Порівнювальна багатокритеріальна оцінка технологічних методів переробки спрацьованих шин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Івано-Франківський Національний технічний університет нафти і газу

ПОРІВНЮВАЛЬНА БАГАТОКРИТЕРІАЛЬНА ОЦІНКА ТЕХНОЛОГІЧНИХ МЕТОДІВ ПЕРЕРОБКИ СПРАЦЬОВАНИХ ШИН

Рублюк О.В., к.т.н.

Анотація

У статті розв'язується задача порівнювальної багатокритеріальної оцінки технологічних методів переробки спрацьованих автотракторних шин з одержанням узагальнених рейтингів привабливості використання цих методів. Визначено найбільш перспективний напрямок використання спрацьованих шин, який забезпечує реалізацію додаткового рециклінгу цієї високоякісної вторинної сировини.

In the article the problem of multicriterion evaluation of technological methods of scrap tires processing is solved. There are obtained general ratings of different methods of tyre processing. The most preferable method of the secondary use of scrap tires is determined which provides the realization of extra recycle of this scrap raw material.

Проблеми захисту довкілля від промислових відходів набули на сучасному етапі пріоритетне значення у всіх промислово розвинених країнах. Одними з найбільш потужних багатотоннажних полімерних відходів є шини, які виходять з експлуатації щорічно у великій кількості. Відповідно до орієнтовних даних в Європі утворюється біля 2 млн. тонн шин в рік, а в США - 2,8 млн. тонн. Жорсткі міжнародні норми, які на сьогоднішній день забороняють поховання шин у відвалах і їх спонтанне накопичення, обумовлюють актуальність розробки і впровадження ефективних методів переробки цього виду відходів.

За останні роки помітно збільшилась кількість нових технологічних рішень з використанням нових фізичних ефектів. які дозволяють одержувати зі спрацьованих шин різноманітну продукцію. Одночасно все більша увага приділяється удосконаленню існуючих методів і обладнання по переробці спрацьованих шин. Тому на сучасному етапі виникає потреба у розв'язанні актуальної задачі вибору пріоритетної технології, виходячи з необхідності комплексного врахування цілої низки різноманітних вихідних даних з метою досягнення максимального техніко-економічного ефекту.

У даній статті на основі аналізу існуючих технологій переробки спрацьованих шин з використанням методу парних порівнянь з індексованими оцінками вирішується задача багатокритеріальної оцінки існуючих технологічних методів переробки з метою одержання узагальнених рейтингів привабливості їх застосування.

Всі існуючі методи переробки спрацьованих шин за типом процесів, які лежать в їх основі, можна поділити на хімічні, фізико-хімічні і фізичні.

До групи хімічних відносяться методи, що призводять до глибоких незворотних змін структури полімерів. Ці методи здійснюються у різноманітних середовищах в умовах дії високих температур і тисків, що призводить до деструкції полімерів. До цих методів належить спалювання, крекінг і піроліз.

Спалювання шин використовують з метою одержання теплової енергії. Спрацьовані шини мають теплотворну здатність біля 8600Ккал/кг, що перевищує вугілля і дещо поступається нафті. Тому з точки зору збереження сировинної бази проти спалювання шин немає ніяких заперечень крім того, що спалювання шин - процес більш дорогий і менш екологічний. Теплоту, одержану при згорянні шин, широко використовують в цементному виробництві, а також для одержання технологічної пари. У США, Німеччині, Великобританії, Японії успішно працюють промислові установки для спалювання відпрацьованих шин. Основними перевагами цього методу є можливість переробки великих об'ємів відходів, економія дорогих природних палив. Однак, з точки зору екології навколишнього середовища, метод має ряд суттєвих вад. Під час спалювання шин виділяється багато шкідливих речовин (сірководень, окисли сірки, діоксини тощо), вилучення яких пов'язане з високими капітальними затратами. Крім того, продукти згоряння шин, які містять з'єднання титану, окисли кремнію, цинку тощо осідають на стінках теплообмінника, що загалом негативно впливає на працездатність парових котлів. Одним з головних недоліків переробки відходів спалюванням є і той факт, що при спалюванні шин знищуються хімічно цінні речовини, що містяться в матеріалі спрацьованих шин, а крім того, лишається невикористаним величезний потенціал властивостей цієї сировини, який міг би бути ефективно використаний в матеріальному виробництві.

Крекінг і піроліз шин базуються на здатності полімерів до термічної деструкції у відсутності кисню. При руйнуванні сітки вулканізованого каучуку виділяються низькомолекулярні речовини, які можуть застосовуватись як хімічна сировина або як паливо. Продуктами піролізу, які широко використовують у різних виробничих процесах є газоподібні речовини (суміш водню, метану, окисли вуглецю тощо), рідкі продукти (ізопрен, стирол, дипентен, нафтові мастила тощо) та тверді продукти (наповнювачі, окисли цинку, сажа тощо). До цих методів переробки можна також віднести способи термічного розкладання шин в середовищі вуглеводневих мастил та в бітумі з одержанням сажі та антикорозійних і гідроізоляційних мастик. Збільшенню зацікавленості у піролізі сприяє можливість одержання в процесі переробки технічного вуглецю, який використовують як наповнювач гуми. Одержані в результаті піролізу продукти широко використовують як сировину при виробництві асфальту, мастик різноманітного призначення, антикорозійних покриттів і палива. Однак, для цих методів також є характерним той недолік, що при переробці не зберігаються властивості вихідних полімерних матеріалів, тобто цінність продуктів, що отримуються в процесі переробки, є значно нижчою за цінність вихідних матеріалів.

Фізико-хімічні процеси сполучають протікання хімічних процесів деструкції з дією механічної енергії.. Найбільш поширеним методами в цій групі є регенерація і девулканізація гуми.

Регенерація гуми - процес, при якому еластична гума під дією механічних навантажень, теплоти і кисню перетворюється на полімерний продукт з пластичними властивостями. Загальним принципом більшості існуючих методів регенерації є термоокислювальна чи термомеханічна деструкція вулканізатів. Процес регенерації включає наступні технологічні операції: сортування і подрібнення гуми, звільнення її від текстильного волокна і металу, девулканізація і механічна обробка девулканізата. Різні способи регенерації відрізняються, головним чином, різними способами процесу девулканізації. На сучасному етапі найбільш поширеними методами регенерації є водонейтральний, термомеханічний і метод диспергирування. До недоліків водонейтрального методу належить періодичність процесу і низька якість регенерату внаслідок необхідності застосування великих доз пом'якшувача. При термомеханічному методі процес девулканізації протікає в неперервному шнековому девулканізаторі у присутності пом'якшувача та активатора деструкції. Такий регенерат є більш однорідним і пластичним порівняно з регенератом, одержаним водонейтральним методом. Методом диспергирування одержують регенерат найбільш високої якості, однак він поки що не одержав широкого застосування через певні технологічні складності його реалізації, пов'язані із висушуванням водяної дисперсії гуми. Основними напрямками використання регенерату є застосування його у якості технологічної добавки, яка покращує оброблюваність гумових сумішей і у якості сировини для виготовлення невідповідальних гумових виробів.

В основі фізичних процесів переробки відпрацьованих шин лежить використання механічної енергії для одержання готового продукту переробки. Найбільш поширеними в цій групі є технології подрібнення шин з одержанням гумового порошку різної дисперсності. В світовій і вітчизняній практиці широко використовують методи подрібнення гуми при звичайній температурі, при від'ємних температурах (кріогенне подрібнення) або після набухання гуми в розчиннику. Для активації процесу використовують також струми високої частоти, озон, енергію удару, вибуху, стискання тощо.

Для одержання крихти із гум, що знаходяться в еластичному стані, використовують вальці, а також дискові і роторні подрібнювачі. При цьому на матеріал одночасно діють зусилля зсуву і стискання. Процес характеризується недостатньою ефективністю, оскільки мають місце значні втрати енергії в процесі пластичних деформацій, що приводить в кінцевому рахунку до збільшення витрат енергії і зниження надійності робочих вузлів установок.

Кріогенна технологія подрібнення характеризується тим, що сировину попередньо охолоджують до температури крихкості гуми (180-220 К). При подальшому подрібненні такої крихкої гуми суттєво знижуються енерговитрати. Охолодження здійснюється за допомогою хладоагенту, в якості якого переважно використовують рідкий азот. Слід відмітити, що вартість рідкого азоту є досить великою і, крім того, процес потребує введення спеціальних добавок.

Аналіз патентної і науково-технічної літератури свідчить про появу великої кількості нових технічних рішень, які використовують при подрібненні спрацьованих шин. Непогані результати одержані при використанні озону для прискорення руйнування гуми, при використанні високих тисків (бародеструкційна технологія), енергії вибуху, енергії електромагнітного удару тощо.

Всі вищеназвані методи подрібнення гуми дозволяють одержати гумову крихту різної степені дисперсності. Величина частинок крихти впливає на економічні показники процесу і тим самим на собівартість продукту. Наприклад, для будівництва спортивних споруд дисперсність крихти складає 2-3 мм, в регенератному виробництві - 1-1,5 мм, а у шляховому будівництві і прогресивних технологічних процесах виготовлення гумових сумішей - 0,15-0,25 мм.

До фізичних методів переробки спрацьованих шин з використанням тільки механічної енергії подрібнення відноситься і розділення автопокришок на конструктивні уніфіковані елементи з наступним одержанням з них готових виробів. Так, наприклад, відоме рішення [1], згідно з яким із спрацьованої шини вирізають бруси, які з успіхом використовують в конструкції бар'єрної огорожі швидкісних автотрас, у будівництві гаражів, ангарів, захисних контейнерів, елементів для укріплення схилів, дренажних систем тощо.

При існуючому різноманітті технологій переробки вторинної полімерної сировини обов'язково виникає питання, якій групі технологій віддати перевагу, яке з відомих технологічних рішень дозволить при мінімальних витратах одержати максимальний економічний ефект. Узагальнена класифікація методів переробки спрацьованих шин наведена на рис.1. Очевидно, що кожна з наведених груп технологій (Т 1 - Т 5) може бути поділена за різними ознаками класифікації на більш дрібні підгрупи. Задачею даної роботи є визначення пріоритетності використання певної технології саме на найбільш загальному рівні серед вищезазначених груп технологій.

Визначення техніко-економічної привабливості використання певного методу переробки порівняно з альтернативними здійснюємо на основі використання порівняльної багатокритеріальної експертної оцінки з використанням матриць парних порівнянь з індексованими оцінками [2].

На першому етапі формуємо множину вихідних вимог до альтернативних методів переробки. Фактично, ці вимоги і є критеріями порівняння при їх багатокритеріальній оцінці. Для розв'язання поставленої задачі були прийняті наступні вихідні вимоги.

Рис.1 Класифікація методів переробки

Х1 - мінімальна енергоємність процесу. В умовах гострого дефіциту енергоносіїв проблема раціонального використання енергії є вельми важливою для кожної технології. Витрати на енергію можуть складати значну частку в загальній собівартості кінцевої продукції.

Х2 - висока продуктивність процесу. Ця вимога спрямована на скорочення виробничого циклу і підвищення ефективності процесу в цілому.

Х3 - мінімальні капітальні витрати на обладнання і допоміжні матеріали. Зі збільшенням вартості обладнання і допоміжних матеріалів (каталізаторів, хладоагентів, інструментів тощо) збільшується термін окупності обладнання і собівартість кінцевої продукції.

Х4 - можливість рециклінгу кінцевої продукції після її використання. Ця вимога сформульована нами, виходячи з концепції включення у виробничий процес додаткового циклу використання вторинної сировини у вигляді спрацьованих шин. Мається на увазі, що будь який кінцевий виріб, отриманий в результаті переробки спрацьованих шин, після його повного використання за призначенням не повинен випадати з подальшого загального традиційного циклу використання його у якості вторинної сировини. Цілком зрозуміло, що такий підхід відкриває привабливі перспективи для подовження життєвого циклу високоякісних матеріалів, з яких виготовляють автомобільні шини. По суті, при цьому відкриваються можливості залучення у виробничий оборот величезних додаткових резервів ефективного використання високоякісної вторинної сировини.

Х5 - мінімальний екологічний вплив на довкілля. Жорсткі норми щодо екологічної безпеки, які впроваджуються в розвинених країнах світу висувають вимоги контролю і неприпустимості забруднення оточуючого середовища промисловими виробничими відходами.

Цілком зрозуміло, що сформовані критерії порівняння альтернативних методів переробки мають різний вплив на прийняття кінцевого рішення. Тому на наступному етапі реалізації матричного методу парних порівнянь оцінюють питому вагу впливу вихідних вимог (критеріїв порівняння) на функцію корисності, в якості якої в нашому випадку прийнята ефективність переробки вторинної сировини.

В процесі порівняння висококваліфікований спеціаліст в межах своєї галузі знань може практично гарантовано забезпечити високу якість оцінки при попарному порівнянні між собою будь-яких критеріїв (з точки зору їх інтегральної вагомості впливу на функцію корисності) по схемі "більше-менше". Якщо різниця між порівнюваними критеріями за ступенем впливу на ефективність переробки суттєва, то більш вагомому критерію ставлять у відповідність індексовану оцінку "1,0", а менш вагомому - "0". Якщо вплив порівнюваних критеріїв на ефективність переробки є різним, але різниця є несуттєвою, то більш вагомому критерію ставлять у відповідність індексовану оцінку "0,75", а менш вагомому - "0,25". Якщо різниця між порівнюваними критеріями за ступенем їх впливу на ефективність переробки відсутня, то порівнюваним критеріям ставлять у відповідність однакові індексовані оцінки - "0,5".

На першому етапі при оцінці вагомості впливу вищеназваних критеріїв порівняння на ефективність переробки були виділені два критерії, яким при порівнянні була надана перевага, а саме, (Х4) - критерій, який обумовлює реалізацію додаткового циклу використання високоякісної сировини у вигляді спрацьованих автомобільних шин, що забезпечує підвищення ефективності переробки в цілому, оскільки без додаткових затрат дозволяє ще раз використати у сфері виробництва ту ж саму цінну вторинну сировину. і (Х5) - критерій, який обумовлює мінімізацію забруднення довкілля при реалізації методів вторинної переробки шин. Після заповнення матриці логічного ранжирування всі значення індексованих оцінок в матриці сумують по строках, а одержані значення виражають в процентних долях від загальної суми (табл.1).

Таблиця 1. Матриця логічного ранжирування критеріїв порівняння

Поряд з цим здійснюють оцінки критеріїв порівняння і в рангах (R) з відповідним перерахунком їх в процентах. Кінцевий результат оцінки визначають як середнє арифметичне між індексованою оцінкою в процентах і відповідним значенням в рангах. Залучення оцінок в рангах продиктоване тим, що при індексованій оцінці найменш вагомий критерій може одержати оцінку "0", а це не відповідає реальним умовам.

На наступному етапі згідно з методикою багатокритеріальної оцінки заповнюють матриці логічного ранжирування щодо порівняльної оцінки привабливості конкретного методу переробки шин в забезпеченні кожної з вихідних вимог (критеріїв порівняння) Х1 - Х5 (табл.2).

На основі отриманих оцінок і здійснюють розрахунок узагальненого рейтингу кожного з альтернативних варіантів за формулою:

,

де I - узагальнений рейтинг, який характеризує комплексну оцінку техніко-економічної привабливості застосування даного методу переробки; n - кількість вихідних вимог (критеріїв порівняння); - оцінка ступеня реалізації кожної вихідної вимоги реальними характеристиками порівнюваних методів переробки шин; - значення питомої ваги впливу вихідної вимоги (критерію порівняння) на техніко-економічну досконалість конкретної технології.

Результати розрахунків узагальненого рейтингу І для альтернативних варіантів методів переробки шин представлені у вигляді гістограми (рис.2).

Рис.2. Значення узагальнених рейтингів порівнюваних методів переробки спрацьованих шин

Найбільше значення узагальненого рейтингу І відповідає найбільш привабливому з точки зору максимальної ефективності методу переробки вторинної сировини у вигляді спрацьованих шин а саме - методу механічного розділення шин на конструктивні елементи з подальшим виготовленням з них виробів різноманітного призначення.

Таблиця 2. Оцінка реалізації вихідних вимог порівнюваними варіантами

Таким чином:

1. Отримано результати порівнювальної багатокритеріальної оцінки існуючих технологічних методів переробки спрацьованих автотракторних шин з одержанням узагальнених рейтингів привабливості їх застосування.

2. Відповідно до одержаних рейтингів (рис.2) найбільш привабливим методом переробки вторинної сировини у вигляді спрацьованих шин є їх механічне розділення на конструктивні елементи з наступним виготовленням з них виробів різноманітного призначення.

3. Обґрунтована концепція додаткового рециклінгу вторинної сировини у вигляді спрацьованих шин, що забезпечує подовження життєвого циклу сировини і найбільш повне використання потенціалу її властивостей, яка обумовлює перспективність розробки широкої номенклатури виробів, привабливих для потенційних споживачів, які можна виготовити з конструкційних елементів, отриманих шляхом механічного розділення спрацьованих шин.

Література

шина рециклінг сировина автотракторний

1. Патент США 5834083 Used tire recycling Int.Cl⁶ B23B3/10; 10.11.1998.

2. О.В. Рублюк Сравнительная многокритериальная экспертная оценка альтернативних вариантов технических объектов //Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов, 2006. - Вып.64 - С.150 - 156.

Размещено на Allbest.ru