基于生命周期的工程翻新輪胎碳排放分析與評(píng)價(jià)

王 強(qiáng), 焦生杰

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2. 黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150050)

輪胎翻新是節(jié)約橡膠原材料、解決廢舊輪胎環(huán)境污染、能夠最大限度地利用輪胎使用價(jià)值的資源再生利用方式[1-2].目前世界翻新輪胎的年產(chǎn)量約為1億條,輪胎在良好的使用及保養(yǎng)條件下,一條輪胎可以進(jìn)行多次翻新,其中簾線斜交輪胎可達(dá)2～3次、鋼絲子午線輪胎翻新次數(shù)可達(dá)3～6次,然而實(shí)際被翻新次數(shù)較少,多數(shù)情況下僅1次翻新即報(bào)廢.翻新輪胎的平均使用壽命是同型號(hào)新輪胎的60%～90%,部分翻新質(zhì)量較高輪胎的使用壽命、安全性能接近甚至高于新輪胎,而且如果多次翻新,輪胎的累積使用壽命將大大提高.翻新一條輪胎的總耗膠量?jī)H占生產(chǎn)同樣一條新輪胎的10%～30%,其銷售價(jià)格僅為新輪胎的20%～50%,蘊(yùn)含著巨大的經(jīng)濟(jì)效益.由此可見(jiàn),輪胎翻新不僅節(jié)約橡膠資源、節(jié)能環(huán)保,而且能夠促進(jìn)廢舊資源的再利用,將“黑色污染物”的利用率大幅提升[3-5].

工程輪胎作為土、石方礦山區(qū)主要消費(fèi)品之一,其成本將會(huì)對(duì)運(yùn)輸企業(yè)經(jīng)濟(jì)及運(yùn)營(yíng)狀況產(chǎn)生較大影響,工程輪胎的費(fèi)用約占整個(gè)土、石方礦采費(fèi)用的20%～30%[6].工程輪胎通常在采礦區(qū)、山區(qū)、建筑工地等惡劣環(huán)境下連續(xù)作業(yè),受路面硬物沖擊力較大,要求工程輪胎胎面膠膠料需具有較高的耐切割和耐磨損性能.據(jù)文獻(xiàn)[7-8]顯示,工程輪胎失效形式中,崩花掉塊、脫層等非正常磨損失效率高達(dá)93%.因此,提高廢舊工程輪胎的翻新率,可有效提高廢舊工程輪胎的利用率,將會(huì)大大節(jié)約橡膠資源和促進(jìn)綠色環(huán)保.而工程輪胎翻新對(duì)社會(huì)、企業(yè)及環(huán)境產(chǎn)生的影響,目前還缺乏系統(tǒng)性、針對(duì)性以及定量分析與評(píng)價(jià).為此,筆者基于生命周期理論,通過(guò)構(gòu)建工程翻新輪胎碳排放模型,定性、定量描述和評(píng)價(jià)工程翻新輪胎再利用階段5種處理方式的碳排放削減效果,為工程翻新輪胎的推廣應(yīng)用及輪胎翻新行業(yè)政策制定提供理論指導(dǎo).

1 工程翻新輪胎生命周期環(huán)境影響分析

工程翻新輪胎生命周期對(duì)環(huán)境的影響分析可用碳流動(dòng)模型來(lái)衡量,其碳流動(dòng)模型是在能量消耗模型的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,工程翻新輪胎生命周期的碳流動(dòng)分析如圖1所示,所構(gòu)建的工程翻新輪胎生命周期碳排放模型[9-12]為

TC=TC1+TC2+TC3+TC4,

(1)

式中:TC為總碳排放量;TC1為生產(chǎn)階段的碳排放量;TC2為運(yùn)輸階段的碳排放量;TC3為使用階段的碳排放量;TC4為再利用階段的碳排放量.

圖1 工程翻新輪胎生命周期的碳流動(dòng)

2 碳排放模型

工程翻新輪胎生命周期碳排放模型是基于熱力學(xué)第一定律和質(zhì)量守恒定理建立起來(lái)的,生產(chǎn)階段碳排放量為

(2)

式中:PCMi為生產(chǎn)階段原材料i的消耗量;PCMIi為生產(chǎn)階段原材料i的碳排放系數(shù);PCEj為生產(chǎn)階段能源j的消耗量;PCEIj為生產(chǎn)階段能源j的碳排放系數(shù).

運(yùn)輸階段碳排放量為

TC2=TD×TCEj×TCEIj,

(3)

式中:TD為運(yùn)輸階段的平均運(yùn)輸距離;TCEj為運(yùn)輸階段的能源消耗量;TCEIj為運(yùn)輸階段能源的碳排放系數(shù).

使用階段碳排放量為

TC3=UD×UCEj×UCEIj,

(4)

式中:UD為使用階段的平均運(yùn)輸距離;UCEj為使用階段的能源消耗量;UCEIj為使用階段能源的碳排放系數(shù).

再利用階段碳排放量為

(5)

式中:RCMi為再利用階段原材料i的消耗量;RCMIi為再利用階段原材料i的碳排放系數(shù);RCEj為再利用階段能源j的消耗量;RCEIj為再利用階段能源j的碳排放系數(shù).

3 碳排放評(píng)價(jià)指標(biāo)

工程翻新輪胎的凈碳盈余為

NCS=AC-TC4,

(6)

式中AC為再利用階段碳削減量.

工程翻新輪胎二次翻新、機(jī)械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解和燃燒發(fā)電等5種再利用方式均會(huì)有新產(chǎn)品或新能源產(chǎn)生,每種新產(chǎn)品或新能源可視為一種碳削減,其值為直接生產(chǎn)該新產(chǎn)品或新能源所產(chǎn)生的碳排放量,計(jì)算式為

(7)

式中:RPPi為再利用階段產(chǎn)品i的產(chǎn)量;RPCIi為再利用階段產(chǎn)品i的碳排放系數(shù);RPEj為再利用階段能源產(chǎn)品j的產(chǎn)量;RPCEj為再利用階段能源產(chǎn)品j的碳排放系數(shù).

工程翻新輪胎再利用階段,各種再利用階段碳削減率為

(8)

4 碳排放評(píng)價(jià)

4.1 碳排放分析

輪胎生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)橡膠輪胎行業(yè)報(bào)告及青島賽輪股份有限公司.輪胎運(yùn)輸階段和使用階段的各項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)自黑龍江龍運(yùn)快運(yùn)有限公司、哈爾濱市巴彥縣黑山采石場(chǎng)等企業(yè)實(shí)際數(shù)據(jù).輪胎資源再利用階段的機(jī)械粉碎、燃燒分解及燃燒發(fā)電數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[9-10]的研究結(jié)果,低溫粉碎數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果,工程翻新輪胎數(shù)據(jù)來(lái)源于哈爾濱惠良汽車輪胎翻新有限公司的實(shí)際數(shù)據(jù).天然橡膠(NR)、丁苯橡膠(SBR)、炭黑N231和能量延續(xù)原輪胎胎體的碳排放系數(shù)分別為4.325,4.325,2.780,2.690 kg·kg-1,12 t載貨汽車運(yùn)輸、礦山裝載機(jī)使用碳排放系數(shù)都為0.020 kg·MJ-1,電力碳排放系數(shù)為1.303 kg·(kW·h)-1.工程翻新輪胎生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段及使用階段的碳排放清單如表1,2所示.

表1 工程翻新輪胎生產(chǎn)階段碳排放清單

表2 工程翻新輪胎運(yùn)輸階段及使用階段碳排放清單

翻新輪胎、打磨膠粉、鋼制刀具、鋼絲、精細(xì)膠粉(<0.7 mm)、普通膠粉(<2.0 mm)、氣體、熱解油和碳酸氫鈉的碳排放系數(shù)分別為2.929,0.861,0.702,0.702,0.919,0.861,0.424,0.835,0.212 kg·kg-1,燃油、天然氣、柴油和煤的碳排放系數(shù)分別為0.500,0.153,0.019,0.024 kg·MJ-1,工程翻新輪胎二次翻新、機(jī)械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解、燃燒發(fā)電等5種再利用方式的碳排放-削減清單如表3-7所示.

表3 工程翻新輪胎二次翻新碳排放-削減清單

表4 工程翻新輪胎機(jī)械粉碎碳排放-削減清單

表5 工程翻新輪胎低溫粉碎碳排放-削減清單

表6 工程翻新輪胎燃燒分解碳排放-削減清單

表7 工程翻新輪胎燃燒發(fā)電碳排放-削減清單

1 t工程翻新輪胎生命周期內(nèi)各階段碳排放-削減清單如表8所示,生產(chǎn)階段TC1、運(yùn)輸階段TC2和使用階段TC3的碳排放分別為3 046.21,22.07,211.82 kg,占工程翻新輪胎生命周期總碳排放量分別為92.87%,6.46%,0.67%,其碳排放量大小排序?yàn)樯a(chǎn)階段、使用階段、運(yùn)輸階段,如圖2所示.

表8 工程翻新輪胎生命周期碳排放-削減清單

4.2 碳排放評(píng)價(jià)

工程翻新輪胎二次翻新、機(jī)械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解和燃燒發(fā)電等5種再利用方式的凈碳盈余如圖3所示,碳削減率如圖4所示.由圖3,4可以看出： 二次翻新再利用方式的凈碳盈余為2 052 kg、碳削減率為 74.77%,在5種再利用方式中最高.因此,工程翻新輪胎5種再利用方式的碳削減效果大小排序?yàn)槎畏隆⑷紵纸?、機(jī)械粉碎、燃燒發(fā)電、低溫粉碎.

圖3 工程翻新輪胎5種再利用方式的凈碳盈余

5 結(jié) 論

基于生命周期原理,構(gòu)建了工程翻新輪胎的環(huán)境影響碳排放模型、碳排放指標(biāo)及計(jì)算方法.工程翻新輪胎碳排放量大小順序?yàn)樯a(chǎn)階段、使用階段、運(yùn)輸階段，表明工程翻新輪胎生產(chǎn)階段對(duì)環(huán)境的影響最大.工程翻新輪胎的5種再利用方式中,碳削減效果排序?yàn)槎畏?、燃燒分解、機(jī)械粉碎、燃燒發(fā)電、低溫粉碎,表明二次翻新可以作為工程翻新輪胎再利用的最有效途徑.

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