Старые автомобильные шины как топливо

РЕФЕРАТ

по дисциплине: машиностроение

на тему: старые автомобильные шины как топливо

Выполнил:

Проверил:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность данной работы обусловлена экологическими и экономическими аспектами переработки шин, вышедших из эксплуатации. В работе рассмотрены способы переработки изношенных шин. Исследованы как общие способы переработки, в целях сохранения экологии и использования переработанного сырья вторично, так и непосредственно с целью переработки шин в топливо. В ходе работы выявлены наиболее эффективные методы переработки шин в топливо, исходя из опыта западных и европейских стран.

Цель работы – проанализировать существующие способы переработки шин для получения топлива, выбрав наиболее эффективные.

На данный момент, проблема в исследовании эффективных способов переработки шин состоит в том, что индустрия переработки мусора, и преобразование шин в топливо в частности, находится на начальном этапе. В европейских и скандинавских странах наиболее развит способ восстановления изношенных шин, тогда как в западных компаниях развита система переработки шин в топливо. По этой причине основными источниками информации для анализа и являются информационные порталы западных компаний по мусоропереработке, англоязычные научные статьи, а также теоретический опыт отечественных научных сотрудников и преподавателей высших учебных заведений в виде статей и научных работ.

Также проблемой в исследовании рассматриваемого вопроса является дефицит качественного, безопасного оборудования в российской индустрии по переработке шин в топливо, из-за чего детально рассмотренный опыт западных стран имеет свою организационную специфику и не может быть в полной мере быть перенятым для практики.

1 Экологические и экономические аспекты переработки изношенных автомобильных шин

В последнее время в связи с активным развитием полимерной индустрии, количество полимерных отходов непрерывно возрастает. В резиновой промышленности наиболее массовым видом таких отходов являются изношенные шины. По оценке специалистов научно-исследовательского института шинной промышленности в России и странах СНГ каждый год образуется приблизительно 1млн тонн изношенных автомобильных шин.

Экономическое значение переработки использования изношенных шин состоит в том, что они содержат большое количество ценных полимерных и армирующих материалов, в значительной мере сохранивших комплекс первоначальных свойств.

Экологический аспект проблемы состоит в том, что изношенные шины, накопившиеся в местах их эксплуатации или вывозимые на свалки, загрязняют окружающую среду вследствие высокой стойкости к воздействию внешних факторов (солнечного света, кислорода, озона, влаги). При этом происходит отчуждение земель и загрязнение почвы и воды. При складировании они служат идеальным местом для размножения грызунов и кровососущих насекомых, являющихся переносчиками инфекционных заболеваний.

Изношенные шины огнеопасны, и в случае возгорания погасить их достаточно трудно, а при горении в воздух выбрасываются вредные продукты сгорания и в том числе канцерогены, такие как диоксины, бенз (а) пирен, фураны. На сегодняшний день, в ведущих странах мира (в том числе и в России) перерабатывается не более 20% изношенных автомобильных шин от ежегодно образующегося сырья, хотя прирост автомобильного парка оценивается от 3 до 7 % ежегодно. Изношенные шины могут подвергаться захоронению или использоваться в том или ином виде. Захоронение шин является экономически ничем не оправданным и в перспективе должно быть полностью исключено.

По прогнозам Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992), объём твёрдых отходов к 2025 г. вырастет в 4 - 5 раз. Общемировые запасы изношенных автомобильных шин оцениваются в 25 млн. т. при ежегодном приросте не менее 7 млн. т. На европейские страны приходится 3 млрд. шт. "накоплений" изношенных автошин (около 2 млн. т.) Ежегодно в США накапливается более 280 млн. использованных автопокрышек, а их общий сток на тот год уже превысил два миллиарда штук. Объемы образования амортизированных шин в различных странах мира (1997 г.) указано в таблице 1 ниже.

Таблица 1 – объемы образования амортизированных шин в странах мира

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. В России и СНГ ежегодный объём выбрасываемых автомобильных шин оценивается цифрой более 1 млн. т., Только в Московском регионе, по экспертным оценкам, образуется ежегодно от 70 до 90 тыс. тонн изношенных шин. Из этого объема порядка 10 тысяч тонн перерабатывается на Чеховском регенератном заводе и на Тушинском заводе по переработке РТИ, а остальная масса шин оказывается на подмосковных полигонах, несанкционированных свалках, пригородных лесах, довольно часто возгорает, усугубляя и без того непростую экологическую обстановку в регионе. В Санкт-Петербурге и Ленинградской области около около 60 тыс. т. б/у автошин.

Производство шин в России в 2003 (количество произведенных шин (тыс. в год)

1. Нижнекамскшина - 10 696

2. Яршина - 6 307

3. Омскшина - 5 210

4. Кировский шинный завод - 3 836

5. Волтайр - 2 889

6. Воронежский шинный - 2 213

7. Московский шинный завод - 2 014

8. Уральский шинный завод - 1 980

9. Матадор-Омскшина - 1 528

10. Сибирская шина - 1 035

11. Барнаульский шинный завод -405

12. Петрошина - 232

2 Способы переработки вышедших из эксплуатации автомобильных шин

Известные способы переработки и использования изношенных шин, в зависимости от изменений, которые при этом претерпевает структура резины, могут быть разделены на 5 групп:

Далее рассмотрены способы переработки и использования изношенных шин, исходя из предложенной классификации.

Использование целых шин и кусков покрышек. Целые шины могут быть использованы в гидростроительстве, в качестве искусственных рифов (нерестилищ), для защиты склонов от эрозии, как звукозащитные барьеры, плавающие волнорезы и волноломы.

Различные конструкции берегозащитных и гидротехнических сооружений с использованием изношенных шин были разработаны Грузинским научно — исследовательским институтом гидротехники и мелиорации. Это устройство для предохранения откосов от размыва, элементы которого выполнены из половин покрышек. Также противофильтрационное покрытие, содержащее защитный грунтовый слой из разрезанных по периметру изношенных шин. Противоэрозионная запруда, представляющая собой шины, насаженные на сваи; устройство для аккумуляции наносов и стабилизации русла, включающее дамбу из изношенных автопокрышек; противоселевое устройство, включающее элементы из изношенных шин; водосливная плотина с блоками из изношенных шин. На базе предложенных конструктивных решений на реке Мачара близ г. Сухуми в 1983 г. был построен опытный участок крепления берега длиной 700 м, что позволило сэкономить 4000 м’ стройматериалов. Однако, установлено, что в пресную воду из изношенных шин попадает больше вредных веществ, чем в соленую. В 1990 г. вблизи Григорьевского лимана на Черном море была построена первая очередь берегозащитных сооружений, включающих двухъярусный армирующий ковер из изношенных шин и образующих волнолом прерывистого типа. Испытания такой конструкции показали ее высокие волногасящие свойства и устойчивость к волновым воздействиям.

В США, Австралии, Японии, Новой Зеландии и ряде других стран из изношенных покрышек с целью повышения биопродуктивности моря созданы сотни искусственных нерестилищ. Существенным достоинством таких нерестилищ является то, что не загрязняется морская вода и они очень долговечны. По некоторым данным, долговечность покрышек в морской воде составляет 150 — 200 лет. Поэтому из изношенных шин создают также волнорезы и волноломы. Однако им присущ ряд существенных недостатков: они не работоспособны при сильных волнениях, трудны для ухода за ними.

Для защиты склонов от эрозии их покрывают покрышками, засыпают землей и засевают травой. Фирма «Органикон» (Германия) разработала конструкцию звукоизолирующих ограждений вдоль автострад. У изношенных шин удаляют одну боковину, после чего их соединяют и заполняют землей. В результате образуется наклонный спуск. Такая конструкция отражает, а не поглощает звуковые волны в особенно опасном нижнем диапазоне частот. Расход шин при этом составляет 5000 на 100 м. погонной длины ограждения. Изношенные шины используются при строительстве дорог с мягким торфяным грунтом.

Из изношенных шин можно строить мосты через малые реки, ручьи, овраги, прокладывать водопропускные трубы под авто- и железнодорожными насыпями, создавать фильтрующие насыпи. Эти сооружения долговечны, затраты на их возведение значительно меньше аналогичных железобетонных сооружений. Потребность в целых изношенных шинах, используемых в различных инженерных сооружениях, в отдельных странах может колебаться от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч тонн в год в зависимости от величины страны и степени развитости се экономики.

Высокотемпературная деструкция изношенных шин. Работы по высокотемпературной деструкции изношенных шин в тяжелых минеральных маслах велись в РФ и за рубежом.

В процессе такой обработки получается суспензия растворенной резины, углеводородный конденсат, газ и металл. В зависимости от условий получения такая суспензия может быть использована для производства гидроизоляционных материалов, мастик, в качестве сырья для нефтехимии, котельного и печного топлива и битума. Так, Французский институт нефти и фирма «Мишлен» разработали технологию и аппаратное оформление процесса термической деструкции шин в тяжелых маслах при температурах до 580 °С. По данным румынского патента [16], покрышки набухают в течении 24-36 ч при 180 — 220°С в смеси из ароматических, парафиновых и нафтеновых углеводородов. Затем материал продавливается поддавлением 20 — 60 МПа через отверстие диаметром 2 мм. Полученная паста применяется для изготовления протекторных лент покрышек (40-60 масс-ч. пасты на 100-150 ч. Протекторной смеси). Запатентован способ переработки предварительно нагретой шины в жидкой или газовой фазе при температуре 180 — 320 °С с последующим механическим отделением жидкой фазы от остатков металла и текстиля. Полученный высоковязкий продукт используется аналогично битуму. Существенным недостатком таких процессов является их большая взрывоопасность. Кроме того, отсутствие экономического и экологического обоснования мешает оценить перспективы метода.

Пиролиз. В ряде стран (США, Япония. Германия, Швейцария и др.) длительное время эксплуатируются опытно-промышленные установки по пиролизу резины мощностью 7 – 15 тыс.т. Пиролизу могут быть подвергнуты целые шины, куски шин, резиновая крошка. Процесс осуществляется в среде с недостатком кислорода, в вакууме, в атмосфере водорода, в присутствии катализаторов или без них, в эвтектической смеси хлористого лития и хлористого натрия, в реакторах периодического и непрерывного действия, в псевдоожиженном слое при температурах 400 — 1000 °С, преимущественно 700 - 800 °С. Большая часть установок работала в периодическом режиме, а получаемые продукты требовали дополнительной очистки перед использованием, т.к. не обладали достаточной химической чистотой. При этом затраты не покрывали стоимость готовых продуктов, существовала проблема сбыта полученных материалов, высокие температуры требовали дополнительных экологических мероприятий, т.к. не обеспечивалась достаточная защита окружающей среды. В последние годы был найден ряд технических решений, повысивших эффективность пиролиза изношенных шин. Фирма «Энерж Рисерт Интернейшионал» на усовершенствованной установке может перерабатывать 1000000 покрышек ежегодно, получая дизельное масло, высококачественный технический углерод и стальную проволоку. Фирма «Америкн Тайр Реклемейшин» (США) запатентовала способ пиролиза изношенных шин, особенность которого заключается в улучшении качества получаемого технического углерода за счет очистки его от примесей. В Японии на фирме «Хебен Рисайклер» действует завод по переработке шин периодическим методом, в фирмах «Кобе Стил» и «Онахама смэлтинг энд рифайнинг» - непрерывным методом (загрузка 1т/ч и 4 т/ч соответственно). В Канаде построен завод по пиролизу вакуумом мощностью 10000 т. в год. В этих условиях увеличивается выход масла. В Англии введен в эксплуатацию завод по переработке 50000 шин в год в виде кусков размером 20 мм методом пиролиза при 550°С в бескислородной среде.

В РФ также проводились работы по пиролизу шин. В результате работ, начатых в 70-е годы, был разработан среднетемпературный (350-550 °С) процесс пиролиза с получением двух основных продуктов смоляного пластификатора ФПР-240 и угля-заменителя древесных углей. В 90-ег. в ОАО «Татнефть» был разработан экологически чистый процесс пиролиза. Из анализа работ по пиролизу, выполненных в РФ и за рубежом, в настоящее время нельзя сделать однозначного вывода о широкомасштабном применении данного метода для переработки изношенных шин. В последнее время исследователи уделяют большое внимание процессу гидрогенезации изношенных шин с целью получения углеводородов, которые могут быть использованы в качестве сырья нефтеперегонными заводами. Основным преимуществом такого процесса является возможностью реализации на существующем оборудовании нефтеперегонных заводов.

Использование изношенных шин в качестве топлива в цементной промышленности и для получения энергии или тепла. Оба эти способа являются наименее эффективными и перспективными с экономической и экологической точки зрения способами переработки изношенных шин, поскольку при этом теряется ценное полимерное сырье, а образующиеся при сжигании газы и тяжелые металлы являются ядовитыми и загрязняют окружающую среду, что требует создания дорогих и технически сложных очистных сооружений. ли для изготовления легковой шины требуется около 35 л нефти, то се сжигание эквивалентно способности 6-8 л. По теплотворной способности шины занимают промежуточное положение между каменным углем и нефтью. Сжигание шин в цементных печах эффективно только при создании простых и недорогих загрузочных устройств. Несмотря на то, что степень загрязнения окружающей среды при сжигании шин в цементных печах снижается за счет высокого содержания кислорода в печи, в выбросах в атмосферу содержится больше токсичных веществ, чем при сжигании.

Несмотря на указанные недостатки, сжигание шин с целью получения тепла и энергии достаточно широко распространено за рубежом. В большинстве промышленно развитых стран считается перспективным применение изношенных шин в цементной промышленности.

Аналогичные работы велись также и в РФ. В 1983 г. была исследована возможность сжигания целых шин при производстве цемента во вращающихся печах сухим и мокрым способом и разработан проект соответствующей опытно-промышленной установки для Липецкого цементного завода. Промышленное внедрение не реализовано, поскольку цена топлива из изношенных шин была выше традиционных видов топлива, применяемых в цементной промышленности. В 1986 г. на Чеховском регенератном заводе была пущена в эксплуатацию установка конструкции Коммунарского горно-металлургического института для сжигания резиновых отходов, снабженная топочным устройством с цепной решеткой и колосниками из жаропрочной стали [41]. Тепло используется в котле-утилизаторе для выработки 5-7 т/ч пара давлением 1,4 МПа, а также нагрева воздуха, идущего на горение. Выброс твердых веществ за счет установки батарейного циклона снизился с 400 мг/м* до 60 мг/ м.

Применение шин в качестве топлива представляет собой конъюнктурный, временный этап, поскольку материалы, использующиеся в изношенных шинах, должны использоваться более эффективно, чем простая деградация ценного полимерного сырья.

Производство регенерата. В мире длительное время источником значительной экономии каучука в шинной промышленности, промышленности РТИ и резиновой обуви служило производство регенерата, производимого главным образом из изношенных шин. Однако за рубежом и в странах СНГ в последнее время происходит резкое сокращение производства регенерата и уровня его использования для замены каучука. Столь существенное изменение ситуации в области производства и применения регенерата обусловлено целым рядом причин:

Следует отметить, что технология производства регенерата экологически небезопасна. Использованные при выпуске регенерата активаторы являются токсичными, применяемые ароматические масла — канцерогенными. Наиболее распространенный в промышленности термомеханический метод производства регенерата проходит при высокой, во многом неконтролируемой температуре, что приводит к вредным выбросам соединений серы в окружающую среду.

В будущем можно ожидать, что регенерат будет находить применение при изготовлении малоответственных изделий, в производстве гидроизоляционных материалов, в качестве связующего в изделиях строительного и технического назначения.

Получение резиновой крошки. В последнее время все большее количество изношенных шин перерабатывается в резиновую крошку. Это связано с тем, что процесс ее получения менее энергоемок, чем производство регенерата. Кроме того, использование крошки не только в качестве добавки в резиновые смеси, но и как основы для выпуска ряда изделий строительного и технического назначения позволяет реализовать ценные свойства полимерных материалов. Такое использование отходов резин, во многом сохранивших ценные технические свойства, позволяет уменьшить загрязнение окружающей среды. Технология получения крошки по сравнению с вышеописанными методами переработки шин экологически безопасна и поэтому более привлекательна. Основные экологические проблемы получения крошки связаны с невозможностью полного улавливания тонкоизмельченных отходов текстильного корда, что приводит к образованию пыли. Резиновая крошка получается либо при положительных температурах, либо криогенным способом с использованием в качестве хладоагента жидкого азота. В зависимости от условий получения резиновая крошка отличается как размером, так и состоянием поверхности (развитая, рваная или гладкая), что во многом определяет се свойства и возможные области применения. Таким образом, использование разнообразных методов переработки изношенных шин дает возможность использовать ценные полимерные материалы. При выборе метода переработки следует ориентироваться не только на его технические и экономические стороны, но и учитывать его экологическую безопасность.

В данной главе рассмотрен опыт по переработке шин в топливо американской компании «Texaco». По данным компании, американцы выбрасывают около 240 миллионов шин ежегодно, примерно по одной на человека, большая часть из которых оказывается на свалках. Компания также утилизирует 1,3 миллиона галлонов отработанного масла, около 5 галлонов на человека, из которых 30 процентов сбрасываются на свалки, на землю или в канализацию. Это не только наносит вред окружающей среде, но и представляет собой огромную трату ресурсов.

Например, типичная шина содержит столько же британских тепловых единиц (БТЕ) энергии, сколько два с половиной галлона бензина. Чтобы использовать эти ресурсы, утильные шины и отработанное масло превращаются в источники энергии в процессе сжижения шин.

В процессе сжижения шин на заводах компании «Texaco», измельченные куски шин помещают в реактор сжижения для растворения в горячем масле. Поскольку температура относительно низкая, менее 700 градусов по Фаренгейту, этот метод действует как процесс мягкого растрескивания, а не пиролиз, еще один метод переработки шин. Производятся два жидких продукта: легкое конденсатное масло и тяжелое мазутоподобное шинное масло. Легкие конденсатные масла могут быть переработаны в бензин, дизельное топливо, отопительное топливо или другие химические вещества.

Небольшое количество газа, образующегося в процессе, используется в технологических нагревателях реактора. Ремень из стали и стекловолокна фильтруется от масла в шинах через фильтр. После удаления масляного покрытия в высокотемпературной варочной установке сталь отправляется на переработку металлов. Технический углерод можно смешивать с шинным маслом и использовать в качестве топлива или материала при производстве асфальта.

В зависимости от рынка шинное масло может использоваться для нескольких продуктов. Его можно перегонять для производства судового или печного топлива и базовых смазочных масел так же, как отработанные масла сейчас перерабатываются. Остальные компоненты можно использовать для асфальта или, если другие варианты неэкономичны, большую часть шинного масла можно превратить непосредственно в асфальт. Масло для шин можно также очищать, как сырую нефть. Но есть вопрос о металлах в шинном масле, которые потенциально могут повредить нефтеперерабатывающее оборудование.

Другой вариант - подавать суспензию шинного масла в процесс газификации. Компания разработала технологию газификации в 1950-х годах для производства химикатов и удобрений. С тех пор приложения расширились, и компания имеет 40 используемых газификаторов в дополнение к 100 проданным лицензиям.

Газификатор представляет собой цилиндрический сосуд, облицованный огнеупорными материалами для изоляции стальной оболочки от температур газификации в 2500 градусов по Фаренгейту. Разнообразное сырье, включая уголь, промышленные отходы, шлам резервуаров нефтепереработки, пластмассы, загрязненную почву, опасные отходы, оримульсию (отложения смол Оринокот) и гудроновые масла, подают в газогенератор в виде суспензии. В газогенератор также подается кислород. Газификатор производит синтез-газ (синтез-газ), который в основном состоит из водорода и монооксида углерода с небольшими количествами диоксида углерода и метана. Синтез-газ, очень чистый газ, по своим экологическим качествам похож на природный газ, из которого были извлечены все твердые частицы. Во время газификации сера извлекается как побочный продукт, и вся органика разрушается при высоких температурах газификации. Металлы задерживаются в шлаке, извлеченном из синтез-газа после газификации.

Синтез-газ можно использовать в качестве заменителя природного газа в парогазовых системах выработки электроэнергии. Система включает в себя как газовую турбину, похожую на реактивный двигатель, так и паровую турбину, которые связаны с отдельными электрогенераторами. Синтез-газ сначала сжигается в газовой турбине, затем горячие выхлопные газы кипятят воду с образованием пара для привода турбины.

Приблизительно за 2 миллиона долларов системы сжижения шин могут быть построены в виде модульных единиц по 2000 шин в день, занимающих менее акра пространства. В то время как минимальный коммерчески жизнеспособный размер составляет 2 000 шин в день, расширение может происходить за счет увеличения на 2 000 шин до максимум 10 000 шин с дополнительными инвестиционными затратами от 50 до 60 процентов. В цехе из 2000 шин будет работать 10 человек, а одна автоцистерна сможет вывозить ежедневно производимое шинное масло.

Компания по переработке шин заявляет, что маловероятно, что производительность только установки сжижения шин могла бы экономически оправдать установку газификации. Для экономической целесообразности в газогенератор необходимо подавать другие материалы, такие как отходы, нефть и уголь.

При термообработке целых и измельченных шин наиболее высокий выход масел наблюдается при 500оС, при 900оС отмечается наибольший выход газа. При этом выход продуктов определяется только температурой, а не размерами кусков шин. Из тонны резиновых отходов можно получить пиролизом 450-600 литров пиролизного масла и 250- 320 кг пиролизной сажи, 55 кг металла, 10.2 м3 пиролизного газа.

В США в настоящее время фирмой "Firestone Tyres" проведены успешные опыты по трансформированию резины в метанол с получением пылевидной сажи, соответствующей стандарту для резинотехнического производства. Первая установка имеет производительность по метанолу 300 т/сутки. Установка рассчитана на переработку шин легковых автомобилей диаметром 50 см. Основным процессом деструкции резины для дальнейшего трансформирования продуктов разложения в метанол является пиролиз в окислительной камере при температуре 1000 °С. Для переработки шин необходимо их разрезать на части с отделением борта, который используется как побочный товарный продукт.

Не смотря на заманчивость данного метода, системы пиролиза, популярные в 70-е годы, оказались неудобными в эксплуатации в течение сколько-нибудь длительного времени. В настоящее время это направление считается не оправдавшим возлагавшихся на него ожиданий. Большая часть таких установок работала в периодическом режиме.

Получаемые продукты требовали дополнительной очистки перед употреблением, а затраты не покрывались стоимостью получаемых материалов. Специалисты считают, что проблема пиролиза старых шин практически исчерпана из-за высоких затрат и низкого качества получаемых продуктов.

Из проведенного обзора следует, что при всем многообразии предложенных технологических и технических решений проблему утилизации изношенных автомобильных шин нельзя считать решенной, так как большинство из них по-прежнему попросту выбрасываются, загрязняя территории, а объем их ежегодно возрастает.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе рассмотрения заданной темы, автором изучены различные работы по переработке автомобильных шин в топливо от документации малых российских предприятий, до информационных порталов крупных западных компаний и научных исследовательских работ. Рассмотрены также вопросы экономики и экологии.

Объект исследования – предприятия полного цикла переработки авто – мото шин.

Предмет исследования – топливо, получаемое из переработанных шин, его экономическая целесообразность и применимость в рыночных условиях.

Автором, поставленная цель работы считается выполненной, так как в процессе исследования темы, проанализированы и описаны современные работы исследователей и практиков данной темы.

Основные источники информации для анализа – информационные порталы западных компаний по мусоропереработке, англоязычные научные статьи, а также теоретический опыт отечественных научных сотрудников и преподавателей высших учебных заведений в виде статей и научных работ.

Не смотря на проблему в исследовании рассматриваемого вопроса – дефицит качественного, безопасного оборудования в российской индустрии по переработке шин в топливо, детально рассмотрен опыт не только западных стран со своей организационной спецификой, отработанной годами эффективной практики, но и найдены российские методики, позволяющие расширить данную индустрию в России и создать преобразование шин в топливо массовым производством, а не единичными частными предприятиями.

Список использованной литературы: