廢舊輪胎資源化的能量與物質(zhì)流分析

許江林 孫承亮 于佳雪 黃菊文 李光明

同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；上海污染控制與生態(tài)安全研究院

1 廢舊輪胎的資源環(huán)境問題

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和橡膠制品開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，各類機(jī)動(dòng)車輛及其他運(yùn)輸工具的輪胎需求量逐年大幅增加。全世界每年生產(chǎn)的橡膠制品約3 100萬噸，其中約50%是輪胎。橡膠制品數(shù)量的增長使其廢棄品的數(shù)量也越來越多[1]。橡膠制品是除廢塑料外，居第二位的廢舊高分子材料，其中以廢舊輪胎居多，輪胎報(bào)廢率高達(dá)55.4%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全世界的輪胎廢棄量約15億條總計(jì)約900萬噸，還有25億條陳舊廢胎未經(jīng)處理[2]。

2017年，我國廢舊輪胎產(chǎn)生量達(dá)到約3.2億條，重量超過1 000萬噸。翻新輪胎受條件限制影響，預(yù)計(jì)800萬標(biāo)準(zhǔn)折算條左右。再生橡膠產(chǎn)量達(dá)到約450萬噸，橡膠粉產(chǎn)量達(dá)到約40萬噸。隨著汽車的普及，廢舊輪胎等垃圾也逐漸增多。廢舊輪胎屬于不溶或難溶的高分子彈性材料，很難靠自然界中的生物自然降解。廢舊輪胎還是一種需要占用大量環(huán)境空間的廢物，并且難以壓縮、收集和消除。另外，越積越多的廢舊輪胎長期露天堆放，極易滋生蚊蟲傳播疾病，嚴(yán)重惡化自然環(huán)境，并可能引發(fā)火災(zāi)，威脅人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

廢舊輪胎其本身是一種再生資源，對(duì)廢舊輪胎進(jìn)行回收處理，不僅可以緩解其對(duì)環(huán)境的壓力，降低污染，更能實(shí)現(xiàn)資源回收利用。世界各國，尤其是發(fā)達(dá)國家，都在致力于廢舊輪胎的回收利用，并制定了相關(guān)的法規(guī)。歐盟已將廢舊輪胎列為需優(yōu)先處理的廢棄物，目前已禁止將廢舊輪胎碎片進(jìn)行填埋處理。美國早在1991年已通過立法推動(dòng)廢舊輪胎的再利用，規(guī)定每處理一條廢舊輪胎政府將補(bǔ)貼2.5美元～4美元。目前世界上廢舊輪胎回收利用率最高的國家是芬蘭，接近100%(整個(gè)歐盟接近80%)，美國廢舊輪胎回收利用率超過90%，日本廢舊輪胎回收利用率接近90%。與發(fā)達(dá)國家相比，我國廢舊輪胎資源卻浪費(fèi)嚴(yán)重，廢舊輪胎的回收率低，回收技術(shù)落后。尤其近年來各地興起了利用廢舊輪胎土法煉油，一方面這對(duì)我國本已十分匱乏的橡膠資源來說是一種毀滅性破壞；另一方面，產(chǎn)生大量的廢渣，排放大量的S02等有害氣體，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

圖1-1 2011-2017年中國廢輪胎產(chǎn)生量及回收情況

2 廢舊輪胎的資源化途徑分析

2.1 廢舊輪胎的資源化利用途徑

目前對(duì)廢舊輪胎再利用的途徑主要為原形直接利用、燃料熱能利用、生產(chǎn)再生橡膠、生產(chǎn)硫化橡膠等途徑[4]。

圖2-1 廢舊輪胎的幾種利用途徑

2.2 原型或改制利用

原形改制是通過捆綁、裁剪、沖切等方式，將廢舊輪胎改造成有利用價(jià)值的物品。雖然原形改制是一種非常有價(jià)值的回收方法，但是該方法消耗的廢舊輪胎量并不大，不到廢舊輪胎總量的10%。

2.3 再生利用

輪胎的再生利用指的是沒有將廢棄輪胎轉(zhuǎn)換成原材料，而是利用廢棄材料進(jìn)行的幾項(xiàng)活動(dòng)。廢舊輪胎通過沖壓，捆包，粉碎進(jìn)行再利用。其中制作再生膠是利用最多的一種再利用方式[5]，但這種方法耗能大，污染高，已經(jīng)被發(fā)達(dá)國家所拋棄。

2.4 熱利用

（1）燃料熱能利用

燃料熱能利用就是將廢舊橡膠作為燃料使用，熱能利用通常通過以下兩種方式進(jìn)行：一是直接焚燒然后回收熱量，此法雖然簡單，但會(huì)造成大氣污染；二是將廢舊輪胎破碎，按照固定比例進(jìn)行混合，制成固體垃圾燃料代替煤等資源火力發(fā)電。

（2）熱解回收

廢舊橡膠在高溫下可以分離提取出燃?xì)狻⑻亢?、鋼鐵等資源。其過程是將粉碎后的膠粒送入熱裂解爐中，使其處于高溫高壓狀態(tài)下發(fā)生裂變分解，其中氣體經(jīng)過分流進(jìn)入冷凝設(shè)備，被凝結(jié)的部分作為油品回收，不可凝結(jié)的部分作為燃?xì)饣厥铡崃呀猱a(chǎn)生的碳粉可以作為炭黑使用，這種經(jīng)過再加工的炭黑可以作為吸附劑對(duì)水中的重金屬污染有極強(qiáng)的吸附作用。此外熱裂解的產(chǎn)物還有鋼鐵成分，即可以回收利用輪胎中的鋼絲，具有很好的物質(zhì)和能量回收效果。

3 廢舊輪胎資源化能量模型

3.1 能量消耗模型

廢舊輪胎的整個(gè)生命周期中都存在著能量的輸入和輸出，本文主要針對(duì)廢舊輪胎資源化利用過程建立相應(yīng)的可量化的能量模型[6-7]。FE2為廢舊輪胎資源化過程的能量輸入。

式中:RMρi為資源化階段物料i的能量密度；RMi為資源化階段物料i的消耗量；RMρj為資源化階段能源j的能量密度；REj為資源化階段能源j的消耗量。

3.2 能量替代模型

在資源化階段有產(chǎn)品的產(chǎn)生，將其視為替代能量，其值為直接生產(chǎn)該產(chǎn)品所需能耗，即：

式中:RPEρi為資源化階段資源產(chǎn)品i的能量密度;RPPi為資源化階段資源產(chǎn)品i的產(chǎn)量;RPEρj為資源化階段能源產(chǎn)品j的能量密度;RPEj為資源化階段能源產(chǎn)品j的產(chǎn)量。

3.3 能量評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）凈能量盈余

廢舊輪胎資源化階段的能量輸入與替代能量輸出之間的關(guān)系可用凈能量盈余NE即1t輪胎在資源化階段的凈能量盈余來表示:

NE=SE-FE2

（2）能量回收率

在廢舊輪胎資源化階段，用能量恢復(fù)率ERR衡量各種資源化工藝對(duì)輸入能量的回收程度。其值為資源化階段輸出能量占輸入能量的百分比。其中FE1為生產(chǎn)過程中消耗的總能量。

4 物質(zhì)流模型的建立

4.1 廢舊輪胎資源化物質(zhì)輸入-輸出模型

廢舊輪胎的整個(gè)生命周期中都存在著物質(zhì)的輸入和輸出，基于物質(zhì)守恒原理，本文主要針對(duì)廢舊輪胎資源化利用過程建立相應(yīng)的可量化的物質(zhì)流模型。

W輸入=Wi1+Wi2+Wi3+…+Win

式中Wi1為輸入的第一種物料，Wi2為第二種物料，Win為第n種物料

W輸出=WO1+WO2+WO3…+WOn

式中WO1為輸出的第一種物料，WO2為第二種物料，WOn為第n種物料

4.2 物質(zhì)流評(píng)價(jià)指標(biāo)

物料回收率

5 能量—物質(zhì)分析清單

本文選取了三種典型的廢舊輪胎資源化處理的方法進(jìn)行物質(zhì)和能量分析[8]，其中機(jī)械粉碎制膠粉、能源化發(fā)電數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果；熱解數(shù)據(jù)直接來源于上海某生態(tài)經(jīng)濟(jì)科技有限公司的實(shí)測數(shù)據(jù)，生產(chǎn)階段的數(shù)據(jù)來源于中國橡膠輪胎行業(yè)報(bào)告，表5-1為生產(chǎn)1噸輪胎能量和物料輸入清單[10]。

廢舊輪胎資源化階段的能量和物質(zhì)輸入包括資源化過程的物料輸入和能源輸入，能量輸出為資源化產(chǎn)品的替代能量[9]。輸入—輸出清單如表5-2～表5-4所示。

6 結(jié)果討論

6.1 物質(zhì)流分析

由清單分析的結(jié)果可以得到，三種廢舊輪胎的資源化處理途徑都可以在一定程度上回收利用廢舊輪胎。從物料回收率的角度來看，再生做膠粉＞熱解＞能源化發(fā)電，其中再生做膠粉和熱解利用都可以做到廢舊輪胎物料的高效回收，相較于熱解工藝，再生做膠粉的工藝雖然做到了物料的高效回收，但其對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，已逐漸被發(fā)達(dá)國家所棄用。能源化發(fā)電的利用方式主要是將廢舊輪胎當(dāng)作燃料使用，燃燒產(chǎn)生的能量中主要回收燃燒產(chǎn)生的熱量，對(duì)其它如鋼絲、炭黑等固相物料的回收率不高，所以導(dǎo)致了其物料的回收率偏低。

表5-1 生產(chǎn)1t輪胎能量和物料輸入清單

表5-2 1t輪胎機(jī)械粉碎制膠粉能量和物料輸入—輸出清單[11]，[12]

表5-3 1t輪胎能源化發(fā)電能量和物料輸入—輸出清單

表5-4 上海某公司的熱解工藝的能量和物料輸入—輸出清單

圖6-1 三種資源化方式的物料回收率比較

6.2 能量流分析

根據(jù)三種資源化處理的清單分析結(jié)果，可以得到再生利用做膠粉、能源化發(fā)電和熱解回收。三種處理方式的能源回收率分別為18.85%、4.29%和37.27%，其中主要原因是熱解產(chǎn)物具有高的附加值可以補(bǔ)充到原有的工業(yè)體系中[13]。如:炭經(jīng)過處理可以轉(zhuǎn)化成活性炭或者炭黑甚至碳納米管；液態(tài)產(chǎn)品中富含苯及其同系物，經(jīng)過提純可以轉(zhuǎn)化為燃料油和苯；氣態(tài)產(chǎn)品可以直接作為燃料燃燒，補(bǔ)償或者提供熱解過程所需的熱量?？梢姛峤馐菍?duì)廢輪胎材料及其熱能利用的最佳方式，主要原因在于在熱解過程中，廢輪胎中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可利用的能量，附加價(jià)值高[14]。

圖6-2 三種資源化方式的能量回收率比較

6.3 結(jié)論

（1）基于生命周期清單分析原理，建立了輪胎資源化階段的能量消耗模型與物質(zhì)的輸入-輸出模型及計(jì)算方法，并對(duì)廢舊輪胎的三種資源化處理方法建立了物質(zhì)流和能量流的清單。

（2）廢舊輪胎資源化過程能源回收效果的大小依次為熱解＞機(jī)械粉碎＞能源化發(fā)電，表明熱解技術(shù)是廢舊輪胎資源化的未來發(fā)展方向。因此有效利用廢舊輪胎，使寶貴的橡膠資源獲得再生利用，達(dá)到節(jié)約能源，改善環(huán)境，減少污染的目的，是我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要途徑。

（3）對(duì)熱解技術(shù)所具有的高能量回收率的原因進(jìn)行了分析，表明熱解產(chǎn)物的高附加值是熱解技術(shù)具有高能量回收率的主要原因，為廢舊輪胎的高值化利用和綠色輪胎的制造與使用提供科學(xué)依據(jù)。

虹口區(qū)航運(yùn)辦與上海船東協(xié)會(huì)聯(lián)合舉辦節(jié)能培訓(xùn)

10月16日，虹口區(qū)航運(yùn)服務(wù)辦公室與上海市船東協(xié)會(huì)在北外灘航運(yùn)服務(wù)中心聯(lián)合舉辦“航運(yùn)企業(yè)節(jié)能降耗專題培訓(xùn)會(huì)”。

中船重工（上海）節(jié)能科技公司、上海市節(jié)能減排中心等單位負(fù)責(zé)人、專家分別作了專題報(bào)告。報(bào)告從企業(yè)節(jié)能減排、新船設(shè)計(jì)、技術(shù)改造、政策扶持等方面作了串聯(lián)式講解，幫助船企拓展節(jié)能降耗思路，提供了一系列節(jié)能解決方案。30余家單位參加培訓(xùn)。