термический крекинг, осуществляемый только под воздействием высокой температуры, и каталитический, протекающий под одновременным воздействием температуры и катализатора.

Возможно так же использование процесса пиролиза (высокотемпературного крекинга при 650−750 єС под низким давлением), применяемого для преимущественного получения углеводородсодержащих газов. 54] Пиролиз углеводородного сырья — процесс получения основных мономеров нефтехимической промышленности — прошел длительный путь в своем развитии. В основу проведения пиролиза при высоких температурах, малых временах контакта и низком парциальном давлении легли результаты фундаментальных исследований механизма реакции термического разложения углеводородного сырья и влияния параметров на выход целевых продуктов и селективность процесса. [37]

Пиролиз можно вести в инертной, восстановительной, окислительной или паровой среде. Возможен так же пиролиз утильных шин, предназначенный для преимущественного получения техуглерода.

Наиболее эффективен пиролиз целых шин, что позволяет исключить затраты на измельчение. [54]

Резина представляет собой преимущественно углеводородный материал, причем состав резиновых смесей характеризуется большим разнообразием. Ряд ингредиентов смесей не просто физически связан с каучуками, но образует с ними химические соединения. [56]

Один из способов переработки утильной резины (в том числе изношенных шин автоматически с текстильным и металлическим кордом) с применением пиролиза в среде газообразного теплоносителя. На опытной установки получены основные закономерности процесса: температура пиролиза, удельная тепловая нагрузка на реакционный объем, расход тепла. Продуктами переработки изношенных шин является, пиролизная смола, дисперсный остаточный углерод, пиролизные газы, металлокордная пленка. После вторичной переработки получают активный гранулированный уголь и пластификатор резинобитумных смесей. Подобные продукты утилизируются, процесс практически безотходный.

К достоинствам процесса пиролиза можно отнести:

— универсальность (возможность переработки резиносодержащих отходов различного состава);

— простота аппаратурного использования;

— возможность переработки шин с текстильным кордом;

— экологическая чистота процесса (все побочные продукты используются в этой же технологической схеме);

— в результате переработки получается продукция, пользующаяся спросом: активированный уголь (24,5%), пластификатор резинобитумных смесей (37,2%), металлический лом (8,3%). [45]

Стандартный модуль переработки использованных шин при помощи низкотемпературного пиролиза имеет производительность переработки 3 тонны в час или 22.500 тонн использованных шин в год. После измельчения на куски размером 5 на 5 см использованные шины транспортируются в бункер порционной загрузки. Загрузка шин и выгрузка продуктов из реактора пиролиза осуществляются порционно через воздушные шлюзы. Реактор пиролиза представляет собой смеситель с механически поддерживающимся кипящим слоем и электрическим нагревом. Неполный вакуум в реакторе поддерживается вакуумным насосом.

Внутри реактора осуществляется интенсивное перемешивание, чтобы увеличить теплопередачу и, соответственно, сократить время переработки фрагментов шин. За 20 минут в реакторе осуществляется декомпозиция шины в газ, пары (масла) и полукокс.