Устройство для переработки резиновой крошки изношенных автомобильных шин

Изобретение относится к устройству для переработки резиновой крошки автомобильных шин. Техническим результатом является возможность переработки резиновой крошки изношенных автомобильных шин с размером частиц от 600 мкм до 5000 мкм с получением ультрадисперсного углеродного графитоподобного материала и горючего энергетического синтез-газа. Технический результат достигается устройством для переработки резиновой крошки автомобильных шин, содержащим соосно расположенные графитовые анод и катод в виде стержня, держатель, источник постоянного тока, к которому подключены анод и катод. А анод выполнен в виде вертикально расположенного стакана, на дне которого выполнен цилиндрический выступ, диаметр которого равен диаметру катода. Кольцевая полость, образованная между внутренними стенками анода и центральным цилиндрическим выступом, предназначена для размещения резиновой крошки изношенных автомобильных шин и выполнена глубиной не более 0,5 диаметра катода. Стакан снабжен съемной крышкой из графита, в центральное отверстие которой вертикально вставлен катод с возможностью перемещения в нем до соприкосновения одного конца катода с цилиндрическим выступом на дне стакана. Другой конец катода, расположенный над крышкой стакана, с помощью держателя закреплен на валу линейного винтового сервоприводного устройства, которое подключено к компьютеру, который соединен с источником постоянного тока. В боковую стенку стакана на расстоянии от края стакана не более 1,5 диаметра катода вставлен первый патрубок отвода продуктов разложения, который соединен с фильтром их грубой очистки, который через второй патрубок соединен с фильтром их тонкой очистки, который третьим патрубком соединен с газоанализатором, выход которого соединен с емкостью для сбора синтез-газа. Газоанализатор подключен к компьютеру. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к переработке автомобильной резиновой крошки без металлизированного корда с получением графитоподобных материалов и синтез-газа, которые могут быть использованы для производства новых шин и получения тепловой энергии.

Известно устройство для переработки резиновой крошки автомобильных шин [L.Е. Murr et al. / Materials Characterization, 2005, vol. 55. - P. 371-377], содержащее герметичную камеру, в которой горизонтально и соосно размещены анод и катод. Анод в виде графитового сплошного стержня диаметром 6 мм и закреплен в токопроводящем держателе, выполненном с возможностью передвижения анода относительно катода. Катод выполнен из графита в виде стержня диаметром 13 мм, к которому подведено теплообменное устройство с непрерывно циркулирующей охлаждающей водой. Один конец катода закреплен в токопроводящем держателе. На другой конец катода через отверстие в его центральной части надета медная пластина размером 10×10 см, в геометрическом центре которой выполнено отверстие диаметром, равным диаметру катода. Пластина расположена перпендикулярно продольной оси анода и катода. Анод и катод подключены к источнику постоянного тока 150 А. В полости камеры размещен округлый стеклянный сосуд, к которому диаметрально присоединены два патрубка, один из которых через вентиль соединен с баллоном, в котором содержится газообразный гелий, а второй - с трубкой, конец которой направлен на область между анодом и катодом. Полость стеклянного сосуда предназначена для размещения резиновой крошки автомобильных шин без металлизированных включений с размерами частиц от 600 мкм до 900 мкм.

Это устройство имеет сложную конструкцию. Обязательным условием его работы является вакуумирование герметичной камеры, наличие источника газообразного гелия с давлением выше нормального атмосферного, а также наличие теплообменного устройства для непрерывного охлаждения катода.

Техническим результатом предложенного нами изобретения является создание устройства для переработки резиновой крошки изношенных автомобильных шин с размером частиц от 600 мкм до 5000 мкм с получением двух полезных продуктов: ультрадисперсного углеродного графитоподобного материала и горючего энергетического синтез-газа.

Устройство для переработки резиновой крошки автомобильных шин, также как в прототипе, содержит соосно расположенные графитовые анод и катод в виде стержня, держатель, источник постоянного тока, к которому подключены анод и катод.

Согласно изобретению анод выполнен в виде вертикально расположенного стакана, на дне которого выполнен цилиндрический выступ, диаметр которого равен диаметру катода. Кольцевая полость, образованная между внутренними стенками анода и центральным цилиндрическим выступом, предназначена для размещения резиновой крошки изношенных автомобильных шин и выполнена глубиной не более 0,5 диаметра катода. Стакан снабжен съемной крышкой из графита, в центральное отверстие которой вертикально вставлен катод с возможностью перемещения в нем до соприкосновения одного конца катода с цилиндрическим выступом на дне стакана. Другой конец катода, расположенный над крышкой стакана, с помощью держателя закреплен на валу линейного винтового сервоприводного устройства, которое подключено к компьютеру, который соединен с источником постоянного тока. В боковую стенку стакана на расстоянии от края стакана не более 1,5 диаметра катода вставлен первый патрубок отвода продуктов разложения, который соединен с фильтром их грубой очистки, который через второй патрубок соединен с фильтром их тонкой очистки, который третьим патрубком соединен с газоанализатором, выход которого соединен с емкостью для сбора синтез-газа. Газоанализатор подключен к компьютеру.

В качестве фильтра грубой очистки продуктов разложения может быть использован фильтр топливный воздушный с магнитом.

В качестве фильтра тонкой очистки продуктов разложения может быть выбран фильтр, улавливающий частицы размером не более 0,2 мкм.

В качестве газоанализатора использован газоанализатор дымовых газов, оснащенный насосом.

При возникновении дугового разряда постоянного тока, инициированного в воздушной среде, температура в полости анода поднимается до нескольких тысяч градусов, в результате чего возникают условия термического разложения резины. В полости анода при горении дугового разряда генерируются газообразные оксид углерода СО, диоксид углерода СО₂, водород Н₂, метан СН₄, поток которых экранирует зону горения разряда от кислорода воздуха, предотвращая окисление продуктов разложения резины. Получаемый ультрадисперсный углеродный графитоподобный материал оседает на дне и внутренних стенках анода, а также оседает в фильтре, в который попадает с потоком продуктов разложения, которые вытягиваются из полости анода насосом через газоанализатор. Состав синтез-газа регистрируют и данные выводят на экран компьютера. Проанализированный синтез-газ отводят из газоанализатора для дальнейшего его хранения и утилизации.

Предлагаемое устройство позволяет использовать резиновую крошку изношенных автомобильных шин, измельченную до частиц размером от 600 мкм - 5000 мкм и получить ультрадисперсный углеродный графитоподобный материал, пригодный для производства резины. При этом обеспечивается устойчивое формирование горючего синтез-газа, пригодного для его энергетического использования.

На фиг. 1 показана схема предложенного устройства.

На фиг. 2 представлена типичная рентгеновская дифрактограмма полученного ультрадисперсного углеродного графитоподобного материала.

На фиг. 3 представлен снимок с растрового электронного микроскопа полученного ультрадисперсного углеродного графитоподобного материала и результат анализа его химического состава энергодисперсионным методом.

На фиг. 4 представлен график, показывающий содержание анализируемого в процессе работы устройства водорода.

На фиг. 5 представлен график, показывающий содержание анализируемого в процессе работы устройства метана.

На фиг. 6 представлен график, показывающий содержание анализируемого в процессе работы устройства оксида углерода.

На фиг. 7 представлен график, показывающий содержание анализируемого в процессе работы устройства диоксида углерода.

На фиг. 8 представлен график, показывающий содержание анализируемого в процессе работы устройства кислорода.

Устройство для переработки резиновой крошки изношенных автомобильных шин содержит графитовый цилиндрический анод 1 в виде вертикально расположенного стакана и графитовый катод 2 в виде сплошного стержня 9 (фиг. 1). На дне анода 1 выполнен цилиндрический выступ 3, диаметр которого равен диаметру катода 2. Кольцевая полость 4, образованная между внутренними стенками анода 1 и центральным цилиндрическим выступом 3 предназначена для размещения резиновой крошки изношенных автомобильных шин, глубина кольцевой полости 4 не превышает половины диаметра катода 2. Анод 1 накрыт крышкой 5 из графита, в центральное отверстие которой внутрь анода 1 вставлен с возможностью вертикального перемещения катод 2 так, что один его конец расположен над цилиндрическим выступом 3, а другой конец прикреплен к концу диэлектрического держателя 6, расположенного горизонтально над анодом 1. Другой конец диэлектрического держателя 6 закреплен на выходном валу линейного винтового сервоприводного устройства 7, которое подключено к компьютеру 8. Анод 1 и катод 2 подключены к источнику постоянного тока 9, который подключен к компьютеру 8.

В боковую стенку анода 1 на расстоянии не более 1,5 диаметра катода 2 от верхнего края стакана, вставлен в патрубок 10 из нержавеющей стали. Патрубок 10 соединен с механическим фильтром грубой очистки 11, который первым силиконовым патрубком 12 соединен с механическим фильтром тонкой очистки 13, позволяющим улавливать ультрадисперсные частицы размером до 0,2 мкм. Фильтр тонкой очистки 13 с помощью второго силиконового патрубка 14 соединен с газоанализатором 15, который оснащен насосом. Газоанализатор 15 подключен к компьютеру 8. Выход газоанализатора 15 третьим силиконовым патрубком 16 соединен с емкостью 17 для сбора газа.

В качестве линейного винтового сервоприводного устройства 7 использован сервопривод VT-80 Linear Stage Suitable PI micos. В качестве механического фильтра грубой очистки 11 может быть использован фильтр с магнитом марки F50/F80. Фильтр тонкой очистки 13 - механический фильтр марки Midisart® 2000, который позволяет улавливать ультрадисперсные частицы размером до 0,2 мкм. Газоанализатор 15 - газоанализатор Тест-1 фирмы ООО «Бонэр» г. Новосибирск. Использован источник постоянного тока 10 с силой тока от 50 до 220 А.

Перед началом работы в полость 4 анода 1 помещают резиновую крошку изношенных автомобильных шин без содержания металлокордных включений с размером частиц от 600 мкм до 5000 мкм. Анод 1 накрывают крышкой 5. При включении источника постоянного тока 9, между нижней частью катода 2 и цилиндрическим графитовым анодом 1 над цилиндрическим выступом 3 возникает электрическая разность потенциалов. При помощи компьютера 8 управляют линейным винтовым сервоприводным устройством 8, перемещая диалектический держатель 6 с закрепленным на его конце катодом 2. При этом свободный конец катода 2 через центральное отверстие в крышке 5 опускают внутрь полости анода 1 до соприкосновения с верхней поверхностью цилиндрического выступа 3, после этого катод 2 отводят от выступа 3 вверх вдоль его продольной оси до образования пространства горения дугового разряда.

В процессе горения дугового разряда под воздействием высоких температур происходит термическое разложение крошки резины изношенных автомобильных шин, при этом продукты разложения в виде ультрадисперсных углеродных частиц и смеси газов СО, СО₂, Н₂, СН₄ поднимаются вверх к горловине анода 1, откуда затягиваются наносом газоанализатора 15 через патрубок 10 в механический фильтр грубой очистки 11, где происходит очистка от крупных частиц, летящих в газовом потоке, затем через первый силиконовый патрубок 12 попадают в механический фильтр тонкой очистки 13, где улавливаются ультрадисперсные частицы размером до 0,2 мкм твердых и маслянистых частиц летящих в газовом потоке. Затем очищенный газ через второй силиконовый патрубок 14 проходит через газоанализатор 15, где определяют его состав. Показания интенсивности формирования основных газовых компонент: СО, СО₂, Н₂, СН₄, О₂ регистрируют компьютером 8. Синтез-газ, пройдя через газоанализатор 15 и третий силиконовый патрубок 16, поступает в накопитель газа 17, где хранится для его последующего использования. После горения дугового разряда в течение 5-8 секунд, с помощью компьютера 8 отключают источник постоянного тока 9. После остывания катода 2 и анода 1, катод 2 выводят из анода 1 так, чтобы можно было открыть крышку 5, которую снимают 5 и собирают осевший на дне и внутренних стенках анода 1 порошок.

Процесс переработки изношенных автомобильных шин повторяют, загружая в полость 4 анода 1 следующую порцию резиновой крошки.

При использовании крошки резины изношенных автомобильных шин, полученной резанием нескольких изношенных шин легковых автомобилей до размера частиц от 600 мкм до 5000 мкм, воздействии дугового разряда в течение 6 секунд при токе 110 А, диаметре катода 8 мм, внутреннем диаметре анода 21 мм, высоте анода 35 мм, расположении патрубка 10 на расстоянии 12 мм от верхнего края стакана, глубине кольцевой полости 4 на дне анода равной 4 мм, был получен углеродный порошок, который по данным рентгеновской дифрактометрии содержит ~95% углеродной графитоподобной фазы (фиг. 2). На картине рентгеновской дифракции четко идентифицирован главный дифракционный максимум, соответствующий углеродному графитоподобному материалу на оси абсцисс в области 26,1 град., а также идентифицированы два малоинтенсивных максимума на оси абсцисс в области 42,2 град., 44,3 град. По данным растровой электронной микроскопии полученный материал содержит частицы с размерами не более 0,1 мкм (фиг. 3). С помощью энергодисперсионного анализа установлено, что полученный материал содержит 91,1% углерода, 3,6% кислорода, 1,4% цинка, 1,2% серы, 0,8% кремния, и других химических элементов с суммарным содержанием не более 1,9%.

По данным анализа компоненты полученного газа формируются со следующей интенсивностью: до 13,4% Н₂ (фиг. 4), до 11,7 СН₄ (фиг. 5), до 5,1% СО (фиг. 6), до 2,5% CO₂ (фиг. 7), не более 11,4% O₂ (фиг. 8). Это позволяет классифицировать полученный газ как горючий синтез-газ, соответствующий энергетическому газу со значительным содержанием водорода. Такой синтез-газ впоследствии пригоден для сжигания в газовом котле и с последующей выработкой тепла для отопления жилых и не жилых помещений.

1. Устройство для переработки резиновой крошки автомобильных шин, содержащее соосно расположенные графитовые анод и катод в виде стержня, держатель, источник постоянного тока, к которому подключены анод и катод, отличающееся тем, что анод выполнен в виде вертикально расположенного стакана, на дне которого выполнен цилиндрический выступ, диаметр которого равен диаметру катода, причем кольцевая полость, образованная между внутренними стенками анода и центральным цилиндрическим выступом, предназначена для размещения резиновой крошки изношенных автомобильных шин и выполнена глубиной не более 0,5 диаметра катода, стакан снабжен съемной крышкой из графита, в центральное отверстие которой вертикально вставлен катод с возможностью перемещения в нем до соприкосновения одного конца катода с цилиндрическим выступом на дне стакана, при этом другой конец катода, расположенный над крышкой стакана, с помощью держателя закреплен на валу линейного винтового сервоприводного устройства, которое подключено к компьютеру, который соединен с источником постоянного тока, в боковую стенку стакана на расстоянии от края стакана не более 1,5 диаметра катода, вставлен первый патрубок отвода продуктов разложения, который соединен с фильтром их грубой очистки, который через второй патрубок соединен с фильтром их тонкой очистки, который третьим патрубком соединен с газоанализатором, выход которого соединен с емкостью для сбора синтез-газа, газоанализатор подключен к компьютеру.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве фильтра грубой очистки продуктов разложения выбран фильтр топливный воздушный с магнитом.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве фильтра тонкой очистки продуктов разложения выбран фильтр, улавливающий частицы размером не более 0,2 мкм.

4. Устройство по п. 1, отличающиеея тем, что в качестве газоанализатора использован газоанализатор дымовых газов, оснащенный насосом.