Введение к работе
Актуальность темы. Одним из наиболее распространённых видов твёрдых бытовых отходов являются изношенные автомобильные покрышки (шины). Общемировые запасы изношенных автомобильных шин оцениваются от 25 до 39 миллионов тонн при ежегодном приросте не менее 7 миллионов тонн. Из этого количества в мире только 23 % шин находят применение: сжигание с целью получения энергии, механическое размельчение для покрытия дорог. Остальные 77 % шин не утилизируются ввиду отсутствия рентабельного способа утилизации.
Выброшенные на свалки либо закопанные в землю шины разлагаются в естественных условиях не менее 100 лет. Контакт шин с дождевыми осадками и грунтовыми водами сопровождается вымыванием ряда токсичных органических соединений: дифениламина, дибутилфталата, фенантрена.
По данным Европейской ассоциации переработчиков шин (ETRA) Европейским Союзом принято решение о запрете с 2003 года сжигания в атмосфере и захоронения в земле изношенных автомобильных шин.
Изношенные шины представляют ценное вторичное сырье, содержащее 45-55 % резины (каучука), 25-35 % технического углерода, 10-15 % высококачественного металла. Экономически эффективная переработка изношенных шин позволит не только решить экологические проблемы, но и обеспечить высокую рентабельность перерабатывающих производств. Одним из наиболее перспективных направлений в области переработки изношенных шин является способ пиролиза.
Пиролиз - термическое разложение вещества при отсутствии или недостатке кислорода. При обычном пиролизе изношенных шин образуются следующие продукты: твёрдый углеродный остаток; жидкость, в состав которой входят органические кислоты, дёготь, ароматические углеводороды; газовая фаза, содержащая водород, летучие углеводороды и оксиды углерода.
С экологической точки зрения, процесс пиролиза обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению со сжиганием. Некоторые известные схемы пиролиза изношенных шин могут быть безотходными. Однако в настоящее время не существует обоснованной и широко используемой технологии пиролиза изношенных шин. Используемые технологические процессы пиролиза характеризуются большой длительностью по времени переработки изношенных шин в реакторе, а также наличием относительно больших по размеру не переработанных кусков в твердом углеродном остатке после пиролиза.
Таким образом, актуальность темы состоит в совершенствовании технологических процессов пиролиза изношенных шин и в разработке устройств и систем контроля и управления пиролизной установкой по переработке изношенных шин, позволяющей повысить эффективность процессов пиролиза.
Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы №01000000120 "Разработка интеллектуальных систем автоматизированного проектирования и управления" кафедры систем автоматизации производства Оренбургского государственного университета.
Цель исследования - повышение эффективности процесса пиролиза изношенных шин за счет совершенствования технологических процессов и разработки специальных систем автоматизации и управления.
Для достижения цели поставлены и решены следующие взаимосвязанные задачи:
совершенствование существующих технологических процессов пиролиза изношенных шин с применением технических средств и систем автоматизации;
теоретическое обоснование и исследование способа пиролиза изношенных шин при автоматически изменяемом переменном давлении рециркулируемых газов;
математическое описание реактора пиролиза изношенных шин как объекта автоматического управления по давлению газов;
разработка устройства для измерения динамического расхода газов в крошке изношенных шин в автоматизированной системе управления (АСУ) процессом пиролиза при переменном давлении рециркулируемых газов;
разработка и исследование основных элементов и систем автоматизированного управления установками пиролиза изношенных шин при переменном давлении рециркулируемых газов.
Объект исследования - производственные процессы переработки изношенных шин способом пиролиза, включающие способы проведения пиролиза, средства и системы контроля и управления.
Предмет исследования - системы автоматизации технологических процессов пиролиза изношенных шин при переменном давлении рециркулируемых газов в реакторе, включающие объект управления - реактор пиролиза изношенных шин и средства автоматизации.
Методы исследований: методы механики газов, теории автоматического управления, проектирования и исследования аналоговых средств измерения и цифровых систем автоматического управления.
Научную новизну исследования составляют следующие теоретические положения:
способ применения автоматически изменяемого переменного давления рециркулируемых газов, подаваемых в реактор, обеспечивающий повышение производительности процесса пиролиза;
теоретическое описание процесса интенсификации газообмена при автоматически изменяемом переменном давлении в крошке изношенных шин при пиролизе;
способ измерения динамического расхода газов в АСУ процессом пиролиза при переменном давлении рециркулируемых газов в реакторе;
математическое описание реактора пиролиза как объекта автоматического управления по давлению рециркулируемых газов.
теоретические положения по расчету расхода газа через дисковый регулирующий орган для создания переменного расхода газа, подаваемого в нижнюю часть реактора пиролиза, с учетом давлений в реакторе.
Практической значимостью работы обладают:
устройство для создания переменного давления рециркулируемых газов в реакторе пиролиза;
устройство для измерения динамического расхода рециркулируемых газов в АСУ процессом пиролиза;
АСУ установками пиролиза изношенных шин при переменном давлении рециркулируемых газов;
предложенные инженерные методики расчета устройств системы автоматического управления (САУ) амплитудой переменного давления рециркулируемых газов при пиролизе.
На защиту выносятся:
способ применения автоматически изменяемого переменного давления рециркулируемых газов в процессе пиролиза изношенных шин;
способ измерения динамического расхода рециркулируемых газов в АСУ процессом пиролиза;
математическое описание реактора пиролиза как объекта автоматического управления по давлению рециркулируемых газов.
автоматизированные системы управления установками пиролиза изношенных шин при переменном давлении рециркулируемых газов;
результаты синтеза и исследования САУ переменным давлением рециркулируемых газов в реакторе пиролиза изношенных шин.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в ООО Фирма «Газпромавтоматика» (г. Оренбург), 000 «Южно-Уральская промышленная компания» (г. Орск) и тресте «Бузулукмежрайгаз» (г. Бузулук Оренбургской области).
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались на IV международной конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2008), всероссийской научно-практической конференции «Системы промышленного и информационного сервиса: инфраструктура, объекты, процессы» (Кострома, 2008), всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009), четвёртой всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2009), международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи в изданиях из «Перечня...» ВАК РФ, получено 4 патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, общих выводов, списка литературы из 108 наименований. Общий объем работы 255 страниц, в том числе 205 страниц машинописного текста, 87 рисунков, 50 таблиц и 356 формул.
