Физические и химические основы технологии утилизации автопокрышек с использованием криогенных установок Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ

УДК 621.311

Д. А. Ерофеева, Г. В. Ларина

физические и химические ОСНОВЫ

ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ АВТОПОКРЫШЕК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК

Утилизация непрерывно накапливаемых автомобильных, сельскохозяйственных и других видов шин - острая экологическая проблема в большинстве стран. На данный момент существует много методов переработки автопокрышек, однако все они оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Рассматриваемый метод переработки автомобильных покрышек основан на криогенной технологии их измельчения, при которой одновременно используются физические явления, способствующие более эффективному протеканию процесса ослабления связей между металлическим кордом и резиной за счет различия их коэффициентов термического расширения, что приводит к растрескиванию и частичному отделению резины от металла. Такой способ обеспечивает эффективность работы и снижение загрязнений окружающей среды.

автомобильные покрышки, завод для утилизации автомобильных покрышек.

Введение

В мире ежегодно появляется примерно 1 миллиард использованных автопокрышек. В США годовой износ составляет более 230, в Италии - около 60, в Англии - 30 миллионов штук. На постсоветском пространстве скопилось около 50 миллионов изношенных покрышек. В Москве ежегодно образуется более 100 тыс. тонн изношенных покрышек, в Петербурге и Ленинградской области - более 80 тыс. тонн. Во всем мире ежегодное производство автомобильных покрышек в разы превышает утилизацию, причем вследствие экономического развития тенденция долгосрочного роста их поступления только усиливается.

В каждой тонне покрышек содержится около 700 кг резины, которая может быть повторно использована для производства резинотехнических изделий, материалов строительного назначения или топлива, а масса метал-

32

локорда в автомобильной покрышке, например, для грузового автомобиля составляет 13-15 кг.

Продукты переработки старых автопокрышек могут быть использованы в бетонах в виде фракций резиновой крошки или муки для устройства различных слоев дорожных одежд. Особенно перспективно использование резиновых добавок в бетонных конструкциях при двухстадийном строительстве дорог в районах массовой жилой застройки, а также при благоустроительных работах в жилых комплексах, детских учреждениях, на перекрестках и остановках общественного транспорта, где требуются повышенные значения коэффициента сцепления и снижение шума.

В настоящее время все известные методы переработки шин можно разделить на две группы - физические и химические.

Наиболее полно первоначальная структура и свойства каучука и других полимеров, содержащихся в отходах, сохраняются при механическом измельчении.

Ниже представлена классификация имеющихся в настоящее время способов измельчения вторичных резин.

1. По температуре измельчения:

- при отрицательных температурах;

- при положительных температурах.

2. По механическому воздействию:

- ударом;

- истиранием;

- сжатием;

- сжатием со сдвигом;

- резанием.

Объем переработки шин методом измельчения не превышает 10 %. Большая часть собираемых шин (20 %) используется как топливо.

Сжигание изношенных шин энергетически неперспективно, так как для изготовления легковой шины требуется энергия, содержащаяся в 35 л нефти, а при ее сжигании выделяется энергия, эквивалентная лишь 8 л нефти. При сгорании шин (резины) образуются такие химические соединения, как бифенил, антрацен, флуорентан, пирен, бензапирен. Попадая в атмосферный воздух, эти соединения становятся источником повышенной опасности для человека, так как большинство из них канцерогенны.

1 Принцип действия предлагаемой технологии

Предлагаемый способ утилизации автомобильных шин основан на криогенной технологии измельчения покрышек, при которой одновременно используются физические явления, способствующие более эффективному

33

протеканию процесса ослабления связей между металлическим кордом и резиной за счет различия их коэффициентов термического расширения, что приводит к растрескиванию и частичному отделению резины от металла. Следует отметить, что покрышки, поступающие на утилизацию, в большинстве случаев имеют загрязнения нефтепродуктами, поэтому был предложен процесс очистки шин при одновременном воздействии озоносодержащих растворов и ультразвуковых колебаний. При взаимодействии озона с нефтепродуктами образуются озониды, представляющие собой вязкие масла или стекловидные вещества. Озониды не выделяются в чистом виде, а разлагаются водой, при этом образуются карбонильные соединения, которые, как правило, легко удается выделить и идентифицировать.

К достоинствам криогенной технологии переработки отходов относятся:

1) высокая степень разделения отходов на компоненты;

2) снижение энергозатрат на дробление;

3) возможность получения высококачественных материалов;

4) улучшение условий пожаробезопасности;

5) улучшение условий труда и др.

Использование для разрушения охлажденных автомобильных шин ударных механических средств, а именно молотов и мельниц, обусловливает невысокую скорость и эффективность утилизации автомобильных покрышек и шумность. Чтобы решить указанные проблемы, было предложено заменить механический (контактный) способ деструкции шин с металлическим метал-локордом на электромагнитный (бесконтактный), для этого вместо молотов и мельниц используются емкостные накопители (батареи импульсных конденсаторов) и индукторы (импульсные катушки).

При температуре жидкого азота или воздуха резина покрышки приобретает хрупкость, и если на покрышку оказать силовое воздействие (удар), она разрушится. Для получения этого воздействия используется закон электромагнитной индукции, согласно которому в металлокорде наводится электрический ток при воздействии на него импульсным магнитным полем. Взаимодействие тока и поля приводит к возникновению электродинамической силы, разрушающей хрупкую резину (принцип электромагнитной деструкции). В результате получается смесь из крошки и остатков металлокорда, которые в дальнейшем подвергаются электромагнитной сепарации.

Деструктивные силы, действующие на металлические части, а значит и на соседние области резиновой покрышки, могут быть определены в соответствии с выражением: f=jх B, где j - вектор плотности тока в области металлической части; B - вектор магнитной индукции в этой же области.

Кроме этого, следует иметь в виду особенности поведения резины покрышки в области низких температур. При понижении температуры до минус 100 - минус 150 °С материал теряет свои упругие свойства и переходит в область хрупкого разрушения с пределом прочности порядка ахр « 7 • 107 Н/м2.

34

Хрупкая прочность зависит от направления ориентации волокон. Будучи прочным в направлении ориентации, материал хрупок и непрочен в направлении, перпендикулярном к направлению ориентации. При таком механическом нагружении резина рассыпается на мельчайшие частицы.

Ориентируясь на габаритные размеры покрышки и форму реальных индукторов в установках индукционного нагрева, в качестве индуктора предполагается использовать катушку, состоящую из четырех концентрических витков с радиусом по среднему витку, равным 195 мм.

Ток, протекающий в катушке, описывается следующим образом: i(t) =

■In

V Т° J

e //T°, где I0 - базисный ток (I0 = U°/^L/C, U° - зарядное напряже-

ние конденсаторной батареи, L - результирующая индуктивность разрядной

2 L

цепи); Т° - базисное время разряда (Т° = —= v lc , R - результирующее

= 4LC , R R

активное сопротивление разрядной цепи).

Учитывая довольно частое расположение тросиков в металлокорде, заменим его тонким стальным цилиндром, толщина стенки которого равна 1 мм.

Расчеты проводились в плоскопараллельной постановке с помощью программы ELCUT.

На рисунке 1 приведена расчетная схема. Здесь позицией 1 обозначена импульсная катушка, позицией 2 - металлокорд брекера, позицией 3 - бортовое кольцо.

Рис. 1. Расчетная схема

35

Удельные силы (механические напряжения) рассчитывались в области бортового кольца и в угловой точке поперечного сечения боковой стенки цилиндра, имитирующего слой металлокорда. Расчеты проводились для импульсов тока различной амплитуды и длительности. Результаты расчетов для бортового кольца приведены на рисунке 2, для металлокорда - на рисунке 3.

Анализ полученных зависимостей подтвердил реализуемость данного способа деструкции при индукторе, состоящем из четырех концентрических витков. Так в области бортового канала разрушение достигается при t = 10 мкс, I = 50 кА, 0,3 < t/T0 < 1,2, а в угловой области металлокорда при t = 10 мкс, I = 50 кА, t/T0 ~ 0,6.

2 Завод для утилизации автомобильных покрышек

На основе исследований был разработан проект завода для утилизации автомобильных покрышек.

На рисунке 4 показана блок-схема завода для утилизации автомобильных покрышек, которая включает: транспортные средства 1, цех 2 доставки и хранения, цех 3 сортировки и подготовки, цех 4 очистки с озонатором и генератором ультразвуковых колебаний, цех 5 охлаждения, цех 6 деструкции и разрушения, цех 7 озоновой обработки, цех 8 упаковки и отправки. Кроме того, показаны цех 9 получения сжиженных газов, например жидкого воздуха или азота; могут использоваться воздушные турбохолодильные установки российского производства, например ВТХУ1-11, средства 10 доставки сжиженных газов. Цех 6 деструкции и разрушения снабжен средствами электромагнитного разрушения.

Технологический процесс завода, представленный на рисунке 5, заключается в следующем. Покрышки с помощью средств доставки 1 поступают в цех 2 доставки и хранения, далее поступают в цех 3, где они сортируются по типоразмерам. Затем покрышки 11 поступают в цех 4 очистки, где посредством транспортера 12, представляющего собой цепной конвейер с поводками, оснащенными крюками, на которые подвешиваются покрышки, помещаются в моющий резервуар 13, в котором вода насыщается озоном с помощью генератора озона 14, и подвергаются воздействию ультразвуковых волн, излучаемых ультразвуковым генератором 15. Далее покрышки поступают в цех 5 охлаждения, где они попадают в желоба 16 с жидким хладагентом, полученным в цехе 9 сжиженных газов. Под действием сильного охлаждения покрышки твердеют (например, время охлаждения покрышки размера 165/75-14^ составляет 5 минут) и с помощью транспортера 12 попадают в цех 6 деструкции и разрушения, где измельчаются следующим образом: после срабатывания коммутаторов 20 конденсаторные батареи 21 разря-

36

f, Н/м2

1,6Е+09

1,4Е+09

1,2Е+09

1,0Е+09

8,0Е+08

6,0Е+08

4,0Е+08

2,0Е+08

0,0Е+00

-2,0Е+08

10 мкс, 10 кА — — — - 10 мкс, 50 кА — — 50 мкс, 50 кА

ъ

$ 9 i | ч ч ч >

0

i t г ч ч ч

1 1 < ч ч > ч

!/ ч ч ч ч

и \ ч V \ \ V ►

1 X \ ч ч

0 0 5 1 ,0 1, 5 2 0 2 5 3 ,0 3 5 4

t/T0

Рис. 2. Удельная деструктивная сила в области бортового кольца

f, Н/м2

7,0Е+07

6,5Е+07

6,0Е+07

5,5Е+07

5,0Е+07

4,5Е+07

4,0Е+07

3,5Е+07

3,0Е+07

2,5Е+07

2,0Е+07

1,5Е+07

1,0Е+07

5,0Е+06

0,0Е+00

-5,0Е+06

* f \

/ t 4 4

10 мкс, 10 кА — — — - 10 мкс, 50 кА

1 1 \ %

1 t V 10 кА чП тлЛ

1 1 f 4

1 f \

1 1 4 \

1 1 \ 4

1 1 / \ 4

f Г ' / \ k 4

1 / * / \ 4 4

;/ \ V 4 4 4

; \ 4 V 4' и

\ 4

0 0 5 1 0 1 ,5 2, 0 2 r 1 1 ll ^ * 3 ;г—4

t/T0

Рис. 3. Удельная деструктивная сила в угловой области металлокорда

37

жаются на импульсные катушки 17, которые создают импульсное магнитное поле. Данное поле индуцирует в металлокорде покрышек вихревые токи, взаимодействие которых с импульсным полем приводит к возникновению электромагнитных сил, действующих на металлокорд. В результате покрышка прижимается к упорной плите 18 и большая часть резины покрышки крошится. Затем по транспортеру 19 смесь резиновой крошки с остатками корда и фрагментами металлокорда поступает в цех 7 озоновой обработки, где происходит окончательное разрушение резиновой крошки и отделение от корда. В цехе 8 упаковки и отправки металлические части притягиваются к подъемному электромагниту 24, находящемуся сверху ленты транспортера 19, а резиновая крошка с транспортера 19 попадает в контейнер 25.

Из цеха 3

Рис. 5. Технологический процесс

38

3 Экономическое обоснование

Перерабатывая автомобильные покрышки, на выходе мы получаем резиновую крошку и стальную проволоку. От одной тонны автомобильных покрышек мы ориентировочно будем иметь 785 кг резиновой крошки и 215 кг проволоки. Ориентируясь на производительность установки (6 тонн в день) и среднерыночные цены получаемого на выходе сырья, можно примерно подсчитать доходы. В первый год они будут составлять 20,9 млн. руб. (цены продукции ниже среднерыночных и установка работает на 80 %). Следует отметить, что в первый квартал производятся пусконаладочный работы, что также влияет на производительность и доходы. В последующий год планируется увеличить производительность до максимального значения, и доходы за второй год составят 26,5 млн. руб. На третий год реализации проекта планируется увеличить доход до 28,4 млн. руб. за счет доведения цен на продаваемую продукцию до среднерыночных. На четвертый год реализации проекта, в IV квартале, для увеличения доходов полученную прибыль планируется пустить на покупку еще одной установки. Таким образом, производительность на пятый год реализации проекта будет составлять 12 тонн в день. Для уменьшения затрат в четвертом году планируется взять в лизинг транспортные средства.

В первый год завод прибыли не приносит и работает в убыток. Расходы превышают доходы на 11,7 млн. руб. На второй год планируется окупить проект. На третий год реализации проекта планируется прибыль, составляющая

10,3 млн. руб., которую в начале следующего года планируется потратить на взятие в лизинг транспортных средств и приобретение еще одной установки в конце года.

Для начала функционирования завода в течение I квартала необходимы капитальные вложения, составляющие около 28,0 млн. руб. Эти вложения смогут покрыть расходы на приобретение оборудования, заработную плату персонала на 1 месяц, аренду помещения, транспортные расходы и коммунальные платежи, затраты на сырье и материалы. Первоначальные вложения (1 месяц) должны составить 21,5 млн. руб. Остальные вложения ожидаются до конца квартала. Финансовый план представлен в таблице.

Заключение

Известные на данный момент способы переработки оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Предлагаемая технология - это экологически чистое производство с невысоким потреблением электроэнергии. В результате переработки получается резиновая крошка, используемая в строительстве, и очищенная металлическая проволока, пригодная для повторной переработки.

39

-fs»

о

ТАБЛИЦА. Финансовый план

Финансовый план (в тыс. руб.) 1-й год реализации проекта 2-й год реализации проекта 3-й год реализации проекта 4-й год реализации проекта

1 квартал 2 квартал 3 квартал 4 квартал 1 квартал 2 квартал 3 квартал 4 квартал 1 квартал 2 квартал 3 квартал 4 квартал 1 квартал 2 квартал 3 квартал 4 квартал

доходы

Объем продаж по основному виду деятельности 5000,0 5304,8 5304,8 5304,8 6631,0 6631,0 6631,0 6631,0 7113,0 7113,0 7113,0 7113,0 7113,0 7113,0 7113,0 7113,0

РАСХОДЫ 24 444.6 2734.6 2734.6 2734.6 3102.3 2912.3 2912.3 2912.3 4167.5 3827.5 3827.5 3827.5 4457.4 3767.4 3867.4 24 817.4

Заработная плата с начислениями 1536,0 1536,0 1536,0 1536,0 1536,0 1536,0 1536,0 1536,0 1689,6 1689,6 1689,6 1689,6 1816,7 1816,7 1816,7 1816,7

административно-управленческий персонал 210,0 210,0 210,0 210,0 210,0 210,0 210,0 210,0 231,0 231,0 231,0 231,0 254,1 254,1 254,1 254,1

в т. ч. НДФЛ 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 30,0 30,0 30,0 30,0 33,0 33,0 33,0 33,0

производственный персонал 810,0 810,0 810,0 810,0 810,0 810,0 810,0 810,0 891,0 891,0 891,0 891,0 980,1 980,1 980,1 980,1

в т. ч. НДФЛ 105,3 105,3 105,3 105,3 105,3 105,3 105,3 105,3 115,8 115,8 115,8 115,8 127,4 127,4 127,4 127,4

на основе ДГПХ 135,0 135,0 135,0 135,0 135,0 135,0 135,0 135,0 148,5 148,5 148,5 148,5 163,4 163,4 163,4 163,4

в т. ч. НДФЛ 17,6 17,6 17,6 17,6 17,6 17,6 17,6 17,6 19,3 19,3 19,3 19,3 21,2 21,2 21,2 21,2

начисления на заработную плату 381,0 381,0 381,0 381,0 381,0 381,0 381,0 381,0 419,1 419,1 419,1 419,1 419,1 419,1 419,1 419,1

Производственные затраты 22 708,6 1098,6 1098,6 1098,6 1466,3 1276,3 1276,3 1276,3 2377,9 2037,9 2037,9 2037,9 2540,7 1850,7 1950,7 22 900,7

арендные платежи 200,0 200,0 200,0 200,0 200,0 200,0 200,0 200,0 250,0 250,0 250,0 250,0 250,0 250,0 250,0 300,0

стоимость оборудования, монтаж оборудования 21 000,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 500,0 500,0 500,0 21 500,0

сырье и материалы 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 200,0 200,0 200,0 200,0 300,0 200,0 300,0 200,0

оргтехника, канцелярские товары, комплектующие 600,0 10,0 10,0 10,0 200,0 10,0 10,0 10,0 600,0 10,0 10,0 10,0 600,0 10,0 10,0 10,0

коммунальные расходы 68,6 68,6 68,6 68,6 94,3 94,3 94,3 94,3 103,7 103,7 103,7 103,7 114,1 114,1 114,1 114,1

услуги связи 20,0 20,0 20,0 20,0 22,0 22,0 22,0 22,0 24,2 24,2 24,2 24,2 26,6 26,6 26,6 26,6

расходы, связанные с транспортом 550,0 550,0 550,0 550,0 690,0 690,0 690,0 690,0 1000,0 1000,0 1000,0 1000,0 300,0 300,0 300,0 300,0

содержание имущества (ремонт) 100,0 100,0 100,0 100,0 110,0 110,0 110,0 110,0 400,0 400,0 400,0 400,0 400,0 400,0 400,0 400,0

охрана, пожарная сигнализация 70,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0

Коммерческие расходы 200,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

затраты на рекламу 200,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

Библиографический список

1. Автомобильные шины (конструкция, расчет, испытания, эксплуатация) / В. л. Бидерман. - М. : Госхимиздат, 1963. - 142 с.

2. Теоретические основы электротехники / А. Е. Каплянский, А. П. Лысенко, Л. С. Полотовский. - М. : Высшая школа, 1972. - 448 с.

3. Прочность и разрушение высокоэластичных материалов / Г. М. Бартенев, Ю. С. Зуев. - М. ; Л. : Химия, 1964. - 388 с.

4. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение / Г. И. Ба-бат. - М. ; Л. : Энергия, 1965. - 552 с.

5. Силовые электрические конденсаторы / Г. С. Кучинский, Н. И. Назаров. - М. : Энергоатомиздат, 1992. - 320 с.

6. Расчет индуктивностей / П. Л. Калантаров, Л. А. Цейтлин. - Л. : Энергия, 1970. -

415 с.

7. Электрические и магнитные поля / В. А. Говорков. - М. : Энергия, 1968. - 488 с.

© Ерофеева Д. А., Ларина Г. В., 2012

41