Малотоннажная технология переработки отработавших автомобильных шин в энергоносители для тепличного хозяйства.

В.А. Морозов

А.В. Морозов

Технологии утилизации отработавших шин анализируются применительно к распределению плотности населения в стране. Предложена малотоннажная технология утилизации, позволяющая решать экологическую проблему для малых городов России, где проживает большая часть населения страны. При этом отработавшие шины перерабатываются в двуокись углерода, электричество и тепло. Сделаны оценки технико-экономических показателей предлагаемой технологии.

     В основе работы находится неудовлетворительное состояние с решением экологической проблемы в РФ, связанной с накоплением отработавших шин. Это делает целесообразным анализ используемых технологий утилизации шин и предложение новых возможностей утилизации. Требует учета и способность отечественной промышленности к тиражированию соответствующего оборудования.
 

     Очевидно, что экологическая проблема с накоплением шин формируется в связи с распределением населения по территории страны. Соответственно, размеры экологического бедствия для городов-милионников и небольших городов с населением до ста тысяч человек будут отличаться. Можно ожидать, что разными будут и способы решения экологической проблемы.
 

     Используемые в стране технологии подробно изложены в  действующем сегодня ГОСТе /1/, нескольких обзорных статьях (например, /2/). Следует отметить, что ни один из указанных в /1/ способов не дает комплексного положительного итога утилизации шин: коммерческой состоятельности в сочетании с экологической безопасностью. По-видимому, наилучший в этом отношении и не вошедший в /1/ результат принадлежит ООО «Н.Т.Д. ТАМАННО», Москва /2,3/. Здесь реализована технология растворения в бензине измельченных в крошку шин. При добавлении резиновых крошек в бензин масса раствора увеличивается, крошки растворяются, образуя синтетическую нефть. Нефть разгоняется по фракциям. Одна из фракций - бензиновая. Количество наработанного таким образом бензина превышает исходное. Часть полученного бензина возвращается в рецикл. А прибавка бензина в итоге представляет собой товар с хорошей ликвидностью: экологически чистый бензин с октановым числом 100. Высокой ликвидностью обладают и иные полученные по этой технологии товары: малосернистый мазут по ГОСТу, очищенный металлокорд, углерод-углеродные материалы для металлургии и/или электропроводный техуглерод. Достигнутые ТАМАННО результаты подтверждены независимыми испытаниями и имеют мировое признание. Отметим, что эти работы ориентированы на проектирование и строительство заводов с производительностью по сырью более 30 тыс. т/год (около 100 т/сутки). Такая производительность востребована в нашей стране городами-миллионниками, способными заплатить за завод около 20 млн. EURO. Для небольших городов, где также существует проблема с утилизацией отработавших шин, технология, по-видимому, окажется недоступной. Одна из причин этого – «неподъемная» для местных бюджетов цена. Другая причина заключается в том, что из-за энергоемкой подготовки сырья (измельчение в крошку) следует ожидать и нижней границы производительности, за которой технология теряет экономическую состоятельность.
 

     Известной и наиболее простой технологией утилизации шин является технология пиролиза. Сегодня в РФ наблюдается растущая востребованность этой технологии. В связи с этим китайские /4/ и отечественные разработчики (например, /5/) предлагают типоразмерный ряд оборудования для утилизации шин с производительностью по сырью от 3 до 20 т/сутки. «Классический» недостаток технологии – цикличность процесса – сегодня преодолен непрерывно работающими горизонтальными печами /6/. Следует отметить, что в /6/ предложена переработка импортным оборудованием прямых продуктов пиролиза в энергоносители, не имеющие проблем с ликвидностью – электроэнергию и тепло. В работах /5,6/ предприняты существенные усилия для улучшения экологии процесса и потребительских свойств продуктов пиролиза: многоступенчатые системы очистки и кондиционирования продуктов. В ряде случаев прогресс в улучшении экологии вызывает сомнения, т.к. разработчиками технологии не указывается направление грязных фракций систем очистки. Торговля продуктами пиролиза в самом простом варианте технологии показывает слабую ликвидность продуктов из-за их низкого товарного качества: иногда углеродсодержащий остаток вообще не имеет сбыта, а тяжелая фракция пиролизного масла продается неуверенно /7/.
 

     Зарубежные технологии утилизации шин не имеют принципиальных особенностей по сравнению с данными /1/. Технологии пиролиза развиваются в сторону усложнения: ускорения процесса (например, каталитическими системами GB ENERGY HOLDING) или производства товаров с высокой добавленной стоимостью (например, углеродные структуры в форме фуллерена фирмы Klean Industries). Эти работы отличаются сложностью технологических переделов и неоднозначной экономической эффективностью результата при масштабировании технологий.

     Предлагается использовать сильную сторону пиролиза – сравнительную простоту технологии. А сопутствующие этому низкое качество и слабую ликвидность продуктов пиролиза устранить переработкой продуктов в хорошо востребованные энергоносители - электричество и тепло (по аналогии с установкой /6/, но с заменой импортного оборудования на отечественное). Один из возможных вариантов такого решения, отличающийся от /6/, – использование свойств сверхкритической воды для превращения продуктов пиролиза в энергоносители и безвредные для окружающей среды вещества. Сегодня эта технология утилизации углеродсодержащих отходов является самой экологически безопасной и интенсивно развиваемой в мире. Отечественное оборудование для реализации такой идеи имеется. Процесс может быть организован так, что весь углерод продуктов пиролиза в сверхкритической воде будет окисляться до двуокиси углерода. Реакция окисления при этом будет идти с выделением избыточного тепла, превышающего необходимое для поддержания реакции. Избыток тепла будет формировать «прибыль» технологии: высокоэнтальпийная парогазовая смесь (продукт реакции, в который входит двуокись углерода) будет использован в паровой машине, приводящей электрогенератор. Электричество и сбросное тепло машины, т.о., будут нарабатываться в форме прибыли. Электричество и тепло могут быть использованы, например, в энергоснабжении теплицы. В фотосинтез растений теплицы следует направить и полученную двуокись углерода. Теплица может быть вертикальной, гидропонной и использующей в качестве питательного раствора корней жидкие органоминеральные удобрения. (Отрасль хозяйства с получением и массовым использованием таких удобрений сейчас формируется в стране.) Использование органоминеральных удобрений позволяет выращивать экологически безопасные овощи, зелень и т.д. Т.о., станет возможным переход: «отработавшие автомобильные шины - экологически безопасные продукты питания». Такой переход может оказаться востребованным в небольших городах страны, где не удовлетворена потребность людей в здоровых продуктах питания (овощах и зелени).

     Оценим параметры предлагаемой технологической связки.

  1. Требуемая мощность утилизации отработавших шин.

     Ежегодно на территории нашей страны образуется около 700 тысяч тонн отработавших автомобильных шин. Очевидно, что это количество имеет тенденцию к росту. С учетом накопленных запасов шин значение мощности переработки, требуемой для решения экологической проблемы  в стране, можно оценить в 1 млн. т/год.
 

     При численности населения страны 146,5 млн. человек деятельность 150 человек потребует мощности утилизации отработавших шин 1 т/год. Можно считать, что распределение перерабатывающих мощностей по территории страны пропорционально распределению населения. Тогда требуемая мощность переработки будет связана с численностью населения городов так, как показано в таблице.

Таблица. Распределение перерабатывающих мощностей по территории страны.

Из данных таблицы следует, что для решения проблемы с утилизацией шин у основной массы населения страны (города с населением до 500 тыс. человек) целесообразно использование в каждом таком городе от 1 до 3 пиролизных реакторов с производительностью по сырью 1 т/сутки каждый. По сравнению с производительностью /2,3/ (100 т/сутки) предлагаемую технологию можно считать малотоннажной.

2.  Потоки продуктов технологии.

Известно, что технология пиролиза характеризуется следующим выходом продуктовпереработки (в расчете на 1 т сырья):

  • 300 кг – углеродсодержащий твердый остаток;

  • 150 кг – стальной корд;

  • 400 кг – пиролизное масло;

  • 150 кг – горючий неконденсируемый газ.

Наилучшей ликвидностью обладает стальной корд. Этот продукт целесообразно использовать так же, как и в традиционном пиролизе шин – в качестве мелталлолома. Углеродсодержащий твердый остаток и пиролизное масло направляются в реактор со сверхкритической водой. Горючий неконденсируемый газ после системы очистки направляется на обогрев пиролизной печи. Грязные фракции системы очистки направляются на деструкцию сверхкритической водой, где превращаются в безопасные для окружающей среды вещества.
 

            Т.о., конверсии в электроэнергию, двуокись углерода и тепло подвергаются


(300кг + 400кг) : (300кг + 400кг + 150кг) = 82%


массы шин.


Известно, что шины, произведенные в ЕС и РФ, отличаются долей компонентов, содержащих углерод в массе шины: 68% (ЕС) и 96% (РФ). Для дальнейших оценок примем среднее значение доли углеродсодержащих компонентов в массе направленных на переработку шин – (68+96):2=82 (%). Такими углеродсодержащими компонентами являются технический углерод и каучук. Технический углерод полностью состоит из углерода, а доля углерода в каучуке – 90%.Т.о., доля углерода, направляемого на конверсию, составляет
 

0,82 х 0,9 х 0,82 = 0,6 (%)
 

от массы шин.

2.1     Оценка количества электроэнергии. 
 

     По данным /6/ одна тонна шин в час дает 2 МВт электроэнергии. В нашем случае производительность переработки одна тонна шин в сутки даст в 24 раза меньшую мощность электроэнергии - 83,3 кВт.
 

2.2     Оценка количества тепла.
 

     В теплицу будет направляться сбросное тепло тепловой машины, приводящей электрогенератор. Для варианта с паровой турбиной, приводящей 30-кВт электрогенератор, выходные параметры пара составляют 130 град.С и 3 атм при расходе пара 1 т/час /8/. В соответствии с данными п.2.1, мощность нарабатываемой электроэнергии составляет 83,3 кВт. Это даст возможность задействования двух уже разработанных в нашей стране приводов для 30-кВт электрогенераторов. При требуемой температуре внутри теплицы 30 град. С разница температур между теплицей и паром на выходе каждой турбины составит 100 град., а количество выделенной при охлаждении воды тепловой энергии составит С х М х ∆Т, где С – удельная теплоемкость воды, М – масса воды, (∆Т) – разница температур воды между теплицей и выходом турбины. Для одной турбины сбросное количество тепла в течение часа составит
 

4200 Дж/кг/град.С х 1 х 10^3 кг х 100 град.С = 4200 х 10^5 Дж,
 

в секунду - 4200 х 10^5 : 60 : 60 = 1,17 х 10^5 Дж     или 117 кВт.
 

А теплопроизводительность системы из двух агрегатов составит 314 кВт.

 

2.3     Оценка количества двуокиси углерода.
 

Параметры сверхкритического водного окисления выбираются такими, чтобы весь углерод (0,6 т из каждой тонны шин), направляемый на конверсию, окислялся до двуокиси углерода. С учетом значений атомной массы углерода (12) и мольной массы СО2  (12 + 16 х 2 = 44) масса двуокиси углерода, полученной при мощности переработки шин 1 т/сутки, составит
 

44/12 х 0,6 = 2,2 (т/сутки).

3. Оценка площади теплицы.

     По данным ЗАО «Агримодерн» /9/ - дочерней структуры предприятия «АГРИСОВГАЗ», имеющего многолетний опыт проектирования и строительства теплиц, – потребность в электроэнергии и тепле для современной теплицы площадью 3 га удовлетворяется газопоршневыми электрогенераторами общей мощностью 4,5 МВт и газовой котельной мощностью 10 МВт. Пересчет этих данных применительно к мощностям п.п. 2.1 и 2.2 показывает, что электрической и тепловой энергией предлагаемой технологии могут быть удовлетворены потребности теплиц с площадью  400 кв.м и 100 кв.м, соответственно.
 

     Потребность в подпитке растений двуокисью углерода, по данным /10/, в течение светового дня (12 часов) составляет 300 кг/час/га. Следовательно, переработка 1 т/сутки шин обеспечит двуокисью углерода теплицу с площадью
 

2200 кг/сутки : 12 часов : 300 кг/час/га = 0,62 га. (6200 кв.м).
 

     Сравнение значений площадей – 400, 100 и 6200 (кв.м) – показывает, что полученными энергоносителями может быть задействована теплица с площадью 100 кв.м. Избыточное количество углекислоты может быть использовано в качестве самостоятельного товарного продукта. Избыточная электроэнергия может быть направлена на отопление теплицы. С учетом последнего обстоятельства площадь теплицы с энергообеспечением от утилизации шин с производительностью 1 т/сутки может быть увеличена и составит, примерно, 300 кв.м.

4. Производительность технологии по овощам.

     При средней урожайности овощей закрытого грунта 43 кг/кв.м /11/ традиционная (невертикальная) теплица площадью 300. кв.м даст за год
 

43 кг/кв.м  х  300 кв.м = 13 т овощей.
 

При среднегодовой норме потребления овощей 140 кг/человека /12/ утилизация шин с мощностью 1 т/сутки позволит в течение года обеспечивать экологически безопасными овощами несколько сотен человек.  Для небольших городов это даст возможность частично удовлетворить потребность в такой продукции объектов социальной инфраструктуры.

5. Техническая исполнимость предлагаемой технологии.

Основные компоненты предлагаемой технологии – пиролизный реактор, агрегат со сверхкритической водой, тепловая машина с электрогенератором, вертикальная теплица и органоминеральные удобрения.
 

5.1. Оборудование.
 

     5.1.1Пиролизный реактор.
 

Как отмечалось выше, в стране есть несколько предприятий, выпускающих пиролизное оборудование с типоразмерным рядом производительности. Пример оборудования,

Рис.1. Пример отечественного пиролизного реактора.

выпускаемого предприятием «I-PEC» (С.-П.), показан на Рис. 1. Существуют возможности выбора оборудования по параметру «цена-качество», поставки на условиях лизинга. Ожидаемая стоимость агрегата с производительностью по шинам 1 т/сутки – 1 млн.руб.
 

5.1.3 Агрегат со сверхкритической водой.
 

Это – наиболее инновационный агрегат технологического оборудования. Внешний вид

Рис.2. Агрегат для сверхкритического водного окисления углеродсодержащей суспензии.

агрегата с производительностью 6 т углеродсодержащей суспензии в сутки показан на фотографии Рис.2. Габаритные размеры агрегата – 2,5 м (высота) х 6 м (длина) х 1,5 м (ширина). Имеется соответствующее положительное заключение Государственной экологической экспертизы, что делает возможным мелкосерийное производство такого оборудования. Регламент утилизации продуктов пиролиза автомобильных шин подлежит разработке. Ожидаемая стоимость агрегата с производительностью до 6 куб.м углеродсодержащей водной суспензии в сутки – 10 млн.руб.
 

5.1.3 Тепловая машина с электрогенератором.
 

В стране имеются два варианта привода электрогенератора – паровая турбина (ООО «ЭЛТА», Екатеринбург) и паропоршневые двигатели (МАИ). Каждый из вариантов имеет свои преимушества.
 

Фотография 30-кВт электрогенератора фирмы «ЭЛТА» показана на Рис. 3.

Рис.3. Фотография  30-киловаттного электрогенератора с паровой турбиной.

     Расстояние по оси турбины (агрегат справа на фотографии) – 0,5 м. Подготовлен мелкосерийный выпуск такого оборудования на Уралвагонзаводе. Этот вариант, как наиболее подготовленный к производству, принят для дальнейших оценок. Ожидаемая стоимость двух агрегатов (2 х 30 кВт электроэнергии) – 2 млн.руб.
 

     Следует отметить и перспективную разработку – современные паровые моторы одностороннего давления  (паропоршневые двигатели). По существу, эта машина представляет собой переделанный двигатель внутреннего сгорания, где бензино-воздушная смесь, толкающая поршни,  заменена паром.  По сравнению с паровыми турбинами паропоршневой двигатель имеет существенно больший межремонтный ресурс, проще в эксплуатации и дешевле.

 

5.1.4 Вертикальная гидропонная теплица.
 

Пример гидропонной вертикальной теплицы, выпускаемой предприятием «Промгидропоника» (РФ), показан на фотографии Рис. 4.  Аналогичное

Рис.4. Вертикальная гидропонная теплица.

оборудование выпускается в промышленном варианте предприятиями «JIANGSU TIANHE» (Китай), «АГРОКОНТЕК» (Россия).
 

Ожидаемая стоимость вертикальной гидропонной теплицы площадью 300 кв.м с комплектом инженерных систем – 1 млн.руб.

 

5.2 Органоминеральные удобрения.
 

     Удобрения являются расходным материалом технологии. Сегодня в стране работают  семь производственных линий органоминеральных удобрений, выпускаемых в твердой и жидкой форме /13/. Предполагается наращивание производственных мощностей. Площадь теплиц, которые могут быть задействованы сегодня, составляют, примерно, 100 тыс. га: ограничений для тиражирования технологии со стороны удобрений нет.

 

5.3 Обслуживающий персонал.
 

     Оборудование технологии предназначено для круглосуточной работы (3 смены). Персонал смены – 2 техника-оператора с уровнем образования не ниже среднего. Квалификация потребует специальных знаний: для обслуживания оборудования пиролиза, сверхкритического водного окисления, инженерных систем теплицы и агрономических знаний для обслуживания теплицы (смежная специальность). С учетом времени отпуска численность обслуживающего персонала составит 7 человек.

 

     Отметим также, что ожидаются сравнительно небольшие размеры площади, занимаемые  оборудованием с производительностью по шинам 1 т/сутки: (300…400) кв.м - (пиролиз + сверхкритическое водное окисление) и 300 кв.м - теплица. Это обстоятельство и экологическая безопасность всей технологии позволят располагать производственные площадки вблизи городской черты: не зря за рубежом распространено наименование вертикальной гидропонной теплицы – «городское сельское оборудование».

6. Оценка выгоды использования предлагаемой технологии.

     Выгода использования предлагаемой технологии имеет два компонента: экологический и операционный.
 

6.1 Экологический компонент.
 

Этот компонент определяется:
 

  • устранением вреда, наносимого окружающей среде медленно разлагающимися неутилизируемыми шинами;

  • предложением человеку безвредных для него продуктов питания.

Обе составляющие экологического компонента плохо поддаются численной оценке.

 

6.2 Операционный компонент.
 

     Общая стоимость основных средств технологии, указанных в разделе 5.1, составляет 14 млн. руб. При линейной амортизации оборудования в течение 10 лет ежегодные расходы на амортизацию составят 1,4 млн.руб.
 

     Для 7 человек персонала с расходами на оплату труда 80 тыс.руб./мес. ежегодные расходы на оплату труда составят 6,7 млн.руб.
 

     Электроэнергия и тепло из внешних сетей не потребляются; соответствующих расходов у предлагаемой технологии нет.
 

     Отнесение суммы операционных расходов (8,1 млн.руб.) к массе овощей (13 т) дают значение себестоимости овощей 623 руб./кг – в 10 раз выше средней цены овощей в розничной торговле. Это означает, что в рассматриваемом варианте технологии требуется избирательный подход к ассортименту товаров производственной теплицы с малой площадью: конкурентоспособным может быть производство, например, рукколы, имеющей сегодня цену 800 руб./кг в розничной торговле.

7. Принятые допущения

     При выполнении оценок, сделанных выше, в ряде случаев отсутствовала требуемая исходная информация. Тогда были использованы допущения, ориентированные на самый «тяжелый» вариант экономической состоятельности технологии.
 

7.1 При отсутствии данных об урожайности зелени и овощей в вертикальных теплицах были использованы данные об урожайности теплиц традиционных. Это привело к нижней границе оценки урожайности, т.к. известно, что урожайность вертикальных теплиц в несколько раз выше урожайности традиционных теплиц.
 

7.2 При оценке амортизационных расходов технологии была использована уже апробированная конструкция реактора со сверхкритической водой и, соответственно, его цена. Сегодня разработана новая конструкции реактора, ориентированная на его удешевление в несколько раз. Использование новой конструкции позволит в несколько раз снизить и соответствующие эксплуатационные расходы технологии. Снизится и себестоимость товарной продукции теплицы.
 

7.3 Для большинства вариантов применения технологии производительность по сырью будет в 2…3 раза выше минимальной и принятой в оценках (1 т/сутки). Соответственно,  выше окажутся и все технико-экономические показатели технологии.
 

7.4 «За кадром» остался доход, связанный с продажей или дальнейшим использованием двуокиси углерода, которая производится технологией в товарном количестве. Двуокись углерода по качеству является пищевой и может быть использована в приготовлении сухого льда, газированных напитков, культивации хлореллы (кормовой добавки для скота и птицы). Наиболее интересным представляется последний вариант использования двуокиси углерода, поскольку он соответствует производству экологически безопасных продуктов питания. Оборудование для культивации хлореллы в стране имеется. Статья дохода от использования двуокиси углерода сильно зависит от хозяйственной ситуации «на местах» и требует отдельного рассмотрения.

 

Всё это означает, что существуют значимые резервы улучшения экономических параметров предлагаемой технологии. Для уточнения технико-экономических показателей технологии нужен опыт эксплуатации технологии в разных хозяйственных условиях.

8. Выводы

8.1 Для городов-миллионников наилучшим решением утилизации отработавших шин представляется крупнотоннажная технология растворения шин в органическом растворителе и получения высоколиквидных продуктов – высокооктанового бензина, малосернистого мазута и технического углерода (технология ООО «Н.Т.Д. ТАМАННО», Москва).

 

8.2 Для малых городов, где проживает основная часть населения страны, наиболее эффективной и экологически безопасной может стать предлагаемая в настоящей работе малотоннажная технология переработки шин в экологически безопасные продукты питания (овощи, зелень). В основе предложения – традиционный пиролиз, переработка продуктов пиролиза сверхкритическим водным окислением, энергоснабжение продуктами окисления вертикальной гидропонной теплицы и  выращивание в теплице овощей и зелени с применением органоминеральных удобрений. Одновременно с утилизацией отработавших шин будет решаться не менее важная экологическая задача – обеспечение населения страны органическими продуктами питания.

 

8.3 Накопленный в стране опыт пиролиза и использования свойств сверхкритической воды позволяет считать предложенные решения технически исполнимыми.

 

8.4 Необходима инсталляция предлагаемой технологии в конкретных хозяйственных условиях нескольких небольших городов. При этом должна использоваться минимальная (1 т шин в сутки) и кратная ей производительность оборудования по сырью. Сборка и опыт эксплуатации оборудования позволят уточнить технико-экономические показатели технологии, что, в свою очередь, позволит обосновать тиражирование технологии в стране. Ожидаемые ресурсы времени и денег, необходимые для инсталляции технологии с производительностью 1 т шин в сутки, составляют до 7 месяцев и 20 млн. рублей, соответственно.

Использованные источники информации:

  1. ГОСТ Р 54095-2010. Ресурсосбережение. Требования к экобезопасной утилизации отработавших шин.

  2. Интернет-ресурс: http://www.cleandex.ru/opinion/2010/06/17/etl_recycling_

  3. Интернет-ресурсы: http://n-t-d-tamanno.tiu.ru , http://drimer.pro/catalog/kompani

  4. Интернет-ресурс: http://www.huayinenergy.com/products/HY-6th_Waste_to_Oil_Pyrolysis_Machine/?gclid=COv2vrrp-tACFUdkGQodFpIK0A

  5. Интернет-ресурсы: http://utilrti.ru , http://pyrolysisplant.ru/main-ru/index/pyrolysis/

  6. Интернет-ресурс: http://i-pec.ru/news/vse-o-pererabotke-shin-chast-2

  7. А.В. Расковалов, М.В. Ябуров, руководители ООО «Экохолдинг», Пермь. Частные сообщения.

  8. С.Б. Перминов, директор ООО ЭЛТА, Екатеринбург. Частное сообщение.

  9. Интернет-ресурс: http://www.agrimodern.ru/cont.html

  10. Интернет-ресурс: http://greentalk.ru/topic/1453/

  11. Интернет-ресурс: http://farmerforum.ru/viewtopic.php?t=1219

  12. Интернет-ресурс: http://www.ocmp.belzdrav.ru/nashi/index.php?ELEMENT_

  13. Н.Е. Рябчевский, директор ООО «ПВК «Биоклад» и «НВК «Природное земледелие». Частное сообщение.