廢舊輪胎資源化的能量與物質流分析

許江林 孫承亮 于佳雪 黃菊文 李光明

同濟大學環境科學與工程學院；上海污染控制與生態安全研究院

1 廢舊輪胎的資源環境問題

隨著經濟的發展和橡膠制品開發技術的進步，各類機動車輛及其他運輸工具的輪胎需求量逐年大幅增加。全世界每年生產的橡膠制品約3 100萬噸，其中約50%是輪胎。橡膠制品數量的增長使其廢棄品的數量也越來越多[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，輪胎報廢率高達55.4%。據統計，每年全世界的輪胎廢棄量約15億條總計約900萬噸，還有25億條陳舊廢胎未經處理[2]。

2017年，我國廢舊輪胎產生量達到約3.2億條，重量超過1 000萬噸。翻新輪胎受條件限制影響，預計800萬標準折算條左右。再生橡膠產量達到約450萬噸，橡膠粉產量達到約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，嚴重惡化自然環境，并可能引發火災，威脅人們的生命及財產安全。

廢舊輪胎其本身是一種再生資源，對廢舊輪胎進行回收處理，不僅可以緩解其對環境的壓力，降低污染，更能實現資源回收利用。世界各國，尤其是發達國家，都在致力于廢舊輪胎的回收利用，并制定了相關的法規。歐盟已將廢舊輪胎列為需優先處理的廢棄物，目前已禁止將廢舊輪胎碎片進行填埋處理。美國早在1991年已通過立法推動廢舊輪胎的再利用，規定每處理一條廢舊輪胎政府將補貼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%。與發達國家相比，我國廢舊輪胎資源卻浪費嚴重，廢舊輪胎的回收率低，回收技術落后。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，產生大量的廢渣，排放大量的S02等有害氣體，造成了嚴重的環境污染。

圖1-1 2011-2017年中國廢輪胎產生量及回收情況

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、生產再生橡膠、生產硫化橡膠等途徑[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值的物品。雖然原形改制是一種非常有價值的回收方法，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換成原材料，而是利用廢棄材料進行的幾項活動。廢舊輪胎通過沖壓，捆包，粉碎進行再利用。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，已經被發達國家所拋棄。

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行：一是直接焚燒然后回收熱量，此法雖然簡單，但會造成大氣污染；二是將廢舊輪胎破碎，按照固定比例進行混合，制成固體垃圾燃料代替煤等資源火力發電。

（2）熱解回收

廢舊橡膠在高溫下可以分離提取出燃氣、炭黑、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下發生裂變分解，其中氣體經過分流進入冷凝設備，被凝結的部分作為油品回收，不可凝結的部分作為燃氣回收。熱裂解產生的碳粉可以作為炭黑使用，這種經過再加工的炭黑可以作為吸附劑對水中的重金屬污染有極強的吸附作用。此外熱裂解的產物還有鋼鐵成分，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

廢舊輪胎的整個生命周期中都存在著能量的輸入和輸出，本文主要針對廢舊輪胎資源化利用過程建立相應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

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

式中:RPEρi為資源化階段資源產品i的能量密度;RPPi為資源化階段資源產品i的產量;RPEρj為資源化階段能源產品j的能量密度;RPEj為資源化階段能源產品j的產量。

3.3 能量評價指標

（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，用能量恢復率ERR衡量各種資源化工藝對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為生產過程中消耗的總能量。

4 物質流模型的建立

4.1 廢舊輪胎資源化物質輸入-輸出模型

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

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 物質流評價指標

物料回收率

5 能量—物質分析清單

本文選取了三種典型的廢舊輪胎資源化處理的方法進行物質和能量分析[8]，其中機械粉碎制膠粉、能源化發電數據來源于文獻[3]的研究結果；熱解數據直接來源于上海某生態經濟科技有限公司的實測數據，生產階段的數據來源于中國橡膠輪胎行業報告，表5-1為生產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品的替代能量[9]。輸入—輸出清單如表5-2～表5-4所示。

6 結果討論

6.1 物質流分析

由清單分析的結果可以得到，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，但其對環境污染嚴重，已逐漸被發達國家所棄用。能源化發電的利用方式主要是將廢舊輪胎當作燃料使用，燃燒產生的能量中主要回收燃燒產生的熱量，對其它如鋼絲、炭黑等固相物料的回收率不高，所以導致了其物料的回收率偏低。

表5-1 生產1t輪胎能量和物料輸入清單

表5-2 1t輪胎機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

根據三種資源化處理的清單分析結果，可以得到再生利用做膠粉、能源化發電和熱解回收。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物具有高的附加值可以補充到原有的工業體系中[13]。如:炭經過處理可以轉化成活性炭或者炭黑甚至碳納米管；液態產品中富含苯及其同系物，經過提純可以轉化為燃料油和苯；氣態產品可以直接作為燃料燃燒，補償或者提供熱解過程所需的熱量。可見熱解是對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，廢輪胎中的有機物轉化為可利用的能量，附加價值高[14]。

圖6-2 三種資源化方式的能量回收率比較

6.3 結論

（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的輸入-輸出模型及計算方法，并對廢舊輪胎的三種資源化處理方法建立了物質流和能量流的清單。

（2）廢舊輪胎資源化過程能源回收效果的大小依次為熱解＞機械粉碎＞能源化發電，表明熱解技術是廢舊輪胎資源化的未來發展方向。因此有效利用廢舊輪胎，使寶貴的橡膠資源獲得再生利用，達到節約能源，改善環境，減少污染的目的，是我國實現可持續發展和循環經濟的重要途徑。

（3）對熱解技術所具有的高能量回收率的原因進行了分析，表明熱解產物的高附加值是熱解技術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依據。

虹口區航運辦與上海船東協會聯合舉辦節能培訓

10月16日，虹口區航運服務辦公室與上海市船東協會在北外灘航運服務中心聯合舉辦“航運企業節能降耗專題培訓會”。

中船重工（上海）節能科技公司、上海市節能減排中心等單位負責人、專家分別作了專題報告。報告從企業節能減排、新船設計、技術改造、政策扶持等方面作了串聯式講解，幫助船企拓展節能降耗思路，提供了一系列節能解決方案。30余家單位參加培訓。