Переработка изношенных шин и резинотехнических изделий в инертную крошку при использовании установок пульсирующего горения

УДК 534

Г. И. Павлов, А. В. Кочергин, О. Р. Ситников, А. И. Галимова,

Р. Ф. Шакуров, К. А. Кочергина, С. Ю. Гармонов

ПЕРЕРАБОТКА ИЗНОШЕННЫХ ШИН И РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ В ИНЕРТНУЮ КРОШКУ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УСТАНОВОК ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ

Ключевые слова: изношенные шины, пульсирующее горение, экологическая безопасность.

Приведены результаты исследований по разработке способа переработки изношенных шин и резинотехнических изделий в инертную крошку при использовании установок пульсирующего горения. Предложена установка для переработки резинотехнических отходов при выжигании из резины легких фракций в термическом реакторе при температуре не выше 450-5000С и превращении оставшейся фракции в инертную крошку под воздействием вибрационных нагрузок.

Keywords: used tires, pulsating combustion, environmental safety.

The results of research to develop methods of processing used tires and rubber products in inert crumb using pulsating combustion plants are shown. We propose a system for recycling waste rubber products during the process of burning light fractions in the thermal reactor at a temperature of 450-500oC and the transformation of the remaining fraction to inert crumb under the influence of vibration loads.

Проблемы, связанные с утилизацией шин, непригодных для восстановления, резко обострились в настоящее время. По ориентировочным данным, только около 30 % снятых с эксплуатации покрышек подвергается восстановительному ремонту или возвращается в производство в виде регенератов, резиновой крошки, продуктов пиролиза, энергии и других видов ресурсов. Шина, выбывшая из эксплуатации, подвергнется естественному разложению только через 50-100 лет [1].

Для целей переработки изношенных шин широко применяются термические и механические способы [1]. Термические способы включают сжигание и пиролиз старых покрышек. Во многих странах сжигание покрышек и других резиновых изделий рассматривается как ценный источник получения энергии. Главным условием успеха применения процессов сжигания в обычных режимах является использование надежной экобиозащитной техники, позволяющей очищать и обезвреживать выбросы в окружающую среду при организации горения. Перспективно сжигание шин в цементных печах, а также проведение пиролиза старых покрышек, что позволяет возвратить в промышленность некоторые исходные компоненты. Термическое разложение резины под вакуумом позволяет выделить материалы, входящие в состав покрышки. Метод пиролиза шин под вакуумом позволяет получать различные масла, органические вещества, техуглерод и металл. Некоторые соединения в пиролизном масле имеют потенциальную ценность в качестве нефтехимического сырья, так как они включают в себя толуол, ксилолы, лимонен, стирол, бензол и циклопентанен. Твердый остаток пиролиза - технический углерод в современных условиях стало возможным использовать в резиновой промышленности. Однако, процесс пиролиза требует весьма значительных энергетических затрат, а обычное сжигание необходимо сочетать с дорогостоящими системами очистки продуктов сгорания, что делает оба метода нерентабельными технологиями.

Механические способы переработки изношенных шин позволяют получать регенерат и резиновую крошку. Это, в принципе, обеспечивает достаточную экономию сырья, а продукты утилизации возможно использовать в резиновых смесях. При этом особое внимание необходимо уделить процессам химической модификации резиновой крошки, что еще более расширит области ее применения. Получены удовлетворительные данные об использовании

резиновой крошки в дорожных покрытиях, износостойкость которых повышается и обеспечивается некоторое снижение шумообразования. Однако, механическое дробление шин, особенно с металлокордом, дело непростое, требующее больших энергозатрат на переработку шины и удаление металла.

В последнее время утильные шины находят применение в качестве звукоизоляционных заграждений при строительстве дорог, защиты морского побережья и других целей. Однако, нельзя считать, что проблемы утилизации изношенных шин решены, несмотря на эти отдельные достижения. Даже в экономически благополучных странах используемые в настоящее время методы утилизации шин, такие как: получение и применение гранулята, строительство звукозащитных ограждений, дамб и другие не получили широкого распространения. Это также относится и к производству регенерата, для которого необходимо найти новые области применения. В США применяемыми методами утилизации шин являются: захоронение; сжигание; применение продуктов их переработки в производстве ряда изделий, включая плиты, прокладки для грузовых автомобилей и другие; добавки в асфальтовые покрытия; расширение использования шин в качестве топлива, а также смесей с применением гранулята из изношенных покрышек и других полимеров. В Японии широко используются бездымные котлы, работающие на твердом топливе [1]. В качестве топлива используются изношенные автомобильные шины, отходы резинотехнических изделий, каучука и т.д. Продукты газификации поступают в камеру сгорания, где при сгорании небольшого количества жидкого топлива поддерживается постоянный факел. Необходимый для горения воздух поступает с учетом количества продуктов газификации шин. Продукты горения поступают в теплообменник, а затем по дымовой трубе выбрасываются в атмосферу. Такая схема сжигания резины (двухступенчатая) имеет большое преимущество перед обычным сжиганием, широко практикуемым во многих странах. Значительно снижается выброс в атмосферу серосодержащих компонентов и механических частиц.

Необходимо стремиться к тому, чтобы методы утилизации были экологически и экономически эффективными. Метод термического разложения шин в вакууме окажется более привлекательным, если использовать в качестве источника тепла не природный газ, не соляровое масло и мазут, не электроэнергию, а горючие отходы - газообразные, жидкие, пастообразные и твердые, в том числе и шины. Использование изношенных шин в качестве фактически бесплатного топлива не менее привлекательное дело, так как по количеству выделяемого тепла при горении резина приближается к такому коммерческому жидкому топливу как мазут. Однако, в этих случаях существует одно важное условие - организовать горение отходов, в том числе и шин так, чтобы эти процессы были экологически чистыми и экономически выгодными.

Среди технологий сжигания наиболее эффективным способом является горение в пульсирующем потоке. В камерах пульсирующего горения происходит достаточно полное уничтожение соединений, что в условиях обычного горения невозможно.

Рядом авторов установлено [2-4], что характерной особенностью пульсирующего горения является высокая полнота сгорания топлива. Этого результата можно достичь при весьма малых избытках воздуха. Как известно, скорость горения конденсированного топлива, твёрдого или жидкого, лимитирована скоростью процессов массопереноса кислорода к горящей поверхности и оттока продуктов горения от неё. Эта задача успешно решается в вибрирующей системе, где более тяжёлые частицы жидких или твёрдых топлив не успевают следовать за колебаниями среды, вследствие чего область вокруг частицы освобождается от продуктов сгорания, и в неё периодически попадает кислород. Интенсификация процесса горения возможна и при воздействии акустических колебаний на гидродинамические характеристики [2] и кинетику химических реакций [3]. При диффузионном горении нет предварительно подготовленной смеси, и струя горючего подается в топочную камеру, наполненную окислителем (воздухом). В этом случае отсутствует четко выраженный фронт

горения, а воспламенение происходит в области соприкосновения потока с окислителем. Скорость горения при этом зависит от скорости перемешивания горючего с окислителем.

Воздействие акустических колебаний резко меняет характер горения диффузионного факела. Во-первых, сильно сокращается длина "холодного" ядра, характерного для обычного горения, и зона воспламенения приближается к горелке; во-вторых, резко возрастает градиент температур в зоне горения; в третьих, примерно в четыре раза увеличивается глубина выгорания топлива. Изменение характера горения объясняется возникновением турбулентных вихрей в связи с сильным затуханием и рассеиванием акустических колебаний на границе раздела сред. Однако, для эффективного воздействия акустических колебаний на процесс горения необходимо подбирать частоту и интенсивность акустических колебаний.

Несмотря на существующие установки и технологии по утилизации отходов резинотехнических изделий, проблема, связанная с обезвреживанием изношенных шин в большинстве своем до сих пор не решена. Главной причиной этого следует считать отсутствие простой, надежной и дешевой установки, которая позволила бы утилизировать шины в местах их скопления. Немаловажным фактором также является качество продукции, образующейся в результате переработки резинотехнических отходов и область возможного ее применения.

В данной работе представлена технология переработки резинотехнических отходов, сущность которой заключается в выжигании из резины легких фракций в термическом реакторе при температуре не выше 450-500 0С и превращении оставшейся фракции в инертную крошку под воздействием вибрационных нагрузок. На рис. 1 приведена

технологическая схема переработки изношенных шин и других резинотехнических изделий в инертную крошку.

Рис. 1 - Схема переработки изношенных шин и других резинотехнических изделий в инертную крошку

Изношенные шины складируются с целью временного их хранения. По мере накопления резинотехнических отходов, вблизи таких площадок может быть развернуто технологическое оборудование, в состав которого входит огневая установка. При подготовке к переработке, шины сортируются по размерам и подвергаются очистке от грязи и удалении

воды с последующей загрузкой в специальные контейнеры. При помощи подъемноперегрузочного устройства контейнер с шинами загружается в термический реактор.

Реактор (7) включает в себя пусковое горелочное устройство (5), работающее на сжиженном газе (рис. 2). Горелочное устройство работает 15-20 минут, по истечении которых оно отключается. Продуктами сгорания горелочного устройства поджигается резина (6), и в дальнейшем, горение резинотехнических отходов происходит без сопровождения внешним источником тепловой энергии. Опыт показывает, что температура газов в реакторе в этот период составляет ориентировочно 300 оС. При такой температуре в реакторе начинается бурное выделение горючих газов. Эти газы в смеси с продуктами сгорания пиролизных газов поступают в камеру дожига, представляющую собой трубу, открытую с двух сторон и состоящую из двух частей (8, 15), с кольцевым зазором между ними. Причем, величина зазора регулируется перемещением нижней части трубы (15).

Рис. 2 - Схема установки для переработки изношенных шин в инертную крошку

Внутри трубы, в зоне кольцевого зазора, расположены две решетки (12, 13) и газовая диффузионная горелка (14). При работе, истекающее из горелки горючее образует маленькие диффузионные струйки, которые сильно турбулизируются за сетчатым турбулизатором (13), расположенным над горелкой. Образуется плоская зона горения, расположенная на высоте одной четвертой части общей длины резонаторной трубы. В последней возбуждаются продольные акустические колебания по принципу Рийке, способствующие энергичному перемешиванию газо-воздушной смеси. Недогоревшие элементы, содержащиеся в продуктах сгорания горящей резины, проходя через высокотемпературную зону, полностью догорают, увеличивая теплонапряженность этой зоны. Работа диффузионной горелки (13) и акустические колебания обеспечивают экологическую чистоту продуктов сгорания в момент розжига резины. Акустические возмущения через кольцевой зазор резонаторной трубы проникают и в реактор (7) с бункером (1), где принуждают фронту пламени колебаться у поверхности горения резины. Интенсивность розжига определяется амплитудой акустических пульсаций и регулируется изменением расхода топлива в диффузионной горелке (5) и изменением величины зазора резонатора. Розжиг резины активизируется сносом продуктов сгорания от поверхности горения акустическими пульсациями, т. е. периодическим обдувом.

177

Создаются благоприятные условия для свободного доступа к поверхности горения кислорода воздуха, поступающего в реактор через воздуховод (ІЗ), который заодно играет роль аэродинамического клапана. Продукты сгорания после полного розжига резины интенсивно втягиваются в резонаторную трубу и активно смешиваются со вторичным воздухом, поступающим из нижней части трубы. В межсетчатом пространстве турбулизатора происходит догорание остаточных горючих элементов. Вследствие этого тепловая напряженность в зоне турбулизатора остается достаточно высокой для поддержания автоколебательного процесса.

В реакторе под температурным воздействием происходит разрушение и разрыхление структуры резины, увеличивается скорость выхода летучих элементов. На эти процессы положительно влияют пульсации давления: увеличивается скорость обдувания топливных частиц, возрастает турбулизация потока, приводящая к энергичному смесеобразованию и конвективному прогреву. После удаления летучих компонентов, отработанные шины и отходы РТИ становятся хрупкими и легко разрушаются на отдельные фрагменты под механическим воздействием, источником которого служит виброустройство (4). Твердая фракция с металлическим кордом (2) скапливается в бункере (1). Образующаяся в результате переработке продукция может использоваться на полигонах при укреплении грунтов, в дорожном хозяйстве (например, в качестве наполнителя для дорожного покрытия). В резонаторной трубе высоко-нагретые газы совершают колебательное движение, которое увеличивает теплоотдачу от газа к стенке, тем самым интенсифицируя процесс нагрева воды и препятствует шлаковому отложению на стенках трубы. Холодная вода, через патрубок (9) подается в теплообменник (1G), а нагретая через патрубок (11) направляется к потребителю. В таблице І приведены технические характеристики установки.

Таблица 1 - Технические характеристики установки для переработки изношенных шин в инертную крошку

Технические характеристики Значение параметра

Производительность, кг/ч 6G-65

Теплопроизводительность, кВт 14G-15G

Масса инертной крошки, образующейся при переработке шин, кг 25-2В

Масса металлокорда, кг 12

Температура нагрева воды, 0С 95

Масса установки, кг 12GG

Габаритные размеры установки с рамным основанием, м: 1,G-1,G1

- высота с дымовой трубой В

- ширина З

- длина 4

Благодаря стабильному пульсирующему горению достигается высокая полнота сгорания пиролизных газов и взвешенных частиц, обеспечивающая защиту окружающей среды от вредных веществ, а высокая скорость теплопередачи обеспечивает утилизацию тепла и защиту природной среды от теплового загрязнения. В таблице 2 представлены результаты замеров выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух непосредственно в устье источника выбросов. Эти результаты получены при режиме работы установки, соответствующем следующим параметрам: средняя частота колебаний 35^40 Гц, температура газов в реакторе 450^500°С, коэффициент избытка воздуха в реакторе а = 0,5 ^ 0,65.

17В

Ингредиент 3 Выброс, м /с Концентрация максимальная, мг/м3

Оксиды азота 115,G і 2В,75

Диоксид серы 51,G і 12,75

Оксид углерода ВВ^ і 22

Предельные углеводороды (С1-С10) G,145 1,94 і ^4В

Бензол G,71 і G,17

Толуол G,29 і G,G7

Ксилол G,14 і G,G3

Пыль 543 і 135,75

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет сжечь изношенные автомобильные шины благодаря стабильному пульсирующему горению с высокой полнотой сгорания, обеспечивая защиту окружающей среды от вредных веществ, а высокая скорость теплопередачи, наблюдающаяся при этом, обеспечивает утилизацию тепла и защиту окружающей среды от теплового загрязнения.

Литература

1. Ярошевский В.Н. Восстановление и утилизация изношенных шин за рубежом. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1994.

2. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах / Б.Г. Новицкий. - М.: Химия, 19ВЗ. - 19G с.

3. Северянин B.C. Технологическое пульсационное горение / B.C. Северянин [ и др.]. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 31В с.

4. Кочергин A.B. О перспективах использования пульсационного горения / A^. ^чергин, В.С. Северянин, Г.И. Павлов. - Kазань: KФВAУ, 2GGG.

© Г. И. Павлов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. специальных образовательных технологий КУИМЦ КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева; А. В. Кочергин - д-р техн. наук, проф., директор КУИМЦ КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева; О. Р. Ситников - канд. техн. нак, профессор каф. специальных образовательных технологий КУИМЦ КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева; Р. Ф. Шакуров - канд. техн. наук, доцент каф. безопасности в чрезвычайных ситуациях КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева; К. А. Кочергина - канд. техн. нак, доцент той же кафедры; С. Ю. Гармонов - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, serggar@mail.ru.