Утилизация использованных шин

В представленном дипломном проекте был выполнен подробный обзор технологий утилизации и вторичной переработки автопокрышек, оценены объемы данной проблемы и осуществлен поиск приемлемого решения проблемы утилизации изношенных шин, образующихся на территории Москвы и Московской области.
Из трех наиболее применимых на практике способов утилизации автопокрышек (замены и восстановления протектора, дробления в резиновую крошку и термической обработки) был выбран метод, заключающийся в сжигании предварительно разрезанных автопокрышек в закрытой вращающейся цементной печи на Воскресенском цементном заводе.
Изношенные шины из соображений экологической безопасности и соблюдения технологии производства портландцемента применялись как добавка к основному топливу – природному газу в количествах, эквив ...

АННОТАЦИЯ 2
СОДЕРЖАНИЕ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ИЗНОШЕННЫХ ШИНАХ 6
1.1 Состав, объем образования и утилизация автомобильных шин 6
1.2 Технологии вторичного использования изношенных шин 11
1.2.1 Восстановительный ремонт шин 12
1.2.2 Дробление изношенных покрышек 16
1.2.3 Растворение автопокрышек в органическом растворителе 18
1.3 Термические методы утилизации резиновых отходов 19
1.3.1 Пиролиз автопокрышек 19
1.3.2 Газификация автопокрышек 21
1.3.3 Сжигание автопокрышек 23
1.4 Использование изношенных шин в различных отраслях промышленности 24
ГЛАВА 2 ТЕХНОЛОГИЯ СЖИГАНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ШИН 27
2.1 Схема переработки изношенных шин, образующихся в Москве и Московской области 27
2.2 Подбор устройства для разрезания или дробления изношенных шин перед их подачей во вращающуюся цементнуюпечь 32
2.3 Материальный баланс горения изношенных шин во вращающейся цементной печи 34
2.4 Материальный баланс горения природного газа во вращающейся цементной печи 39
2.5.1 Краткое описание устройства цементной печи 41
2.5.2 Расчет теплоты сгорания природного газа 42
2.5.3 Расчет теплоты сгорания стандартной легковой автопокрышки 43
2.5.4 Расчет статей теплового баланса получения клинкера портландцемента во вращающейся цементной печи 44
2.6 Расчёт декарбонизатора и холодильников-кристаллизаторов 49
2.7 Использование теплоты отходящих газов 50
ГЛАВА 3 ПОДБОР ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА ПРОИЗВОДСТВА 52
3.1 Расчётные исследования при разном количестве подаваемых в цементную печь изношенных шин 52
3.1.1 Расчет содержания кислорода в окислителе 52
3.1.2 Расчет необходимого количества природного газа 53
3.2 Подбор оборудования и расчет количеств сырья и топлива 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 62

Одной из важнейших проблем XXI века, безусловно, является проблема утилизации отходов. Вместе с ростом промышленного производства стремительными темпами увеличивается и число производимых человечеством отходов. Наибольшую угрозу экологической безопасности планеты на сегодняшний день представляют токсичные, тяжело утилизируемые промышленные отходы, в частности, различные синтетические полимерные материалы. В частности, к ним относятся вышедшие из эксплуатации автопокрышки и шины, являющиеся одним из самых распространенных типов полимерных отходов в мире.
Актуальность темы представленного дипломного проекта заключается в том, что проблема использования изношенных шин, помимо указанного выше экологического, имеет также существенное экономическое значение, так как потребности промышленность в природных ресурсах постоянно растет, а их стоимость постоянно повышается одновременно с сокращением ресурсной базы. Кроме того, примечателен тот факт, что ликвидация свалок изношенных шин в перспективе позволит освободить для использования по назначению значительные площади занимаемых ими земель.
Целью дипломного проекта является рассмотрение различных технологий утилизации и вторичной переработки изношенных шин и подробное рассмотрение способа утилизации изношенных шин посредством их сжигания во вращающейся цементной печи.
В рамках поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
• Рассмотрение состава, объема образования и способов переработки и утилизации автомобильных шин;
• Рассмотрение термических методов утилизации автопокрышек;
• Составление и теоретическое обоснование схемы переработки изношенных шин, образующихся в Москве и Московской области;
• Составления материальных и тепловых балансов горения изношенных шин во вращающейся цементной печи;
• Проведение расчётных исследований при разном количестве подаваемых в цементную печь изношенных шин и выбор оптимального технологического решения.

Целые, либо разрубленные на куски автошин вводятся во вращающуюся цементную печь с температурой исходящих газов порядка 1200 – 2800 0С. Металлокорд в данном случае частично замещает железную руду, требующуюся для производства цемента. Шинами рекомендуется замещать около 5 - 10 % топлива. В среднем, стоимость реконструкции цементных печей для освоения процесса фирмы «Бриджстоун» колеблется в пределе $50 000 - 200 000. Возместить эти затраты можно в течение 2-3 лет за счет экономии основного (ископаемого) вида топлива до 25% и снижения уровеня загрязнения окружающей среды. Это объясняется более полным протеканием реакции, высоким содержанием кислорода в цементной печи и длительным временем нахождения в ней горючих газов, поэтому большая часть вредных органических соединений разлагается, а сера и металл преимущественно прочно связываются в продукте [12].Кроме того, данный способ утилизации шин не требует значительной модернизации оборудования и не испытывает недостатка в сырье и позволяет сократить площадь полигонов твердых бытовых отходов, складирующих изношенные автомобильные шины.1.4.2Использование переработанных автопокрышек в строительствеОбозначим основные перспективные и уже существующие области использования утилизированных измельченных шин в строительной отрасли.Применение резиновой крошки как модификатора битума в дорожном строительстве в количестве 5-7% от массы битума, либо в 1,5% от массы минеральных материалов в асфальтобетонной смеси.Изготовление кровельных материалов, резинобитумных мастик, композиций с полиолефинами.Изготовление резиновых плит для трамвайных, либо железнодорожных переездов, животноводческих помещений, полов промышленных зданий, детских игровых и спортивных площадок.Развитие энергосберегающих экологически чистых технологий, производство резинового регенерата. 1.4.3 Использование автопокрышек при вторичном производствеПри переработке шин по технологии газификации, низкотемпературного пиролиза и, отчасти, сжигания производят электрическую и тепловую энергию, угольный сорбент для очистки воды, а также высококачественную сажу, используемую в производстве автопокрышек. С экономической точки зрения наиболее целесообразным является использование резиновой крошки как компонента в рецептуре резиновых смесей, однако без ущерба для качества производимых РТИ можно использовать лишь не более 20% вырабатываемой резиновой крошки.Выделенную из покрышек магнитным отсеиванием сталь используют в качестве сырья в металлургической промышленности, а также в производстве малых формовых изделий. Сдача такой стали в металлолом на вторичную переработку является выгодным дополнением к основному производству. Металлический компонент шины также можно широко использовать как армирующий материал в производстве литых конструкций, бетонных дорог, подъездных путей, при заливке фундаментов, а также при внешней штукатурки строящихся объектов. Материалы на основе переработанных покрышек обладают высокой прочностнью, сейсмоустойчивостью и низкой усадкой [12, 13].1.4.4Захоронение шин.Захоронение шин нельзя полностью отнести к их использованию. Тем не менее, захоронение автопокрышек можно рассматривать как их консервацию и хранения в ожидании совершенствования технологий и повышения рентабельности их переработки. Необходимость массовых хранилищ изношенных шин обуславливается действующим в развитых странах запретом их вывоза на обычные свалки ТБО. Так как шины при соблюдении условий хранения и правил пожарной безопасности практически не разлагаются, их опасность для окружающей среды минимальна [13].ГЛАВА 2 ТЕХНОЛОГИЯ СЖИГАНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ШИН2.1 Схема переработки изношенных шин, образующихся в Москве и Московской областиВ России технология утилизации и переработки изношенных шин, к сожалению, развита недостаточно. Изношенные автомобильные покрышки, к сожалению, мы ежедневно можем видеть на обочинах автодорог, в лесах, а также вблизи водоемов. Из-за халатного и безответственного отношения населения к экологии своей страны проблема утилизации старых автопокрышек с каждым годом обостряется.Согласно современным данным, полученным научно-исследовательским институтом шинной промышленности (НИИШП) ежегодно в России из эксплуатации выходит порядка 1 млн. тонн шин. В частности, в Москве и Московской области ежегодно образуется в среднем 120–140 тыс. тонн изношенных автопокрышек. По разным подсчетам из этого объёма также предприятиями региона перерабатывается лишь 35-40 %, остальное же количество пополняет несанкционированные свалки.Стоимость утилизации шин в среднем по Московской области составляет 2500 руб. за 1 тонну, следовательно, сегодняшний российский рынок переработки автопокрышек оценивается в 120-170 миллионов рублей. В Москве действуют несколько предприятий по переработке шин, основной технологией которых является либо полностью механическая переработка, либо низкотемпературная технология утилизации шин.По мнению специалистов международной шинной компании «Кордиант», около 60% российского рынка переработки шин делят между собой четыре предприятия: Волжский регенератно-шиноремонтный завод в Волгоградской области, Чеховский регенератный завод в Московской области, компания «KCT экология» в Смоленской области и Завод переработки покрышек №1 во Владимирской области, однако загрузка существующих мощностей не превышает 50%, [14].Сравнительно новым игроком на данном рынке является ООО «Промышленная Перерабатывающая Компания «МБК»», начавшая работу с самых загрязненных регионов России: Москвы и Московской области с наибольшей концентрацией автомобилей на 1 квадратный метр. В регионе официально зарегистрировано более пяти миллионов автомобилей не считая прибывающих транзитом из других регионов России и стран зарубежья. Главными сырьевыми составляющими шины являются натуральный и синтетический каучук, сажа и масло. Резиновые смеси в шине составляют более 80% от ее массы. Оставшуюся часть составляют компоненты, усиливающие конструкцию автопокрышки. Примерно половина используемого каучука является натуральным сырьем, вырабатываемым из каучукового дерева, оставшаяся часть производится из нефти. Вулканизационные активаторы, содержащиеся в шинах в незначительном количестве (оксид цинка и различные стеариновые кислоты), а также катализаторы полимеризации регулируют процесс горячей вулканизации, направляя реакцию в сторону образования трехмерной пространственной сетки среди молекул каучука. Компонентный и морфологический состав автомобильных шин (усредненные значения) приведен в таблицах 2.1 – 2.2.Таблица 2.1Компонентный состав автопокрышек [15]Наименование компонентаСодержание, %Технический каучук 24,5Текстильный корд7,95Проволока3,59Металлокорд8,33Каучук46,5Сера0,95Белая сажа0,27Прочие резины7,91По данным из таблицы 2.1 мы можем рассчитать материальный баланс горения автопокрышек в печи – основной реакции рассматриваемого метода.Таблица 2.2Морфологический состав автопокрышек [15]Наименование компонентаСодержание, %Резины96Сталь4В работе выбран метод сжигания автопокрышек в цементной печи. Данный метод сегодня является достаточно экологически безопасным и востребованным предприятиями цементной промышленности, так как позволяет экономить средства на закупку сырья и топлива.Кроме того, в пользу данного метода говорит то, что российская резина сложнее подвергается переработке механическими способами, чем ее зарубежные аналог в силу различия строения корда - ее армирующей составляющей. Основной объем (более 90%) скапливающихся в России шин составляют изделия с корд смешанного типа. Отечественные шины имеют так называемую радиальную конструкцию, в которой вместе с армирующей каркас проволокой присутствует в больших количествах синтетический корд. Импортные же покрышки имеют цельнометаллический корд (ЦМК). Поэтому для механической переработки легковых и грузовых шин с высоким содержанием текстиля необходима более сложное и дорогостоящее оборудование, чем в случае шин с ЦМК. Следовательно, использование изношенных шин в качестве горючего сырья в российских условиях является более простым и экономически выгодным, однако более экологически опасным методом [16].Сжигание автомобильных покрышек в цементных печах производится на предприятии «Воскресенскцемент» - одном из крупнейших предприятий Воскресенского района Московской области производственной мощностью более 2,1 млн. тонн цемента в год, на котором на сегодняшний день трудится более тысячи человек. «Воскресенскцемент» расположен к Москве ближе, чем другие крупные цементные заводы региона.Известно, что для цементной промышленности России характерна высокая энергоемкость, например, потребление природного газа составляет 13% от всей промышленности или до 3% от общего по стране. Использование альтернативных топлив сокращает потребление невозобновимых ископаемых видов топлива. Группой «Лафарж», частью которой является цементный завод в Воскресенске было принято решение о частичной замене ископаемых видов топлива на отходы. В частности, речь идет об использовании в изношенных шин в качестве топлива для цементных печей, являющихся оптимальным потребителем данного вида отходов [17].В цементных печах достигается температура более 2000°С, обработка производится в окислительной среде длительное время. Исследованиями подтверждено, что более 99% органических веществ, так как являются термически нестойкими, в цементных печах полностью разрушаются. Кроме того, в цементной печи не образуются побочные производные отходы, так как зола связывается с сырьевой смесью химически, образуя клинкерВ качестве основы для проектирования примем применяемую на Воскресенском цементном заводе установку по сжиганию шин, предназначающуюся для подачи покрышек в печи №105, 106. Производительность системы составляет порядка 190 шин в час (около 54 тонн в сутки), что эквивалентно замещению 10% газа по 1 печи.Из промежуточного склада шины вручную загружаются на горизонтальный конвейер, с которого попадают для разрезания или дробления и весовой дозатор. После взвешивания измельченные шины поступают в цементную печь через шлюз, закрепленный примерно на середине корпуса печи. При каждом повороте печи шлюз подходит к желобу, открывая его, и измельченная шина падает в печь под собственным весом, попадает в раскаленную сырьевую смесь и моментально термически разлагается. Оставшаяся зола и корд в результате химической реакции с сырьевой смесью образуют клинкер. По данным предприятия, альтернативное топливо применяется для обеспечения не более 10% теплопотребления цементной печи, что по заводу в целом составляет не более 2% потребности в тепловой энергии [17].При сухом способе производства цемента, реализуемом на рассматриваемом предприятии, на обжиг клинкера затрачивается 750-1200 ккал на 1 кг клинкера. В качестве топлива для цементной печи традиционно используются газ, мазут и уголь. Использование изношенных шин позволяет с успехом заменить экологически более опасные мазут и уголь.Рис 2.1. Стандартная схема производства портландцемента сухим способом во вращающихся печах [18]Измененная схема производства цемента, реализованная, в частности, на Воскресенском цементном заводе, представлена на Листе 1 графической части. Реализуемый способ производства является экономически целесообразным, так как используемые сырьевые материалы имеют низкую (до 12%) влажность и преимущественно однородный химический состав, в результате чего суммарный расход тепловой энергии на сушку сырья и обжиг клинкера ниже, тепловых затрат на обжиг сырья при альтернативном мокром способе производства. Известняковая и глиняная порода, поступающая из карьера, имеют низкую природную влажность, и после дробления поступают в сепараторную мельницу, где одновременно производятся помол, перемешивание и сушка. Далее полученная смесь посредством пневматических установок транспортируется к смесительным аппаратам, где с использованием сжатого воздуха происходит окончательное смешивание и корректировка химического состава смеси. После корректировки и усреднения химического состава до требуемых значений сырьевая мука обжигается во вращающихся цементных печах. Полученный продукт далее охлаждается, в него, в зависимости от технологии производства цемента добавляются спецдобавки и гипс, после чего цемент направляется в цементные силосы или упаковку для отправки потребителям [18].2.2 Подбор устройства для разрезания или дробления изношенных шин перед их подачей во вращающуюся цементную печьДля непрерывной подачи изношенных шин в цементную печь необходимо их измельчение и удаление металлического каркаса. Данные операции могут быть произведены с помощью шредерной дробилки для шин. Принцип работы дробилки заключается в следующем. На подающий транспортер дробилки подаются цельные автошины внешним диаметром до 700-750 мм или ½, ¼,1/6 шин более крупных размеров. Цельные легковые и части грузовых покрышек зацепляются подвижными (закрепленными на валах ножами) и разрезают покрышку на чипсы.Состав рекомендуемого оборудования (рис. 2.2) включает в себя:1. Гидравлический универсальный станок «Дантист ДС-500» для вырывания пучка толстой бортовой проволоки из посадочных колец покрышки. С помощью данного станка толстая бортовая проволока отделяется от покрышек внешним диаметром от R13 до R22,5 (внешним диаметром до 1250 мм). Мощность данного станка составляет 7,5 кВт. На выходе после обработки покрышек получают чистый металл в пучках, который затем сдается на металлом, и покрышка без толстой бортовой проволоки (освобождается от 5% веса). 2. Гидравлические ножницы для резки автошин «Аллигатор НС-500». Мощность гидравлических ножниц данной модели составляет 7,5 кВт. Станок способен резать покрышки внешним диаметром до 1400 мм и шириной профиля до 500 мм на сегменты-чипсы шириной 150 мм. При этом объем утиль-сырья снижается в 7 раз, что делает материал более транспортабельным и пригодным к дальнейшей переработке. Ножницы спроектированы со значительным запасом прочности, весьма надежны, высокопроизводительны и экономичны. Оборудование предназначено для первичной разделки автошин радиальной и диагональной конструкции корда. Также оборудование способно перерабатывать покрышки с толстой бортовой проволокой в посадочном ободе. Тем не менее, проволоку рекомеднуется предварительно отделять с целью увеличения срока эксплуатации ножниц. Для оборудования характерно низкое энергопотребление при высокой производительности. Ножницы гидравлические может обслуживать низкоквалифицированный персонал после прохождения инструктажа [19].3. Общая для станков маслостанция «Дантист ДС-500» и « Аллигатор НС-500» с установленной/потребляемой в час мощностью 3 кВт. Транспортировка автопокрышек производится по ленте транспортера со скоростью 0,5 м/с и мощностью двигателя 3 кВт.Технологическую линию по измельчению шин может обслуживать даже один рабочий. Перерабатываемую покрышку не нужно поднимать, так как она просто подкатывается рабочим и кладется на нижний нож, верхний нож опускается и разрезает ее на кусочки необходимого размера. Производительность установки составляет 1000-1500 килограмм автопокрышек в час. Суммарная мощность оборудования технологической линии составляет 21 кВт [20].Рис. 2.2. Вид комплекса по переработке шин в сборке2.3 Материальный баланс горения изношенных шин во вращающейся цементной печиРассчитаем материальный баланс горения изношенных шин, опираясь на их химический состав подробно описанный выше. Примем, что во вращающейся цементной печи реакция горения автопокрышек, предварительно разрезанных на куски с извлеченным металлическим каркасом, протекает практически полностью.Из таблицы 2.1. и справочных данных определим теплоты сгорания компонентов, составляющих изношенные шины без учета металлической составляющей. Средняя масса шины без камеры – 15,0 кг. Средняя масса допускаемой ездовой камеры – 1,72 кг. Расчеты проведем с помощью программы MS Excel 2007. Из справочных данных определим удельную теплоту сгорания технического каучука, текстильного корда, натурального каучука, серы (окисляется кислородом до сернистого газа по реакции S + O2 = SO2) и прочих резин, входящих в состав автопокрышек. Белая сажа (кремнезем), являющаяся модифицирующей добавкой в автопокрышках, в реакции горения не участвует.По значениям процентного содержания компонентов в легковой автопокрышке определим их массу по формуле:(2.1)где М –масса покрышки,xi – массовая доля компонента в автопокрышке.Металлокорд и проволока из покрышки предварительно извлекаются, а белая сажа (диоксид кремния) в химическое взаимодействие с кислородом не вступает, так как только поглощает тепловую энергию при нагревании.Таблица 2.2. Массы компонентов в стандартной легковой автопокрышкеНаименование компонентаСодержание, %Масса компонентов, кгСинтетический каучук24,54,10Текстильный корд7,951,33Проволока3,590,60Металлокорд8,331,39Каучук46,57,77Сера0,950,16Белая сажа0,270,05Прочие резины7,911,32Рассмотрим основные реакции, протекающие при полном сгорании автопокрышек:1. Горение синтетического каучука:2. Горение текстильных материалов (целлюлозных волокон):nС6Н12О6 + 6nО2 → 6nСО2 + 6nН2О3. Горение натурального каучука:4. Горение резины (вулканизированного каучука) представлено на схемах реакций 1) и 3).5. Горение серы:Преимущественно протекает по реакции: S + O2 = SO2.Расчет массы затраченного воздуха (содержание кислорода в воздухе примем равным 21%) и массы выделившихся при горении углекислого газа и воды произведем по следующим формулам с помощью MS Excel 2007. Расчет производим по массе, так как реакция протекает в нестандартных условиях и, следовательно, в результате термического расширения газов определить их точный объем затруднительно.В соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева, молекулярная масса кислорода, углекислого газа, сернистого газа и воды соответственно составляют 32, 44, 64 и 18 кг/кмоль.(2.2)Также рассчитаем объемы затраченного воздуха и выделившихся газообразных веществ с помощью формулы:(2.3) - молярный объем газа, равный 22,4 м3/кмоль.Исходные данные и результаты расчетов представлены в таблице 2.3.На основе данных из таблицы 2.3 мы можем составить таблицу материального баланса для сжигания одной автомобильной шины. При необходимости, с помощью полученных данных можно посчитать массы затраченных и выделившихся веществ для любого количества автопокрышек.Таблица 2.4. Материальный баланс сжигания одной стандартной автопокрышки массой 17,2 кгПриходРасходСтатья приходаМасса, кгСтатья расходаМасса, кгАвтопокрышка17,2Белая сажа0,050Кислород воздуха46,33Проволока0,600Металлокорд1,390Вода15,191Углекислый газ45,917Сернистый газ0,327Итог63,53Итог63,47Таблица 2.3. Массы и объемы (н.у.) затраченных и выделившихся газов на одну легковую автопокрышку (m = 17,2 кг)Наименование компонентаМасса компонентов, кгМолярные массы компонентов, кг/кмольКоличества компонентов, кмольm(O2),кгV(O2) ,м3m(CO2) ,кгV(CO2) ,м3m(H2O) ,кгV(H2O) ,м3m(возд) ,кгV(возд) ,м3Синтетический каучук4,1680,06013,8819,7213,6346,944,4625,5666,10246,28Текстильный корд1,331800,0071,4591,032,0061,030,8201,036,9464,86Проволока0,6----------Металлокорд1,39----------Каучук7,77680,11426,34618,4425,87613,178,46810,53125,45987,83Сера*0,16320,0050,1630,110,3270,11--0,7780,54Белая сажа0,05----------Прочие резины1,32680,0194,4823,144,4022,241,4411,7921,34114,94Итого46,33132,4445,91723,3915,19118,91220,626154,45Итого (на 1 кг)2,6941,8862,6701,3660,8831,09912,8278,979* при сжигании серы, содержащейся в покрышках, продуктом горения является сернистый газ (SO2), а не углекислый газ (CO2), образующийся при сжигании всех остальных компонентов.Неувязка составленного материального баланса составляет:(2.4)Итак, Δ = 0,09%, что находится в рамках допустимой погрешности.2.4 Материальный баланс горения природного газа во вращающейся цементной печиТаблица 2.5. Состав используемого природного газа, % об.