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废轮胎资源化利用生产再生橡胶的能耗与碳排放研究

时间:2016-07-22    来源:中国轮胎循环利用网    点击:
张国华1  余强2  贺鑫1  王韵铭 1  车莉昵2(1.河北工业大学能源与环境工程学院,300401,天津  2.天津海泰环保科技发展股份有限公司,300384,天津)

摘  要:

近年来,随着汽车工业、交通运输业的迅速发展,废轮胎产生量持续增加。然而,我国又是橡胶资源十分匮乏的国家,天然橡胶约80%、合成橡胶约46%依赖进口[1]。因此,充分利用、正确处理废橡胶资源生产再生橡胶,是我国橡胶工业科学发展的必然选择。本论文将废轮胎常压连续脱硫法生产再生胶,与传统塑化法生产再生胶进行比较,可以定量的计算出生产再生胶所节省的能耗以及温室气体的减排量[2]。常压连续脱硫法“安全、环保、高效、节能”, 为解决目前再生胶工业的节能减排、安全清洁生产开创了新的途径,有很好的经济效益和社会效益。

关键词:废轮胎  再生胶   常压连续硫脱法  传统塑化法  节能减排

前言

废轮胎,是指被替换或淘汰下来已失去作为轮胎使用价值的轮胎,以及工厂产生的报废轮胎。废旧轮胎属于工业有害固体废弃物,具有极强的抗热性、抗老性、抗机械和抗降解性,数十年都不会自然消失,堆在地面占用土地,而且容易滋生蚊虫、传染疾病,还容易引发火灾,产生大量有害气体,被人们称为“黑色污染”[1,2]。随着汽车工业、交通运输业的迅速发展,世界废橡胶产生量将持续增加。2012年,美国废旧轮胎产生量约470万吨,欧洲为340万吨,日本超过100万吨,2013年中国废旧轮胎产生量为1080万吨[3]。利用废轮胎生产再生胶,是实现资源化利用的有效措施。目前再生胶在我国的应用比例占橡胶资源的30%左右,已成为天然橡胶、合成橡胶资源的主要补充,再生橡胶已成为橡胶工业不可或缺的橡胶资源[4,5]。

1 国内外废轮胎综合利用现状及发展

为解决废旧轮胎所带来的环境问题,各国都做出了积极努力,国外各国利用废轮胎的方式除了部分翻修、原型利用外,主要是生产胶粉应用于建筑材料或作为热能利用等[5]。国外利用废旧轮胎的方式主要有以下几种形式:

① 旧轮胎翻新法    如英国,翻新轮胎的寿命已能达到新胎的 80%;翻新所需原材料仅为同规格新胎的 15%〜30%。因此,从废旧轮胎中挑选出可以翻新的轮胎是最环保、最有效的利用方法,也是减少废旧轮胎产生量的最佳方法。

② 废旧轮胎直接利用法   可作为防撞车障碍物,把废旧轮胎直接布置到高速公路两侧或堆积形成小型赛车道,以及制作秋千等娱乐设施,还可用于码头、船舶护舷等。也有一些国家把废旧轮胎链接起来用于海岸堤坝防洪或建立人工岛礁,保护海岸。

③ 废旧轮胎机械加工利用法   用机械手段把废轮胎切割为胶条、胶粒或胶粉,胶条可与水泥、煤灰一起制成橡胶土,作为多孔轻质建材使用;胶粒主要应用于改性沥青铺设公路,以增大路面弹性,减少噪音污染,延长公路使用寿命;胶粉则通过与混炼胶料并用,制造对质量要求不太高的各种橡胶制品,如建筑用保温隔音板(包括地板隔音底层)、防滑橡胶地板以及防水卷材等。 

④ 废旧轮胎热转化法  是发达国家开发的热点,废旧轮胎含胶量高达 48%,热值高于煤炭,与天然气接近,但废旧轮胎只能在高温和长时间燃烧条件下才能够分解为二氧化碳和水。

我国废旧橡胶的利用方式主要为生产再生胶,生产胶粉,热裂解等,以生产再生胶为主[6]。在各种利用方式中再生胶占84.4%,胶粉占11.1%,热裂解占4.5%。从2001年开始,我国再生胶产量几乎每年都以10%以上的速度增长[6,7],我国废轮胎近几年的产生量及回收利用状况式见表1。

2012年和2013年我国再生胶的产量达到350万吨和380万吨以上,除满足国内使用外还远销几十个国家和地区[6]。目前,再生胶已在胶板、垫带、内胎等制品中获得大量应用,在农用胎等低速轮胎中再生胶也可以与天然胶或合成胶按一定比例掺用。目前我国废橡胶综合利用率已达70% ,不仅实现了天然胶的再生,还突破了合成胶再生的世界性难题。我国已成为世界废橡胶资源循环利用的典范[6,7]。

2 国内某再生胶公司的常压连续脱硫法生产工艺

国内某再生胶公司是废橡胶再生系统装备及废轮胎再生处理成套生产线的专业供应商,不断致力于废轮胎资源节能环保综合利用装备的研发与制造。该公司拟利用其自主开发的“废橡胶常压连续脱硫再生”工艺技术及装备,打破传统“塑化法”生产工艺的瓶颈,推动再生胶生产工艺的重大变革。该工艺采用橡胶“脱硫”原理,利用光电数控自动化技术,对现有的动态硫化法工艺进行了改进,充分利用螺旋搅拌机在物料输送过程中对物料搅拌、剪切、挤压使各种活化剂与胶粉分子均匀充分结合,经热氧化和活化剂作用,使硫化胶的硫键迅速断裂从而使硫化胶的网状结构遭到破坏,降低了弹性,增加了塑性。该公司生产工艺流程如图2,该工艺采用四个单元集合、PLC控制连接方式进行设计布局,四个单元分别为粉碎、塑化、捏炼成型、环保。控制系统分单元采用模块式PLC控制,最终使各单元无缝软连接并辅以远程控制,通过公司自主研发的中央控制系统对系统、单元、节点的物料平衡输送、能耗、机台工艺参数进行总控。

常压连续脱硫法生产再生胶在塑化法脱硫工艺的基础上做了极大地改进。该工艺高温可达220℃,既适合天然橡胶的再生,也满足合成橡胶的再生要求,制得的再生胶质量好[7,8]。

该工艺总体优势为:可以生产优质再生胶,提高再生胶质量,为我国再生胶工业由大变强提供技术支撑;从生产工艺上彻底解决了废水、废气二次污染问题,实现再生胶低碳制造、清洁化生产、绿色发展;提高了生产效率,降低了生产成本,节能环保,具有明显的经济效益、社会效益和环境效益;在常压下工作,采用导热油炉或电加热,避免了高压脱硫带来的危险,大幅度降低了事故隐患,保证了安全生产;设置了温度自控系统,避免出现焦化碳化和低温塑化效果不良的现象,使物料受热更均匀,提高了生产过程的稳定性。

3 常压连续脱硫法生产再生胶的能耗和温室气体的排放情况

该公司主产品为轮胎再生胶和颗粒再生胶,副产品为钢丝。公司原有厂房4275平方米,研发/办公楼600平方米,配备各类加工、辅助设备91台套,年综合利用20000吨废轮胎,能够生产8000吨轮胎再生胶、9000吨颗粒再生胶以及2700吨钢丝。 公司轮胎再生橡胶生产线用能设备主要包括轮胎止口圈切割机、钢丝圈剥离装置、橡胶破碎机、常压连续脱硫再生设备等;颗粒再生胶生产线用能设备主要包括橡胶破碎机、分料螺旋输送机、常压连续脱硫再生设备等。该公司生产系统能源主要消耗电力,总装机功率2322.54kW。其中,环保型轮胎再生橡胶生产线设备总功率为865.60kW,颗粒再生橡胶生产线设备功率571.20kW。经测算,该公司年消耗电力473.93万千瓦时,根据折合标煤公式①:

折合标煤总量=∑某种能源消耗量×该种能源的折标系数                                                                          ①

取电力的折标系数为1.229 tce /万千瓦,可计算出折合标准煤为582.46吨标准煤,公司年产17000吨再生胶则单位产量电耗为278.78kwh/t,单位产量能耗0.034tce/t。

生产用电产生的排放量计算公式:

E=AD电力×EF电力                                                   ②

其中,E电为净购入生产用电产生的排放,单位为吨(tCO2);

AD电力为净购入生产电量,单位为兆瓦时(MWh);

EF电力为电力的CO2排放因子,单位为吨CO2/兆瓦时(tCO2/Mwh)

该公司生产用电AD电力为4739.3 MWh,电力排放因子EF电力取0.7889吨CO2/ MWh

可计算出公司排放CO2总量为3738.83t CO2,单位产量CO2排放量为0.220吨。

4 传统塑化法生产再生胶的能耗和温室气体排放情况

采用传统塑化法生产再生胶,不仅能耗高,而且会产生大量的温室气体排放。唐山某公司采用传统塑化法生产再生胶,2015年生产再生胶17000吨。该公司生产系统主要能源消耗为:煤、电和油。其中无烟煤1200吨,电力340万千瓦时,煤焦油200吨,无味油300吨。

生产系统能源消耗折合标煤采用公式①,其中无烟煤折标系数为0.7143 tce /吨,电力折标系数为1.229 tce /万千瓦时,煤焦油折标系数为1.1429 tce/吨,无味油折标系数为1.4286 tce/吨,可计算出折合标煤总量为1932.18tce,单位产量能耗为0.1137tce/t。

公司CO2的排放量分为两部分,化石燃料燃烧产生的排放和生产用电产生的排放: 

ⅰ化石燃料燃烧产生的CO2排放计算公式:

E排放=∑ni=1 NCVi×FCi×CCi×OFi×—4412                          ③

其中,NCVi是第i种化石燃料的平均低位发热量,对于固体或液体燃料,单位为百万千焦/吨(GJ/t);对于气体燃料,单位为百万千焦/万立方米;

FCi是第i种化石燃料的净消耗量,对固体或液体燃料单位为吨(t),对于气体燃料单位为万立方米;

CCi为第i种化石燃料的单位热值含碳量,单位为吨碳/百万千焦(tC/GJ);

OFi为第i种化石燃料的碳氧化率,单位为%;   

由表2可计算出化石燃料燃烧生成CO2的排放量为4701吨。

ⅱ 生产用电产生的CO2排放量根据公式②计算:

该公司耗电量340万千瓦时,电力排放因子EF电力取0.7889吨CO2/ MWh,可计算出

该公司生产再生胶产生的CO2排放量为化石燃料燃烧和生产用电产生的排放之和,共7383.26吨,单位产量CO2排放量为0.434吨。

5  常压连续脱硫法与传统塑化法生产再生胶能耗和温室气体排放的比较

常压连续脱硫法与传统塑化法生产再生胶相比,单位产品能耗可降低0.0797tce,减少70.1%。单位产量二氧化碳排放量可减少0.214吨,减少49.3%。采用常压连续脱硫法生产再生胶和传统塑化法生产再生胶的单位产量能耗和单位产量CO2排放量的柱状图如图2,由图可知采用常压连续脱硫法生产再生胶单位产量能耗大大降低,同时单位产量CO2排放量也远低于传统塑化法。

 
6  结论

采用常压连续脱硫法生产再生橡胶工艺可靠,产品质量稳定。经石油和化学工业橡胶及再生产品质量监督检验中心检测, 产品符合 GB / T13460-2008再生橡胶国家标准,该工艺单位产品电耗278.78kWh/t,优于废轮胎综合利用行业能耗准入值和橡胶行业“十三五”能耗目标值[7,8]。该生产工艺的实施可减少废轮胎对环境的污染,减少了电力、石油等资源消耗,也减少了温室气体的排放。按2013年全国380万吨再生胶产量计算,将减少有毒有害物排放144400吨以上,节约原生橡胶198万吨,相当于我国天然橡胶3年的总产量。这项新工艺、新设备、新技术代表了我国再生胶工业发展的方向,为解决目前再生胶工业的节能减排、安全清洁生产开创了新的途径,有很好的经济效益和社会效益。

【参考文献】

[1]张志霄. 废轮胎回转窑热解特性及应用研究 [D][D]. 浙江大学博士学位论文. 杭州, 2004.

[2]高文廷,杜爱华,辛振祥. 国内外再生胶生产研究现状[J]. 橡塑技术与装备, 2012 (2): 31-35.

[3]吴翠, 廖小雪, 陈荣凤. 废旧橡胶脱硫再生胶的研究现状[J]. 特种橡胶制品, 2010,31(5): 66-70.

[4]高文廷. 新法制备再生胶的工艺与性能的研究[D]. 青岛科技大学,2013.

[5]丁林林. 废旧橡胶新型再生方式的研究[D]. 北京化工大学,2014.

[6]李用波. 利用废轮胎生产再生胶 (粉) 项目创业方案[D]. 四川大学,2004.

[7]叶亚飞,尹伟,杜丽梅,等. 废旧橡胶微波法制再生胶的试验研究[J]. 云南化工, 2014, 41(1): 21-24.

[8]赵光贤. 橡胶再生资源的开发和利用[J]. 橡胶工业,2005,52(10): 632-636.

作者简介

张国华,河北工业大学能源与环境工程学院研究生

 

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