廢舊輪胎衍生燃料作為輔助燃料的應用研究

關健詞：廢舊輪胎；熱能利用；燃燒

隨著我國經濟的快速發展和人們生活水平的日益提升，汽車保有量呈快速增長趨勢，帶動了輪胎生產量的逐年攀升。然而，輪胎消耗和廢棄量也相應增加。據統計，目前全球的廢舊輪胎已累計超過30億條，保守估計這些廢舊輪胎加起來的重量大于2000萬t[1]。其中，歐盟、美國、日本、印度和我國是廢舊輪胎產生量最多的國家和地區，約占總數的88％ [2]。如此多的廢舊輪胎，給環境造成了巨大壓力，因此急需采取有效措施應對與處理處置。

由于廢舊輪胎具有高彈性、耐磨、耐熱及抗機械破壞性等特點[3]，導致廢舊輪胎的回收和處理一直是全球性的挑戰。如，在廢舊輪胎分解分解處理方面，利用微生物降解也需要長達100多年的時間才能分解完目前全球現有的廢舊輪胎。因此，大量廢舊輪胎長期露天堆放，不僅占用了寶貴的土地資源，還容易成為蚊蟲滋生的溫床，惡化環境，甚至可能引發火災，對人們的生命和財產安全構成威脅。如何妥善處理廢舊輪胎，并對其實現資源化的有效利用，不僅是一個重要的科研課題，更是推動生態文明建設、促進經濟增長方式轉變和實現可持續發展的關鍵措施。

1廢舊輪胎現階段處理方法

廢舊輪胎由于其生產原料的多樣性和結構的高度復雜性，成為一類難以回收的廢棄物。因輪胎的高分子聚合物特性和三維交聯結構[4]，傳統的處理方法，如堆積掩埋和直接燃燒，會給環境和人體安全帶來很多負面影響。其中，堆積掩埋不僅危害環境，還可能誘發火災、流行性疾病等突發風險。因此，歐洲已嚴禁廢舊輪胎堆積掩埋處理，而是鼓勵將其轉化為能源材料，進行回收再利用[5]。

1.1傳統處理

1.1.1堆積掩埋

堆積掩埋廢舊輪胎不僅占用大量土地資源，還存在極高的火災風險。更為嚴重的是，未經無害化處理的輪胎會嚴重污染環境，尤其是對水體的污染。輪胎中的氧化鋅和硫磺等添加劑，一旦混入水體，會形成有毒溶液，對水生生物產生極大危害，特別是對魚類的危害，可造成魚類內臟損傷或死亡。而這些毒素在食物鏈中富集，最終也會對人類造成深遠影響。

1.1.2 直接焚燒

由于廢舊輪胎的焚燒特性顯著，其熱值高、水分和灰分含量低，燃燒熱值與優質煤相當，可作為煤的替代品，因此在廢舊輪胎的焚燒處理中，可以直接整體焚燒，但這種方法會造成大氣污染，不是理想選擇。

1.2回收利用處理

隨著回收技術的發展，廢舊輪胎已成為有價值的工業材料，可回收大量能量和材料，實現資源節約。目前，廢舊輪胎利用處理方法主要分為直接利用和經過物理化學方法加工后利用，并且重要的回收方法包括廢制作膠粉和再生膠、熱解后回收使用。這些方法，為廢舊輪胎的環保處理和資源化利用提供了有效途徑。

1.2.1原形利用

可通過剪裁、沖切、組合固定等方式對廢舊輪胎進行再利用。如，可以將廢舊輪胎改造成輪船護舷、海邊的護堤壩及道路的防撞墻。然而，這種方式目前只是廢舊輪胎資源化利用的一種輔助途徑，其消耗量僅占廢輪胎產生量的1%。

1.2.2 生產膠粉

廢舊輪胎膠粉生產工藝通過抽出廢輪胎輪轂鋼絲、破碎廢輪胎、進一步破碎成膠粒、研磨成膠粉、篩分及廢氣凈化等步驟對廢舊輪胎處理后，將廢舊輪胎變成顆粒較小的顆粒狀膠粉，與其他可燃物摻混后作為一種混合燃料，供火力發電廠或水泥廠使用。該工藝相對簡單，不需要脫硫，且制得的膠粉性能優異，用途廣泛。這種循環利用方式，不僅解決了廢舊輪胎的處理問題，創造了有價值的工業材料，還能有效利用廢舊輪胎的熱能，減少了廢舊輪胎對環境的污染，是一種更環保、可持續的能源回收方式[6]。

1.2.3 生產再生膠

生產再生膠是通過化學方法，將廢舊輪胎進行脫硫處理，使其變成可再次利用的橡膠。目前，常用的廢舊輪胎生產再生膠的方法有常溫再生法、動態脫硫法和低溫再生法。然而，再生膠的生產也存在一些缺點，如再生過程中會產生嚴重的酸性廢氣，處理成本高且技術難度大；同時，生產再生膠所需能源量大，但經濟利潤相對較低。因此，這種方法在廢舊輪胎回收利用方面使用的較少。

1.4廢輪胎熱解

廢舊輪胎可在無氧環境及特定的溫度下進行熱分解，并能通過此過程獲得熱解氣體、液體油狀物及碳質殘留物[7]。而這些由熱解產生的物質，經后續提煉工序，能轉變為具有多種應用價值的高附加值產品。其中，熱解氣體主要用于供給或增強反應所需的熱能；熱解產生的油液，因其富含烯烴與烷烴等多種碳氫化合物，可被加工成高級燃料油及化工生產的寶貴原材料。但由于生產熱解油所需的溫度過高，因此廢舊輪胎熱解產生的油液經濟利潤相對較低。

2廢舊輪胎衍生燃料利用情況概述

廢舊輪胎衍生燃料（TDF）是廢舊輪胎的一種有效利用方式。在西方國家，許多大型企業，如火力發電廠和水泥廠已廣泛采用TDF 作為燃料。由于輪胎主要由天然橡膠和合成橡膠制成，因而含有多種氫碳物質和其他成分[8]，且這些成分可使TDF 具有高熱值和較高的揮發分含量，非常適合作為輔助燃料用于電站鍋爐[9]，不僅可以節省化石資源，還有助于環境保護。TDF 為廢舊輪胎的處理提供了新的解決方案，已經在西方得到了廣泛應用，但在我國將廢舊輪胎作為燃料仍是一個新穎的概念。

3廢舊輪胎衍生燃料作為輔助燃料應用的可行性

從表1可以看出，廢舊輪胎燃料的熱值高、揮發分比例高，更加易燃，且硫、氮等物質含量較少。

根據表1對幾種廢舊輪胎的元素與工業分析，發現輪胎的含碳量超過80％，且熱值高達29～37MJ/kg，遠遠超過煤的熱值。同時，與生物質或城市生活垃圾相比，輪胎的水分含量極低，可使廢舊輪胎成為一種極具吸引力的潛在燃料。而且廢輪胎在熱解過程中能釋放出高達60%的由CO、CO₂、CH₄、C₂H₄等可燃成分組成的揮發份氣體，非常有利于火力發電廠鍋爐的燃燒。因此，廢輪胎完全符合作為電廠鍋爐輔助燃料的條件，是一種有前途的潔凈能源利用方式。

通常情況下，能源原料被制備成粉末送入鍋爐的燃燒區域。以煤炭作為例，粉末化程度更高的煤粉有利于揮發成分的釋放，進而促進了更高效的燃燒過程。因此，廢舊輪胎在與煤粉混合燃燒前，為了優化燃燒效能，物料往往需細化至粉末狀。目前，我國在常溫下實現膠粉規?；苽涞募夹g已趨于成熟，并具備產業化規模。鑒于此現狀，利用已有的先進技術，對廢棄輪胎進行大量轉化生產膠粉，成為切實可行的方案，然后再與煤粉按一定比例混合作為電廠鍋爐的輔助燃料，具有重要意義，不僅能有效解決我國日益增多的廢舊輪胎問題，還能實現廢舊輪胎資源化利用，以及避免其他處理方法可能帶來的二次污染。

4國內外廢舊輪胎衍生燃料利用現狀

4.1國外廢舊輪胎衍生燃料利用現狀

4.1.1巴西

巴西是一個能源消費大國，其一直在節能技術開發方面持續努力，目前已經建立了完善的輪胎生產和回收體系。值得一提的是，巴西每年廢舊輪胎產量的70%已經被作為替代燃料，應用于當地的24個水泥生產設施中[10]。由于TDF不含有害成分，因此水泥的質量并未因輪胎的加入而受到影響。而且長期的產品檢驗也證明，成品水泥中并未發現輪胎燃燒殘留物。這一舉措，不僅顯著減少了廢舊輪胎對環境的影響，還降低了水泥工業所用燃料的數量。此外，巴西還采用了一種大型上吸式氣化爐，1kg 廢舊輪胎在上吸式氣化爐中可以產生10.8～16.1MJ 的電能，進一步提升了能源利用效率。

4.1.2美國

美國作為世界上汽車保有量最多的國家，其輪胎廢棄量也是全球最大的。近年來，美國的廢舊輪胎產生量雖持續增加，但處理率一直保持在80% 以上[11]。值得注意的是，美國對廢舊輪胎的主要處置方式之一就是將其轉化為TDF，這一途徑占據了廢舊輪胎約56% 的年處置量。TDF 在美國已被廣泛應用于火力發電廠、水泥廠、石灰廠、造紙和紙漿廠、鑄造廠及冶煉廠等多個領域。試驗報告顯示，使用TDF 作為燃料的氣體排放量與傳統化石燃料大體相同，但TDF 作為燃料排放的氣體對環境影響較小。

4.1.3日本

2015 年，日本的廢舊輪胎產量穩定維持在9500 萬條左右，總重量達到100 萬t。就廢舊輪胎的循環利用而言，通過燃燒來回收熱能占日本廢舊輪胎回收利用處理量的65%。具體應用上，自2011 年起，日本利用廢舊輪胎作為熱能來源的比例呈現上升趨勢，尤其是造紙業對廢舊輪胎作為燃料的使用量連年增長，凸顯了廢舊輪胎能源化應用的擴大。相比之下，鋼鐵廠、輪胎制造企業和傳統鍋爐對廢舊輪胎的使用需求有所減緩。據統計，造紙工業是日本最大的廢舊輪胎燃料消費領域，消耗量占總量的44%；水泥制造業則次之，使用量占6%，用于煅燒過程。

在國際貿易層面，無論是完整輪胎還是經過切割處理的輪胎塊，日本對廢舊輪胎的出口總量均表現出下滑態勢，說明日本更傾向于在國內消化這些廢舊資源。與此同時，廢舊輪胎生產膠粉的產量有所提升[12]。另外，日本的一些企業也在積極探索廢舊輪胎的能源利用方式。如，住友橡膠工業公司在名古屋工廠安裝了用廢輪胎作燃料的鍋爐，不僅處理了廢舊輪胎，還能發電和提供蒸汽；世界第3 大輪胎公司的橋石公司，成功研制了用廢舊輪胎作燃料的發電設備，通過特殊設計解決了高溫下輪胎內鋼絲熔化粘貼爐壁的問題，使得廢舊輪胎能夠完全用于燃燒發電。日本企業這種創新的能源利用方式，不僅有助于解決廢舊輪胎的處理問題，還能為企業帶來可觀的能源效益，一舉多得。

4.1.4英國

英國橡膠產業的最新分析顯示，直接燃燒廢舊輪胎來轉化能源被視作應對龐大輪胎廢棄物挑戰的最具潛力策略。當前，英國境內已有不少于5 家火力發電廠采納廢舊輪胎制作的燃料作為能源燃料。伍爾弗漢普頓的一所輪胎能源發電站，更是因其清潔技術的應用，被譽為全國最環保的發電設施，不僅實現了零排放，而且每年還能處理掉23% 的廢舊輪胎。更值得一提的是，該發電站在運營成本上與常規燃料發電廠相當，顯示出廢舊輪胎制作燃料的巨大潛力和經濟效益[13]。

4.2國內廢舊輪胎衍生燃料利用現狀

結合上述內容，在全球范圍內，巴西、美國、日本、英國等已經率先開展了將廢舊輪胎制作的燃料應用于火力發電廠或水泥廠等的實踐，并已經取得了顯著的經濟效益和環保成果。然而，我國在這方面的研究與實踐還相對較少，因此在火力發電廠中將廢輪胎作為鍋爐的輔助燃料與煤粉按一定比例混合燃燒的研究項目具有廣闊的前景。將廢舊輪胎作為鍋爐的輔助燃料不僅可以節省燃料成本，還能有效應對我國廢舊廢輪胎數量不斷增加的現狀，為我國的環保事業作出積極貢獻。

5結論

輪胎的高熱值和高揮發分特性使廢舊輪胎成為一種優質的燃料，因此將TDF與煤在電廠鍋爐中混合燃燒是一個值得考慮的方案，不僅可以減少廢舊輪胎對環境造成的污染，還能通過提高鍋爐熱效率來節約資源。而且這種創新的能源利用方式，對提升能源效率和推動環保事業的進一步發展具有重要意義。

作者簡介

李子涵（1996—），男，漢族，江蘇連云港人，工程師，碩士，研究方向為燃料混燃、鍋爐運行優化。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-20