Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих аспектов проблемы переработки и использования изношенных автомобильных шин 10
1.1. Экологическая и экономическая целесообразность и необходимость утилизации изношенных автомобильных шин . 10
1.2. Опыт переработки и использования изношенных шин в промышленно развитых странах 16
1.3. Характеристика существующих способов утилизации изношенных автомобильных шин 23
1.4. Способы переработки использованных шин в конечный продукт 32
Выводы по первой главе 41
2. Разработка технологии утилизации изношенных автошин скоростным методом 44
2.1. Теоретические основы измельчения резиновых шин 44
2.2. Разработка установки разрушения автомобильных шин по релаксационному принципу 49
2.3. Измельчение автомобильных покрышек с помощью иглофрезы.. 51
2.4. Определение величины усилия резания 55
2.5. Определение оптимальных режимов резания 60
2.6. Технологическая схема механической переработки изношенных шин скоростным методом 62
Выводы по второй главе 65
3. Разработка полупромышленной установки по утилизации изношенных автомобильных шин скоростным методом 67
3.1. Описание основных узлов полупромышленной установки по утилизации изношенных автомобильных шин 67
3.2. Описание порядка работы на установке 91
3.2.1. Обработка изношенных шин 93
3.3. Сравнительный анализ существующих механических технологий переработки автомобильных шин title3 96
Выводы по третьей главе 100
4. Технико-экономическое обоснование проекта оборудования по переработке изношенных автомобильных шин в резиновый порошок 101
4.1. Инвестиционный анализ эффективности проекта создания установки для переработки автомобильных шин 101
4.2. Возможные сферы использования резинового порошка, полученного методом скоростной переработки изношенных шин 107
4.3. Исследование возможности использования резиновой крошки в качестве нефтяного сорбента 109
4.3.1. Проблемы экологической опасности чрезвычайных разливов нефти 109
4.3.2. Классификация существующих способов и методов удаления нефтепродуктов с водной поверхности 111
4.3.3. Требования, предъявляемые к разработке сорбентов, и технологии их получения 114
4.3.4. Основные технические характеристики нефтяного сорбента на основе резинового порошка 116
Выводы по четвертой главе 126
Заключение 128
Список использованных источников 131
Приложение 139
- Опыт переработки и использования изношенных шин в промышленно развитых странах
- Разработка установки разрушения автомобильных шин по релаксационному принципу
- Обработка изношенных шин
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в мире ежегодно образуется большое количество изношенных автомобильных шин, а перерабатывается и используется в качестве вторичного продукта лишь 15% от их общего объема. Остальная часть изношенных автомобильных шин из-за отсутствия приемлемых процессов и технологий накапливается и складируется на территориях предприятий и организаций. Накапливать и складировать отработанные шины бесконечно невозможно, т.к. для этого необходимы большие площади земель. Данный вид отходов также представляет большую потенциальную опасность для окружающей среды, и фактически является «миной замедленного действия». Медленное разрушение шин под воздействием природных и климатических факторов и грызунов приводит к образованию дисперсных частиц в виде мелких крошек, которые рассеиваются в природной среде и уносятся на большие расстояния ветром. А места хранилища изношенных автомобильных шин превращаются в огромный ареал скопления большого количества и видов живых организмов (грызуны, птицы, микроорганизмы и т.д.). В связи с этим необходимо разработать эффективные способы утилизации изношенных шин, что позволит одновременно решить проблему вторичного их использования и охраны окружающей среды.
Поэтому важнейшим направлением в снижении загрязнения окружающей среды является утилизация и повторное использование изношенных автомобильных шин. В настоящее время в мире известны следующие способы утилизации изношенных автомобильных шин: складирование; захоронение; декоративное и другое использование в личных целях; восстановление; сжигание; переработка. С целью решения данной проблемы Министерством природных ресурсов России 30.07.03г. был издан указ № 663 «О внесении дополнений в федеральный классификационный каталог отходов», которым изношенные шины, камеры и другие РТИ признаны опасными отходами и им присвоена 4-я категория опасности. Изношенная шина представляет собой ценное вторичное сырье, содержащее 65-70% резины (каучук), 15-25% технического углерода, 10-15% металла, поэтому будет просто преступно выбрасывать «изношенную шину» в утиль, шины необходимо перерабатывать и вовлекать полученный продукт, резиновую крошку в экономический оборот.
Анализ имеющегося отечественного и зарубежного опыта переработки и утилизации изношенных автомобильных шин показывает, что наиболее перспективным методом утилизации является метод механической скоростной переработки с воздушной сепарацией резинового порошка по размерам и одновременным отделением измельченного корда. Принцип работы скоростного способа измельчения шин заключается в воздействии на материал деформации сдвига при определенных скоростях, при которых он ведет себя как твердое тело. Особенность технологического процесса и механизм измельчения изношенных шин состоит в том, что процесс измельчения осуществляется при положительных температурах, поэтому резиновая крошка, получаемая на данном оборудовании из шин, сохраняет структуру и свойства резины. Особенностью применения данной технологии является способ переработки, без применения криогенных технологий, что позволяет избежать вредных выбросов в окружающую среду и сохранить развитую и активную поверхность измельченного резинового порошка. При таком способе утилизации шин можно обеспечить минимальные вредные выбросы, а иногда практически их отсутствие.
Целью диссертационной работы является разработка экологически чистой и энергосберегающей технологии утилизации изношенных автомобильных шин с использованием метода механической скоростной переработки с воздушной сепарацией резинового порошка по фракциям. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
разработана новая технология утилизации изношенных автомобильных шин;
- проведен комплекс исследований процесса получения резиновой
крошки и выполнен анализ ее дисперсного состава;
- проведены исследования продуктов переработки изношенных автомобильных шин по данной технологии;
- изготовлена опытно-промышленная установка и проведены испытания технологии утилизации изношенных шин.
Объект исследования - изношенные автомобильные шины, являющиеся экологически опасными отходами, наносящими значительный вред окружающей среде.
Предметом исследования является разработка технологии переработки изношенных автомобильных шин и использование продукта переработки автомобильных шин (крошки резиновой) в качестве нефтяного сорбента.
Методы исследования:
- теоретический анализ процессов, лежащих в основе технологии переработки изношенных шин;
- исследование процесса получения резиновой крошки;
- измерение различных режимов процесса переработки изношенных шин и исследование их влияния на дисперсный состав резиновой крошки.
Научная новизна работы состоит в следующем:
на основании экспериментальных данных разработан технологический процесс механической переработки изношенных шин скоростным методом обработки, с последующим разделением продуктов по фракциям; - установлено, что при достижении скорости обработки 55 м/с резина приобретает свойства твердого тела и хорошо поддается обработке, что приводит к стабилизации размеров резиновой крошки. При данных режимах процесса обработки время воздействия меньше времени релаксации напряжения в резине, вследствие этого она ведет себя как твердое тело;
- разработан новый режущий инструмент - иглофреза оригинальной конструкции, позволяющий путем регулирования подачи получить резиновую крошку с размером части 0,1-2,5 мм;
- разработана мобильная передвижная установка по переработке изношенных автомобильных шин, работающая как стационарно от сетевого энергоснабжения, так и от дизель-генератора установки;
- исследована возможность применения продуктов механической переработки изношенных автомобильных шин скоростным методом в качестве нефтяного сорбента.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично автором:
- разработка нового механического способа переработки изношенных шин методом скоростной переработки;
- комплексное исследование процесса получения резиновой крошки и определение оптимальных режимов резания;
- проведение исследований по применению продуктов переработки изношенных автомобильных шин в качестве нефтяного сорбента, определении основных сорбционных свойств.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается:
- достаточным объемом экспериментальных и теоретических исследований, выполненных на современном лабораторном оборудовании с применением стандартных методов анализа. Достоверность применяемых расчетных методов обеспечивалась проверкой сходимости экспериментальных и расчетных данных, совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, полученных в ходе испытаний на опытно- промышленной установке. Практическая ценность работы заключается:
- в разработке технологии механического скоростного разрушения, обеспечивающей получение резинового порошка с заданными физическими параметрами, с размером фракций от 0,1 до 2,5 мм и удельной поверхностью2,0-2,5 м /г;
- разработке мобильной передвижной установки переработки изношенных автомобильных шин;
- проведение экономических расчетов, которые свидетельствуют о коммерческой эффективности данного инвестиционного проекта, период окупаемости которого составляет 2 года, средняя норма рентабельности 60 %. - применении полученных результатов в учебном процессе в
Оренбургском государственном университете и в УГНТУ студентами при изучении курса «Промышленная экология», а также при курсовом и дипломном проектировании.
Внедрение результатов исследований осуществляется путем утилизации изношенных шин на разработанной мобильной передвижной установке по переработке автомобильных шин.
Результаты исследований использованы также на ОАО «Оренбургский станкозавод» для запуска в производство установок по переработке изношенных автомобильных шин.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
- технология механической переработки изношенных шин скоростным методом;
- результаты исследований процесса получения резиновой крошки; - результаты исследований продуктов переработки изношенных автомобильных шин по данной технологии;
- опытно-промышленная установка и технология утилизации изношенных автошин;
- результаты исследований по применению продуктов переработки изношенных автомобильных шин, в качестве нефтяного сорбента.
Апробация работы. Результаты и основные положения диссертации были представлены в выступлениях на конференциях:
- на Российской научно-технической конференции «Актуальные проблемы экологии и охраны окружающей среды», Уфа, 2004г.;
на Международной научно-практической конференции «Географические исследования территориальных систем природной среды и общества», Саранск 2004г.;
- на Международной научной конференции «Татищевские чтения:
актуальные проблемы науки и практики», Тольятти 2005г.;
- на второй всероссийской научно-практической конференции «Проблемы геоэкологии Южного Урала», Оренбург 2005г.;
- на Международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики», Тольятти 2006г.;
Материалы исследований были представлены на областном конкурсе научных работ молодых ученых и специалистов «Экотехнологии-2004», организованном Администрацией Оренбургской области (Оренбург, 2004, диплом I место) и на конкурсе научно-исследовательских работ молодых ученых и специалистов Оренбуржья (Оренбург, 2006, диплом II место).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста, включая 37 таблиц, 29 рисунков. Список литературы содержит 145 источников. Разработка конструкции, основных узлов и механизмов установки по переработке покрышек осуществлена ООО «Поликом Траст Сервис» на ОАО «Оренбургский Станкозавод».
Опыт переработки и использования изношенных шин в промышленно развитых странах
Использованные автопокрышки, как правило, подлежат утилизации по причине износа после их применения в качестве шин для транспортных средств. Это автопокрышки грузовых, легковых автомобилей, сельскохозяйственных машин, тягачей, мотоциклов, а также специальных транспортных средств и самолетов. Их поставщиками выступают промышленные и частные хозяйства, а также административные институты (правительства и прочие органы управления, армия, правоохранительные органы, органы здравоохранения).
Шины автопарков промышленных предприятий и административных учреждений в рамках общих технических и ремонтных работ подлежат регулярной замене через каждые 1-2 года. Автопокрышки частных легковых автомобилей имеют срок службы, рассчитанный на 60+80 тыс. км, что в среднем соответствует 3 годам эксплуатации. При определении точного количества использованных автопокрышек в мировом масштабе, следует учитывать, что полных статистических данных о поступлении и путях переработки изношенных шин не существует. Тем не менее, в различных странах публикуются данные о поступлениях автопокрышек, которые основываются на официальных данных и исследованиях экономических объединений и научных институтов [137].
В США ежегодно количество изношенных шин составляет более 230 млн. штук (190 млн. - от легковых автомобилей и 47 млн. - от грузовых автомобилей), причем на свалках к данному моменту уже накоплено около 2 млрд. старых шин [30, 64] В Германии ежегодно насчитывается около 600 тыс. т. изношенных шин, среди них 380 тыс. т. - шины легковых автомобилей, 180 тыс. т. грузовых автомобилей и 40 тыс. т. - прочие автопокрышки [30, 140, 145]. Уровень переработки и использования изношенных шин в странах ЕС колеблется в очень широких пределах: от 87% в Японии до 20-30% в США и большинстве стран Западной Европы, а в Германии он доходит до 50%. Из этого количества в мире только 23 процента покрышек находят применение (экспорт в другие страны, сжигание с целью получения энергии, механическое размельчение для покрытия дорог и др.). Остальные 77 процентов использованных автопокрышек никак не утилизируется, ввиду отсутствия рентабельного способа утилизации.
Объемы утилизации шин распределяются следующим образом: на экспорт - 16%, на восстановление - 12%, на регенерацию - 9%, в гражданское строительство - 9%, на сжигание в цементных печах - 16%, на получение энергии - 4%, на свалки и в запасы - 34%. По прогнозам Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992), объем твердых отходов к 2025 г. вырастет в 4-5 раз. Общемировые запасы изношенных автошин оцениваются в 25 млн.т. при ежегодном приросте не менее 7 млн.т. По некоторым данным, в Европе ежегодно образуется около 2 млн. т, а в США - 2,8 млн. т. шин [140,145].
В нашей стране проблема утилизации старых покрышек усугубляется еще и тем, что страны ЕС поставляют на российский рынок частично отработанные покрышки, перекладывая, таким образом, на нас свои экологические проблемы. Так, Германия экспортирует в Россию порядка 10% изношенных шин.
В Российской Федерации, по данным научно-исследовательского института шинной промышленности, ежегодно выходят из строя более 1 миллиона тонн шин. Прирост объема изношенных шин составляет около 3 процентов в год, то есть, идет их постоянное накопление. Некоторая часть отходов, особенно из ценных видов резин, годами хранится на складах, остальная часть отходов подвергается, в лучшем случае, захоронению или сжигается, нанося тем самым значительный и долговременный ущерб окружающей среде [41,140].
В Москве накапливается 50-60 тыс. т, в Санкт-Петербурге и Ленинградской области - около 50 тыс. т, в Новокузнецке 1,4 тыс. т. Ежегодно во Владивостоке в отходы выбрасывается свыше 15 тысяч тонн изношенных автопокрышек [95]. В Оренбургской области - около 14 тыс. т, хотя на самом деле эта цифра значительно выше. По данным ГИБДД УВД Оренбургской области в 2003 г. на учете в подразделениях Госавтоинспекции области состояло 428 177 автомобилей, автобусов и троллейбусов, в том числе: грузовые автомобили - 64 783, автобусы - 1 895, троллейбусы - 135, легковые автомобили - 361 364. Проведенные нами расчеты, показали, что ежегодно в Оренбургской области образуется свыше 19,3 тыс. т. автопокрышек [95,111].
Принимая во внимание тот факт, что каждая изношенная автопокрышка подлежит замене на новую, то в дальнейшем вышеприведенные данные будут подтверждаться вследствие ежегодных продаж новых шин (таблица 1.2) [145].
Разработка установки разрушения автомобильных шин по релаксационному принципу
Исходя из анализа изученного материала, руководствуясь принципами экологичное и экономичности (см. главу 1), было принято решение разработать технологию механического измельчения изношенных шин, которая не имела бы вышеизложенных недостатков.
Известно, что в зависимости от скорости воздействия на резину, она может вести себя либо как эластомер, либо как твердое, хрупкое тело [24,46, 86,100,121].
Шалламах [122], рассматривая элементарный акт разрушения поверхности эластомеров, впервые количественно исследовал износ полимеров, моделируя процесс износа скольжением острой или тупой иглы по поверхности эластичного полимера. Он показал, что элементарное разрушение поверхности резины определяется перенапряжениями, возникающими позади движущейся иглы. Эти перенапряжения приводят к появлению поперечных полос («рисунка Шалламаха»). Наличие таких полос говорит о том, что изнашивание происходит по усталостному или фрикционному механизму износа резины.
С увеличением остроты индентора и жесткости полимеров довольно часто возникает тенденция к образованию продольных полос разрушения. Образование таких полос является признаком перехода к механизму абразивного износа.
При определенных скоростях воздействия на резину, ее износ протекает по релаксационному механизму [15, 52]. Его характерной особенностью является появление продольных трещин, которые почти мгновенно разрастаются, и поверхность резины катастрофически разрушается.
Сущность релаксационного механизма износа состоит в том, что при увеличении частоты воздействия на поверхность, высокоэластическая деформация резины не успевает развиться и материал работает как застеклованное тело. Релаксационный механизм разрушения возможен в том случае, если время воздействия будет меньше времени релаксации напряжения в резине. Если учесть дискретный характер воздействия инструмента, то разрушающие напряжение [86]
где сто - амплитудное напряжение; со-частота воздействия; t - время; Т - период воздействия.
Уравнение (2.1) показывает, что при постоянных значениях t и ст0 с уменьшением Т напряжение в резине будет возрастать и соответственно будет более вероятно разрушение материала образца.
Релаксационные явления можно изучать, изменяя в широких пределах время механического воздействия (частоту). По мере изменения частоты воздействия проявляются релаксационные процессы различной скорости.
У большинства металлов и их сплавов, которые применяются для изготовления режущего инструмента, модуль упругости обычно большой,
коэффициент упругости 8 = весьма мал. Следовательно, при конечных скоростях время и деформация металлов должны быть величинами малыми, а максимальные напряжения, определяющие износ металлических деталей, большими [9,54, 71,105].
Исследования [85] показывают, что скорость существенно влияет на величину живой силы. Особенно отчетливо она проявляется в случаях периодических деформаций резины при большой частоте контактов. При таких контактах вследствие релаксационных явлений в полимере высокоэластическая деформация не успевает развиться, и материал воспринимает нагрузку как твердое тело. В этом случае сила возрастает, и соответственно увеличиваются потери энергии при контакте. Кроме того, скачкообразное изменение механического нагружения твердого тела передается соседним зонам и обычно сопровождается колебаниями и волновыми процессами [93,1,3,108].
Влияние волновых процессов важно при высоких скоростях нагружения. Необходимость учета волновых процессов тем важнее, чем ниже модуль упругости и больше протяженность тела и связанные с этим путь и скорость прохождения волны. Скорость продольных ап и, поперечных ас волн растет пропорционально увеличению модулей упругости [102]:
где Ед - динамический модуль упругости; G - модуль сдвига; р - массовая плотность тела.
Поэтому у резин, имеющих низкое значение динамического модуля упругости, скорость высокоэластических деформаций самая низкая по сравнению с другими материалами. Для стали а„ - 5050 м/с, т. е. намного выше применяемых в настоящее время скоростей соударения, и поэтому она не всегда учитывается в задачах, связанных с ударными явлениями. Для резины а„ = 40-=-1570 м/с, причем нижний предел относится к низкомодульной (мягкой) резине, а верхний к твердой резине (30% серы) -эбониту. В связи с этим пренебрегать влиянием скорости на работоспособность резин нельзя.
Для оценки влияния скорости на величину максимальной силы и соответственно возникающего при этом амплитудного напряжения а0 в зоне контура давления можно воспользоваться уравнением Герца. В целях упрощения принимаем, что коэффициент упругости 8 = 4(1-ці )/Еі для металла - величина малая по сравнению с коэффициентом упругости для резины, поэтому его значением можно пренебречь. Тогда после соответствующей подстановки и решения уравнения получим
Обработка изношенных шин
1. Резиновые порошки (ТУ 2519-001-51009273-2005) - мелкодисперсные резиновые порошки, с дисперсностью 0,1-2,5 мм, с развитой удельной поверхностью 2,0-2,5 м /г и близки по свойствам к исходным каучукам. Это определяет сферы их дальнейшего применения:
- как исходного сырья для получения девулканизованной резины (регенерата). Использование резиновой крошки для изготовления резинотехнических изделий позволяет удешевить отдельные виды продукции от 2 до 5 раз по сравнению с использованием материалов на основе натуральных и синтетических каучуков;
- в качестве наполнителя при изготовлении композиционных материалов на основе термопластов. Использование резиновой мелкодисперсной крошки в качестве наполнителя в термопластичных материалах снижает стоимость изделий на их основе.
- напольных покрытий различных сооружений. В данных видах покрытий используется и резиновая крошка, и текстильный корд. Добавки резиновой крошки делают покрытия более дешевыми, более износо- и светостойкими, у них лучше растекаемость, они более долговечны. Также используется в покрытиях легкоатлетических стадионов и др. спортивных сооружений, входит в состав плит для полов промышленных зданий и животноводческих ферм, высококачественных напольных покрытий гостиниц, торговых залов;
- для дорожного покрытия. В подложку дороги можно закладывать смесь резиновой крошки (крупной), текстильного корда (недоизмельченные) до 50% по весу со стандартными минеральными добавками. Далее, более мелкая крошка - как модификатор асфальтобитума (крошка менее 1,5 мм до 10% по объему), который является наружным рабочим слоем дорожного полотна. При этом существенно улучшаются физико-механические характеристики всего покрытия (повышенные трещинностойкость и модуль упругости, увеличивается на 20+30% коэффициент морозоустойчивости), что сказывается положительно на ресурсе (срок службы покрытия дорог увеличивается в 1,5+2 раза);
- для приготовления резинобитумных мастик;
- для тампонирования скважин при бурении;
- в качестве сорбирующего материала для сбора нефтепродуктов с водных поверхностей.
Также резиновый порошок использовался при производстве работ по капитальному ремонту мягкой кровли в течение 2001-2003 гг. на объектах администраций Акбулакского, Соль-Илецкого и Сорочинского районов в резинобитумной мастике изготовленной из кровельного битума БН 70/30 и резинового порошка РП-06, полученного в результате опытно-промышленной эксплуатации установки утилизации изношенных автомобильных шин.
При выполнении работ по капитальному ремонту дороги Оренбург-Беляевка (15 км) была применена технология «Битрек», рекомендованная распоряжением Минтранса России № ОС-421-р от 12.05.2003г. по применению резинобитумных вяжущих. Материал «Битрек» приготовлен с использованием резинового порошка производства ООО «Политом Траст Сервис» ТУ 2519-001-51009273-2003, полученного в результате опытно промышленной эксплуатации установки утилизации изношенных автомобильных шин. По итогам лабораторных испытаний проб, взятых с вышеуказанного участка, делаются положительные выводы, и рекомендуется применение резинобитумных вяжущих, изготовленных по технологии «Битрек», с применением резинового порошка полученного методом механической скоростной переработки, при ремонте и строительстве дорог.
