Исследование процесса получения углеводородов из резиновых отходов

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены перспективы утилизации отработанных резиновых шин и получении вторичного топливного ресурса. Приведены результаты исследования процесса получения углеводородов из резиновых шин.  В результате проведенных исследований установлено, что для получения топливных дистиллятов из резиновых отходов наиболее перспективным является процесс пиролиз без доступа воздуха. Определены оптимальные параметры процесса получения углеводородов из отработанных резиновых шин.

ABSTRACT

The prospects of recycling used rubber tires and obtaining a secondary fuel resource are considered. The results of the study of the process of obtaining hydrocarbons from rubber tires are presented. As a result of the conducted research, it was found that the most promising process for obtaining fuel distillates from rubber waste is pyrolysis without air access. The optimal parameters of the process of obtaining hydrocarbons from used rubber tires are determined.

Ключевые слова: автомобильные шины, каучук, утилизация, энергия, химические методы, физические методы, природные ресурсы, пиролиз, топливные дистилляты, пирогазы.

Keywords: automobile tires, rubber, recycling, energy, chemical methods, physical methods, natural resources, pyrolysis, fuel distillates, pyrogas.

Введение. В настоящее время в Республике Узбекистан и во многих других странах мира ежегодно накапливается большое количество углеводородсодержащих отходов, таких как изношенные автошины и пластмассы.

Использованные шины являются одним из основных видов загрязняющих веществ окружающей среды, так как, они относятся к трудно биоразлагаемым и недеструктивным отходам. При горении ядовитые газы разлагаются, а продукты жизнедеятельности считаются благоприятной средой для жизни грызунов и насекомых [1,2].

Самые передовые страны мира работают над совершенствованием и созданием новых технологий переработки шин, а также улучшением показателей отдельных стадий разрабатываемых процессов, что значительно повышает эффективность метода в целом. При этом большое внимание уделяется экологическим аспектам вторичного использования, то есть созданию безотходных и ресурсосберегающих технологий [3].

В мировой практике существует несколько методов утилизации резиновых отходов и использование их, но объем переработанных изношенных автошин в настоящее время не превышает 30%. Это связано со значительными материальными затратами, которые требуют необходимого дополнительного производства и технического обслуживания [4].

Переработка изношенных автошин и пластмассовых отходов является одной из актуальных задач и для Республики Узбекистан [5,6].

Исходя из научно-эколого-технической проблемы, связанной с утилизацией резиновых отходов и получением вторичного топливного ресурса, в настоящей работе, ставилась цель – исследование процесса переработки изношенных автомобильных шин методом пиролиза без доступа воздуха с получением топливных дистиллятов.

Объекты и методы исследования. В качестве объекта исследования использовали изношенные автомобильные шины.

Для проведения экспериментов нами была разработана технология пиролиза изношенных автомобильных шин без доступа воздуха и на ее основе собрана лабораторная установка, которой схема, представлена на рисунке.

С помощью метода термогравиметрии, в отсутствии воздуха, изучен температурный интервал разложения резины из автошин. Установлены температуры начала разложения, максимумы разложения и завершении процесса которые равны, следовательно, 285, 350-425 и 535 °С. На основании полученных данных термогравиметрии процесс пиролиза проводили при температуре 200-500 °С, которая контролировалась с помощью термопары, находящейся в средней части реактора. Образец выдерживали в реакторе в течение 1-2 ч для достижения необходимой температуры эксперимента. Для процесса пиролиза перегретый пар получали в парогенераторе. Расход водяного пара, идущего в реактор, регулировали количеством воды, поступающей в парогенератор, за счет изменения скорости её истечения в капилляре в зависимости от давления над водой, создаваемого в дозирующей емкости с помощью азота. Из парогенератора водяной пар, а из баллона гелий, очищенный от кислорода, вдуваются в реактор. Температура перегретого водяного пара должна находится в пределе 500-600°С. Образовавшие парогазообразные продукты пиролиза выводили из реактора по газоотводной трубке и направляли в охлаждаемый конденсатор для конденсации паров смеси углеводородов и сборник конденсата.

Рисунок. Схема лабораторной установки пиролиза без доступа воздуха изношенных автомобильных шин:

1 – баллон He; 2 – реометр; 3 – трубчатый реактор; 4,10 – трубки для термопары; 5 – автотрансформатор; 6 – ЛАТР; 7 – Манометр; 8,14 – термопара; 9 – парогенератор; 11 – сборник конденсата; 12 – газовый счетчик 13 - холодильник; 15 – ёмкость для воды

Расход водяного пара и гелия измеряли с помощью реометров. Опыты проводились в следующей последовательности: реактор нагревался до температуры процесса, затем через него в течение нескольких минут продувался гелий. После прекращения подачи гелия, в реактор вдували водяной пар. После загрузки резиновой крошки в реактор температура понижалась до 300°С. Через 7-10 мин. резиновая крошка нагревалась до оптимальной температуры процесса пиролиза, которая поддерживалась постоянной на протяжении всей операции. По окончании процесса подачу водяного пара прекращали, углеродный остаток охлаждали гелием, и проводили определение необходимых параметров, касающихся свойств продуктов пиролиза.

Результаты исследования. В ходе исследования получены следующие продукты пиролиза и выход их по результатам четырех опытов составляет:

– пирогаз – 6,8 – 8,2 %;

– смола + вода – 61,4 – 62,8 %;

– твердый остаток – 29,0 – 30,8 %.

Газы, выделяющиеся на начальной стадии пиролиза (до 300°C), в основном представляют собой азот и углекислый газ. После 300°С в отсутствие кислорода при температуре обратного холодильника увеличиваются неконденсирующиеся легкие углеводородные газы, которые обладают горючими свойствами.

Пиролизная смола – темно-коричневая жидкость,содержащая 2-3 % воды, не разлагается при длительном отстаивании. Определены следующие параметры для пиролизной смолы:

– температура начала кипения – 180°С;

– теплота сгорания – 35 МДж/кг;

– содержание алифатических соединений – 5,3 %;

– содержание ароматических соединений – 95,8 %;

– содержание серы – 1,5 %.

Полученную пиролизную смолу можно рекомендовать для использования в качестве котельного топлива без дополнительной обработки.

Твердый углеродистый остаток представляет собой технического углерода, зольностью 7-8 %.

Для технического углерода определены следующие

параметры:

– насыпная плотность – 477,0 г/дм³;

– адсорбционная активность по бензолу – 142,0 г/дм³;

– содержание серы – 2,3 %;

– теплота сгорания – 24,5 МДж/кг.

Технический углерод может быть использован в качестве сырья для  получении активированного угля, пироуглерода, а также в качестве топлива в специальных топочных устройствах. Кроме того, в настоящее время во всем мире остро стоит проблема поиска новых эффективных заменителей дорогостоящих металлургических коксов и полученный в результате пиролиза технический углерод, при условии надлежащей обработки, может послужить сырьем для получения углеродных восстановителей. Однако, серьезным препятствием этому решению может послужить загрязненность остатка пиролиза серой, содержание которой в металлургических коксах недопустимо.

Заключение

Таким образом, вследствие проведенных экспериментов можно сделать вывод, что изношенные резиновые шины имеют высокоэнергетические характеристики и, подвергая их высокотемпературной глубокой деструкции без доступа кислорода (пиролизу), из них можно получать нетрадиционные энергоносители в виде жидких и газообразных топлив, а также технический углерод – перспективное сырье для получения высокоэффективных сорбентов.

Список литературы:

1. Новичков Ю.А., Петренко Т.В., Братчун В.И. Исследование процесса бескислородного пиролиза изношенных автомобильных шин // Вестник ХНАДУ, 2005. – № 29. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-protsessa-beskislorodnogo-piroliza-iznoshennyh-avtomobilnyh-shin
2. Некрасов В.Г. Изношенные автомобильные шины как вторичный энергоресурс // Промышленная энергетика. – 1992. – № 7. – С. 42–45.
3. Бурханбеков К.Е. Гидрогенизационно-каталитическая переработка углеродсодержащих отходов в альтернативные моторные топлива и ценные органические соединения: диссертация на соискание степени доктора философии (PhD). – Алматы, 2018. – 144 с.
4. Вольфсон С.И., Фафурина Е.А., Фафурин А.В. Методы утилизации шин и резинотехнических изделий // Вестник Казанского технологического университета, 2011. – № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-utilizatsii-shin-i-rezinotehnicheskih-izdeliy.
5. Hojiyeva, R. B., & Hayitov, R. R. (2020). Ishlatilgan avtomobil shinalarini qayta ishlash va yoqilgi mahsulotlarini olish imkoniyatlari. Science and Education, 1(9).
6. Тиллоев Л. И., Усмонов Х. Р. У., Хамидов Д. Г. Техническая классификация отходов в газовых химических комплексах //Universum: технические науки. – 2020. – №. 5-2 (74).