CC BY
182
УДК 629.113.004.67
МЕТОД ЭНЕРГОТЕСТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН ПРИ УТИЛИЗАЦИИ
А.П. Пославский, В.В. Сорокин, В.П. Клищенко
Рассмотрена актуальная проблема автомобильного транспорта, заключающаяся в недостаточной эффективности технологии утилизации компонентов автомобиля, в частности, автомобильных шин. Представлен подробный анализ состояния производственного потенциала утилизации и отмечена необходимость реализации комплексного подхода в решении этой проблемы. Подбор наиболее эффективной технологии и оборудования оценивается по критерию максимального полезного использования энергии при помощи разработанного аппаратно-программного измерительно-вычислительного комплекса.
Ключевые слова: утилизация, технология, энергосбережение, автомобильные
шины.
Автомобильные шины являются одним из наиболее дорогостоящих элементов автомобиля. В процессе эксплуатации автомобиля потребляется несколько комплектов шин. Результаты проведенных исследований [1] свидетельствуют о том, что примерно 50 % шин грузовых автомобилей выходят из строя преждевременно, что влияет на интенсивность образования отходов автошин. Например, только в Оренбургской области ежегодно образуется около 8 тыс. тонн изношенных автомобильных шин [2].
Реализация программы утилизации отработанных автомобильных шин в промышленных масштабах требует использования современных энергоэффективных технологий их переработки.
Несмотря на многообразие способов утилизации шин, этот вопрос в практической плоскости так и остается нерешенным. Прежде всего, это связано с уникальными физико-механическими свойствами резины как основного компонента при производстве шин, затрудняющими процесс ее переработки.
Все известные методы переработки и утилизации изношенных автомобильных шин можно разделить на три основные группы.
К первой группе можно отнести технологии, предполагающие использование шин в целом виде для создания искусственных рифов, детских спортивных площадок, укрепления дорог, дамб и т.д. В этом случае нет необходимости затрачивать энергию на разрушение шин. Однако объем изношенных шин, используемых для этих целей, очень незначителен и только частично может решить вопрос утилизации.
195
Вторая группа включает методы утилизации шин, приводящие к глубоким необратимым изменениям структуры резины и основанные на термическом разложении (деструкции) резины в различных технологических средах с получением продуктов различной молекулярной массы. К этим методам относятся сжигание, пиролиз и термоожижение [3, 4, 5].
Одним из главных недостатков этих процессов являются потери при сжигании ценных компонентов, содержащихся в резине, пожароопас-ность процесса, в результате пиролиза происходит обугливание компонентов резины, сопровождающееся выбросами в атмосферу, что является сдерживающим факторам его широкого практического применения.
Третья группа наиболее многочисленна и включает методы утилизации шин, основанные на измельчении резины. В этом случае наиболее полно сохраняются первоначальная структура и свойства каучука и других полимеров. К этой группе можно отнести криогенные технологии утилизации (обработка шин отрицательными температурами с последующим дроблением); О-Кей-технологию (продувание шин озоном); бародеструк-ционную технологию (переработка шин высокими механическими давлениями), гидродинамические технологии (разрушение шин высоконапорными струями воды); детонационные технологии (разрушение шин энергией взрывной волны); технологии высокоскоростного резания, дробления и т.д. [6].
Конечным продуктом таких технологий является резиновая крошка различных фракций, используемая как сырье в химической промышленности при производстве неответственных резинотехнических изделий (РТИ) и строительных материалов таких, как сорбент для сбора жидких нефтепродуктов, добавка к битуму в дорожном строительстве и т.д.
Однако высокая стоимость полученной резиновой крошки (до 1000 $ за тонну), обусловленная применением сложного энергоемкого оборудования, не позволяет ей конкурировать с аналогичными продуктами, получаемыми в процессах непосредственной, прямой нефтегазопере-работки.
Из приведенного анализа можно сделать вывод, что наряду с технической сложностью переработки шин существуют социально-экономические причины, препятствующие реализации существующих методов утилизации. По мнению авторов, основными причинами являются:
- высокая себестоимость продуктов утилизации, вызванная, как правило, значительными энергозатратами;
- высокая конкуренция со стороны уже сложившихся рынков сбыта сырья для химической промышленности, в том числе предприятий по производству РТИ;
- высокие требования к качеству исходного сырья для производства изделий ответственного назначения;
- развитость инфраструктуры нефтегазовых перерабатывающих комплексов, ориентированных на производство очищенных, светлых продуктов из добываемой сырой нефти. При этом сажа и сера, используемые в производстве, а также битум, применяющийся для дорожного строительства, являются побочными продуктами. Поэтому те же продукты, полученные методами утилизации, не могут конкурировать ни по себестоимости, ни по качеству.
Решение задачи энергоэффективности утилизации автомобильных шин возможно на основе разработки комплексного подхода, включающего несколько этапов.
Сущность предлагаемой стратегии утилизации шин сводится к следующему. На первоначальном этапе производятся сбор и концентрация утилизируемых шин на специализированном пункте сбора в рамках региона с соблюдением всех мер безопасного их хранения. Далее производится сортировка в зависимости от номенклатуры, типоразмера и состояния утилизируемых изделий. Отобранная партия изделий проходит операцию мойки и сушки, после которой направляется для первичной переработки методами механического разделения. Часть наиболее востребованных с коммерческой точки зрения компонентов перерабатывается наиболее рациональным способом, например, механическим измельчением с целью получения товарной продукции. Остатки компонентов шин, не представляющие практической ценности, например, резиноармированные элементы, направляются для дальнейшей вторичной переработки методом термоожижения (пиролиза) в среде технологических растворителей. На этом этапе производится выделение металлоарматуры или синтетического корда, технического углерода, растворенного в технологическом растворителе и дистиллята кипящих фракций, отводимых на конденсацию и сбор для технологических нужд. При этом жидкая фракция направляется для концентрации и фильтрации разделением физико-механическими методами (отстаивание, центрифугирование и др.). Остаток твердых и жидких продуктов переработки после их сбора и очистки оборудования направляется в асфальтобитумные смеси для получения дорожных покрытий. В данном случае негативное их влияние на экологию будет минимальным, так как условия эксплуатации дорожных покрытий не способствуют процессам испарения вредных и токсичных компонентов первоначально, присутствующих в резиновых смесях.
Для реализации предложенной стратегии комплексной утилизации необходимо проведение значительного объема научно-исследовательских, опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, результатом которых должны стать энерго- и ресурсосберегающие опытно-промышленные технологии и оборудование утилизации автомобильных шин.
Оценка энергозатрат на утилизацию отдельных компонентов шин для различных вариантов их конструкций возможна на основе расчетно-аналитических или экспериментальных методов.
Аналитические методы применимы для материалов с известными теплофизическими константами фазовых и структурных превращений. Однако такие справочные данные приведены для достаточно узкого перечня наиболее распространенных материалов. Принимая во внимание тот факт, что разнообразие вариантов конструкции и состава компонентов утилизируемых шин априори не известно, как могут быть не известны и теплофизические свойства некоторых компонентов, возможности расчет-но-аналитического метода не обеспечивают достоверную оценку энергетических затрат на их переработку.
Для значительного количества структурных компонентов автомобильных шин теплофизические константы могут быть определены только экспериментально. Общие удельные затраты энергии на утилизацию шин Эуобщ (кВт • ч / кг) можно представить в виде
п
Эу.общ = Эсбор + Эсорт + Этп + Эмо + Это + Эрф + ^ Эук, (1)
I=1
где Эсбор, Эсорт , Этп, Эмо, Это, Эрф , Эук - удельные энергозатраты соответственно на сбор, сортировку, технологическую подготовку, механическую переработку, термическую обработку, разделение фракций и фаз, утилизацию и переработку отдельного 1-го компонента или структурного элемента шин.
Энергетическая эффективность утилизации в оптимальном ее значении должна удовлетворять условиям целевой функции:
Эу.общ ^ т1П . (2)
Оптимизация целевой функции достигается оптимизацией составляющих элементов выражения (1) с учетом их возможного взаимного влияния. Для этого необходимо определить энергозатраты по всем операциям и каждому из вариантов конструктивного исполнения оборудования для одноименной операции технологического процесса. При выборе состава оборудования по переработке шин предпочтение отдается оборудованию с максимальным коэффициентом полезного использования тепловой энергии , аналогичного по своей сути коэффициенту полезного действия механических устройств и определяемого по формуле
Э
Ъ = -Э-, (3)
Эобщ
где Эп - теоретически минимальные, принятые как полезные затраты тепла на осуществление перехода полезной загрузки в качественно новое со-
стояние (нагрев и деструкция реакционной массы), кВт-ч; Эобщ - общие,
суммарные затраты энергии в реальном технологическом процессе, кВт-ч.
Применительно к теплотехнологическим процессам с использованием электроэнергии значение общих затрат энергии определяется как сумма элементарных составляющих:
п
Эобщ. = ^Эг, (4)
1
где ЭI - каждая из п элементарных составляющих теплоэнергозатрат, которые могут быть измерены с достаточно высокой точностью, например, ваттметрами.
Необходимым условием реализации стратегии является возможность определения с заданной точностью значения коэффициента полезного использования энергоносителя каждого теплоэнергетического процесса на всех этапах утилизации.
Энергоэффективность технологи утилизации автомобильных шин определяется разработанным с этой целью аппаратно-программным, измерительно-вычислительный комплексом энергетических и теплофизических параметров (ИВК) посредством энерготестирования реальных или моделируемых процессов [8].
Примером может служить оценка энергозатрат при механическом разрушении резины на экспериментальном стенде, который представляет собой стол с возможностью закрепления образца листовой резины и шлифовальную головку, перемещающуюся вдоль стола по направляющим. На валу шлифовальной головки устанавливаются сменные диски с твердосплавными резцами. Частота вращения вала составляет 6000 об/мин. При диаметре дисков 180 мм линейная скорость обработки составит 56 м/с. На рис.1 показана механическая схема работы стенда.
Рис. 1. Механическая схема работы стенда: 1 - образец резины; 2 - инструмент (фреза); Н - толщина срезаемого слоя; £ - направление подачи; ю - направление вращения фрезы
199
В процессе эксперимента изменялись глубина резания (от 2 до 6 мм), радиус режущей кромки фрезы Я (от 0,01 до 1 мм), передний угол резания (15, 0 и -70). Подача и линейная скорость обработки не изменялись.
На рис. 2 показан общий вид стенда.
Рис. 2. Общий вид механической части стенда
Оценка энергопотребления процесса механического разрушения резины осуществлялась на аппаратно-программном измерительно-вычислительном комплексе (АП ИВК), принципиальная схема которого представлена на рис. 3.
Сеть 380/220 В
0 А В С
Рис. 3. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса
Конструктивно аппаратные средства АП ИВК выполнены в виде самостоятельного металлического герметизированного бокса, внутри которого размещены на DIN-рейке модули МВА 8 и АС 3, ИП мощности ДИМ 200. Они подключены к входам модуля МВА 8 с помощью кабелей.
Задача сбора информации АП ИВК включает в себя измерение удельной потребляемой электрической мощности.
Для АП ИВК разработана программа, управляющая испытательным процессом. Она выполняет реализацию регулирования, сбора данных и расчет необходимых величин.
По результатам энерготестирования каждой единицы задействованного в технологическом процессе оборудования для утилизации автомобильных шин определяются значения потребляемой мощности и энергии в цикле переработки.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы.
1. Объемы образования изношенных автомобильных шин требуют использования целого комплекса подготовительных работ и разнообразных промышленных методов утилизации компонентов с максимально возможным коэффициентом их вторичного использования.
2. Выбор каждого из методов утилизации должен соответствовать критерию максимальной энергоэффективности.
3. Реализация энергоэффективной стратегии утилизации автомобильных шин возможна на основе использования разработанного АП ИВК, позволяющего регистрировать энергетические характеристики процесса энергопотребления и подбирать наиболее оптимальные варианты реализации процесса переработки шин при их утилизации, а также оптимизировать состав оборудования по критерию максимально возможного h.
Список литературы
1. Техническая эксплуатация автомобилей: учеб. для вузов / под ред. Е.С. Кузнецова. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Наука, 2004. 535 с.
2. Клищенко, В.П. Мини-завод по утилизации изношенных автошин // Экология и промышленность России. 2009. №1. С. 4-5.
3. Пат. 2309961 Российская Федерация, С08 J11/20. Способ переработки резинометаллических изделий и установка для его осуществления / Пославский А.П., Бондаренко Е.В., Апсин В.П., Сорокин В.В., Летечин В.М., Трошина Т.М. опубл. Бюл. № 31 от 10.11.2007 г.
4. Пат. 2167168 Российская Федерация, МПК С 08 J 11/04. Устройство для утилизации отходов резинотехнических изделий / Денисов М.В., Денисов А.М., Литвин Н.К. № 2002110990/12; заявл. 25.04.2002; опубл. 10.02.2004, Бюл. №4. С. 493.
5. Пат. 2223172 Российская Федерация, МПК7 С 08 J 11/04. Способ переработки органических полимерных отходов / Летечин В.М.; патентообладатели: Летечин В.М., Летечина Т.В., Старков С.В. № 2000121587/04; заявл. 17.08.2000; опубл. 20.05.2001, Бюл. №14. 7 с.
6. Пат. 2239555 Российская Федерация, МКП С 27 В 29 В 17/00// В 29. Способ механического измельчения резины и устройство для его осуществления / Клищенко В.П., Романцов В.Н., Халяпин А.Е., Полянцев А.М. - №2002114528/12; заявл.03.06.2002.; опубл.10.11.2004, Бюл. № 31
7. Ковриков И.Т., Пославский А.П., Соколов В.Ю. Диагностирование эксплуатационных характеристик теплообменников транспортной техники // Вестник Оренбургского государственного ун-та. 2009. №9 (103). С.134-139.
Пославский Александр Павлович, канд. техн. наук, доц., bbc1979@rambler.ru, Россия, Оренбург, Оренбургский государственный университет,
Сорокин Владимир Владимирович, канд. техн. наук, доц., bbc1979@rambler.ru, Россия, Оренбург, Оренбургский государственный университет,
Клищенко Владимир Петрович, инженер, bbc19 79@rambler. ru, Россия, Оренбург, Оренбургский государственный университет
METHOD ENERGOAKTIVAMI PROCESSES OF PREPARATION AND PROCESSING OF
TIRES WHEN DISPOSING
A.P. Poslavsky, V. V. Sorokin, V.P. Klishenko
The presented work considers urgent problem of automotive transport - low efficiency of the process of recycling components, in particular, automotive tires. Authors analyze industrial capacity of recycling and prove the necessity of complex approach to this problem. They suggest computer complex that analyze efficiency of energy usage and thus can serve as means to choose the most effective recycling method and technology.
Key words: recycling, technology, energy-saving, automobile tires.
Poslawsky Alexander Pavlovich, candidate of technical sciences, docent, bbc19 79@ rambler. ru, Russia, Orenburg, Orenburg State University,
Sorokin Vladimir Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, bbc19 79@ rambler. ru, Russia, Orenburg, Orenburg State University,
Klishenko Vladimir Petrovich, engineer, bbc19 79@rambler. ru, Russia, Orenburg, Orenburg State University
