Утилизация шин: выбираем технологию

Технологии и оборудование по измельчению и вторичному использованию изношенных автомобильных шин.

Решение задач по утилизации изношенных автомобильных шин и обеспечению возможности вторичного использования является актуальным, как с точки зрения экологии окружающей среды, так и с точки зрения весьма существенной экономии материальных ресурсов. В частности, это может быть подтверждено постановлением правительства Украины № 915 «О внедрении  системы сбора, заготовки и утилизации отходов как вторичного сырья». И хотя данную тематику мы уже затрагивали еще в 2004 году в статье «Технология и оборудование по переработке изношенных автомобильных шин» («Шина Плюс» № 2/2004), сейчас пришло самое время вернуться к этому вопросу и посмотреть, что изменилось семь лет спустя.

Стираем шины в порошок

Среди известных технологий по утилизации изношенных автомобильных шин наиболее перспективной является их измельчение и переработка в резиновую крошку или порошок. Данные продукты можно использовать в различных сферах. К примеру, в строительстве резиновая крошка или порошок могут применяться в виде плит, листов, резинобитумных мастик антикоррозионных, звуко-, гидро- и теплоизолирующих материалов. В химической промышленности их можно использовать в качестве исходного сырья и добавок для производства, ремонта и восстановления широкого спектра резиновых, резинотехнических и пластмассовых изделий. В машиностроении, сельском хозяйстве и легкой промышленности переработанные бывшие шины используются в качестве материала для изготовления различных деталей и комплектующих. Во время строительства и ремонта автомобильных и железных дорог шинный порошок и крошка используются в качестве легких химически инертных добавок в асфальтовые и асфальтобетонные покрытия, а также в виде подкладок под рельсы и в виде плит, используемых при строительстве переездов. Еще одна область применения – горнодобывающая, нефтедобывающая и газодобывающая промышленности, где из переработанных шин изготавливают  различные поликомпонентные наполнители, смеси, сорбенты и резинопласты.

К преимуществам утилизации изношенных автомобильных шин путем их измельчения в резиновую крошку или порошок следует отнести и наличие в этом случае побочных коммерческих продуктов. В качестве таких продуктов можно использовать металлический корд или текстиль, удельная составляющая которых может достигать 20-30 % от объемов исходного сырья.

Все известные и используемые в настоящее время технологии по переработке резинотехнических отходов в резиновую крошку и порошки можно условно разделить на две основные группы. В первую группу входят «холодные» технологии, предполагающие переработку старых шин криогенным способом с использованием в качестве хладагентов жидкого азота или холодного воздуха, генерируемого турбодетандерами или турбохолодильными установками. Ко второй группе относятся «тёплые» технологии, когда шины перерабатываются при положительных температурах.

«Холодные» технологии

Криогенные технологии утилизации изношенных автомобильных шин включают в себя следующий набор взаимосвязанных операций: очистка и удаление бортовых колец, первичное измельчение, охлаждение полученных фракций до заданных температур, вторичное криогенное измельчение до требуемых геометрических характеристик получаемых резиновой крошки или порошков, магнитное и аэровоздушное сепарирование, разделение по фракциям, накопление и расфасовку.

Основным преимуществом данной технологи является практически полное восстановление исходных физико-механических свойств получаемого резинового продукта, что, в частности, является немаловажным фактором при использовании резиновой крошки для восстановления изношенных автомобильных шин.

Одновременно криогенные технологии обладают и рядом недостатков. Первый основной недостаток заключается в том, что температура используемого жидкого азота составляет -196°С. Этот показатель значительно ниже температуры стеклования измельчаемой резины, что приводит к повышенным термодинамическим потерям и, как следствие, к повышенным энергетическим затратам. Второй недостаток проявляется в случае использования привозного жидкого азота. Ведь при транспортировке, сливе-наливе и хранении жидкого азота потери могут составлять до 30%. Третий недостаток – расхождение в теоретических показателях с практическими данными. Так, теоретический расход жидкого азота составляет примерно 0,5 кг на 1 килограмм обрабатываемого сырья.  Однако на практике опыт промышленного использования показал, что вследствие наличия различного рода несовершенств и потерь, расход азота значительно выше и, может достигать 0,8 кг/кг. Четвертый недостаток – громоздкость и относительная сложность оборудования, которое используется при криогенных технологиях. Пятый основной недостаток – очевидные тенденции по повышению стоимости жидкого азота и низкая степень мобильности соответствующих производств, что обуславливает высокие транспортные расходы. Все эти недостатки приводят к весьма существенному увеличению удельных капитальных затрат и эксплуатационных расходов при одновременном повышении себестоимости получаемой резиновой крошки.

«Теплые» технологии

Более перспективной представляется переработка изношенных автомобильных шин при положительных температурах. Особенно получаемую резиновую крошку планируется в дальнейшем использовать в качестве добавок в высококачественные износостойкие асфальтовые и асфальтобетонные дорожные покрытия. Предлагаемая в этом случае технологическая линия представлена на рис. 1.

Рис. 1. Состав оборудования технологической линии по измельчению изношенных автомобильных шин и резинотехнических отходов при положительных температурах.

1 – борторез; 2, 4 и 7 – конвейер; 3 – дробилка первичного измельчения; 5 – роторно-ножевая дробилка; 6 – магнитный сепаратор; 8, 10 и 13 – сепараторы; 9 – дробильные вальцы; 11 и 14 – грохот; 12 – размалывающие вальцы; 15 – бункер-накопитель.[A1] 

Работа данной технологической линии основана на принципе многостадийного измельчения изношенных автомобильных шин и резинотехнических отходов при положительных температурах с поэтапным выделением металлического или текстильного корда.

Рассмотрим этапы данного технологического процесса. Сначала подготавливается исходный материал. Если это изношенные автомобильные шины массового типоразмера, то первым делом на специальном станке для вырезки бортов (борторезе) удаляются кольца. Крупногабаритные и сверхкрупногабаритные шины, а также другие резинотехнические отходы сначала разрезаются на части с помощью ленточных пил, а только потом отправляются на технологическую линию.  Затем изношенные шины без колец, порезанные габаритные шины и фрагменты резинотехнических отходов конвейером транспортируется в дробилку первичного измельчения. Далее фрагменты, размеры которых после первичного измельчения не превышают 50-100 мм, подаются следующим конвейером в роторно-ножевую дробилку. Здесь резина не только измельчается, но частично (до 80 %) высвобождается металлический корд. После этого полученные фрагменты размером не более 10-20 мм подаются конвейером в магнитный сепаратор для удаления металлического корда. Затем измельчение шин проходит в две стадии на дробильных и размалывающих вальцах с поэтапным выделением металлического или текстильного корда в магнитных сепараторах и сепараторах для выделения текстиля. Окончательная очистка резиновой крошки от остатков металла происходит в последнем электромагнитном сепараторе. С выхода дробильных вальцов продукты измельчения транспортируются дальше пневматическим транспортом. Для этих целей линия переработки снабжена тремя блоками рукавных фильтров и вентиляторами высокого давления. В последнем грохоте резиновая крошка рассеивается на требуемые фракции и складируется в бункерах-накопителях.

Первичное измельчение отходов

Анализ состава и технологических режимов работы оборудования рассматриваемой линии (рис.1) показал, что основными машинами, реализующими процессы непосредственного измельчения, являются дробилка первичного измельчения, роторно-ножевая дробилка, а также дробильные и размольные вальцы. Именно данное оборудование во многом предопределяет сортамент, объемы производства и себестоимость получаемой резинотехнической крошки.

В качестве первичных измельчителей изношенных автомобильных шин массового типоразмера и относительно крупных резинотехнических фрагментов можно использовать большой шредер ДнВ 2.400, измельчителивалково-дисковые ИРВД 800-600 и ИРВГ 800-660/660. Также можно применять и новые технические решения, основанные на использовании дисковых ножей различной компоновки и конструкции. Один из вариантов – конструкция установки по первичному измельчению резинотехнических отходов, принципиальная схема которой представлена на рисунке 2.

Данная конструкция состоит из силового корпуса, в верхней части которого размещен приемник обрабатываемых фрагментов резинотехнических отходов. Непосредственно в силовом корпусе на опорах качения установлено несколько пар приводных ножевых валов. При этом оси вращения ножевых валов каждой пары размещены на одном горизонтальном уровне. Их приводы обеспечивают возможность вращения ножевых валов одной и той же пары с различными угловыми скоростями, т. е.  и  (рис. 2).

Посредством шпоночных соединений и дистанционных распорных втулок на ножевых валах размещены дисковые ножи, имеющие зубчатую нарезку в виде «волчьего зуба». При этом дисковые ножи верхней пары приводных ножевых валов имеют по сравнению с дисковыми ножами нижней пары большую толщину, а также зубчатую нарезку с большим шагом и большей высотой зуба (рис. 2). Для удаления разрезанных резинотехнических фрагментов из междискового пространства используются скребки, зафиксированные неподвижно по отношению к силовому корпусу. Следует отметить, что использование дисковых ножей с зубчатой нарезкой на периферийных поверхностях и приводом, обеспечивающим возможность их вращения с различными окружными скоростями, обеспечивает одновременно порезку крупногабаритных резиновых отходов в продольном направлении и разрыв в поперечном направлении. Это исключает необходимость возврата продуктов резания и их последующую резку дисковыми ножами той же ступени.

В одном корпусе находится два и более комплекта приводных ножевых валов с дисковыми ножами, имеющими одну вертикальную плоскость резания. При этом конструкция дисковых ножей выполнена таким образом, что каждая последующая ступень имеет меньшую толщину, шаг и высоту зубчатой нарезки. Таким образом, наличие в одном корпусе нескольких комплектов приводных ножевых валов и конструктивное исполнение дисковых ножей позволяет сохранить непрерывность технологического процесса измельчения, исключает промежуточные транспортные операции и способствует расширению сортамента продуктов измельчения.

Благодаря всем этим факторам увеличивается эффективность и производительность процесса измельчения изношенных резинотехнических отходов. Снижение динамических нагрузок и пиковых значений сил резания в этом случае может быть достигнуто за счет соответствующей компоновки дисковых ножей, обеспечивающей эффект «шевронного» реза.

Рис. 2. Принципиальная схема конструкции установки по первичному
измельчению резинотехнических отходов.

1 – силовой корпус; 2 – приемник обрабатываемых фрагментов резинотехнических отходов; 3 и 4 – приводные ножевые валы;  5 – шпоночные соединения; 6 –дистанционные распорные втулки;  7 и 8 – дисковые ножи;  9 – скребки.

Вторичное измельчение отходов

Согласно рассматриваемой технологической схеме (рис. 1), фрагменты резинотехнических отходов после их первичного измельчения подвергаются вторичному измельчению на дробильных и размалывающих вальцах. Общий вид и общепринятая принципиальная кинематическая схема данных вальцов изображена на рисунке 3.

Рис. 3. Конструктивная схема дробильных вальцов для вторичного измельчения фрагментов резинотехнических отходов.

1 – электродвигатель; 2 – тормозной шкив; 3 – коническо-цилиндрический редуктор; 4 – открытая зубчатая передача;  5 – ведомая шестерня; 6 и 7  – ведущий рабочий валок;  8 – ведущая шестерня; 9 – ведомая шестерня;  10 – подшипники качения;  11 – подушки;  12 – узлы станин;  13 – нажимной механизм;  14 – предохранительное устройство; 15 – система внутреннего охлаждения рабочих валков; 16 – транспортабельные инструментальные плиты или железобетонный фундамент.

Привод данных вальцов осуществляется от электродвигателя  с тормозным шкивом через коническо-цилиндрический редуктор и открытую зубчатую передачу, ведомая шестерня которой размещена непосредственно на хвостовике ведущего рабочего валка. Привод вращения следующего ведомого рабочего валка осуществляется посредством высокомодульной зубчатой передачи, ведущая шестерня которой размещена на противоположном хвостовике первого ведущего рабочего валка, а ведомая шестерня – на хвостовике второго ведомого рабочего валка. Шейки обоих рабочих валков посредством подшипников качения зафиксированы в подушках, размещенных в окнах узла станин. При этом для регулирования величины межвалкового зазора использован нажимной механизм  в виде передачи винт-гайка с предохранительным устройством, выполненным в виде плунжерных гидроцилиндров, развивающих силу, несколько превышающую силу вальцевания. Кроме того, вальцы оснащены системой внутреннего охлаждения рабочих валков и могут быть установлены на железобетонном фундаменте или транспортабельных инструментальных плитах.

Аналогичную по составу и по компоновке конструкцию имеют размолочные вальцы и установки для последующего каландрования резинотехнической крошки. При этом их основной отличительной особенностью является использование рабочих валков не с искусственно шероховатой, а с преимущественно гладкой поверхностью. Кроме того, если для процессов вальцевания необходимым является создание принудительной асимметрии в окружных скоростях вращения ведущего и ведомого рабочих валков, то при каландровании данные окружные скорости должны быть примерно эквивалентны.

Два в одном

Все это позволяет на одной и той же установке реализовать и процесс вальцевания, и процесс каландрования. С этой целью зубчатые колеса предлагается сделать сменными, т.е. взаимозаменяемыми. При этом радиус делительной окружности ведущего зубчатого колеса должен быть равен радиусу бочки ведомого рабочего валка, а радиус делительной окружности ведомого зубчатого колеса должен быть равен радиусу ведущего рабочего валка. Помимо изменения кинематики в случае перехода к процессу каландрования, система охлаждения должна быть переведена в систему подогрева рабочих валков при помощи, например, перегретого пара.

Использование данных технических решений, обеспечивающих производство на одной и той же установке полупродукта (резинотехнической крошки) на основе процесса вальцевания и готовой продукции на основе процесса каландрования, позволит существенно снизить удельные капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Одновременно это позволит повысить степень мобильности и расширить сферу возможного применения соответствующего оборудования. Все это является особо актуальным с точки зрения требований среднего и малого бизнеса при условии ограниченных объемов производства.

В целом, как показали результаты технико-коммерческой проработки, производительность рассмотренной технологической линии по измельчению изношенных автомобильных шин (рис. 1) при положительных температурах составит в зависимости от комплектации от 2 до 6 тысяч тонн резиновой крошки в год. Стоимость самого оборудования составит не более 2 млн. долларов, а сроки его поставки и монтажа – до 1 года. При этом, что немаловажно, данное оборудование  практически в полном объеме может быть изготовлено предприятиями машиностроительного комплекса Украины.

А. В. Сатонин, доктор технических наук, профессор,  А. С. Селедцов, инженер, Донбасская государственная машиностроительная академия,

Н. А. Кузнецов, директор ООО «КНИВС»

Журнал: Шина Плюс