Технологии процесса переработки и восстановления изношенных автомобильных шин

Технологии  процесса переработки и восстановления изношенных автомобильных шин 

Динамичный рост парка автомобилей во всех развитых странах приводит к постоянному  накоплению изношенных автомобильных  шин. По данным Европейской Ассоциации по вторичной переработке шин (ЕТРА) в 2000 году общий вес изношенных, но не переработанных шин достиг:

• в Европе-2,5 млн тонн;
• в США-2,8 млн тонн;
• в Японии-1,0 млн тонн;
• в России-1,0 млн тонн.

В Москве ежегодно образуется более 70 тыс. тонн изношенных шин, в Петербурге и Ленинградской  области - более 50 тыс. тонн...

Объем их переработки  методом измельчения не превышает 10%. Большая часть собираемых шин (20%) используется как топливо. Вышедшие из эксплуатации изношенные шины являются источником длительного загрязнения  окружающей среды:

• шины не подвергаются биологическому разложению;
• шины огнеопасны и, в случае возгорания, погасить их достаточно сложно;
• при складировании они являются идеальным местом размножения грызунов, кровососущих насекомых и служат источником инфекционных заболеваний.

Вместе с тем, амортизированные автомобильные шины содержат в себе ценное сырье: каучук, металл, текстильный корд.

Проблема переработки  изношенных автомобильных шин и  вышедших из эксплуатации резинотехнических  изделий имеет большое экологическое  и экономическое значение для  всех развитых стран мира. Невосполнимость  природного нефтяного сырья диктует  необходимость использования вторичных  ресурсов с максимальной эффективностью, т.е. в место гор мусора мы могли бы получить новую для нашего региона отрасль промышленности - коммерческую переработку отходов.

Не менее перспективным  методом борьбы с накоплением  изношенных шин является продление  срока их службы,путем восстановления.

В настоящее  время, все известные методы переработки  шин можно разделить на две  группы:

1. Физический метод  переработки шин 

2. Химический метод  переработки шин 

Рассмотрим их более подробно.

Физические  методы переработки  резиновых отходов 

В настоящее  время все большее значение приобретает  направление использования отходов  в виде дисперсных материалов. Наиболее полно первоначальная структура  и свойства каучука и других полимеров, содержащихся в отходах, сохраняются  при механическом измельчении.

Установление  взаимосвязи между размерами  частиц материала, их физико-химическими  и механическими характеристиками и затратами энергии на измельчение  и параметрами измельчающего  оборудования необходимо для расчета  измельчителей и определения оптимальных условий их эксплуатации.

Процесс измельчения, несмотря на кажущуюся простоту, очень  сложный не только по определению  характера, величины и направления  нагрузок, но и по трудности количественного  учета результатов разрушения.

Ниже представлена классификация имеющихся в настоящее  время способов измельчения вторичных  резин.

Согласно данной классификации рассмотрим следующие  технологии:

1. Низкотемпературная технология утилизации шин

Разработчик и поставщик оборудования ЗАО "ALMAS ENGINEERING"(Москва)

При низкотемпературной обработке изношенных шин дробление  производится при температурах -60 град.С ... -90 град. С, когда резина находится в псевдохрупком состоянии. Результаты экспериментов показали, что дробление при низких температурах значительно уменьшает энергозатраты на дробление, улучшает отделение металла и текстиля от резины, повышает выход резины. Во всех известных установках для охлаждения резины используется жидкий азот. Но сложность его доставки, хранения, высокая стоимость и высокие энергозатраты на его производство являются основными причинами, сдерживающими в настоящее время внедрение низкотемпературной технологии. Для получения температур в диапазоне -80 град.С ... -120 град.С более эффективными являются турбохолодильные машины. В этом диапазоне температур применение турбохолодильных машин позволяет снизить себестоимость получения холода в 3-4 раза, а удельные энергозатраты в 2-3 раза по сравнению с применением жидкого азота. Технология не внедрена. Производительность линии 6000 т/год.

Описание технологической линии переработки шин

Схема линии представлена в приложении 1.

Изношенные автомобильные  шины подаются в машину для удаления бортовых колец. После этого шины поступают в шинорез и далее в ножевую роторную дробилку. Затем следует магнитный сепаратор и аэросепаратор. Для охлаждения порезанные и предварительно очищенные куски резины подаются в холодильную камеру, где охлаждаются до температуры -50 град.С...-90 град.С. Холодный воздух для охлаждения резины подается от генератора холода воздушной турбохолодильной машины. Далее охлажденная резина попадает в роторно-лопаточный измельчитель, откуда она направляется на повторную очистку в магнитный сепаратор и аэросепаратор, где отбирается резиновая крошка менее 1 мм ... 0,5 мм, а также более крупная и затаривается в мешки и отправляется к заказчику.

2. Бародеструкционная технология переработки покрышек

Разработчик и поставщик оборудования: ГНПП "Корд-экс"

Технология основана на явлении "псевдосжижения" резины при высоких давлениях и истечении её через отверстия специальной камеры. Резина и текстильный корд при этом отделяются от металлического корда и бортовых колец, измельчаются и выходят из отверстий в виде первичной резино-тканевой крошки, которая подвергается дальнейшей переработке: доизмельчению и сепарации. Металлокорд извлекается из камеры в виде спрессованного брикета. Производительность линии 6000 т/год. В настоящее время реализованы и успешно работают 2 перерабатывабщих завода: "Астор"(Пермь), ЛПЗ(Лениногорск,Татарстан)

Описание технологической линии

Схема линии представлена в приложении 2. Автопокрышка подаётся под пресс для резки шин, где режется на фрагменты массой не более 20 кг. Далее куски подаются в установку высокого давления.

В установке  высокого давления шина загружается  в рабочую камеру, где происходит экструзия резины в виде кусков размерами 20-80 мм и отделение металлокорда.

После установки  высокого давления резинотканевая крошка и металл подаются в аппарат очистки  брикетов для отделения металлокорда (поступает в контейнер)от резины и текстильного корда, выделение бортовых колец. Далее остальная масса подаётся в магнитный сепаратор , где улавливается основная часть брекерного металлокорда. Оставшаяся масса подаётся в роторную дробилку , где резина измельчается до 10 мм.

Далее вновь  в кордоотделитель, где происходит отделение резины от текстильного корда и разделение резиновой крошки на две фракции:

• менее 3 мм;
• от 3 до 10 мм.

Отделившийся  от резины текстильный корд поступает  в контейнер.

В случае если резиновая  крошка фракцией более 3 мм интересует потребителя как товарная продукция, то она фасуется в бумажные мешки, если нет, то она попадает в экструдер-измельчитель.

После измельчения  вновь в кордоотделитель. Текстильный корд - в контейнер, а резиновая крошка - в вибросито, где происходит дальнейшее её разделение на три фракции:

• I - от 0,3 до 1,0 мм;
• II - от 1,0 до 3,0 мм;
• III - свыше 3,0 мм.

Фракция резиновой  крошки более 3 мм возвращается в экструдер-измельчитель, а резиновая крошка I и II фракции отгружается покупателю.

3. Полностью механическая переработка шин

Генеральный разработчик: ООО "Компьютерное проектирование и конструирование" (Москва).

Поставщик оборудования: ОАО "Тушинский машиностроительный завод" (Москва).

В основу технологии переработки заложено механическое измельчение шин до небольших  кусков с последующим механическим отделением металлического и текстильного корда, основанном на принципе "повышения  хрупкости" резины при высоких  скоростях соударений, и получение  тонкодисперсных резиновых порошков размером до 0,2 мм путем экструзионного измельчения полученной резиновой крошки. Производительность линии 5100 т/год. Оборудование успешно эксплуатируется в ЗАО "Экошина"(Москва).

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ

Технологический процесс включает в себя три этапа:

• предварительная резка шин на куски;
• дробление кусков резины и отделение металлического и текстильного корда;
• получение тонкодисперсного резинового порошка.

Схема линии представлена в приложении 3.  
На первом этапе технологического процесса поступающие со склада шины подаются на участок подготовки шин, где они моются и очищаются от посторонних включений.  
После мойки шины поступают в блок предварительного измельчения - агрегаты трехкаскадной ножевой дробилки, в которых происходит последовательное измельчение шин до кусков резины, размеры которых не превышают 30х50 мм.  
На втором этапе предварительно измельченные куски шин подаются в молотковую дробилку , где происходит их дробление до размеров 10х20 мм. При дроблении кусков обрабатываемая в молотковой дробилке масса разделяется на резину, металлический корд, бортовую проволоку и текстильное волокно.  
Резиновая крошка с выделенным металлом поступает на транспортер, с которого свободный металл удаляется с помощью магнитных сепараторов и поступает в специальные бункеры. После металлические отходы брикетируются.  
На третьем этапе куски резины подаются в экструдер-измельчитель. На этой стадии обработки происходит параллельное отделение остатков текстильного волокна и отделение его с помощью гравитационного сепаратора от резиновой крошки. Очищенный от текстиля резиновый порошок подается во вторую камеру экструдера-измельчителя, в котором происходит окончательное тонкодисперсное измельчение.  
По выходу из экструдера - в вибросито, и где осуществляется рассев порошка на 3 фракции.

1-ая фракция  -0,5…0,8 мм  
2-ая фракция - 0,8…1,6 мм  
3-яя дополнительная фракция - 0,2…0,45 мм (поставка по заказу)

В приложении 4 представлено сравнение вышеназванных технологических линий по затратам электроэнергии и по выходу товарного продукта.

4. Новейшая технология переработки ( утилизации ) шин

Золотая медаль 26-го Международного салона изобретений, прошедшего весной 2000 года в Женеве, присуждена способу озонной переработки  изношенных шин, предложенному группой  российских ученых и инженеров. Суть технологии - в "продувании" озоном автомобильных покрышек, что приводит в полному их рассыпанию в мелкую крошку с отделением от металлического и текстильного корда.

При этом новая  технология значительно экономнее  всех существующих и, кроме того, абсолютно  экологически безвредна - озон окисляет все вредные газообразные выбросы. В России созданы две опытные  озонные установки, их суммарная  производительность - около 4 тыс. тонн резиновой крошки в год.

Возможные направления использования резиновой крошки

• порошковая резина с размерами частиц от 0,2 до 0,45 мм используется в качестве добавки (5…20%) в резиновые смеси для изготовления новых автомобильных покрышек, массивных шин и других резинотехнических изделий. Применение резинового порошка с высокоразвитой удельной поверхностью частиц (2500-3500 см. кв/г), получаемой при его механическом измельчении, повышает стойкость шин к изгибающим воздействиям и удару, увеличивая срок их эксплуатации;
• порошковая резина с размерами частиц до 0,6 мм используется в качестве добавки (до 50…70%) при изготовлении резиновой обуви и других резинотехнических изделий. При этом свойства таких резин (прочность, деформируемость) практически не отличаются от свойств обычной резины, изготовленной из сырых каучуков;  
  порошковую резину с размерами частиц до 1,0 мм можно применять для изготовления композиционных кровельных материалов (рулонной кровли и резинового шифера), подкладок под рельсы, резинобитумных мастик, вулканизованных и не вулканизованных рулонных гидроизоляционных материалов;
• порошковая резина с размерами частиц от 0,5 до 1,0 мм применяется в качестве добавки для модификации нефтяного битума в асфальтобетонных смесях.

Следует привести некоторые результаты исследования ее влияния на эксплуатационные свойства асфальтобетона. При исследовании изучалось  влияние количество вводимой в асфальтобетонную смесь резиновой крошки по количеству и размерам частиц на трещиностойкость асфальтобетона и коэффициент сцепления колеса автомобиля с поверхностью проезжей части дороги.

• Установлено, что применение резиновой крошки в асфальтобетоне в два раза повышает коэффициент сцепления на мокром покрытии. На сухом покрытии существенных изменений нет.
• При использовании резиновой крошки от 0 до 1.0 мм трещиностойкость возрастает на 30 процентов. С уменьшением размера частиц трещиностойкость увеличивается. Особенно эффективно применение частиц крошки от 0.14 мм и меньше. Частицы меньше 0.08 за время перемешивания распадаются, составляющие модифицируют битум, улучшая его свойства.
• При небольших размерах частиц крошка распределяется по массе асфальтобетонной смеси более равномерно повышая упругую деформацию при отрицательных температурах.
• Объем дробленой резины в составе таких усовершенствованных покрытий yдолжен составлять около 2% от массы минерального материала, т.е. 60…70 тонн на 1 км дорожного полотна. При этом срок эксплуатации дорожного полотна увеличивается в 1,5 - 2 раза.

Такие порошки (размерами  частиц от 0,5 до 1,0 мм) используются также в качестве сорбента для сбора сырой нефти и жидких нефтепродуктов с поверхности воды и почвы, для тампонирования нефтяных скважин, гидроизоляции зеленых пластов и т.д.; резиновая крошка с размерами частиц от 2 до 10 мм используется при изготов лении массивных резиновых плит для комплектования трамвайных и железнодорожных переездов, отличающихся длительностью эксплуатации, хорошей атмосферостойкостью, пониженным уровнем шума и современным дизайном; спортивных площадок с удобным и безопасным покрытием; животноводческих помещений и т.д.

Изношенные автомобильные  шины как вторичный энергосурс (химические методы переработки)

Речь идет о  методах, приводящих к глубоким необратимым  изменениям структуры полимеров. Как  правило, эти методы осуществляются при высоких температурах и заключаются  в термическом разложении (деструкции) полимеров в той или иной среде  и получению продуктов различной  молекулярной массы. К этим методам  относятся сжигание, крекинг, пиролиз.

Существуют два  способа сжигания с целью утилизации энергии: прямой и косвенный.

В первом случае шины, грубоизмельченные или целиком, сжигают в избытке кислорода. Иногда грубоизмельченные шины добавляют к другому сжигаемому материалу для повышения его теплотворной способности.

(теплотворная способность резины составляет 32 ГДж/т, что соответствует углю высокого качества).

Так в США  Фирма "Waste Management Inc" сооружает установки по дроблению шин и поставляет резиновую крошку в качестве топлива на целлюлозно-бумажные комбинаты и цементные заводы. Также резиновая крошка как топливный материал используется в виде 10% добавки при сжигании угля.

Этой же фирмой проводится эксперимент по сжиганию резины крупного дробления (до 25 мм) в  циклонных топках энергетических котлов. Доля резины составляет 2-3% от массы  угольного топлива.

Сложность процесса дробления изношенных шин (особенно с металлокордом) стимулировала развитие технологии сжигания шин в цельном виде. В Англии фирма "Avon Rubber" эксплуатирует печи для сжигания шин в цельном виде с 1973 г., т.е. имеет уже почти 20-летний опыт в этой области.

В США, в свою очередь, развивается строительство  электростанций, использующих в качестве топлива только автомобильные шины. Фирма "Oxford Energy" построила и эксплуатирует в г. Модесто электростанцию мощностью 14 МВт для сжигания 50 тыс. т. шин в цельном виде. На основании успешного опыта сжигания шин в США планируется построить 12 таких электростанций.

В Великобритании рассматривается вопрос строительства  электростанций мощностью 20-30 МВт для  сжигания 12 млн. шин в год массой 90 тыс. т.

Из стран СНГ  по такой технологии работают лишь в Казахстане.

Одним из главных  недостатков переработки сжиганием  является тот факт, что при сжигании изношенных шин, как и при сжигании нефти, уничтожаются химически ценные вещества, содержащиеся в материале  изношенных шин.

Во втором случае на сжигание поступает газ, полученный в процессах переработки изношенных шин, например, при пиролизе (основаны на термическом разложении отходов при отсутствии или большом дефиците кислорода с целью сохранения углеводородного сырья).

Энергия горючего газа используется для получения  горячей воды или водяного пара при  помощи теплообменников.

На Международной  выставке-конгрессе "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции “ был представлен  проект ЗАО "Камея“ (Петербург) по созданию эффективной системы сбора и комплексной утилизации покрышек в Петербурге и Ленинградской области. Сутью проекта является оригинальный способ утилизации измельченных автопокрышек совместно с горючим сланцем, который позволяет на газогенераторах, стоящих в городе Сланцы, утилизировать до 100 тыс. тонн старых покрышек и резины в год, при этом получая жидкое и газообразное топливо.

Так при термообработке целых и измельченных шин наиболее высокий выход масел наблюдается  при 500 о С, при 900 о С 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 м 3 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.

Жидкие и газообразные продукты пиролиза можно использовать не только как топливо. Жидкие продукты пиролиза можно использовать в качестве пленкообразующих растворителей, пластификаторов, мягчителей для регенерации резин. Пек пиролизной смолы является хорошим мягчителем, который может использоваться самостоятельно или в смеси с другими компонентами. Тяжелая фракция пиролизата как добавка к битуму, использующемуся в дорожном строительстве, может повысить его эластичность, устойчивость к холоду и влаге.

Из газообразной фракции пиролиза можно выделять ароматические масла, пригодные  для применения в производстве резиновых  смесей. Низкомолекулярные углеводороды могут быть использованы в качестве сырья для органического синтеза  и в качестве топлива.

Восстановление  шин 

Вдумайтесь, само по себе, шинное производство — одно из самых энергоемких — постоянно  наращивает мощности. Уничтожение отработавших шин, пиролизом, описанным выше, еще  более энергоемко, а для сжигание 3-4 тыс. покрышек требуется такое же количество кислорода, какое поглощает небольшой европейский городок за месяц.

И тут наступает  очередь цифр.

1:2 - таково соотношение  продаж новых и восстановленных  покрышек в странах Западной  и Центральной Европы и Скандинавии. 

Как это не покажется  странным, но среди фирм, занимающихся восстановлением покрышек, лидируют шинные заводы.

Так компания Marangoni (Италия) кроме производства покрышек для грузовых и легковых автомобилей и автобусов выпускает оборудование и материалы не только для восстановления покрышек, но и для их безотходной утилизации.

Существует несколько  технологий восстановления изношенного  протектора. Наиболее распространены нарезка и горячая вулканизация специальной гладкой ленты с  одновременным формированием рисунка (этот процесс был хорошо известен у нас в стране как «наварка»).

Однако, самые большие надежды и перспективы связаны на сегодняшний день именно с «холодной» (при температурах до 100С) вулканизацией с применением лент с заранее нанесенным рисунком. В большинстве случаев для этого используется лента, равная размерам основных типов покрышек. Однако та же Marangoni успешно реализует технологию восстановления покрышек с помощью готовых протекторов кольцеобразной формы. Специальный станок растягивает резиновое кольцо и надевает его на подготовленный бреккер.

В конце прошлого года под Минском был запущен  минизавод СП "Белретред", занимающийся восстановлением шин грузовых автомобилей по технологии фирмы " Эллерброк" (Германия). Сущность данной технологии заключается в том, что новый протектор предварительно вулканизируется на предприятии фирмы "Эллерброк", а затем "приклеивается" к предварительно подготовленному каркасу при температуре около +100С. При этом исключается возможность вторичной вулканизации и повреждения каркаса шины за счет ослабления связи между резиной и кордом. Под "приклеиванием" в данном случае подразумевается "автоматическая вулканизация", которая осуществляется при помощи специальных химических веществ, ускоряющих данный процесс.

Предприятие дает на свою продукцию гарантию 1 год.

Процесс восстановления

Процесс начинается с визуального контроля, в результате которого отсеиваются покрышки с  видимыми дефектами. Затем следует  проверка шины под давлением, после  которой колесо поступает на участок, где с него снимаются остатки  старого протектора.

После устранения мелких дефектов, вскрытых после снятия старого протектора, осуществляется процесс подготовки каркаса к  обработке клеем. Затем наносится  клей, в состав которого входят вещества, активизирующие процесс вулканизации, и прокладочная лента, по составу  напоминающая сырую резину. После  всех этих операций на шину накладывается  протектор фирмы "Эллерброк".

Следующий этап - закладка колеса в оболочки, называемые энвелопами. Полученный "бутерброд" подается в автоклав, где при температуре чуть ниже +100С происходит "холодная вулканизация". На финишных же операциях осуществляется проверка покрышки под давлением и придание колесу товарного вида.

В России по технологии холодной вулканизации работают: ООО “Скай”, дилер германской компании Vergolst в Северо-Западном регионе, Чеховский шиновосстановительный завод (ЧШЗ); «Совтрансавто-Брянск», работающий по технологии американской компании Bandag ; завод РТИ (г. Копейск).

Заключение 

Для примера, цена одного нового колеса карьерного самосвала (в зависимости от грузоподъемности) составляет 8000$ - 20000$, а восстановление методом холодной вулканизации обходится  в 2 - 5 раз дешевле. Шины легковых автомобилей, в виду их большего распространения  и при том значительно меньшей стоимости, восстанавливать не всегда выгодно, поэтому целесообразно их утилизовывать для получения гранулята или использывать их как вторичный энергоресурс.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Низкотемпературная технология  
 
 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Бародеструкционная технология

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Полностью механическая переработка

ПРИЛОЖЕНИЕ 4