книги / Переработка отходов производства и потребления

предварительно дробят в валковых дробилках. После предвари­ тельного дробления отходы измельчают в вибрационных мельни­ цах, в загрузочном люке которых вмонтирован сильный магнит для удаления из измельчаемой массы случайно попавших туда ме­ таллических предметов. Измельченный материал классифицируют по крупности на ситах или других'классификаторах, откуда круп­ ная фракция возвращается на доизмельчение, а мелкая поступает в смеситель, где смешивается в заданных пропорциях с первичным пресс-порошком. Из смесителя готовая смесь выгружается в бу­ мажные крафт-мешки и подается на переработку. В состав обору­ дования, используемого для изготовления вторичных фенольных пресс-порошков, входят: вибромельница с бункером, вентилятор, циклон и смеситель.

Вторичные фенольные пресс-порошки не могут быть использо­ ваны для получения тех же изделий, которые изготавливаются из первичных, вследствие снижения физико-механических свойств изделий и ухудшения их внешнего вида.

Особую сложность представляют отходы стеклопластиков, ко­ торые состоят из реактопластов и непрерывного стеклянного на­ полнителя в виде нитей или текстильной основы. Чрезвычайно прочный стеклянный наполнитель для своего разрушения требует значительных затрат энергии. К тому же его частицы обладают высокой абразивностью, что приводит к быстрому износу ударных органов измельчающего оборудования.

Для измельчения отходов стеклопластиков используются дез­ интеграторы специальной конструкции, основным ударным орга­ ном которых являются пальцы двух роторов, вращающихся на­ встречу друг другу с высокой скоростью (более 120 м/с). За время пребывания в камере дезинтегратора, которое составляет всего 0,25 с, материал разрушается с образованием частиц размером не­ сколько микрон, приобретая совершенно новые физико-химические свойства. У частиц такого порошка имеются поверхностные функ­ циональные группы, делающие его активным наполнителем. Кроме того, резко возрастает их удельная поверхность. Размер частиц ор­ ганической части порошка, т.е. самого реактопласта, составляет 3 - 2 0 мкм. Они агрегируются в конгломераты размером до 100 мкм, имеющие сферическую форму. Стеклянные частицы сильно вытянуты, нитеобразны, отношение длины к диаметру та­ кой частицы составляет 1,5 - 2,0.

Стеклопластиковые порошки называют органоминеральным на­ полнителем (ОМН). Помимо роли наполнителя он выполняет так­ же роль модификатора: благодаря наличию функциональных групп на поверхности частиц при нагревании наполнитель участвует в химическом взаимодействии с полимером. За счет этого ускоряется

процесс образования трехмерной структуры, а полученные матери­ алы приобретают высокие физико-механические свойства. Исполь­ зование ОМН в качестве наполнителей в композициях на основе реактопластов снижает время отверждения в 6 - 10 раз, повышает теплостойкость до 200 °С.

Используют ОМН и для изготовления полимерных покрытий, в том числе лакокрасочных. Такие покрытия имеют высокие декора­ тивные свойства, повышенные физико-механические характеристи­ ки и более высокую эксплуатационную долговечность.

Введение ОМН в клеевые композиции на основе эпоксидных смол позволяет повысить прочность при отрыве в 1 , 5 - 2 раза при склеивании титанового сплава и на 10 - 15% при склеивании ста­ ли. Время отверждения клеевой композиции снижается с 24 до 4 ч. Предельное содержание порошка стеклопластика в клее не должно превышать 33%.

Такие отходы можно использовать и в других отраслях про­ мышленности: в металлургии - для осветления проката, в про­ мышленности стройматериалов - для производства изделий из гип­ са, в дорожном строительстве - при изготовлении асфальтобитум­ ных смесей, полимербетона, для устройства гидроизоляции промышленных сооружений. По сравнению с полимербетоном на основе минеральных наполнителей полимербетоны на основе отхо­ дов стеклопластиков имеют повышенную деформативность в хо­ лодное время года, а также ускоренно отверждаются. Полимербетонные смеси могут быть приготовлены в обычных бетономешал­ ках или в специальных смесителях, общий цикл перемешивания не превышает 15 мин. Время твердения смеси при температуре воздуха 18 - 20 °С и влажности воздуха не более 60% составляет 2 - 5 ч. Ниже приведены свойства полимербетона с содержанием 30 массовых частей ОМН на 100 массовых частей композиции:

Для утилизации крупногабаритных изделий из стеклопласти­ ков, а также органо- и углепластиков разработан способ, заключа­ ющийся в медленном нагреве изделия до 600 °С со скоростью 2 - 5 °С в 1 мин без доступа воздуха, в результате чего происходит пиролиз органической части, разрушение композиционного мате-

риала, отделение металлических деталей. Получаемые активные угли могут быть использованы в различных областях (включая производство на их основе сорбентов для медицины).

Технология очистки выделяющихся газов, которые могут со­ держать галогены, оксиды азота и др., состоит из пяти ступеней: каталитического окисления, высокотемпературного сжигания угле­ водородов, восстановления оксидов азота аммиаком, адсорбционной очистки и очистки на волокнистом фильтре.

11.5.Классификация, резиновых отходов

испособов их переработки

Особенности химического строения эластомеров, заключающи­ еся в наличии длинных цепных молекул, которые образуют проч­ ную трехмерную структуру с поперечными связями, а также слож­ ность надмолекулярных структур эластомеров придают им уни­ кальные свойства, делающие их незаменимыми материалами для современного машиностроения и других отраслей промышленности.

В то же время именно эти свойства, в ряде случаев усугубляю­ щиеся сложной конструкцией изделий (например, шин), являются основой значительных трудностей, связанных с утилизацией отра­ ботанных резиноподобных материалов.

Изделия из резины, благодаря уникальным ее свойствам (прежде всего способности к большим обратимым деформациям) применяются во всех отраслях промышленности. Их изготавлива­ ют путем вулканизации резиновых смесей, основой которых явля­ ется каучук. Состав резиновых отходов зависит от ассортимента продукции, который включает резинотехнические изделия, обувь и шины. В зависимости от назначения резиновые изделия изготавли­ ваются на основе различных каучуков, пластификаторов, наполни­ телей и других ингредиентов, а потому смешивание различных ре­ зиновых отходов не всегда целесообразно. Отходы резины образу­ ются как в сфере производства резиновых изделий, так и в сфере их потребления, т.е. при эксплуатации.

Резинотехнические изделия могут содержать в своем составе в качестве арматуры текстильные материалы и металл. Промышлен­ ные отходы образуются на всех стадиях изготовления резиновых изделий. С точки зрения утилизации отходов принципиально важ­ но, образовались ли они до вулканизации или после нее. Все рези­ носодержащие отходы можно классифицировать так, как изобра­ жено на рис. 11.7.

Рис. 11.8. Классификация способов утилизации отходов резин

Химические методы переработки приводят к необратимым хи­ мическим изменениям не только резины, но и веществ, ее состав­ ляющих (каучуков, мягчителей и т.д.). Эти методы осуществляют­ ся при высокой температуре, вследствие чего происходит деструк­ тивное разрушение материала. К химическим методам относятся сжигание и пиролиз.

Несмотря на то что химические методы переработки отходов резины позволяют получить ценные продукты и тепло, такая ути­ лизация недостаточно эффективна, поскольку не позволяет сохра­ нить исходные полимерные материалы.

Физико-химические методы переработки отходов или регенера­ ция, осуществляемая различными способами, позволяют сохранить структуру сырья, использованного в процессе производства резины. При регенерации разрушается пространственная вулканизационная сетка за счет теплового, механического и химического воздействия на резину. Получаемый продукт - регенерат - обладает пластиче­ скими свойствами и используется при изготовлении резиновых смесей с целью замены каучука.

Физические методы переработки резиновых отходов представ­ ляют собой различные способы их измельчения с целью получения резиновой крошки (муки), наиболее полно сохраняющей свойства резины.

Измельчение резиновых отходов может производиться ударным воздействием, истиранием, резанием, сжатием, сжатием со сдви­ гом. При ударном воздействии на резиновые отходы кинетическая энергия ударного инструмента расходуется на деформацию разру­ шения. Эффект воздействия инструмента при ударе зависит от его массы и скорости движения. Ударные измельчители имеют про­ стую конфигурацию и высокую долговечность инструмента.

При истирании резиновые отходы контактируют с абразивным инструментом. На процесс измельчения истиранием влияет отно­ сительная скорость взаимодействия измельчаемого материала и аб­ разивного инструмента. Такие измельчители имеют невысокую производительность и могут использоваться на второй стадии про-

цесса для получения тонкодисперсных порошков из предваритель­ но измельченных другим инструментом отходов.

При резании резиновых отходов их разделение на фрагменты происходит с помощью режущих инструментов (ножей), являю­ щихся концентраторами напряжения. На эффективность резания влияют скорость резания, форма инструмента и свойства отходов.

При сжатии измельчение резин происходит за счет воздействия на них высокого давления. Процесс, как правило, происходит меж­ ду двумя рабочими поверхностями, где материал раздавливается. Этот способ может осуществляться на прессе или на вальцах, вал­ ки которых вращаются навстречу друг другу с одинаковой скоро­ стью.

При сжатии со сдвигом, осуществляемом в экструдере или на вальцах, у которых валки вращаются навстречу друг другу, но с различной скоростью, происходит объемное деформирование мате­ риала, что позволяет при сравнительно небольших затратах энер­ гии получать мелкодисперсный порошок резины. Процесс измель­ чения резины достаточно сложен, поскольку благодаря ее высоким эластическим свойствам энергия, затрачиваемая на разрушение, расходуется в значительной степени на механические потери. Эф­ фективность измельчения резины зависит от температуры и скоро­ сти приложения нагрузки.

Наиболее крупными по габаритам, объему и сложными по со­ ставу отходами резины являются шины. Поэтому в дальнейшем способы переработки резиносодержащих отходов мы рассмотрим на примере изношенных шин.

Производство шин для авто-, мототехники, дорожных и строи­ тельных машин, колесных тракторов постоянно растет, а следова­ тельно, непрерывно увеличиваются и отходы их потребления. Только в г. Москве ежегодно образуется до 60 тыс. т изношенных автопокрышек. При этом накопление изношенных шин происходит по всей территории нашей страны, включая отдаленные и плохо освоенные территории, где их сбор и транспортировка к месту ути­ лизации являются дорогостоящими и практически неосуществимы. Однако основная масса амортизованных автопокрышек образуется в крупных промышленных центрах появляясь ценным BMP, мо­ жет быть эффективно переработана с получением товарной про­ дукции, пользующейся устойчивым спросом.

В связи с этим следует упомянуть об опыте Японии, добившей­ ся утилизации 75% изношенных автопокрышек всеми известными способами.

11.6. Изготовление и применение резиновой крошки

Применение измельченной резины в виде крошки и тонкодис­ персной резиновой муки в качестве эластичных наполнителей - наиболее перспективный метод утилизации резиновых отходов и изношенных шин, поскольку позволяет в максимальной степени сохранить и использовать эластические и прочностные свойства вулканизованной резины. Композиции, содержащие измельченные вулканизаты, представляют собой дисперсию типа ’’полимер в по­ лимере” с четко выраженной границей раздела.

Наибольшее распространение получила технология измельче­ ния шин в высокоэластическом состоянии при умеренных скоро­ стях, несмотря на значительно более высокий расход энергии по сравнению с криогенной технологией.

По этой технологии переработка покрышек ведется в такой по­ следовательности: мойка, вырезка бортов, предварительное дробле­ ние, грубое дробление, мелкое дробление, сепарация и помол.

На стадии предварительного дробления используются борторез­ ка, механические ножницы и шинорез, на последующих стадиях - дробильные и помольные вальцы, сепаратор для извлечения метал­ лических частиц и вибросито.

В настоящее время разработано много различных видов обору­ дования для измельчения резиновых покрышек, которые различа­ ются по характеру и скорости нагружения, конструкции рабочих органов и т.п. Для этих целей применяют абразивные ленты и круги, гильотины, борторезки, дисковые ножи, прессы, вальцы, ро­ торно-ножевые дробилки и другое оборудование.

Традиционно применяемое у нас в стране оборудование для дробления резиновых отходов - вальцы. За рубежом чаще приме­ няют дисковые и роторные измельчители. Однако схема, основан­ ная на применении вальцов, более производительна и менее энер­ гоемка.

Наиболее простая технология измельчения отходов резины, не содержащих металлических элементов, представлена на рис. 11.9. Крупные отходы резины поступают на дробильные вальцы 7, затем на мельницу грубого помола 2. Мелкие отходы (различные резино­ технические изделия) сразу поступают на мельницу грубого помо­ ла 2. Измельченные в мельнице отходы транспортером подаются на магнитный сепаратор 3, а затем двумя потоками - на мельницы тонкого помола 4 и 5, где измельчаются до 0,3 - 5 мм. Необходи­ мость разделения потока после мельницы грубого помола вызвана большей длительностью процесса измельчения резиновых частиц до мелкодисперсного состояния и возвратом отсева после прохож­ дения измельченных отходов через вибросита 6 и 7. Размер ячеек вибросит составляет 1 мм, и все, что не проходит через них, воз­ вращается на доизмельчение в мельницы тонкого помола.

Рис. 11.9. Технологическая схема измельчения резиновых отходов

Производительность такой линии 300 - 350 кг/ч резиновой му­ ки с размером частиц до 1 мм. Более половины частиц имеют раз­ мер менее 0,5 мм.

Характеристики оборудования, используемого для реализации такой технологии, приведены ниже:

Покрышки с металлокордом по описанной технологии измель­ чать нельзя. Для этого используется другое, более мощное обору­ дование, предусматривающее предварительное вырезание из по­ крышки бортовых колец и нарезку покрышек на куски.

Для измельчения покрышек используют более мощные вальцы модели Др-800 710/710 производительностью 3500 кг/ч с мощно­ стью электродвигателя 353 кВт. Габариты таких вальцов 6695x4469x1880 мм, а масса 50,6 т.

В последнее время получило широкое распространение измель­ чение резиносодержащих отходов, и прежде всего изношенных шин, основанное на новейших представлениях о прочности поли­ мерных материалов. В частности, известно, что разрушение поли­ меров в стеклообразном или в высокоэластическом состоянии (но с высокой скоростью) происходит с минимальными затратами энер­ гии.

Криогенное измельчение имеет следующие преимущества по сравнению с измельчением при комнатной температуре, т.е. когда резина находится в эластичном состоянии: меньшие энергозатраты; исключение пожаро- и взрывоопасности; возможность получения мелкодисперсного порошка резины с размером частиц до 0,15 мм; уменьшение загрязнения окружающей среды.

Эффективность криогенного измельчения покрышек является следствием:

ослабления связи между металлокордом и резиной при низкой температуре, что приводит к частичному отделению резины от ме­ талла;

резкого снижения эластичности резины и ее хрупкого разруше­ ния уже при незначительных деформациях.

При криогенном измельчении покрышки охлаждаются в тече­ ние 25 мин в устройствах барабанного типа, расход жидкого азота составляет 0,25 - 1,2 кг на 1 кг измельчаемого материала. Охлаж-

.денная покрышка измельчается в различного типа (рис. 11.10) дробилках. Наиболее эффективно применение оборудования, изо­ браженного на рис. 11.10, в. Первичное криогенное дробление осу­ ществляется с помощью молота, а затем, после отделения корда, производится доизмельчение резиновой крошки до необходимой дисперсности на валковой дробилке. Полученная в результате дробления крошка имеет размеры от 0,15 до 20 мм. Стоимость жидкого азота составляет 2/3 от всех затрат на эксплуатацию ус­ тановки.

Рис. 11.10. Механизмы для криогенного дробления по­ крышек с металлокордом:

а ~ ударно-отражательная дро­

в - молот (У - покрышка; 2, 3 -

Технологическая схе­ ма криогенного измель­ чения покрышек пред­ ставлена на рис. 11.11. При подготовке покры­ шек к криогенному из­ мельчению их моют,

сортируют и отправляют на борторезку Удля удаления борто­ вых колец. Далее покрышка поступает в охлаждающую камеру 2, куда подается жидкий азот. В качестве оборудования для ох­ лаждения может быть использована после некоторой модифика­ ции сушильная печь барабанного типа. Покрышки охлаждаются до -120 °С (температура стеклования практически любых резин не ниже -70 °С).

Имеющийся запас охлаждения покрышки необходим для ком­ пенсации теплопритоков к ней во время перемещения из охлажда­ ющей камеры к молоту 3, а также для компенсации тепловыделе­ ний при ударе молота, происходящих вследствие превращения ки­ нетической энергии молота в тепловую. Молот имеет профили­ рованные пуансон и матрицу, на которых происходит разбивание стеклообразной покрышки. Энергия удара составляет 38 кДж, ход пуансона 700 мм, масса пуансона 800 кг. Измельченная покрышка после молота транспортером подается на шкивной железоотделитель 4, где происходит разделение резины, текстиля и металла. Ре­ зиновая крошка поступает на сепарацию, фракционирование и доизмельчение на стандартных дробильных и размольных вальцах.