Термическая утилизация шин: оборудование и технологии

Естественное разложение шин в природной среде занимает более 100 лет, все это время из использованной резины вымываются опасные и токсичные вещества, такие как фенантрен, дифениламин и многие другие. Все они остаются в плодородном слое почвы, попадая в растения, а затем вымываются грунтовыми водами и дождевыми осадками, попадая в питьевую воду и сельскохозяйственные культуры.

При этом, полученный в процессе утилизации технический материал можно использовать для производства повторно, что может быть экономически выгодно, а также оказывает значительно меньшее отрицательное воздействие на окружающую среду.

Согласно статистическим данным, только около 30% выведенных из эксплуатации автомобильных покрышек подвергается восстановлению или используется после переработки в виде различных ресурсов.

Приоритетными способами утилизации подобных отходов должны стать те, которые обеспечивают:

• высокую экологическую безопасность;
• утилизацию отходов непосредственно в месте их скопления;
• низкую энергоемкость процесса утилизации;
• безотходный технологический процесс;
• получение на выходе продуктов, имеющих производственную ценность.

В Российской Федерации обращение с отходами, в том числе в области бывших в употреблении шин, регулируется рядом нормативно-правовых документов. В соответствии с Федеральным законом № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» деятельность по сбору, транспортированию, обработке, утилизации, обезвреживанию и размещению отходов I-IV классов опасности лицензируется.

Технологии утилизации изношенных шин термическим методом

Сжигание (высокотемпературный окислительный метод)

Целеполагание сжигания отходов заключается в:

• обезвреживании отходов, направленном на уменьшение их массы, изменение состава, физических и химических свойств в целях снижения негативного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую среду;
• утилизации отходов, направленной на получение энергии, выделяемой при горении отходов или их компонентов.

Однако, продукты горения, образующиеся при утилизации автомобильных покрышек методом сжигания несут угрозу для окружающей среды, поскольку они являются веществами высоких классов опасности: бензапирен (C₂₀H₁₂), бифенил (C₁₂H₁₀), свинец (Pb), полициклические ароматические углеводы (ПАУ), бутадиен (C₄H₆), стирол (C₈H₈), диоксин, фуран (C₄H₄O), антрацен (С₁₄Н₁₀), флуорантен (C₁₆H₁₀), пирен (C₁₆H₁₀) и другие. Большинство из них являются сильнейшими канцерогенами, наносящими непоправимый вред организму человека. Каждая тонна резины производит почти 300 кг вредной сажи и около 400 кг других токсичных элементов. Кроме того, для качественной утилизации путем сжигания необходимо соблюдать высокую температуру (примерно 1300 ^оС) для глубокой переработки и нейтрализации компонентов.

Пиролиз

Пиролиз представляет собой  процесс термического разложения отходов, содержащих органические вещества, под действием повышенной температуры без доступа или с ограниченным доступом кислорода с выделением твердого углеродсодержащего остатка, горючего пиролизного газа (пирогаза), жидких органических продуктов.

Термическое разложение под вакуумом позволяет получить несколько продуктов, которые можно использовать в дальнейшем производстве.

Недостаток пиролиза заключается в том, что полученные продукты нуждаются в дополнительной переработке для возможности использования. Однако, на сегодняшний день, это один из самых выгодных и перспективных способов обработки автомобильных покрышек для дальнейшего использования. Процесс пиролиза требует значительных энергетических затрат, однако, если использовать в качестве источника тепла не природный газ, соляровое масло или мазут, а горючие отходы разных видов, это позволит сделать его более эффективным и привлекательным.

Технологически процесс может осуществляться в псевдосжиженном слое, который создается кварцевым песком, шарами из окиси алюминия, керамики, пиролизной сажей. Как и при крекинге нефти, при разрушении сетки вулканизованного каучука выделяются низкомолекулярные вещества, которые могут применяться в качестве химического сырья или использоваться как топливо. Деполимеризация вулканизатов при пиролизе наступает в результате разрыва поперечных связей и основных цепей сетки. При этом резина не переходит в жидкоподвижное состояние, а постепенно теряет часть своего материала в виде парообразных и газообразных продуктов и одновременно теряет эластичность.

В процессе пиролиза резиносодержащих изделий получают разнообразные газообразные и твердые продукты, соотношение между которыми зависит от условий проведения процесса. Газообразная фаза обычно состоит из смеси водорода, метана, окиси и двуокиси углерода и низкомолекулярных предельных углеводородов.

Выход жидких продуктов зависит от условий нагревания. В жидкой фазе находятся преимущественно изопрен (C₅H₈), стирол (C₈H₈), дипентен, трипентен, бутадиен (C₄H₆) и много других, чаще ненасыщенных соединений, а также нефтяные масла.

Твердый остаток становится хрупким, легко разрушается под воздействием статических и ударных механических нагрузок, причем металлический корд легко отделяется от основной массы углеродного материала.

Газификация

Процесс газификации, позволяющий получить в итоге синтез-газ, представляет собой преобразование органической части продукта в горючий газ при нагреве до высокой температуры с использованием окислителя (например, воздух).

Как правило, газификация включает в себя пиролиз как стадию, поэтому весь способ состоит из двух стадий: пиролиз при высокой температуре и далее дожигание полученных газов. При этом получают тепловую и электрическую энергию.

Метод газификации по сравнению с методом сжигания имеет следующие преимущества:

• получаемые горючие газы могут использоваться в качестве энергетического и технологического топлива, в отличие от метода сжигания, при котором практически возможно только энергетическое использование теплоты отходов;
• смола, полученная методом газификации, может применяться как жидкое топливо и как химическое сырье;
• уменьшение выбросов золы и сернистых соединений в атмосферу.

Плазмотермический метод

Одним из современных методов организации высокотемпературной газификации является использование низкотемпературной плазмы (2500 – 10 000 К) вместо холодного окислителя.

Основные преимущества данного метода заключается в следующем:

• высокие температуры процесса (как следствие, ускоренные химические реакции);
• расширенные возможности управления процессом;
• увеличение удельного выхода химической энергии;
• сниженные концентрации негорючих веществ в синтез-газе.

Однако, сложность плазмотермического метода заключается в особых требованиях к емкости – футеровке в области горения плазмы, которая должна выдерживать высокую температуру.

Перспективные технологии

СВЧ-Пиролиз

Одним из инновационных и передовых методов переработки шин является метод СВЧ-пиролиза. При воздействии микроволнового поля на обрабатываемый материал распределение энергии происходит одновременно по всему объему, поэтому нагрев материала происходит значительно быстрее, чем при обычном пиролизе (который происходит при конвекционном нагреве).

Вследствие того, что сам механизм нагрева материала в поле СВЧ принципиально отличается от обычного нагрева, значительно отличается и состав газообразных и жидких продуктов. Так как нагрев происходит одновременно по всему объему, то данная технология позволяет сократить время и увеличить глубину переработки в сравнении с традиционным пиролизом.

При правильном подборе параметров СВЧ-установки микроволновый пиролиз позволяет при минимальных затратах энергии и времени, практически безотходно перерабатывать любые резинотехнические изделия. Также, этот способ пиролиза более экологичен, в сравнении с традиционными термическими способами переработки, где нагрев резины осуществляется сжиганием частью образующихся в ходе пиролиза газов и других горючих материалов.

Однако, несмотря на данные плюсы у этой технологии есть существенные особенности, которые ограничивают ее применение:

• во-первых, в процессе СВЧ-пиролиза шин образуются углеводороды, которые заново легко полимеризуются в высокомолекулярные смолистые соединения. При подборе оптимальных режимов можно добиться продукта с минимальным содержанием высокомолекулярных углеводородов и серасодержаших соединений, но практика показывает, что для этого потребуются дополнительные добавки в виде гидроксида калия (КОН);
• во-вторых, метод СВЧ-пиролиза на практике применялся только в лабораторных условиях. Внедрение данной технологии в промышленных масштабах ограничивается тем, что излучатель сверхвысоких частот требует существенных капитальных вложений, в сравнении с классической печью для пиролиза. В России данные испытания проводились на экспериментальной лабораторной СВЧ-установке. Высокие затраты означают увеличенную себестоимость продукции. Также сама технология требует углубленных знаний на стыке физики и химии, что делает затруднительным подбор компетентных кадров.

Технологию СВЧ-пиролиза возможно применять для получения химических продуктов пиролиза, однако для того, чтобы внедрить данную технологию в промышленных масштабах необходимо снизить стоимость готовых продуктов и проводить дополнительные исследования.