CC BY
21УДК 662.739
ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ОСТАТКА ПИРОЛИЗА АВТОШИН В ФОРМОВАННОЕ ТОПЛИВО
А.В. Папин, А.Ю. Игнатова, А.В. Неведров, К.А. Шиканова
В статье рассматривается возможность получения формованного топлива из твердого углеродсодержащего остатка пиролиза автошин. Получаемый при пиролизе автошин твердый остаток - низкокачественный углерод, практически не может найти своего применения напрямую и складируется на промплощадке предприятия. Полученные данные показывают эффективность процесса обогащения низкокачественного технического углерода методом масляной агломерации и, соответственно, возможность получения низкозольного, с низким содержанием серы концентрата, который в дальнейшем может служить сырьём для производства композитных видов топлив. Новые виды топлив могут быть использованы для сжигания в бытовых и промышленных топках.
Ключевые слова: переработка автошин, пиролиз, технический углерод, формованное топливо.
Переработка резиновых отходов - одна из актуальных задач которую могут решить химическая технология и теплоэнергетика. Одним из видов резиновых отходов являются вышедшие из эксплуатации автомобильные шины. Объемы образования и накопления отработанных автошин в мире достигают огромных размеров. Выброшенные на свалки, либо закопанные шины разлагаются в естественных условиях не менее 100 лет. Контакт шин с дождевыми осадками и с грунтовыми водами сопровождается вымыванием ряда токсичных органических соединений: дифениламина, дибутилфталата, фенантрена и др., которые попадают в почву [1].
Вместе с тем, изношенные автомобильные шины являются ценным источником вторичного сырья: резины, технического углерода, металлического корда и т. д. Изношенная шина представляет собой ценное вторичное сырье, содержащее 65-70% резины (каучук), 15-25% технического углерода, 10-15% металла [1]. Экономическое значение использования отработанных шин определяется тем, что добыча природных ресурсов становится все более дорогостоящей, а в ряде случаев -ограниченной. Утилизация изношенных автошин позволит существенно снизить потребление некоторых дефицитных природных ресурсов. Поэтому использование отработанных шин приобретает все большую значимость. Методам утилизации шин посвящены работы ряда авторов [2-7].
Наиболее экологичным способом утилизации является пиролиз изношенных шин. В реакторе сырье подвергается разложению
при температуре примерно 450°С, в процессе которого получаются полупродукты: газ, жид-котопливная фракция, углеродсодержащий остаток и металлокорд. Пиролиз перспективен в силу возможности переработки целых шин.
Вопросам пиролиза автошин и исследованию продуктов пиролиза в последнее время посвящено много работ [8-12].
Наибольший интерес из продуктов пиролиза, пригодных к дальнейшему использованию, вызывает технический углерод. Однако большинство из существующих методов пиролиза не дает высококачественного технического углерода. Пиролизная сажа характеризуется высокой зольностью, низким усиливающим действием и загрязнена серой.
Технический углерод чаще всего имеет не приемлемую для прямого использования в теплоэнергетике зольность ^^ =12-15 % мас.), из-за присадок в резине, может быть весьма токсичен, напрямую он не годится ни как сорбент, ни в электродную промышленность, ни как топливо. У предприятия может возникнуть сложность с его реализацией.
В тоже время использование технического углерода перспективно в разных отраслях промышленности. Твердый остаток может быть использован в качестве исходного материала при получении активированного угля, пироуглерода, а также в качестве топлива в специальных топочных устройствах.
Однако, серьезным препятствием этому решению может послужить загрязненность остатка пиролиза серой, содержание которой в топливе недопустимо.
В наших исследованиях были выявлены возможности переработки технического углерода - твердого остатка пиролиза автошин в композитные виды топлив.
Нами был проведен технический анализ углеродсодержащего остатка. Выход летучих веществ определяли по ГОСТ 6382-2001 [13], зольность - по ГОСТ 11022-95 [14].
Полученные данные представлены в таблице 1, где Ай - зольность на сухое со-
стояние, Wa - влага аналитическая, Vdaf -выход летучих веществ на сухое беззольное вещество, Qнб - теплота сгорания бомбовая низшая, Sdt -содержание серы на сухое вещество.
В результате анализа выяснили, что уг-леродсодержащий остаток имеет высокие значения зольности и выхода летучих веществ.
Таблица 1. Результаты технического анализа углеродсодержащего остатка пиролиза автошин, концентрата и формованного топлива
Объект испытания А^ % (зольность) Wa, % (влажность) у™, % (выход летучих веществ) Qнб, ккал/кг (теплота сгорания) Sdt, мас. % (серни- стость)
Низкокачественный технический углерод 11,7 2,2 8,6 7000-7200 1,2
Концентрат 4,0-5,5 8,5-10,5 8,9 7600-7800 0,2
Формованное топливо 4,0-5,5 8,5-9,0 8,9 8000-8500 0,1-0,2
Целью наших исследований стало получение формованного топлива с низкой зольностью и сернистостью, приготовленного из концентрата твердого углеродного остатка пиролиза автошин, что позволит более полно утилизировать отработанные автошины и улучшить экологическую обстановку в регионах.
Твердый остаток пиролиза автошин с исходной зольностью 11,4-11,7% мас., сернистостью 1,2 % мас. измельчали до крупности частиц 0,1 мм, обогащали на установке методом масляной агломерации для получения глубоко обогащенных концентратов.
Твердый остаток пиролиза автошин тонкодисперсный, крупностью менее 1 мм. По количеству зольности твердый углеродный остаток пиролиза автошин относится к сред-незольным отходам.
Так как твердый остаток пиролиза автошин тонкодисперсный (<1 мм), то оптимальный метод его обогащения - масляная агломерация. К основным достоинствам метода масляной агломерации относят высокую селективность при разделении частиц менее 100 мкм (что и характерно для твердого остатка пиролиза автошин), широкий диапазон зольности обогащаемого угля, возможность вести процесс при плотности пульпы до 600 г/л, дополнительное обезвоживание концентрата вытеснением воды маслом при образовании углемасляных гранул.
На первом этапе смешивали твердый остаток пиролиза автошин с технической или питьевой водой в течение 1-2 мин. при помощи лопастной мешалки, соединенной с двигателем. Перемешивание более 3 мин. нецелесообразно. Во избежание образования «воронки», снижающей интенсивность перемешивания, в ёмкость устанавливали специальные преградители. Затем добавляли жидкую фракцию пиролиза автошин в количестве 8,0-9,0 % к массе углеродного остатка и перемешивали еще в течение 5-8 мин. Перемешивание менее 5 мин. не приводит к образованию масляных агломератов, так как углеводородный реагент не успевает полностью смочить поверхность пылевых частиц. Увеличение времени перемешивания свыше 8 мин. нецелесообразно, так как расходуется дополнительная энергия.
В результате турбулизации пульпы (смеси воды, твердого остатка пиролиза автошин и реагента) происходит селективное образование масляных агрегатов, которые уплотняются, структурно преобразуясь в прочные гранулы сферической формы, при этом топливо избавляется от балласта - минеральных примесей.
На выходе с установки получают концентрат с характеристиками, представленными в таблице. Теплотворную способность полученного концентрата определяли по ГОСТ 147-95 [15], определение серы проводили по
ГОСТ 2059-95 [16], определение массовой доли влаги - по ГОСТ 11014-10981 [17]. Из низкокачественного технического углерода был получен низкозольный концентрат.
Полученный концентрат гранулировали, размеры гранул при этом составили 1,5-2 см, наносили на поверхность гранул водостойкое, поглощающее запах покрытие из нефтяных продуктов (парафин).
Прочность гранул была оптимальна при добавлении связующего от 8,0 до 10,0 % мас.
Зависимость истираемости гранул от содержания связующего представлена на рис. 2.
Прочность гранул на истирание была оптимальна при добавлении связующего также от 8,0 до 10,0 % мас.
Предложенный способ переработки твердого остатка пиролиза автошин позволяет получить из отходов качественную продукцию - формованное топливо. Утилизация твердого остатка пиролиза автошин позволит улучшить экологическую обстановку, расширить сырьевую базу для энергетики за счет использования альтернативных видов топ-лив.
На выходе получили формованное топливо с техническими характеристиками, представленными в таблице. В процессе грануляции происходит структурообразование и уплотнение, что сказывается на показателе теплоты сгорания конечного продукта.
Прочность гранул определялась по ГОСТ 21289-75 [18]. Изучена зависимость прочности гранул от содержания связующего (рис. 1).
Полученные данные показывают эффективность процесса обогащения низкокачественного технического углерода методом масляной агломерации и, соответственно, возможность получения низкозольного, с низким содержанием серы концентрата, который в дальнейшем может служить сырьём для производства композитных видов топлив.
Полученное формованное топливо может быть использовано в качестве топлива для сжигания в бытовых и промышленных топках.
Исследования поддержаны Ползунов-ским грантом-2014
Рис. 1. Зависимость прочности гранул от содержания связующего
Рис. 2. Зависимость истираемости гранул от содержания связующего
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарасова Т.Ф., Чапалда, Д.И. Экологическое значение и решение проблемы переработки изношенных автошин // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2006. - № 2-2. -С. 130-135.
2. Вольфсон С.И., Фафурина Е.А., Фафурин А.В. Методы утилизации шин и резинотехнических изделий // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 1. - С. 74-79.
3. Пат. № 2111859 Россия МПК: 6В 29В 17/00 А, 6С 08J 11/10 В Способ переработки резинотехнических изделий / Е.В. Даньщиков, И.Н. Лучник, А.В. Рязанов, С.В. Чуйко // Троицкая технологическая лаборатория. Заяв. 16.03.1995, опубл. 27.05.1998.
4. Валуева А.В. Перспективы переработки автомобильных покрышек в Кузбассе // Сборник научных трудов SWORLD. - 2012. - Т. 7. - № 1. -С. 19-20.
5. Хизов А.В., Панкин К.Е. Сбор, переработка и утилизация автомобильных шин // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции «Развитие технических наук в современном мире» г. Воронеж, 08 декабря 2014 г. Изд-во: Инновационный центр развития образования и науки. - Воронеж, 2014. - С. 57-59.
6. Демьянова В.С., Гусев А.Д. Перспективы рециклинга автомобильных шин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2011. - № 4. - С. 74-79.
7. Утилизация резиновой крошки из изношенных шин в контексте решения проблемы повышения качества дорожных покрытий / В.П. Беляев, А.С. Клинков, П.С. Беляев, Д.Л. Полушкин // Гло-
бальный научный потенциал. - 2012. - № 19. - С. 169-171.
8. Никитин Н.И., Никитин И.Н. Пиролизная утилизация автопокрышек // Кокс и химия. - 2008. - № 8. - С. 3-7.
9. Пат. № 2460743 Россия МПК: С 08 J 11 20,С 08 L 21 00,В 29 В 17 00 Процесс и установка по переработке резиносодержащих отходов / К. З. Бочавер, Р. Ю. Шамгулов // М . Заяв. 21.05.2010, опубл. 27.11.2011.
10. Яцун А.В., Коновалов Н.П., Ефименко И.С. Жидкие продукты пиролиза отработанных автомобильных шин под воздействием СВЧ // Химия твердого топлива. - 2013. - № 4. - С. 60.
11. Процессы переработки углей в смеси с резиносодержащими отходами в жидкое топливо / Р.Г. Макитра, Г.Г Мидяна, Д.В. Брык, М.В. Семенюк // Химия твердого топлива. - 2013. - № 3. - С. 43.
12. Переработка автомобильных шин методами пиролиза и гидрогенизации / О.А. Пихль, Ю.Х. Сооне, Л.В. Кекишева, М.А. Каэв // Химия твердого топлива. - 2013. - № 3. - С. 51.
13. ГОСТ 6382-2001 Топливо твердое минеральное. Методы определения выхода летучих веществ. - М . : Изд-во стандартов, 2001
14. ГОСТ 11022-95 Топливо твердое минеральное. Методы определения зольности. - М . : Изд-во стандартов, 1995.
15. ГОСТ 147-95 Определение высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания. - М . : Изд-во стандартов, 1995.
16. ГОСТ 2059-95 Топливо твердое минеральное. Метод определения общей серы сжиганием при высокой температуре. - М . : Изд-во стандартов, 1995.
17. ГОСТ 11014-1981 Угли бурые, каменные, антрацит и горючие сланцы. Ускоренный метод
определения влаги. - М . : Изд-во стандартов, 1981.
18. ГОСТ 21289-75 Брикеты угольные. Методы определения механической прочности. - М .: Изд-во стандартов, 1975.
Папин Андрей Владимирович - к.т.н., доцент кафедры химической технологии твердого топлива Кузбасского государственного технического университета имени Т. Ф. Горбачева.
650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28 Тел. (код 3842) 39-63-08 Е-mail: papinandre y@rambler. ru Игнатова Алла Юрьевна - к.б.н., доцент кафедры химической технологии твердого топлива Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева.
650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28 Тел. (код 3842) 39-63-08 E-mail: [email protected] Неведров Александр Викторович -к.т.н., доцент кафедры химической технологии твердого топлива Кузбасского государственного технического университета имени Т. Ф. Горбачева.
650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28 Тел. (код 3842) 39-63-08 Шиканова Ксения Алексеевна - студент направления подготовки «Химическая технология» профиль «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» Кузбасского государственного технического университета имени Т. Ф. Горбачева.
