軌道車輛回收利用技術(shù)與應(yīng)用研究

張建敏,郭會生,胡 震

(1.中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心,河北 唐山 063035;2.天津中車唐山軌道車輛有限公司 生產(chǎn)制造部,天津 300300)

近年來,鐵路運輸行業(yè)取得了舉世矚目的成就。相較于汽車行業(yè)成熟的回收利用管理,軌道車輛領(lǐng)域也在不斷探索著回收利用方面的技術(shù)與管控。根據(jù)最新的軌道車輛管理需求,企業(yè)在軌道車輛設(shè)計制造時,必須考慮車輛的整個生命周期的環(huán)境效益,包括生產(chǎn)(設(shè)計和建造)、操作(使用和維護(hù))和壽命結(jié)束(車輛處置)。越來越多的歐盟成員國將軌道車輛回收利用率要求引入產(chǎn)品技術(shù)文件,例如在葡萄牙和波蘭等國家,要求軌道車輛生產(chǎn)商提供車輛關(guān)于材料組成、處置過程(包括拆解、回收利用及固廢填埋)和回收利用率計算結(jié)果的詳細(xì)信息。

目前在軌道車輛回收方面,越來越多的新設(shè)計車輛保證了高回收利用率。阿爾斯通供應(yīng)給法國勒阿弗爾市的有軌電車,具有97%的可回收利用率;龐巴迪輕軌車輛Flexity Swift具有92%的可再利用率和97%的可回收利用率。

1 回收利用的必要性

軌道車輛材料的回收利用有益于減少資源的開發(fā),降低材料的生產(chǎn)成本或提高產(chǎn)品環(huán)境友好性能等,因此,對報廢軌道交通車輛進(jìn)行回收利用的必要性體現(xiàn)在以下幾方面:(1)能效問題;(2)原材料成本上升;(3)更嚴(yán)格的填埋立法和減少填埋固廢的需求;(4)其他與生產(chǎn)者責(zé)任相關(guān)的環(huán)境法規(guī);(5)客戶日益增長的產(chǎn)品相關(guān)環(huán)境要求;(6)通過環(huán)保產(chǎn)品獲得的競爭優(yōu)勢。

2 法律法規(guī)

在國際組織層面,與軌道車輛回收有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有:

2006年,國際鐵路聯(lián)盟(UIC)發(fā)布了《新造鐵路車輛環(huán)境規(guī)范》[1],要求在設(shè)計鐵路車輛時必須考慮環(huán)保的要求,包括能源效益、噪聲、廢氣排放及循環(huán)再用。

2008年,歐洲鐵路工業(yè)協(xié)會(UNIFE)組織鐵路車輛制造商,根據(jù)ISO 14025的要求制定了統(tǒng)一的鐵路車輛回收指南——《軌道車輛產(chǎn)品分類規(guī)則(PCR)》[2],其目的是給設(shè)備制造商制定車輛環(huán)境產(chǎn)品聲明(EPD)提供參考,從而構(gòu)成在歐盟使用的鐵路車輛準(zhǔn)入的理由。

2012年,UIC提交了《可持續(xù)出行宣言》[3]作為國際鐵路部門的自愿承諾,要求合作伙伴將回收作為其可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵要素之一。

值得強調(diào)的是,上述標(biāo)準(zhǔn)是基于環(huán)境認(rèn)證的需求,自愿性的鐵路車輛回收相關(guān)的要求及行動也在行業(yè)內(nèi)不斷出現(xiàn),但迄今為止世界各國及組織均未出臺明確的鐵路車輛的可再利用率、可回收利用率(以下稱“兩率”)限制指標(biāo)。

在報廢產(chǎn)品回收利用率計算標(biāo)準(zhǔn)層面,在鐵路車輛領(lǐng)域,由于之前沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),多參考汽車和電子電氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ISO 22628[4]和IEC/TR 62635[5]。基于這些標(biāo)準(zhǔn),UNIFE在2013年發(fā)布了《鐵路應(yīng)用 軌道車輛的可再利用率和可回收利用率計算方法》[6],作為軌道車輛“兩率”的計算方法參考指南。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織以此指南為基礎(chǔ),并參考了IEC/TR 62635的部分例子,編制了ISO 21106[7]。

軌道車輛回收利用判定、計算參照表1標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。

表1 軌道車輛回收利用計算參考標(biāo)準(zhǔn)

3 回收范圍及基本術(shù)語關(guān)系

軌道車輛回收利用技術(shù)適用于新車輛的設(shè)計或其壽命周期的任何階段?；厥绽寐实挠嬎惆ㄕ麄滠囕v的所有材料,但車站、電氣化、信號和控制單元等基礎(chǔ)設(shè)施不在計算范圍內(nèi)。

按照回收利用計算原理,ISO 21106標(biāo)準(zhǔn)將產(chǎn)品的零部件及材料分為4個處理過程,即再使用(reuse)、再利用(recycle)、能量回收(recover)和殘余物(residue)處置(圖1)。其中在再利用、能量回收階段均會產(chǎn)生殘余物,殘余物不能回收,最終按照填埋方式處理。

圖1 報廢處理過程

關(guān)鍵術(shù)語關(guān)系如表2所示。可再利用率(Recyclability rate)指可再使用和再利用的零部件及材料質(zhì)量占車輛設(shè)計整備質(zhì)量的百分比,而可回收利用率(Recoverability rate)指可再使用、再利用和回收為能源的零部件及材料質(zhì)量占車輛設(shè)計整備質(zhì)量的百分比。

表2 關(guān)鍵術(shù)語關(guān)系列表

4 報廢處理工藝

軌道車輛的回收利用處理,通過預(yù)處理、拆解、破碎3個報廢處理工藝階段進(jìn)行,在每個階段明確各種材料及零部件的再使用、再利用或能量回收利用及相應(yīng)的質(zhì)量等信息,進(jìn)行“兩率”計算。在車輛的設(shè)計階段,也可以按照此方法計算,指導(dǎo)選擇材料,滿足新車型的“兩率”要求。

4.1 預(yù)處理

預(yù)處理階段的目的是在車輛詳細(xì)拆解之前,先拆除對人或環(huán)境有害的氣體、液體、電氣材料及部件,例如液壓氣、冷卻劑、蓄電池等。預(yù)處理階段結(jié)束后,車輛內(nèi)部不應(yīng)留有可能對回收利用過程產(chǎn)生負(fù)面影響的材料,以便詳細(xì)拆解階段不存在任何風(fēng)險。而對于某些在預(yù)處理階段難以拆除的環(huán)境污染物和含有害物質(zhì)的材料(如石棉),可以在拆解階段進(jìn)行。

預(yù)處理階段再使用、再利用或再回收利用的材料分類、質(zhì)量及回收利用屬性,分別對應(yīng)填寫到表3中的相應(yīng)單元格。

表3 材料數(shù)據(jù)收集匯總表示例

4.2 拆解

拆解階段的目標(biāo)是盡可能地拆解零部件,直至原材料的程度。拆解階段處理越細(xì)致,再利用過程就越有效,可再利用率也就越高。

在拆解過程中,可再利用的部件和子組件可以被整體拆卸,例如轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對、聯(lián)軸器、緩沖器、彈簧、控制閥、制動系統(tǒng)、車門等,有的可以直接用于其他車輛,有些則需要翻新,恢復(fù)功能要求后才能使用,再利用之前必須經(jīng)過檢查及相關(guān)測試。其余的零部件詳細(xì)拆解,進(jìn)一步進(jìn)行材料回收利用,如座椅、玻璃、線纜、電子部件、地板、空調(diào)設(shè)備、復(fù)合高分子材料[8]等。

拆解階段再使用、再利用或再回收利用的材料分類、質(zhì)量及回收利用屬性,分別對應(yīng)填寫到表3中的相應(yīng)單元格。

4.3 粉碎

經(jīng)過預(yù)處理和拆解階段,剩余不易拆解的、微小的零件和材料進(jìn)入粉碎階段。粉碎階段的目的是將材料粉碎,并歸類處理。粉碎后的材料可分成以下幾類:

黑色金屬:鋼和鐵;

有色金屬:主要有鋁、銅、鋅、鎂;

殘渣:不同材料和物質(zhì)的混合物,如塑料(包括泡沫和紡織品),纖維(木材、紡織品),玻璃和陶瓷,彈性體,剩余的礦物質(zhì)(土壤、沙子)和殘渣(銹、塵、涂料)。

黑色金屬和有色金屬幾乎被完全處理,成為回收材料。殘渣進(jìn)行能量回收,不能能量回收的固廢進(jìn)行填埋。

拆解階段再使用、再利用或再回收利用的材料分類、質(zhì)量及回收利用屬性,分別對應(yīng)填寫到表3中的相應(yīng)單元格。

5 計算方法及應(yīng)用案例

5.1 材料歸類

根據(jù)ISO 21106,將構(gòu)成車輛的所有材料分為以下12種材料類別,來確定車輛的材料明細(xì):

—金屬;

—彈性體;

—聚合物(熱固或熱塑性塑料);

—復(fù)合材料(如纖維增強聚合物或其他);

—電氣/電子設(shè)備;

—玻璃;

—安全玻璃;

—油、潤滑脂或類似物;

—酸、冷卻劑或類似物;

—其他無機材料(如陶瓷);

—礦物棉;

—改性有機天然材料(MONM),包括木材。

5.2 回收利用計算系數(shù)(FMR、FER)的引入

再利用系數(shù)FMR:材料在再利用工藝處理過程中最終被利用的比率。

能量回收系數(shù)FER:材料在能量回收工藝處理過程中最終得到能量的比率。能量回收指通過燃燒、氣化、熱解等過程,將材料轉(zhuǎn)化為可用的熱能、電能等。

FMR和FER的具體數(shù)值是由該類材料的回收處理工藝技術(shù)水平?jīng)Q定的,根據(jù)官方、專業(yè)機構(gòu)或商用數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。

5.3 車輛“兩率”的計算方法

車輛的可再利用率Rcyc計算公式:

(1)

車輛的可回收利用率Rcov計算公式:

(2)

式中:mP,Reuse為在預(yù)處理階段可再使用的材料的質(zhì)量;mP,R為考慮FMR,預(yù)處理階段可再利用的材料總質(zhì)量的加權(quán)值;mP,E為考慮FER,在預(yù)處理階段可能量回收的材料總質(zhì)量的加權(quán)值;mD,Reuse為在拆解階段可再使用的材料總質(zhì)量的加權(quán)值;mD,R為考慮FMR,在拆解階段可再利用的材料總質(zhì)量的加權(quán)值;mD,E為考慮FER,在拆解階段可能量回收的材料總質(zhì)量的加權(quán)值;mS,R為考慮FMR,在粉碎階段可再利用的材料總質(zhì)量的加權(quán)值;mS,E為考慮FER,在粉碎階段可能量回收的材料總質(zhì)量的加權(quán)值;mV為車輛的整備質(zhì)量。

5.4 某出口項目“兩率”的計算

根據(jù)上述材料分類、回收參數(shù)以及“兩率”計算方法,以某出口歐盟車輛的“兩率”計算過程和結(jié)果為例,分析軌道車輛“兩率”計算方法在應(yīng)用方面的執(zhí)行可行性以及可能出現(xiàn)的問題、解決措施。

5.4.1 材料數(shù)據(jù)的收集

根據(jù)項目要求,在詳細(xì)設(shè)計過程中實時匯總各系統(tǒng)材料的使用情況,材料數(shù)據(jù)(空調(diào)部分)收集如表3。

5.4.2 材料可再利用性及可回收利用性的判定

軌道車輛材料種類多種多樣,需要判定其可再利用和可回收利用性能。例如座椅拆解至均質(zhì)材料,包括織布、聚氨酯墊材、鐵金屬或者非鐵金屬支架等,需判定出這些材料的可再利用和可回收利用性能。

判定工作的難點在于,ISO 21106沒有給出軌道車輛各種材料回收利用的判定依據(jù),造成該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用執(zhí)行困難。由于軌道車輛材料與汽車用材料有相似性,經(jīng)過調(diào)研及分析對比,軌道車輛材料的可回收利用性能的判定可以參考汽車行業(yè)的材料回收利用判定規(guī)范MWG01—2020[9],并結(jié)合UNIFE文件附錄中的材料分類,同時考慮進(jìn)行判定。

5.4.3 回收利用計算系數(shù)(FMR、FER)的確定

影響車輛材料“兩率”計算過程和結(jié)果的一個很重要的數(shù)據(jù)是回收利用計算系數(shù)的確定。在ISO 21106中,要求按照行業(yè)的生產(chǎn)和回收利用水平來確定某種材料的再利用系數(shù)和能量回收系數(shù),但是沒有給出參考值,這就造成了各國家或各生產(chǎn)地區(qū)對該材料行業(yè)的回收利用計算系數(shù)各種各樣,即使同一行業(yè)內(nèi),由于生產(chǎn)水平不同對這些系數(shù)的估值也不同。

因此需要引入UNIFE《鐵路應(yīng)用 軌道車輛的可再利用率和可回收利用率計算方法》,借鑒其附錄中的軌道車輛材料回收利用計算系數(shù)(表4)。

表4 各種材料回收利用計算系數(shù)表 %

5.4.4 計算結(jié)果

動車組采用3輛編組(Mc01+Tp02+Mc03),動拖轉(zhuǎn)向架配置比為1∶1。設(shè)置客室及多功能區(qū)(自行車和行李存放區(qū))、通用衛(wèi)生間等區(qū)域。

根據(jù)表3對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯總以及表4中的回收利用計算系數(shù),可計算得到每個系統(tǒng)及整車材料的可再利用質(zhì)量和能量回收質(zhì)量,如表5所示。

表5 列車材料及“兩率”計算數(shù)據(jù)表

依據(jù)第5.3節(jié)的“兩率”計算公式,可計算出各系統(tǒng)或整列車的可再利用率Rcyc和可回收利用率Rcov,計算結(jié)果如表5所示。

由表5可知:列車的整備總質(zhì)量是114 076.98 kg,可再利用率是94.46%,可回收利用率是97.47%。同理,各單車車型(頭車、中間車等)的“兩率”也可以根據(jù)需要計算得出。由于篇幅原因,本表中未體現(xiàn)具體車型的計算數(shù)據(jù)。

6 回收利用工作面臨的問題及措施

(1) 常用的某些材料回收利用性能差。

車輛所用材料中,金屬材質(zhì)容易回收。復(fù)合材料雖然應(yīng)用非常普遍,而且數(shù)量巨大,但復(fù)合材料的回收問題較大,特別是碳纖維或玻璃纖維增強聚合物等,回收利用計算系數(shù)比較低,目前還沒有簡單經(jīng)濟(jì)有效的回收這些材料的技術(shù)。類似的還有熱塑性塑料,該材料用途廣泛,生產(chǎn)成本較低,加工簡單,但回收利用工藝水平較低。軌道車輛在材料選擇時應(yīng)該積極尋找這些材料的替代品,或者提升其回收利用技術(shù)水平。

(2) 材料種類繁多,無相關(guān)標(biāo)識,不易分辨,回收利用性能判定困難。

軌道車輛材料應(yīng)該有標(biāo)記以方便被識別,或者拆解人員應(yīng)該有相關(guān)材料說明文件,以便確定材料成分并歸類。另外,可以建立材料信息數(shù)據(jù)庫,對材料信息詳細(xì)描述和管理。

(3) 連接方式多樣或者難以接近,拆解時間長。

零部件的拆解、材料判定及歸類的時間涉及到軌道車輛回收利用的成本效益。車輛設(shè)計時應(yīng)考慮采用容易拆卸的連接結(jié)構(gòu),以減少拆卸工作耗時。

7 總結(jié)

通過循環(huán)利用對原材料的回收是一種可持續(xù)的價值創(chuàng)造。作為機車車輛設(shè)計制造企業(yè),在設(shè)計新型車輛產(chǎn)品時應(yīng)該做到:

(1) 最大限度地減少使用危險物質(zhì)和材料;

(2) 考慮到材料回收利用性,盡量選用可回收利用的材料;

(3) 對材料的材質(zhì)進(jìn)行標(biāo)識,報廢處理時可提高回收利用處理的準(zhǔn)確率和效率;

(4) 保證功能的情況下,設(shè)計時盡量考慮結(jié)構(gòu)易拆卸,材料易分離;

(5) 發(fā)展符合標(biāo)準(zhǔn)要求的拆解及材料回收利用企業(yè)。

綜上所述,在車輛設(shè)計時,應(yīng)考慮車輛拆解和回收利用的安全性、經(jīng)濟(jì)可行性(材料價值、拆解所需時間等)、部件可接近性、緊固技術(shù)和任何其他經(jīng)證明的拆解工藝的可行性等,將有助于實現(xiàn)軌道車輛回收利用能力提升的目標(biāo)。