Екологічні аспекти утилізації автопокришок

Переважне одержання тих або  інших продуктів визначається можливостями їхній використання і може бути досягнуто відповідним апаратурним оформленням процесу піроліза.

Протягом ряду років у різних країнах ведуться роботи з піролізу гумових відходів. У Японії вже  діють промислові виробництва для  піроліза шин. У Західній Європі працює декілька досвідчених установок. У США фірмами «Гудір» і «Ойл Шелл» створена установка потужністю що перероблює 15 т шин на добу. Піроліз гумових відходів дозволяє організувати безвідходну утилізацію гумових виробів.

Є також  розробка, що передбачає спільну термічну переробку відходів і твердого палива або інших матеріалів, що містять вуглерод. Піроліз зношених шин роблять із метою руйнації сітчастої структури. Здріблені шини подають в обертову піч з зовнішнім обігрівом (рисунок 1.2), де при 500-800 °С вони піддаються термічному розкладанню; час перебування в печі складає 10 20 хвилин. Основними продуктами розкладання є твердий вуглеводний залишок і смола. Газ після лужного промивання в скруберу (для очищення від сірчистих з'єднань) використовується на цій же установці в якості палива для обігріву печі та інших цілей. Якщо змінити умови проведення процесу, можна у широких межах варіювати вихід продуктів піроліза. Так, при 600°С і перебуванні матеріалу в печі протягом 14 хв. утворюється 10% газу, 50% смоли і 40% твердого продукту, а при 800 °С (10 хв.) вихід цих продуктів складає відповідно 30, 39 і 30%.

Американські фірми здійснюють піроліз утильних шин за технологією  термічної переробки пальних  сланців. На рис. 1.3. показана схема установки  для піроліза здрібнених шин у  суміші з твердим теплоносієм, у якості якого використовують керамічні протоки діаметром біля 1,3 см. Шматочки шин надходять у горизонтальну обертову піч, де мішаються з нагрітими протоками і піддаються піролізу при 650 °С. Суміш твердого залишку піроліза і проток розділяється на барабанному гуркоті. Парогазова суміш надходить у колону, що фракціонірує. Піролізний газ використовується для нагрівання проток.[17]

Слід зазначити, що застосування керамічних проток у якості теплоносія дозволяє значно зменшити спікання матеріалу.

Запропоновано застосовувати для піроліза шин  вертикальні шахтні печі. У цьому  випадку матеріал контактує з  безкисневим газовим теплоносієм, що рухається в прямотоку з  твердим матеріалом. У якості теплоносія використовується газ піроліза, причому  для нагрівання до 700°С частину його спалюють. Розкладання шинного матеріалу відбувається при 450- 500°С. Твердий залишок вивантажується з нижньої частини реактора. Відома конструкція вертикальної баштової печі, у нижній частині якої змонтоване пристосування у виді спіралі, що піднімається, для повторної подачі матеріалу з низькою щільністю (тобто недостатньо термічно обробленого) у зоні піролізу.

Встановлено, що оптимальна температура  піроліза, при якій забезпечується максимальний (46- 50%) вихід рідких продуктів, складає 480-520°С. У цих умовах утвориться 32-38% твердого залишку і 18-20% газу. При використанні шматків розміром 20-30 мм спостерігалося схоплювання матеріалу у верхній частині реактора, очевидно, унаслідок конденсації на ньому важких фракцій смоли. Найбільше стабільна робота реактора забезпечується при переробці матеріалу у виді шматків розміром 80-120 мм із насипною щільністю 320-350 кг/м³.

Поряд із розвитком методів піроліза, заснованих на принципі щільного шару, розробляються і поступово удосконалюються засоби й устрої для термічної переробки зношених шин у псевдоожиженом прошарку з теплоносієм.

По методі, що впроваджується в  промисловість японськими компаніями, зношені шини піддаються двохступінчатому роздрібненню, у результаті якого  сталевий корд практично цілком відокремлюється від гуми і потім уловлювається магнітними сепараторами. Шматки шин розміром 20-30 мм подаються шнековим живильником у реактор установки піроліза (рисунок 1.6). Реактор попередньо розігрівають, подаючи в прошарок завантаження нагрітий у спеціальній печі повітря. Потім, коли починається процес розкладання, подачу палива в пекти припиняють, і процес здійснюється за рахунок часткового спалювання гуми (біля 2% при 450°С), причому теплоносієм служить  вуглеводний залишок якій утворюється у процесі піролізу. Для запобігання агломерації часток псевдоожиженого прошарку і місцевих перегрівів запропоновано організувати механічне перемішування прошарку спеціальною мішалкою.[13]

Надлишкова кількість твердого продукту виводиться безпосередньо з прошарку, а також захоплюється з парогазовою сумішью в циклоні. Парогазова суміш  піддається загартуванню, контактує зі  смолою піроліза, що реціркулірує, а далі розділяється в системі охолодження конденсації. При 450°С вихід твердого залишку і смоли складає відповідно біля 34 і 52%. Газ, що містить 80% азоту й усього біля 10% пальних компонентів, спалюється в спеціальній камері.

Випробувано метод піроліза відходів у псевдоожиженому прошарку кварцового піску з зовнішнім обігрівом. На експеріментальній установці потужністю до 30 кг/ч псевдоожиження прошарку здійснюється піролізним газом, а нагрівання-випромінюванням трубок, через які проходять продукти спалювання піролізного газу. При переробці здрібнених шин і різноманітних відходів гуми на нагрівання прошарку застосовується біля 50% одержуваного газу.

 

 

I – гумова крошка з автошин;

II – смоли;

III – газ;

IV – стальний корд;

V – вуглеводний продукт;

1 – прилад для підпитки;

2 – піч;

3 – холодильник;

4 – сепаратор;

5 – скрубер;

6 – прилад для збору смоли;

7 – газгольдер

 

Рисунок 1.2. – Прилад для піролізу автошин

 

 

I – гумова крошка з шин;

II – гарячі шари;

III – шари;

IV – парогазова суміш;

V – газ піролізу;

VI – нафта;

VII – газойль;

VIII – мазут;

IX – повітря;

X – димові гази для промивки та виброси;

XI – стальний корд;

XII – вугдеводний продукт;

1 – бункер;

2 – нагрівач керамічних шарів;

3 – піч;

4 – сепаратор з грохотом;

5 – колона;

6 – під’ємник шарів;

7 – сепаратор для виділення твердого залишку

 

Рисунок 1.3 – Схема приладу для піролізу автошин з твердим теплоносієм

 

 

I – гумова крошка з автошин;

II – повітря;

III – газ піролізу;

IV – смоли;

V – димові гази;

1 – прилад для підпитки;

2 – реактор;

3 – циклон;

4 – закалочний апарат;

5 – сепаратор;

6 – десульфуратор;

7 – камера паління;

8 – прилад для збору смоли;

9 – прилад для збору твердого залишку;

10 – піч

 

Рисунок 1.4 –  Схема приладу для піролізу автошин  у псевдожиженому шарі

 

 

Випробувано можливість переробки  в псевдоожиженом прошарку цілих  шин без попереднього здрібнювання. Схема реактора, розробленого для цього процесу, показана на рисунку 1.4.

Реактор виконаний  із сталі і футерован з середини вогнетривкою цеглиною. У зоні реакції  створюється псевдоожижений прошарок піску або тонкодісперсного піролізного  вугілля, причому для псевдоожиження і нагрівання прошарку використовується описаний вище метод. Сталеві обігрівальні труби розташовані в двох площинах. Під ними знаходиться труба з отворами, через які подається газ для псевдоожиження прошарку. Нижче вихідних отворів знаходиться спокійна зона, із якого можна видаляти тверді продукти піроліза. Шини цілком вкочуються в зону псевдоожиженого прошарку через многокамерні шлюзові системи. Для розвантаження з зони реакції сталевого корда передбачений спеціальний поворотний штахет із програмним керуванням. Процес піролізу однієї шини завершується протягом 5 хвилин. [11]

У Японії експеріментальна переробка цілих шин здійснюється (рисунок 1.5.) в апараті з псевдоожиженим прошарком і механічною мішалкою. Температуру в прошарку вуглеродістого теплоносія (піролізної сажі) регулюють зміною кількостей подаваних у прошарки повітря і пару. Шини по ланцюговому конвеєрі подаються в реакційну зону. Швидкість ланцюга регулюють так, щоб забезпечити достатній час контакту шини з теплоносієм. Сталевий корд, що залишається на крючьях ланцюга, піднімають із реакційної зони. Подача шин на переробку і відділення корда проводиться через сегментні затвори у верхній частині реактора. Існує думка, що високотемпературний піроліз з цілих шин є найбільш ефективним та економічним. У промисловості застосовуються установки для низькотемпературного піролізу подрібнених шин японських фірм: “Japan Gasoline-Co”, “Sanyo-Electric-Co”, “Nippon-Zeon”; американських “Hydrocarbon Research Co”, “American Tyre”, німецької “BabcockKraus Haffey Ind”, англійської “Warren Spring Lab”.

Для високотемпературного піролізу застосовують пілотне устаткування та дослідні реактори німецьких фірм “Fa C.R. Eckelmann” та “Eisen und Metall AG”, японських фірм “Tokyo University”та  американської – “Firestone Tyre Rubber ”. [27]

Поряд з описаними розробляються  й інші методи термічної переробки  зношених шин. [23]

Зокрема, заслуговує на увагу піроліз  у розплавах солей при 650—800°С. При піролізі утворюються газоподібні  вуглеводні. Сажа після розкладання  шини плаває на поверхні розплаву. Сталеві частини корду опускаються на дно. Склад продуктів піроліза в сольових розплавах такий: 35-50% вуглецю, 20% газоподібних вуглеводнів (до С₄). 10% ароматичних вуглеводнів і 20-30% піролізной олії. З підвищенням температури збільшується частка газоподібних продуктів і ароматних вуглеводів.

Запропонований процес, сутність якого  полягає в термообробці гум при  підвищеній температурі у водневій атмосфері. При цьому одержують  рідке паливо з низьким вмістом  сірки, а крім того, газ і твердий вуглеродістий продукт. Запропонований метод деполімерізациії зношених шин нагріванням в ароматичному мягчителі до розчинення вуглецевої частини гуми. Проте всі ці методи ще не вийшли зі стадії лабораторних іспитів.

При термічній переробці відходів у сумішах із твердим паливом або іншими матеріалами, які містять вуглерод, тверде паливо можна добавляти до відходів. Така установка застосовується у Швеції. Процес, по якому піроліз твердих відходів із добавкою кам'яного вугілля здійснюється в газогенераторі. призначений для переробки палива з низькою теплотою спалювання. Газогенератор являє собою агрегат з обертовим колосниковим штахетом, через який подається паро-повітряне суміш. Поверх у газогенератор завантажують з окремих бункерів відходи і вугілля. Спускаючись униз, вони послідовно проходять зони сушіння і піроліза. Частина пальних речовин твердого залишку піддається в нижній зоні відновленню водяним паром з утворенням оксиду вуглецю і водню. Пальні компоненти , що залишилися, згорають із виділенням теплоти, використовуються для проведення процесу, причому температура в зоні горіння досягає 1500⁰С. Шлак, що утвориться, прохолоджується пароповітряної сумішшю, а також за рахунок випару води у водяній сорочці і через водяний затвор видаляється з газогенератора.

Газ виділяється з верхньої і  центральної частин газогенератора. Після охолодження, виділення смоли  і води і відділення від пилюки обидва газових потоки об'єднуються. Смола відокремлюється від води і разом із газом спалюється в  котельної. Вода випаровується в теплообміннику й у виді пара повертається в газогенератор.

З однієї тони твердих відходів одержують 1,5 тис×м³ газу і біля 40 кг смоли з теплотою спалювання відповідно 6,0 МДж/м³ і 33,0 МДж/кг. Шлак вивозять у відвал. Установка, що експлуатується у Швеції з 1976 р., розрахована на переробку суміші, що складає з побутових відходів, гумових відходів і кам'яного вугілля.

У Німеччині [8] запропоновано проводити термічну переробку зношених шин із коксуванням кам'яного вугілля в камерних печах. Проте якість кам'яновугільного коксу як сировини для металургії при змішанні його з твердим продуктом термообробки гуми погіршується. Тому рекомендується переробляти відходи не в складі коксової шихти, а завантажувати їх у практично чистому виді в частину камер із тим, щоб одержуваний у цих камерах продукт не змішувати з коксом, який утворюється в результаті коксування вугілля в інших камерах. У той же час рідкі та газоподібні продукти з усіх камер пропонується відводити у загальну систему охолодження і конденсації і надалі переробляти і використовувати спільно. При такій організації процесу можна одержати достатньо однорідні суміші рідинних продуктів. Але виникають трудності, пов'язані як із необхідністю роздільного завантаження вугілля і відходів, так і роздільного розвантаження твердих продуктів коксування. Таким чином, додавати відходи до твердого палива в процесі його переробки доцільно лише тоді, коли воно не супроводжується ускладненням чинної технології і покращує показники основного процесу.

 

 

 

I – автошини;

II – парогазова суміш;

III – гарячий дим;

IV – газ для псевдожиження;

V – твердий продукт;

1 – шлюз;

2 – корпус;

3 – псевдожижений шар;

4 – поворотна сітка;

5 – шахта для стального корду

 

Рисунок 1.5 – Реактор для піролізу автошин, які не треба різати у крошку

 

 

 

I – пар;

II – повітря;

III – паливо;

IV – парогазова суміш;

V – твердий продукт;

1 – привод ланцюгового конвеєру;

2 – камера для загрузки шин та відгрузки корду;