Актуальность темы. На данный момент в стране и мире остро стоит проблема хранения, утилизации и переработки отходов. Большая часть отходов приходится на твердые бытовые, в том числе на изношенные шины различных транспортных средств. По примерным подсчетам на данный момент в мире имеются запасы порядка 35 миллионов тон, а ежегодный прирост составляет примерно 6-7 миллионов тон. Из упомянутого количества изношенных покрышек перерабатывается только 23-25%. Переработки производится либо методом сжигания с целью получения энергии, либо методом механического измельчения в различные фракции для дальнейшего использования в качестве различных внешних покрытий дорог, тротуаров, спортивных и детских площадок. Остальные 75% просто складируются на открытых полигонах или в подземных хранилищах из-за отсутствия рентабельного метода утилизации [1]. 

Следует так же отметить что резина, складируемая на полигонах надземных или подземных, при контакте с дождевой или грунтовыми водами выделяет крайне вредные химические соединения и канцерогены такие как фенантрен, дифениламин и т. п. вещества с предельно допустимыми концентрациями 10мг/м³ воды.
Для справки: Европейский Союз запретил сжигание в атмосфере и захоронение в земле покрышек с 2003 года. Изношенные покрышки представляют собой вторичное сырье выгодное для дальнейшего использования: 25% технического углерода, 55-60% каучука, 10-15% металла. Поэтому экономически эффективный способ переработки позволит обеспечить не только рентабельность перерабатывающих производств, но и решить экологический аспект данной проблемы. Одним из наиболее перспективных и эффективных методов переработки является метод низкотемпературного пиролиза. 
Низкотемпературный пиролиз – метод термического разложения сырья в закрытом реакторе при полной изоляции от кислорода, или при его небольшом количестве. В результате протекания пиролитической реакции на выходе из сырья получаются следующие вещества: твердый углеродный остаток (сажа), газовая фракция и ароматические углеводороды т. е. синтетическое топливо.
С экологической и экономической точки зрения метод пиролиза обладает рядом преимуществ перед методом обычного сжигания. К тому же при правильной организации технологического процесса данный метод может быть полностью безотходным. Несмотря на все преимущества данного метода он пока не получил широкого распространения ввиду слабо отработанной технологии и большой длительности технического процесса. 
Таким образом, актуальность темы состоит в совершенствовании технологических процессов пиролиза изношенных шин и в разработке устройств и систем контроля и управления пиролизной установкой по переработке изношенных шин, позволяющей повысить эффективность процессов пиролиза.
Пиролиз изношенных шин. На рисунке 1 приведена схема установки пиролиза изношенных шин. Она содержит бункер 1 загрузки изношенных шин в реактор, ограничитель 2 выхода газа в атмосферу из реактора при загрузке изношенных шин в реактор, реактор 3 пиролиза изношенных шин, колосниковую камеру 4, бункер твердого остатка 5 пиролиза изношенных шин в реакторе, циклон 6, топку 7 с газовой горелкой для сжигания части пиролизного газа, сепаратор аэрозоля (каплеотбойник) 8, конденсатор 9 жидкостной фракции из пиролизного газа, адсорбер 10 тонкой очистки пиролизного газа, газопровод 11 и вентилятор 12 для подачи одной части пиролизного газа внешним потребителям, а другой части – на сжигание в топке реактора пиролиза изношенных шин. [1]

Математическое описание реактора пиролиза изношенных шин как объекта автоматического управления. Принимая, что реактор делится на две части крошкой сырья, принимем, что нижняя часть реактора с давлением Pi является первой частью объекта автоматического управления, а верхняя часть реактора с давлением Рг является второй частью объекта автоматического управления.
На основании этих условий нижнюю часть реактора пиролиза изношенных шин представим в виде схемы, приведенной на рисунке 1. Эта схема состоит из регулирующего клапана 1, расположенного на входе рециркулируемых газов в емкость, пневматической емкости 2 и пневматического сопротивления 3, установленного на выходе рециркулируемых газов из емкости 2.
Уравнение динамики устройства, состоящего из емкости и клапана, расположенного на входе и пневматического сопротивления, расположенного на выходе из емкости, (рисунок 1) может быть представлено, с учетом работы в следующем виде

 (1)

где  - объем рециркулируемых газов в емкости, м3; р – плотность рециркулируемых газов, кг/м3; t – время, с; и - массовый расход рециркулируемых газов в емкость 2 и из этой емкости, кг/с.

Рис. 3. Пневматическая схема нижней части реактора пиролиза

Пневматическая схема нижней части реактора пиролиза изношенных шин, состоящая из клапана, расположенного на входе рециркулируемых газов в нижнюю часть реактора, емкости и обобщенного пневматического сопротивления, расположенного на выходе рециркулируемых газов из крошки изношенных шин в реакторе.
Для газообразных сред используют уравнение P/p = RT Дифференцируя это уравнение по Р и р как dP = RTdp или  и подставив в уравнение (1) получим 

Уравнение (2) – нелинейное, которое необходимо линеаризовать. Переменными величинами в уравнении (2) являются 
Установившиеся значения этих переменных величин обозначаем:

После преобразования выражения (2) по Лапласу получим (3)

(Tas + к1)- x(s) = a(s) - b(s) + k2c(s) + k3y(s), (3)

Рис. 4. Структурная схема нижней части реактора пиролиза

На рисунке 4 представлена структурная схема реактора пиролиза изношенных шин, состоящая из клапана, расположенного на входе рециркулируемых газов в нижнюю часть реактор (емкость), и обобщенного пневматического сопротивления, моделирующего сопротивление рециркулируемых газов в крошке изношенных шин, по уравнению (3) [2]
Структурная схема реактора пиролиза изношенных шин как объекта автоматического управления по давлению рециркулируемых газов. На рисунке 5 приведена пневматическая схема реактора пиролиза изношенных шин, состоящая из клапана 1, установленного на входе рециркулируемых газов в нижнюю часть реактора, нижней части реактора 2, обобщенного пневматического сопротивления крошки изношенных шин рециркулируемым газам 3 (или 4), верхней части реактора 5 и клапана 6, расположенного на выходе рециркулируемых газов из верхней части реактора. Для нижней части реактора пиролиза изношенных шин, структурная схема которой приведена на рисунке 2, была определена передаточная функция (3) изменения давления в нижней части реактора по проходному сечению  входного регулирующего клапана.

Пневматическая схема реактора пиролиза изношенных шин, состоящая из клапана, установленного на входе рециркулируемых газов в нижнюю часть реактора, нижней части реактора, обобщенного пневматического сопротивления крошки изношенных шин рециркулируемым газам, верхней части реактора и клапана, расположенного на выходе рециркулируемых газов из верхней части реактора

На рисунке 6 представлена структурная схема, составленная по уравнениям (2) и (3), реактора пиролиза изношенных шин как объекта автоматического управления по давлению рециркулируемых газов, состоящая из регулирующих клапанов, расположенных на входе и выходе рециркулируемых газов из реактора, и реактора, состоящего из двух частей, разделенных крошкой изношенных шин.
По структурной схеме (рисунок 6) по каждому входному сигналу можно определить передаточную функцию.[3]

    (4)

    (5)
Выводы

1. Получено математическое описание нижней части реактора пиролиза изношенных шин как объекта автоматического управления по давлению рециркулируемых газов в виде дифференциальных уравнений и передаточных функций.
2. Составлены структурные схемы реактора пиролиза изношенных шин, как объекта автоматического управления по давлению рециркулируемых газов для нижней, верхней частей и всего реактора и получены передаточные функции реактора по входным параметрам.
3. Полученные дифференциальные уравнения и передаточные функции позволяют проектировать цифровые системы автоматического управления применительно к реактору пиролиза изношенных шин.

1. Вторичное использование и переработка изношенных шин. Обзор основных тенденций и проблем в переработке шин. (http://www.recyclers.ru/modules/section/item.php?itemid=101).
2. Жежера Н.И. «Математическое описание устройств и процессов как объектов систем автоматического управления: монография.» – Креативная экономика, 2012. – 200 с. Разгон. Д.Р.
3. Жежера Н.И., Тямкин С.А. «Теоретические основы интенсификации газообмена при автоматизации пиролиза изношенных шин»

Все статьи автора «Заргарян Елена Валерьевна»