обоснование ресурсосберегающих технологий и средств утилизации полимерных отходов сельскохозяйственных

На правах рукописи

АСТАНИН Владимир Константинович

обоснование ресурсосберегающих технологий

и средств утилизации полимерных отходов сельскохозяйственных предприятий

05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования – Воронежском государственном аграрном университете им. К.Д. Глинки.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Валерий Владимирович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Евграфов Владимир Алексеевич;

доктор технических наук, профессор

Конкин Михаил Юрьевич;

доктор технических наук, профессор

Свиридов Леонид Тимофеевич.

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ).

Защита диссертации состоится 18 мая 2009 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220. 044. 01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мос-ковский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16-а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ.

Автореферат размещен на сайте ВАК referat_vak@ministry.ru 2009 г.

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор А.Г. Левшин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Полимерные материалы находят широкое применение в конструкциях машин и оборудования сельскохозяйственного назначения. В процессе сервиса технических средств образуются полимерные отходы в виде отработанных деталей, упаковки запасных частей и материалов, тары. Помимо сервисных предприятий (станций технического обслуживания, ремонтных заводов, предприятий торговли) источниками полимерных отходов являются сельскохозяйственные и перерабатывающие сельскохозяйственную продукцию предприятия, объекты общественного питания и здравоохранения, культуры, отдыха и спорта, учебные заведения и бытовой сектор.

Рост потребления полимеров в сельском хозяйстве создаёт серьезную проблему ликвидации отходов: для их захоронения приходится отводить все новые земли, в том числе и из пахотного оборота. Процесс сжигания или естественного разложения пластмасс сопровождается выделением канцерогенов. Они устойчивы к химическому и биологическому разложению, сохраняются в окружающей среде в течение десятков лет и переносятся по пищевым цепям: почва – растения – травоядные животные – человек.

Перспективным направлением утилизации отходов полимеров признана переработка их в другие, менее ответственные изделия. Сдерживающими факторами внедрения рециклинговых технологий пластмасс в сельскохозяйственном производстве России являются территориальная рассредоточенность источников образования отходов полимеров и сложность перестройки технологических линий с выпуска одного вида продукта на выпуск другого, диктуемых конъюнктурой рыночного спроса.

Значительные трудоёмкость и энергоёмкость технологических операций сортировки отходов препятствуют расширению объемов и номенклатуры пластмассовых изделий, доступных для рециклинга.

Вторичные полимеры обладают нестабильными свойствами: разной степенью деструкции, разнотолщинностью, неравномерностью усадки при остывании. Необходимы исследования технологических операций измельчения тонкостенных и пленочных изделий, штамповки штучных изделий из листа для обоснования технологических параметров, обеспечивающих снижение энергоёмкости и материалоёмкости процессов, совершенствование технических средств переработки отходов и контроля параметров выпускаемых изделий, а также предложения по формированию структуры предприятий технического сервиса, обеспечивающих сбор и утилизацию отработанных пластмассовых деталей и изделий.

Народнохозяйственная проблема. Совершенствование одного из составляющих элементов технического сервиса – утилизации пластмассовых деталей и изделий на предприятиях технического сервиса АПК.

Гипотеза. Решение указанной народнохозяйственной проблемы возможно путем создания инфраструктуры предприятий по утилизации полимерных отходов, включающей специализированные предприятия по переработке вторичного полимерного сырья на основе гибких рециклинговых технологий, а также взаимосвязанную с ними сеть предприятий технического сервиса и дилерских пунктов, осуществляющих сбор отработанных пластмассовых деталей и изделий.

Цель работы. Разработка вопросов организации технического сервиса, технологических процессов и технических средств утилизации пластмассовых деталей и изделий на сервисных предприятиях АПК.

Задачи:

Обосновать структуру гибкой технологической системы утилизации пластмассовых деталей и изделий, учитывающей объемы и свойства утилизируемых ресурсов, образующихся в регионе, и территориальную рассредоточенность объектов хозяйствования АПК.

Предложить методику выбора рационального маршрута в гибкой технологической системе для переработки вторичного полимерного сырья.

Предложить методы расчета рациональных параметров технологических операций сортировки утилизируемых полимерных отходов на основе математических моделей оценки их поступления на утилизацию.

Дать обоснование параметров технических средств для измельчения тонкостенных и пленочных изделий.

Предложить методику обоснования рациональной схемы штамповки штучных изделий из листа и техническое средство для её осуществления, а также предложить технические средства для сплошного контроля размеров и отбраковки изделий.

Разработать методику исследования выхода пластмассовых изделий в утилизацию.

Разработать методику прогнозирования объемов и структуры сырьевой базы технологической системы переработки отходов полимеров посредством мониторинга отходов в сельскохозяйственном регионе.

Дать оценку экологического и экономического эффекта от внедрения рециклинга полимеров в регионе (на примере Воронежской области).

Объекты исследований. Гибкие механизированные технологии утилизации пластмассовых деталей и изделий и средства их реализации.

Методы исследований. При выполнении теоретических исследований использовались методы математического анализа и моделирования.

В основу экспериментальных исследований положены натурный пассивный эксперимент, выполняемый в производственных условиях, а также исследования моделей устройств, выполненные в лабораторных условиях. Использовались статистические методы оценки результатов экспериментов.

Научной новизной обладают:

– концепция формирования инфраструктуры предприятий, функционально-целевой и территориальной декомпозиции гибкой технологической системы утилизации пластмассовых деталей и изделий;

– методика расчета технологических показателей сортировки отходов, полученных на основе рассмотрения закономерностей динамики выхода полезной фракции полимеров;

– алгоритм формирования технологического маршрута гибкой технологической системы переработки вторичных полимеров, адаптирующейся к изменениям физико-механических и морфологических свойств сырья;

– концепция оценки и прогнозирования образования потоков выработавших свой ресурс пластмассовых деталей и изделий на основе анализа кругооборота полимеров: потребления, накопления и утилизации пластмасс в регионе;

– статистические закономерности выхода пластмассовых изделий в утилизацию, математические модели функции плотности отказов пластмассовых изделий с учетом рециклинга полимеров.

Значимость для теории. Методика формирования структуры сельских перерабатывающих предприятий на основе декомпозиции технологических подсистем по функционально-целевому и территориальному признакам.

Методика обоснования объемов образования выработавших свой ресурс пластмассовых деталей и изделий на основе анализа кругооборота полимеров в регионе.

Значимость для практики. Для практики имеют значение:

– методика обоснования технологических маршрутов переработки вторичных полимеров, позволяющая обосновать рациональные технологические маршруты по минимуму затрат и максимальной прибыли.

– технические решения по механизации технологических операций, позволяющие снизить энергоемкость процесса измельчения пленочных отходов полимеров; снизить трудоемкость и уменьшить отходы материала при штамповке изделий из листа; повысить качество изделий за счет сплошного контроля их основных параметров.

– методика мониторинга потоков полимеров, позволяющая разработать инфраструктуру предприятий в регионе и рациональную структуру производственной системы утилизации пластмассовых деталей и изделий, обладающей технологической гибкостью и эффективностью.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Принцип формирования структуры гибкой технологической системы переработки отходов полимеров, в основу которого положена функционально-целевая и территориальная декомпозиция, в соответствии с пятью этапами переработки отходов и получаемым полуфабрикатом или продуктом. Методика и расчетные формулы для обоснования наиболее эффективного этапа переработки отходов и соответствующей ему технологической подсистемы применительно к условиям сервисного предприятия и обслуживаемого им района.

2. Методика формирования технологических маршрутов гибкой технологической системы переработки вторичных полимеров, совокупность алгоритмов и математических моделей для ее реализации.

3. Методика и математические модели для обоснования параметров сортировки отходов при условии безубыточности, снижения энергоёмкости измельчения тонкостенных и пленочных изделий, снижения потерь материала в процессе листовой штамповки.

4. Научно обоснованная концепция и совокупность математических моделей для прогнозирования доступных для переработки объемов образования выработавших свой ресурс пластмассовых деталей и изделий в сельскохозяйственном регионе, построенные на основе анализа кругооборота полимеров: потоков потребления пластмассовых изделий и утилизации отхо-дов полимеров, объема накопления пластмассовых изделий в эксплуатации.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на 4-й Международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии» (г. Воронеж, 23–25 мая 2001 г.), 7-й Международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии» (г. Воронеж, 19-21 мая 2004 г.), 6-й Международной научно-методической конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (г. Воронеж, ВГУ, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Опыт и проблемы природопользования при реализации президентских программ в Центральном Черноземье России» (г. Воронеж, ВИСХАГИ, 26 декабря 2005 г.), 9-й Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья Российской Федерации» (г. Липецк, 12 декабря 2007 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Региональные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса» (г. Курск, 20 – 22 марта 2007 г.), Международной конференции, посвященной 95-летию ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени К.Д. Глинки» «Мировой опыт и перспективы развития сельского хозяйства» (г. Воронеж, ВГАУ, 23–24 октября 2007 г.).

Публикации. Основные результаты опубликованы в монографии, 40 печатных работах, в том числе в 8 патентах и авторских свидетельствах. Тринадцать работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из общей характеристики работы, шести глав, общих выводов, списка литературы из 296 наименований, изложена на 253 страницах, включая 48 рисунков и 42 таблицы.

Основное содержание работы

1 Анализ состояния вопроса по технологическим системам для утилизации отходов пластмасс в сельском хозяйстве

В России создана мощная сеть предприятий технического сервиса машин и оборудования сельскохозяйственного назначения. В настоящее время предприятия испытывают трудности в связи с уменьшением численности машинно-тракторного парка в хозяйствах и снижением платежеспособности производителей сельскохозяйственной продукции. Резервом повышения экономического состояния предприятий является организация сервиса заключительной стадии жизненного цикла машин – утилизации технических средств.

Машины и механизмы являются не только потребителями материальных ресурсов, поддерживающих их работоспособность. В процессе эксплуатации, а в большей мере на заключительной стадии жизненного цикла образуются отходы в виде лома чёрных и цветных металлов, отработанных резинотехнических и полимерных материалов, которые целесообразно использовать как вторичные ресурсы.

Концепция утилизации технических средств, как система научных взглядов, сформулирована профессором М.Ю. Конкиным. В её основу положены труды академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова и его после-дователей: академика Россельхозакадемии В.И. Черноиванова, члена-коррес-пондента Россельхозакадемии А.Э. Северного, профессора С.С. Черепанова. Важный вклад в развитие научной базы создания и функционирования предприятий, осуществляющих сервис заключительной стадии жизненного цикла машин – утилизацию автотракторной техники, внесли Власов В.Н., Дидманидзе О.Н., Евграфов В.А., Новиков А.Н., Пучин Е.А, Трофименко Ю.В., Халфин М.А. и др.

Под утилизацией предлагается понимать комплекс научно обоснованных технических, технологических, организационно-экономических, правовых мероприятий, процессов, нормативов по частичной и полной переработке использованных технических средств производства и сопровождающих их ресурсов, обеспечивающих ресурсосбережение и охрану природы.

Значительное место в конструкциях машин занимают детали и изделия из полимерных материалов. Потребление полимеров ежегодно возрастает в среднем на 5–6 %. В комбайнах «Нива», по данным К.С. Абрамова, были использованы пластмассовые детали из 81 наименования массой 9,64 кг, «Колос» – 91 наименование массой 9,15 кг, «Дон 1500» – 237 наименований массой 103 кг. В автомобилях КАМАЗ используются более 350 наименований пластмассовых изделий. На них приходится 1,5–2 % массы автомобиля или от 55 кг на старых моделях до 100–120 кг на новых. Предприятие намерено до 2010 года удвоить объём пластмассовых конструкций и деталей и довести его до 200–250 кг на машину.

Доля пластмассовых деталей в машинах по механизации животноводства так же возрастает от поколения к поколению машин.

Полимеры широко используются в сопутствующих изделиях: таре для масел и технических жидкостей, инструментах и приспособлениях, в упаковке запасных частей и продукции сельскохозяйственного производства.

Прогрессивным направлением утилизации отработанных пластмассовых изделий в странах мирового сообщества признана переработка их в другие изделия. Наиболее сложной и трудоёмкой технологической операцией считается сортировка твердых отходов.

Вопросам совершенствования технологии и технических средств механизированного разделения твердых смесей различных составов посвящены работы С.В. Дуденкова, В.Е. Егорова, В.В. Кузнецова, В.Н. Лебедева, А.С. Малкина, А.В. Мельникова, А.Н. Мирного, В.Я. Ройзмана, Л.Т. Свиридова, Л.Я. Шубова.

Измельчение вторичных полимеров нашло отражение в работах В.В. Абрамова, Д.А. Арашкевич, В.А. Кондратьева, И.В. Макеева, Ф. Ла Мантия, Н.А. Твердовской, Н.М. Чалой, С.А. Шалацкой, Л. Штарке.

Переработка вторичных полимеров затрудняется из-за частой смены производимого продукта и перерабатываемого при этом полимера: полипропилена (ПП), полиэтилена (ПЭ), полистирола (ПС), поливинилхлорида (ПВХ). Для обеспечения устойчивой работы предприятия, по мнению специалистов, производственная система должна обладать технологической гибкостью.

Разработке гибких производственных систем посвящены труды В.О. Азбель, В.И. Антонова, А.И. Костина, С.А. Майорова, Г.В.Орловского, А.П. Соколовского, В.В. Черенкова, Б.И. Черпакова, Дж. Хартли, Б.В. Яковлева.

2 Обоснование гибкой технологической системы переработки вторичных полимеров для сельскохозяйственного региона

Исходной позицией для разработки такой системы предложена дифференциация производственного процесса на характерные этапы. Выделены пять этапов переработки сырья по степени воздействия на материал и получаемый полуфабрикат или продукт. Критериями дифференциации предложены полуфабрикаты или продукты, которые имеют коммерческую ценность и могут быть реализованы на рынке вторичных полимерных материалов. Таковыми могут выступать: 1-й этап – отходы полимеров, подготовленные к переработке или транспортировке; 2-й этап – отсорти-рованные полимерные отходы; 3-й этап – дроблёнка или агломерат; 4-й этап – гранулы вторичных полимеров или погонажные изделия; 5-й этап – изделия циклического литья или штамповки.

Подсистемы гибкой производственной системы переработки вторичных полимеров (рисунок 1) выделены по функционально-целевому признаку и обеспечены автономностью и независимостью функционирования.

Технологические элементы должны работать по схеме: накопитель – станок – накопитель. Структура каждой подсистемы выполнена так, что сырьем для нее служит предыдущий полуфабрикат, а результатом ее работы является последующий промежуточный продукт или потребительское изделие. Это даёт возможность осуществить территориальную декомпозицию производственной системы переработки отходов полимеров на технологические модули определённого уровня, обеспечивающие унификацию вырабатываемого полуфабриката или продукта и стабильное взаимодействие с подсистемами высшего уровня.

Подсистему первого уровня составляют подразделения предприятий технического сервиса машин и дилерские пункты, задача которых сбор и сортировка твердых отходов на местах их образования. Продуктом подсистемы являются отходы полимеров, подготовленные для транспортировки от места образования к технологическому модулю второго уровня.

Подсистема второго уровня осуществляет приёмку вторичного полимерного сырья, сортировку по видам полимера, степени загрязненности, виду изделия и другим признакам, а также накопление отсортированных фракций и передачу их к технологическим модулям третьего уровня.