CC BY
75
Оригинальная статья / Original article УДК 629.113.004
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-5-171-178
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ УТИЛИЗАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН
© В.В. Сорокин1, Е.В. Бондаренко2, А.П. Пославский3, В.П. Клищенко4, А.М. Федотов5
Оренбургский государственный университет,
Российская Федерация, 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Рассмотрение вопросов повышения эффективности технологии утилизации компонентов автомобиля, в частности автомобильных шин, по критерию энергозатрат. МЕТОДЫ. Для определения потенциала энергосбережения использован метод структурного анализа производственного процесса утилизации с оценкой энергозатрат каждого этапа утилизации измерительно-вычислительным комплексом. РЕЗУЛЬТАТЫ. Отмечена необходимость реализации комплексного подхода в решении проблемы утилизации шин с проведением энерготестирования каждой единицы технологического оборудования и определения удельных энергозатрат на единицу продукции. ВЫВОДЫ. Подбор технологий и оборудования утилизации шин необходимо проводить по критерию максимального полезного использования энергии с помощью разработанного аппаратно-программного измерительно-вычислительного комплекса.
Ключевые слова: утилизация, технология, измерительно-вычислительный комплекс, энергосбережение, автомобильные шины.
Формат цитирования: Сорокин В.В., Бондаренко Е.В., Пославский А.П., Клищенко В.П., Федотов А.М. Оценка эффективности процессов утилизации автомобильных шин // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 5. С. 171-178. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-5-171-178
EFFICIENCY EVALUATION OF SCRAP AUTO TIRE RECYCLING PROCESSES V.V. Sorokin, E.V. Bondarenko, A.P. Poslavskiy, V.P. Klishchenko, A.M. Fedotov
Orenburg State University,
13, Pobedy pr., Orenburg, 460018, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is to consider the issues of improving the efficiency of vehicle component recycling technology, in particular of automobile scrap tires by the criterion of energy consumption. METHODS. The method of structural analysis of the recycling production process involving the evaluation of energy consumption at each stage of recycling by a measuring and computing complex has been used to determine the potential energy savings. RESULTS. It is noted that there is the need for a complex approach in solving the problem of scrap tire recycling that involves energy tests of each unit of technological equipment and determination of specific energy consumption per a production unit. CONCLUSIONS. The technologies and equipment for scrap tire recycling should be selected on the basis of the most effective use of energy by means of the designed hardware-in-the-loop measuring and computing complex. Keywords: recycling, technology, measuring and computing complex, energy saving, automobile tires
Сорокин Владимир Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей, e-mail: bbc1979@rambler.ru
Vladimir V. Sorokin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automotive Technical Maintenance and Repair, e-mail: bbc1979@rambler.ru
2Бондаренко Елена Викторовна, доктор технических наук, профессор кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей, e-mail: bbc1979@rambler.ru
Elena V. Bondarenko, Doctor of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automotive Technical Maintenance and Repair, e-mail: bbc1979@rambler.ru
3Пославский Александр Павлович, кандидат технических наук, доцент кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей, e-mail: aposlavsky@mail.ru
Aleksandr P. Poslavskiy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automotive Technical Maintenance and Repair, e-mail: aposlavsky@mail.ru
4Клищенко Владимир Петрович, конструктор научно-технического парка, e-mail: bbc1979@rambler.ru Vladimir P. Klishchenko, Design Engineer of the Science and Technology Park, e-mail: bbc1979@rambler.ru 5Федотов Александр Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей, e-mail: bbc1979@rambler.ru
Aleksandr M. Fedotov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automotive Technical Maintenance and Repair, e-mail: bbc1979@rambler.ru
ISSN 1814-3520 ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 5 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 5 2017 171
For citation: Sorokin V.V., Bondarenko E.V., Poslavskiy A.P., Klishchenko V.P., Fedotov A.M. Efficiency evaluation of scrap auto tire recycling processes. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 5, pp. 171-178. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-5-171-178
Введение
Пневматические шины - один из наиболее дорогостоящих элементов колесных транспортных средств. За период жизненного цикла транспортного средства расходуется несколько комплектов шин. С ростом мирового уровня автомобилизации происходит постоянное увеличение объемов изношенных шин. На сегодняшний день известно достаточно много способов утилизации шин, однако, объем их переработки в настоящее время не превышает 30%. В России, например, утилизируется лишь около 10% изношенных шин [1].
В условиях сокращающихся запасов нефтяных ресурсов вопросы рационального использования изношенных шин приоб-
ретают все более существенное экономическое значение. Однако кроме экономического эффекта утилизация шин позволит решить и экологические проблемы, связанные с их захоронением. Эффективная реализация программы утилизации автомобильных шин в промышленных масштабах требует использования современных подходов к повышению энергоэффективности технологий их переработки.
Целью работы является решение задачи повышения энергоэффективности процессов утилизации автомобильных шин с использованием комплексного подхода к переработке, включающего несколько технологических этапов.
Стратегия утилизации автомобильных шин
Сущность предлагаемого подхода сводится к сбору и сортировке утилизируемых изделий, после которой часть наиболее востребованных на рынке компонентов перерабатывается наиболее эффективным способом, например, механическим измельчением с целью получения товарной продукции - резиновой крошки. Остатки компонентов шин, не представляющие практической ценности, например, бортовые кольца, направляются для дальнейшей вторичной переработки методом термоожижения (пиролиза) в среде технологических растворителей, в результате чего происходит выделение металлического или синтетического корда. При этом полученная жидкая фракция направляется для дальнейшей очистки и выделения технического углерода.
Оценка энергозатрат отдельных этапов утилизации для различных вариантов их конструкций возможна на основе расчетно-аналитических или экспериментальных методов.
Расчетные методы применимы только для материалов с известными теп-
лофизическими параметрами. Однако такие справочные данные приведены для достаточно узкого перечня наиболее распространенных материалов. Для значительного количества структурных компонентов автомобильных шин теплофизические константы могут быть определены только экспериментально [2].
Общие удельные энергозатраты на утилизацию шин э ^ , кВт-ч/кг, можно
представить в виде выражения:
Э = Э + Э + Э +
у. общ сбор сорт тп
+э + Э + Э , +уэ '
мо то пф / 1 yKj
(1)
где
Э
„, а
а
Э..„, 3 , 3.
сбор ' сорт ' тп ' мо' то ' рф '
- удельные энергозатраты соответственно на сбор, сортировку, технологическую подготовку, механическую переработку, термическую обработку, разделение фракций и фаз, утилизацию и переработку отдельного /-го компонента или структурного элемента шин.
172
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 5 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 5 2017 ISSN 1814-3520
Энергоэффективность процесса утилизации в оптимальном ее значении должна удовлетворять условиям целевой функции:
Эу.общ ^ min .
(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 технологического оборудования утилизации предпочтение отдается образцам с максимальным коэффициентом полезного использования тепловой энергии т]э, определяемого как
Лэ =
Э
(3)
общ
где Эп - теоретически минимальные, принятые как полезные затраты энергии на осуществление процесса утилизации, т.е. перехода сырья в качественно новое состояние, например, нагрев и деструкция реакционной массы, кВтч; Эобщ - общие
затраты энергии в реальном технологическом процессе с учетом тепловых потерь, кВтч [3].
Применительно к теплотехнологиче-ским процессам с использованием электроэнергии значение общих затрат определяется как сумма элементарных составляющих:
Э
общ
Z Э,
(4)
где Э - каждая из т составляющих теп-
лоэнергозатрат, которые могут быть измерены с достаточно высокой точностью, например, ваттметрами.
Условием реализации данной стра-
тегии является возможность определения с заданной точностью коэффициента полезного использования энергии т]у, каждого
теплоэнергетического процесса на всех этапах утилизации.
В настоящее время механическая переработка шин в резиновую крошку или порошок является одним из перспективных направлений утилизации. Наибольший спрос на рынке и высокую стоимость имеет мелкодисперсный резиновый порошок, обладающий высокоразвитой поверхностью и химической активностью.
Значительные энергозатраты многих методов переработки автошин обусловлены потерями энергии на преодоление высокоэластической деформации резины [2]. В основу таких технологий заложено механическое измельчение шин до небольших фрагментов с последующим механическим отделением металлического и текстильного корда, основанном на принципе «повышения хрупкости» резины при высоких скоростях соударений, и получение тонкодисперсных резиновых порошков размером до 0,2 мм путем экструзионного измельчения полученной резиновой крошки.
Первоначальное измельчение шин производится, как правило, на ножевых дробилках. Выбор оборудования осуществляется на основе заявленных производителем технических характеристик по производительности и установленной мощности. Однако в процессе эксплуатации оборудования возникает проблема износа инструмента, которая существенным образом отражается на энергопотреблении. Немаловажно и то, что свойства утилизируемых шин зависят от многих факторов, особенно от соотношения синтетических компонентов и металлоарматуры. Фактические энергозатраты на этой операции могут изменяться в широких пределах.
Производительность молотковой дробилки зависит от ее конструктивных характеристик и перерабатываемого материала, что существенно влияет на габариты дробилки и мощность электропривода. Как правило, продавец оборудования не заявляет характеристику по удельным затратам
ISSN 1814-3520 ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 5 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 5 2017 173
энергии на переработку шин. Это можно определить только в условиях реального процесса переработки конкретного материала. Необходимого качества переработки шин в товарную продукцию можно добиться опытным путем, исследуя влияние технологических режимов, которые требуют детального изучения на месте эксплуатации оборудования, то есть когда оборудование уже приобретено. Несоответствия конструктивного исполнения приходится дорабатывать у эксплуатанта.
После удаления металлических частиц методами магнитной сепарации резиновая крошка подается в экструдер-измельчитель. Здесь происходит отделение остатков текстильного волокна от резиновой крошки и выделение его с помощью гравитационного сепаратора. Очищенный резиновый порошок подается во вторую камеру экструдера-измельчителя, где происходит окончательное измельчение.
Для осуществления одной и той же операции возможно применение различных принципиальных схем технологического оборудования. Например, альтернативой метода экструзионного измельчения является применение двухвалковой дробилки, схема которой приведена на рис. 1.
у
Рис. 1. Схема двухвалковой дробилки Fig. 1. Design of a double-roll crusher
Принцип действия дробилки следующий: два валка вращаются навстречу друг другу с различной окружной скоростью, при этом измельчаемая резиновая крошка подвергается одновременному сжа-
тию и сдвигу. Сжатие сопровождается накоплением внутренней энергии, которая высвобождается вследствие одновременного воздействия сдвиговых усилий и сжатия. Происходит процесс упруго-деформационного измельчения, сопровождающийся выделением теплоты. В отличие от эффекта вальцов в экструзионном варианте этот процесс протекает в замкнутом пространстве и в непрерывном режиме. Реализация такой технологической схемы экструзионного измельчения шин подразумевает разделение утилизируемого сырья на три технологических потока (рис. 2).
В первом потоке протекторная резина и другие отходы резины подаются в дробилку 2-й ступени, где происходит их измельчение до размера фрагментов менее 10 мм. Из роторной дробилки крошка подается в экструдер-измельчитель. Полученный резиновый порошок разделяется на три фракции на вибросите. Остаток на первом сите возвращается на повторное измельчение в том же экструдере-измельчителе.
Второй поток формируется из шинных каркасов грузовых шин и целых легковых шин, которые подаются в каскадный шредер для измельчения на фрагменты размером менее 50 мм. Из шредера фрагменты шин подаются в дезинтегратор, где происходит разрыхление и отделение текстильного корда от резины, а затем в магнитный барабанный сепаратор для освобождения резины от частиц металла. После этого резинотекстильная смесь подается в гравитационный сепаратор для отделения текстиля. Очищенная от металла и текстиля резиновая крошка подается в бункер-накопитель, а из него - в питающий бункер экструдера, где происходит тонкодисперсионное измельчение.
На третьем потоке вырезанные бортовые кольца подаются на гильотинный нож и режутся на фрагменты размером 20, 30 или 40 мм, после чего они направляются в накопитель, затариваются в контейнеры и подаются на склад готовой продукции.
174
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 5 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 5 2017 ISSN 1814-3520
Роторная дробилка/ Rotory crusher
Бункер-накопитель / Storage hopper
Экструдер-измельчитель I Extruding crusher
Вибросито I Shaking sieve
Отгрузка Потребителю I Shipping
Станок для вырезания
бортового кольца / Machine-tool for tire base ring cutting
Станок для разрезания шин /
Machine-tool for tire cutting
I ~
Каскадный шредер / Cascade shredder
Магнитный барабанный
сепаратор/ Magnetic drum separator
Гравитационный
сепаратор/ Gravity separator
Контейнер металлокорда / Steel wire cord container
Гильотинный нож / Guillotine cutter
Накопитель / Accumulating unit
i f
Склад готовой продукции/ Finished product storage area
Контейнер текстильного корда / Textile cord container
Рис. 2. Схема технологии экструзионного измельчения изношенных шин Fig. 2. Block-diagram of scrap tire extrusion cutting
Конечным продуктом такой схемы утилизации шин является резиновый порошок трех фракций: 0,5; 1-1,5; 2,0 мм. Выход конечного продукта при переработке отходов производства резинотехнических изделий - 100% от их исходной массы, а изношенных шин - 65% от исходной массы. Текстильно-кордные отходы могут использоваться для изготовления нефтяных сорбентов типа «Сорбойл». Расход электроэнергии на производство 1 т резинового порошка (суммарно по трем фракциям) составляет в среднем 450 кВт. Объем оборотной воды для охлаждения - 24 м3/ч.
Из приведенного выше материала очевидна проблематика оснащения участков по переработке изношенных шин высокоэффективным оборудованием. В этом
направлении авторы предлагают использовать опыт отработки образцов оборудования по критерию минимальных энергозатрат на тонну (кг) с выходом товарной продукции высокого качества. В качестве примера приведем результаты научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы по механическому измельчению протекторной части шин специальным инструментом.
Как известно, механическая переработка резины требует значительных энергозатрат на преодоление упругой деформации. На основании сделанных теоретических выводов высказана гипотеза, заключающаяся в следующем. При высоких скоростях переработки резин, превышающих скорость развития высокоэластической
ISSN 1814-3520 ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 5 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 5 2017 175
деформации, затраты энергии на переработку могут быть минимальны. Поведение материала в этих условиях описывается законом Гука. С целью экономии производственных ресурсов процесс переработки резин целесообразно производить на режимах, при которых высокоэластическая деформация отсутствует [4].
Одним из доказательств этого утверждения служит результат проведенных в лабораторных условиях экспериментальных работ по определению оптимальных значений технологических режимов по критерию минимальных удельных энергозатрат. Была поставлена задача - выявить влияние скорости резания на развитие высокоэластической деформации резин. Для оценки энергозатрат на получение продукта переработки с высокими потребительскими свойствами выявлялся характер разрушения резин на высоких скоростях деформации.
Проанализировав научно-технические источники информации, было выбрано три значимых фактора, оказывающих влияние на удельные энергозатраты процесса механической переработки резины:
- глубина резания, мм;
- передний угол резца, град.;
- радиус режущей кромки резца, мм;
Для экспериментального определения удельных затрат энергии при механической переработке резины была изготовлена опытная установка, общий вид и схема которой представлены на рис. 3.
Для определения энергетических параметров процесса к установке подключается измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) [5], выполняющий измерение значений технологических параметров (потребляемой электрической мощности, затраченной энергии, температуры объекта, давления среды и т.д.), обработку и вывод информации в виде графиков на мониторе компьютера (рис. 4).
По данным проведенных экспериментов минимальные удельные энергозатраты (64,1 Вт/кг) получены при следующих режимах и геометрических параметрах обрабатывающего инструмента:
- глубина резания - ^=2 мм;
- передний угол резца - а=0°;
- радиус режущей кромки резца -г=0,01 мм [4].
По результатам энерготестирования каждой единицы задействованного в технологическом процессе оборудования для утилизации автомобильных шин определяются значения потребляемой мощности и энергии в цикле переработки.
Рис. 3. Экспериментальная установка для механической переработки резины: а - общий вид; b - схема: 1 - образец резины; 2 - инструмент (фреза); h - глубина резания; S - направление подачи инструмента; ш - направление вращения фрезы Fig. 4. Experimental installation for mechanical processing of rubber: а - general view; b - scheme: 1 - rubber sample; 2 - tool (milling cutter); h - cutting depth; S - tool feed direction; ш - cutter rotation direction
176
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 5 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 5 2017 ISSN 1814-3520
69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79
Время (мин) / Time (min)
Рис. 4. Результаты энерготестирования установки механического разрушения резины Fig. 4. Energy testing results of the installation for rubber mechanical destruction
Выводы
Результаты проведенных исследований позволяют говорить о том, что в условиях возрастающего объема изношенных автомобильных шин необходимо комплексно подходить к решению задач повышения энергоэффективности утилизации шин. В этих целях осуществлять выбор методов и оборудования каждого этапа утилизации необходимо в соответствии с критерием максимальной энергоэффективности.
Библиогра
1. Трофименко Ю.В., Воронцов Ю.М., Трофименко К.Ю. Утилизация автомобилей: монография. М.: АКПРЕСС, 2011. 336 с.
2. Пославский А.П., Сорокин В.В., Мельников А.Н., Клищенко В.П. Стратегия формирования энергоэффективной технологии утилизации автомобильных шин // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 10 (129). С. 169-173.
3. Пославский А.П., Сорокин В.В., Клищенко В.П. Метод энерготестирования процессов подготовки и переработки автомобильных шин при утилизации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 5-1. С. 195-202.
4. Клищенко В.П., Пославский А.П., Сорокин В.В.
Реализация энергоэффективной стратегии утилизации автомобильных шин возможна на основе использования разработанного аппаратно-программного комплекса, позволяющего оценивать энергетические характеристики технологических процессов переработки шин при их утилизации, а также оптимизировать состав оборудования по критерию максимально возможного коэффициента полезного использования тепловой энергии.
<ий список
Оптимизация параметров обрабатывающего инструмента при механическом измельчении резины / // Прогрессивные технологии в транспортных системах: материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. (Оренбург, 24-26 апреля 2013 г.). Кумертау: ГУП РБ «Кумертауская городская типография», 2013. С. 247-251.
5. Пославский, А.П., Хлуденев А.В., Фадеев А.А., Сорокин В.В., Трошина Т.В. Ресурсосберегающий метод и средства диагностирования рабочих характеристик теплопередающих поверхностей транспортных технологических машин // Вестник Оренбургского государственного университета. 2014. № 10 (171). С. 152-157.
ISSN 1814-3520 ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 5 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 5 2017 177
References
1. Trofimenko Yu.V., Vorontsov Yu.M., Trofimenko K.Yu. Utilizatsiya avtomobilei [Automobile recycling] Moscow, AKPRESS Publ., 2011, 336 p. (In Russian)
2. Poslavskii A.P., Sorokin V.V., Mel'nikov A.N., Klishchenko V.P. Strategiya formirovaniya energoeffek-tivnoi tekhnologii utilizatsii avtomobil'nykh shin [Strategy to form an energy-efficient technology for scrap auto tire recycling]. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta [Vestnik of the Orenburg State University]. 2011, no. 10 (129), pp. 169-173. (In Russian)
3. Poslavskii A.P., Sorokin V.V., Klishchenko V.P. Metod energotestirovaniya protsessov podgotovki i pererabotki avtomobil'nykh shin pri utilizatsii [Energy testing method for the processes of auto tire preparation and recycling under disposal]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Proceedings of Tula State University. Technical sciences]. 2015, no. 5-1, pp. 195-202. (In Russian)
4. Klishchenko V.P., Poslavskii A.P., Sorokin V.V. Op-timizatsiya parametrov obrabatyvayushchego instru-
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 07.03.2017 г.
menta pri mekhanicheskom izmel'chenii reziny [Parameter optimization of the machining tool under mechanical cutting of rubber]. Materialy XI Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii "Progressivnye tekhnologii v transportnykh sistemakh" [Materials of XI International Scientific and Practical Conference "Advanced technologies in Transportation Systems"]. Ku-mertau, GUP RB "Kumertauskaya gorodskaya tipo-grafiya" Publ., 2013, pp. 247-251. (In Russian) 5. Poslavskii, A.P., Khludenev A.V., Fadeev A.A., Sorokin V.V., Troshina T.V. Resursosberegayushchii metod i sredstva diagnostirovaniya rabochikh kharakter-istik teploperedayushchikh poverkhnostei transportnykh tekhnologicheskikh mashin [Resource-saving method and diagnostic devices of performance data of heat transmitting surfaces of transport and technology machines]. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta [Vestnik of the Orenburg State University]. 2014, no. 10 (171), pp. 152-157. (In Russian)
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 07 March 2017
178
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 5 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 5 2017 ISSN 1814-3520
