обоснование ресурсосберегающих технологий и средств утилизации полимерных отходов сельскохозяйственных

Для нескольких компонентов, выходящих по разным законам в некоторый промежуток времени t, в общем виде прибыль может быть определена по формуле:

(30)

при t

t tci ; tНi = tcНi ; tЛj = tcЛj ; tKk = tcKk ; tЭl = tcЭl ; KНi = KЛj = KKk = 1;

где KНi; KЛj; KKk KЭl – коэффициенты, учитывающие закон выхода полезной фракции (таблица 1): неизменной интенсивности, линейного, квадратичного, экспоненциального. Индексы Н, Л, М, Э принимают значения: 0, 1, 2, … Если индекс принимает значение, равное нулю, то слагаемое, обозначенное этим индексом, также равно нулю.

Сервис машин и оборудования сопровождается образованием плёночных отходов: упаковки деталей и технических материалов, расконсервации отдельных элементов машин, например сидений, гидроцилиндров. В качестве измельчителей плёночного материала широко используются дробилки, которые реализуют принцип безопорного резания. Нами рассмотрена вероятностная модель измельчения плёночных отходов. Для определения конечного параметра частицы предложено выражение:

. (31)

где m и l – параметры частицы соответственно до и после измельчения, см2; t – продолжительность измельчения, мин.; n – частота вращения ножевого ротора, мин-1; k – количество ножей на роторе, p, q и с – коэффициенты.

Зависимости изменения параметра частицы от продолжительности измельчения представлены на рисунке 3. Из рисунка видно, что все кривые в начальный момент имеют крутое снижение.

В дальнейшем крутизна кривых уменьшается, приближаясь к горизонтальному участку при значениях аргумента 1…1,5 мин. Результаты экспериментов по критерию Фишера не отвергают расчетные данные с уровнем значимости 1 %.

Ряд широко распространённых изделий изготавливается методом штамповки из листа: тарелки, стаканчики, контейнеры для упаковки мелких запасных частей и сельскохозяйственной продукции, подставки и другие изделия.

Нами предложено устройство, которое позволяет снизить материалоёмкость процесса за счет осуществления штамповки в шахматном порядке. Выполнена оценка эффективности шахматной схемы штамповки. Для определения доли материала, идущего в отход, предложены выражения:

при линейной схеме штамповки ; (32)

при шахматной схеме штамповки , (33)

где d – диаметр деталей; k – припуск материала; l – ширина листа.

Графики зависимостей долей материала, идущего в отход, от ширины ленты при неизменном диаметре штампуемых деталей 50 мм представлены на рисунке 4. Нижняя кривая представляет собой разность f3 = f2 – f1.

Кривые функций потерь материала в отход имеют подъемы, чередующиеся с резкими спадами. При ширине ленты, значительно (в 10 раз и более) превышающей диаметр детали, разность между долями в пользу предлагаемого устройства приобретает стабильный характер в пределах 15–20 %.

Особенностью производст-венной системы агропромышлен-ного комплекса является территориальная рассредоточен-ность источников образования полимерных отходов. Предложена многоуровневая структура сети предприятий, перерабатывающих полимерные отходы (рисунок 5).

Предприятия высшего звена объёмом переработки свыше 500 тонн в год могут быть организованы вблизи областных и районных городов, генерирующих большие объемы отходов полимеров. Оснащенные технологическими подсистемами пятого уровня, они могут производить высокотехнологичные изделия, обеспечивающие значительные эксплуатационные показатели: сложные детали сельскохозяйственной техники, крупные ёмкости и контейнеры для сельскохозяйственной продукции и материалов. Успешную работу этих предприятий определяет качественное сырьё, поэтому необходима кооперация с предприятиями среднего и низшего звеньев.

Рисунок 5 – Структурная схема сети предприятий по переработке отходов полимеров

Специализированные предприятия среднего звена с объёмом переработки от 100 до 500 тонн полимерных отходов в год целесообразно специализировать на выпуске изделий из определенных видов полимеров, поэтому между ними и предприятиями низшего звена должна быть налажена четкая кооперация с целью обмена сырьем.

В качестве низшего звена могут выступать предприятия технического сервиса, осуществляющие техническое обслуживание, ремонт и утилизацию машин. Кроме того, на предприятиях, перерабатывающих продукцию АПК, а также в сельских населенных пунктах могут быть организованы дилерские пункты, которые будут выполнять функцию первого уровня переработки: осуществлять сбор и подготовку отходов полимеров к отправке на перерабатывающие предприятия. При оснащении их недорогим технологическим оборудованием с небольшим энергопотреблением они смогут выполнять и первичную переработку в виде сортировки, очистки и измельчения отходов.

Для согласования деятельности предприятий может быть организована холдинговая компания, которая будет осуществлять кредитование предприятий и предпринимателей, координацию потоков сырья между предприятиями, разработку и внедрение в производство новых видов изделий, прогрессивного технологического оборудования.

3 Прогнозирование сырьевой базы технологических систем утилизации полимерных отходов в сельскохозяйственном регионе

Создание технологии переработки во многом определяется объёмами перерабатываемого сырья. Нами предлагается проводить прогноз объёмов образования полимерных отходов на основе их постоянного мониторинга. В основу методологии мониторинга положена концепция кругооборота полимеров, которая формулируется следующим образом: в регионе постоянно осуществляется кругооборот полимеров, при этом сохраняется баланс потто-ков: потока поступления пластмассовых изделий в регион, потока, формиру-ющего накопление изделий в эксплуатации, потока полимеров в утилизацию.

Рассмотрен баланс потоков полимеров в регионе:

QЭ = QП – QУ, (34)

где QЭ – поток пластмасс, формирующий накопление их в эксплуатации; QП – поток поступления пластмасс; QУ – поток утилизируемых пластмасс.

Баланс потоков поступления пластмасс и выхода их в утилизацию представлен на рисунке 6. Баланс полимера i-го вида, например полиэтилена, выразится следующими уравнениями:

; (35)

; (36)

где МПi, QПi – суммарная масса и поток поступивших изделий; МЭi, QЭi – масса и поток изделий, находящихся в эксплуатации; Мрецi, Qрецi – масса и поток рециклируемых изделий; Мхрi, Qхрi – масса и поток изделий, заложенных на полигон отходов, но ещё не разложившихся; Мразi, Qразi – масса и поток разложившихся изделий; Мсжi, Qсжi – масса и поток сожженных изделий из i-го полимера.

Закономерности поступления отработанных деталей и изделий из эксплуатации в утилизацию представлены функцией плотности выбытия, для описания которой принят, в соответствии с предельной теоремой распределения случайных величин, нормальный закон распределения.

при , (37)

где ri – средний ресурс изделий из i-го материала; rij – j-й средний ресурс изделий из i-го материала, если материал имеет несколько сроков эксплуатации; i – среднее квадратическое отклонение срока амортизации изделий из i-го материала; ij – среднее квадратическое отклонение j-го срока амортизации изделий из i-го материала, если материал имеет несколько сроков эксплуатации; Pi – доля i-го материала в структуре потребления полимеров; Pij – доля i-го материала c j-м сроком амортизации.

Графики функций плотности выбытия изделий в утилизацию представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 – Графики функций плотности выбытия пластмассовых изделий в утилизацию

Рециклинг искажает представленную функцию, так как часть материала возвраща-ется в эксплуатацию. Суммарная функция распределения плот-ности выбытия изделий из пластмасс с учетом рециклинга выразится как:

. (38)

Для оценки кругооборота полимеров разработаны математические модели, характеризующие потоки потребления, накопления и утилизации пластмассовых изделий в регионе. Поток пластмасс в регион предлагается определять как сумму потоков пластмасс к потребителям.

Общая масса пластмасс, поступивших в регион:

. (39)

В качестве оценки объёмов накопления полимеров в эксплуатации используется масса эксплуатируемых изделий. Масса изделий из полимера одного вида может быть определена функционалами

, (40)

или , (41)

где tОУ – условное время, когда функция утилизации принимает значение, равное нулю.

Для исследования потоков отработанных пластмассовых изделий на утилизацию предложен функционал

; x (t – t0). (42)

Рециклинг полимеров изменит соотношение потоков, так как часть материала после переработки будет возвращена в эксплуатацию. Поток амортизированных пластмассовых изделий на утилизацию с учётом однократного рециклинга выразится как

, (43)

где Fi(x,ri,i) – интегральная функция распределения ресурса изделий из i-го вида пластмасс от аргументов (x,ri,i); Fi(x,2ri,i) – интегральная функция распределения ресурса изделий из i-го вида пластмасс от аргументов (x,2ri,i), построенная по двукратному 2ri среднему ресурсу; Dрецi(t–t0–x) – функция доли рециклинга пластмасс по ретроспективному времени.

При двукратном рециклинге поток амортизированных пластмассовых изделий на утилизацию будет меньше на величину потока повторно рециклируемых изделий:

(44)

где Fi(x,3ri,i) – интегральная функция распределения ресурса изделий из i-го вида пластмасс от аргументов (x,3ri,i), построенная по трехкратному 3ri среднему ресурсу.

Таким образом, представленные методы и зависимости позволяют прогнозировать сырьевую базу предприятий, перерабатывающих отходы полимеров.

4 Результаты экспериментальных и статистических исследований

Для прогнозирования динамики образования отходов пластмасс нами проанализировано производство полимеров в России (рисунок 8).

Для прогноза потребления полимеров в регионе может быть построена математическая модель через норму потребления и количество потребителей:

QОбл. Т = NОбл 1,9(t – 1995), (45)

где QОбл.Т, – потребление термопластичных полимеров в Воронежской области; NОбл, – число жителей области.

производство полимеров и смол; производство термопластов; • • потребление термопластов.

Рисунок 8 – Динамика произ-водства и потребления полимеров и смол в России

Объёмы пластмассовых изделий, находящихся в эксплуатации, исследовались методом анкетирования. Анализ показывает, что средняя масса полимеров, приходящихся на одного человека, составляет 69,99 кг, среднеквадратическое отклонение – 88,55 кг, коэффициент вариации – 126 %.

Ошибка среднего значения – 14 кг, доверительный интервал, определенный по t – критерию, составляет 70 ± 28 кг.

Автором решена задача оценки продолжительности использования пакета в эксплуатации. Данные обрабатывались с помощью Mathcat 12. Размах жизненного цикла пакетов составил 1…26 дней. Средний срок службы пакетов составил 5,5 дней, среднее квадратическое отклонение – 4,8 дня, коэффициент вариации – 88,0 %, ошибка среднего срока – 0,49 дней, доверительный интервал при 95 % уровне значимости составил 1,0 день. Таким образом, срок службы пакета составил 5,5±1,0 или 4,5…6,5 дней.

Расчеты возможных объёмов вторичного полимерного сырья показывают, например, что Воронежская область может поставить на рынок около 11,6 тысяч тонн (свыше 4,8 тыс. т полиэтилена, около 2,6 тыс. т поливинил-хлорида; свыше 1,5 тыс. т ПЭТФ; до 1,5 тыс. т полипропилена; до 1,2 тыс. т вторичного полистирола и его сополимеров). Россошанский район Воронежской области может направить для вторичной переработки до 460 тонн полимерного сырья в год. Сельские населенные пункты, в зависимости от их величины, могут образовать до 20 тонн полимерных отходов в год. От объёмов доступных для переработки вторичных полимеров зависит и мощность предприятий, перерабатывающих этот материал.

5 Технические решения отдельных технологических задач и внедрение в производство

Для измельчения тонкостенных и плёночных отходов предложен новый измельчитель (патент на полезную модель 49 467 U1, № 2005118458/22), не допускающий образования вращающегося кольцевого слоя материала и позволяющий снизить потери энергии на перемешивание материала, повысить производитель-ность процесса резания на 8 – 12 %, рисунок 9. Он состоит из вертикальной цилиндрической ёмкости 1 с загрузочным 2 и выгрузочным 3 отверстиями. В нижней части расположен механизм измельчения в виде двух пар ножевых режущих элементов 7 и 8, закрепленных на отдельных приводных валах 4 и 6, которые расположены коаксиально. Внешний полый вал 4 приводит во вращение нижнюю траверсу 5, внутренний вал 6 приводит верхнюю траверсу 9. Устройство смонтировано на сварной станине 12.

Траверсы имеют разное направление вращения, за счёт чего удается снизить скорость движения материала в цилиндрической ёмкости, не допустить образования вращающегося кольцевого слоя материала, снизить потери энергии на перемешивание и повысить производительность процесса резания на 8 – 12 %.

Подающее устройство к прессу для штамповки изделий из листа (а.с. 1646649, рисунок 10), было внедрено в 1991 году. Устройство включает основание 1, на котором с помощью подшипника 2 и направляющей 3 установлена каретка 4, которая снабжена кронштейнами 5 для крепления рулона 6 материала, пневматических зажимов: неподвижного 7 и подвижного 8, установленного на каретке с возможностью перемещения вдоль её оси и приводимого в движение пневмоцилиндром 9, механизма 10 перемещения каретки. Штамповка изделия производится с отсечкой выштамповки. Подающее устройство позволило снизить расход материала до 20 % и повысить производительность штамповки до 12 %.

Участок производства полимерных труб из отходов полимеров был пущен в эксплуатацию на ООО «ДОП Воронежстрой» в июне 1994 года и действует по настоящее время. Назначение участка – производство труб для строительства, теплиц, животноводства, садоводства и других целей. Участок представлен на рисунке 11.

Рисунок 11 – Участок по производству полимерных труб

Номенклатура участка представляет собой четыре типоразмера труб: 20; 25; 32 и 40 мм. Производительность технологической линии – 20 кг/ч. За время работы участка было переработано около 350 тонн отходов полимеров, произведено свыше 15 000 км труб на сумму свыше 120 млн. руб.

Многие технические жидкости расфасовываются в ёмкости с резьбовыми горловинами. Существует необходимость сплошного автоматизированного контроля резьбовых поверхностей ёмкостей перед подачей их на заполнение. Операция контроля трудоемка и требует неослабного внимания. Нами предложены технические решения технологических операций по контролю резьбовых поверхностей изделий (а.с. 1395929; а.с.1425424; а.с. 29476). Устройства использованы в автоматизированных линиях контроля и отбраковки деталей КОД-1 на двух предприятиях. Внедрение устройств улучшило условия труда работников, снизило трудоёмкость контроля на 7,3 %, снизило уровень брака на 11,4 %.

6 Оценка экологического и экономического эффекта от внедрения рециклинга полимеров в регионе (на примере Воронежской области)

В шестом разделе приводятся расчеты снижения экологического давления отходов полимеров на природную среду региона при их рециклинге.

На полигонах, санкционированных и несанкционированных свалках Воронежской области, по данным Госкомэкологии, размещено 8 687 662 тонны отходов. При этом площадь, занимаемая свалками и полигонами, составляет 760 гектаров. Если направить на переработку 11,67 тысяч тонн отходов полимеров, то это позволит сберечь от загрязнения около одного гектара в год. Уменьшится не контролируемое, но столь очевидное загрязне-ние отходами полимеров территорий, соседствующих со свалками мусора.

Рециклинг полимерных отходов в масштабах Воронежской области позволит снизить объёмы вредных выбросов, в том числе углекислого газа, – до 31 266 тонн и хлористого водорода до 1 458 тонн в год.

Экономическая оценка работы дилера в населенном пункте с числом жителей около 4 тысяч человек и объемом сбора отходов полимеров около 20 тонн в год показывает (таблица 2): ожидаемый чистый годовой доход (в ценах 2005 года) только от сбора отходов составляет 50 440 руб. Выполнение дилером технологических операций второго и третьего уровней позволяет получить чистый доход до 159 786 руб. в год, что более чем в 3 раза превышает доход от реализации необработанного вторичного сырья.

Таблица 2 - Ожидаемый годовой доход дилера от сбора и первичной переработки 20 т полимерных отходов, руб.

Виды продукции	Годовой доход	Затраты	Чистый доход	Доход в месяц
Сбор	80 000	9 888	50 440	4 203
Сбор и переработка	266 800	51 520	159 786	13 315