王 強, 焦生杰

(1. 長安大學 工程機械學院, 陜西 西安 710064; 2. 黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150050)

輪胎翻新是節(jié)約橡膠原材料、解決廢舊輪胎環(huán)境污染、能夠最大限度地利用輪胎使用價值的資源再生利用方式[1-2].目前世界翻新輪胎的年產(chǎn)量約為1億條,輪胎在良好的使用及保養(yǎng)條件下,一條輪胎可以進行多次翻新,其中簾線斜交輪胎可達2～3次、鋼絲子午線輪胎翻新次數(shù)可達3～6次,然而實際被翻新次數(shù)較少,多數(shù)情況下僅1次翻新即報廢.翻新輪胎的平均使用壽命是同型號新輪胎的60%～90%,部分翻新質(zhì)量較高輪胎的使用壽命、安全性能接近甚至高于新輪胎,而且如果多次翻新,輪胎的累積使用壽命將大大提高.翻新一條輪胎的總耗膠量僅占生產(chǎn)同樣一條新輪胎的10%～30%,其銷售價格僅為新輪胎的20%～50%,蘊含著巨大的經(jīng)濟效益.由此可見,輪胎翻新不僅節(jié)約橡膠資源、節(jié)能環(huán)保,而且能夠促進廢舊資源的再利用,將“黑色污染物”的利用率大幅提升[3-5].

工程輪胎作為土、石方礦山區(qū)主要消費品之一,其成本將會對運輸企業(yè)經(jīng)濟及運營狀況產(chǎn)生較大影響,工程輪胎的費用約占整個土、石方礦采費用的20%～30%[6].工程輪胎通常在采礦區(qū)、山區(qū)、建筑工地等惡劣環(huán)境下連續(xù)作業(yè),受路面硬物沖擊力較大,要求工程輪胎胎面膠膠料需具有較高的耐切割和耐磨損性能.據(jù)文獻[7-8]顯示,工程輪胎失效形式中,崩花掉塊、脫層等非正常磨損失效率高達93%.因此,提高廢舊工程輪胎的翻新率,可有效提高廢舊工程輪胎的利用率,將會大大節(jié)約橡膠資源和促進綠色環(huán)保.而工程輪胎翻新對社會、企業(yè)及環(huán)境產(chǎn)生的影響,目前還缺乏系統(tǒng)性、針對性以及定量分析與評價.為此,筆者基于生命周期理論,通過構(gòu)建工程翻新輪胎碳排放模型,定性、定量描述和評價工程翻新輪胎再利用階段5種處理方式的碳排放削減效果,為工程翻新輪胎的推廣應用及輪胎翻新行業(yè)政策制定提供理論指導.

1 工程翻新輪胎生命周期環(huán)境影響分析

工程翻新輪胎生命周期對環(huán)境的影響分析可用碳流動模型來衡量,其碳流動模型是在能量消耗模型的基礎上建立起來的,工程翻新輪胎生命周期的碳流動分析如圖1所示,所構(gòu)建的工程翻新輪胎生命周期碳排放模型[9-12]為

TC=TC1+TC2+TC3+TC4,

(1)

式中:TC為總碳排放量;TC1為生產(chǎn)階段的碳排放量;TC2為運輸階段的碳排放量;TC3為使用階段的碳排放量;TC4為再利用階段的碳排放量.

圖1 工程翻新輪胎生命周期的碳流動

2 碳排放模型

工程翻新輪胎生命周期碳排放模型是基于熱力學第一定律和質(zhì)量守恒定理建立起來的,生產(chǎn)階段碳排放量為

(2)

式中:PCMi為生產(chǎn)階段原材料i的消耗量;PCMIi為生產(chǎn)階段原材料i的碳排放系數(shù);PCEj為生產(chǎn)階段能源j的消耗量;PCEIj為生產(chǎn)階段能源j的碳排放系數(shù).

運輸階段碳排放量為

TC2=TD×TCEj×TCEIj,

(3)

式中:TD為運輸階段的平均運輸距離;TCEj為運輸階段的能源消耗量;TCEIj為運輸階段能源的碳排放系數(shù).

使用階段碳排放量為

TC3=UD×UCEj×UCEIj,

(4)

式中:UD為使用階段的平均運輸距離;UCEj為使用階段的能源消耗量;UCEIj為使用階段能源的碳排放系數(shù).

再利用階段碳排放量為

(5)

式中:RCMi為再利用階段原材料i的消耗量;RCMIi為再利用階段原材料i的碳排放系數(shù);RCEj為再利用階段能源j的消耗量;RCEIj為再利用階段能源j的碳排放系數(shù).

3 碳排放評價指標

工程翻新輪胎的凈碳盈余為

NCS=AC-TC4,

(6)

式中AC為再利用階段碳削減量.

工程翻新輪胎二次翻新、機械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解和燃燒發(fā)電等5種再利用方式均會有新產(chǎn)品或新能源產(chǎn)生,每種新產(chǎn)品或新能源可視為一種碳削減,其值為直接生產(chǎn)該新產(chǎn)品或新能源所產(chǎn)生的碳排放量,計算式為

(7)

式中:RPPi為再利用階段產(chǎn)品i的產(chǎn)量;RPCIi為再利用階段產(chǎn)品i的碳排放系數(shù);RPEj為再利用階段能源產(chǎn)品j的產(chǎn)量;RPCEj為再利用階段能源產(chǎn)品j的碳排放系數(shù).

工程翻新輪胎再利用階段,各種再利用階段碳削減率為

(8)

4 碳排放評價

4.1 碳排放分析

輪胎生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)來源于中國橡膠輪胎行業(yè)報告及青島賽輪股份有限公司.輪胎運輸階段和使用階段的各項數(shù)據(jù)來自黑龍江龍運快運有限公司、哈爾濱市巴彥縣黑山采石場等企業(yè)實際數(shù)據(jù).輪胎資源再利用階段的機械粉碎、燃燒分解及燃燒發(fā)電數(shù)據(jù)來源于文獻[9-10]的研究結(jié)果,低溫粉碎數(shù)據(jù)來源于文獻[11]的研究結(jié)果,工程翻新輪胎數(shù)據(jù)來源于哈爾濱惠良汽車輪胎翻新有限公司的實際數(shù)據(jù).天然橡膠(NR)、丁苯橡膠(SBR)、炭黑N231和能量延續(xù)原輪胎胎體的碳排放系數(shù)分別為4.325,4.325,2.780,2.690 kg·kg-1,12 t載貨汽車運輸、礦山裝載機使用碳排放系數(shù)都為0.020 kg·MJ-1,電力碳排放系數(shù)為1.303 kg·(kW·h)-1.工程翻新輪胎生產(chǎn)階段、運輸階段及使用階段的碳排放清單如表1,2所示.

表1 工程翻新輪胎生產(chǎn)階段碳排放清單

表2 工程翻新輪胎運輸階段及使用階段碳排放清單

翻新輪胎、打磨膠粉、鋼制刀具、鋼絲、精細膠粉(<0.7 mm)、普通膠粉(<2.0 mm)、氣體、熱解油和碳酸氫鈉的碳排放系數(shù)分別為2.929,0.861,0.702,0.702,0.919,0.861,0.424,0.835,0.212 kg·kg-1,燃油、天然氣、柴油和煤的碳排放系數(shù)分別為0.500,0.153,0.019,0.024 kg·MJ-1,工程翻新輪胎二次翻新、機械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解、燃燒發(fā)電等5種再利用方式的碳排放-削減清單如表3-7所示.

表3 工程翻新輪胎二次翻新碳排放-削減清單

表4 工程翻新輪胎機械粉碎碳排放-削減清單

表5 工程翻新輪胎低溫粉碎碳排放-削減清單

表6 工程翻新輪胎燃燒分解碳排放-削減清單

表7 工程翻新輪胎燃燒發(fā)電碳排放-削減清單

1 t工程翻新輪胎生命周期內(nèi)各階段碳排放-削減清單如表8所示,生產(chǎn)階段TC1、運輸階段TC2和使用階段TC3的碳排放分別為3 046.21,22.07,211.82 kg,占工程翻新輪胎生命周期總碳排放量分別為92.87%,6.46%,0.67%,其碳排放量大小排序為生產(chǎn)階段、使用階段、運輸階段,如圖2所示.

表8 工程翻新輪胎生命周期碳排放-削減清單

4.2 碳排放評價

工程翻新輪胎二次翻新、機械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解和燃燒發(fā)電等5種再利用方式的凈碳盈余如圖3所示,碳削減率如圖4所示.由圖3,4可以看出： 二次翻新再利用方式的凈碳盈余為2 052 kg、碳削減率為 74.77%,在5種再利用方式中最高.因此,工程翻新輪胎5種再利用方式的碳削減效果大小排序為二次翻新、燃燒分解、機械粉碎、燃燒發(fā)電、低溫粉碎.

圖3 工程翻新輪胎5種再利用方式的凈碳盈余

5 結(jié) 論

基于生命周期原理,構(gòu)建了工程翻新輪胎的環(huán)境影響碳排放模型、碳排放指標及計算方法.工程翻新輪胎碳排放量大小順序為生產(chǎn)階段、使用階段、運輸階段，表明工程翻新輪胎生產(chǎn)階段對環(huán)境的影響最大.工程翻新輪胎的5種再利用方式中,碳削減效果排序為二次翻新、燃燒分解、機械粉碎、燃燒發(fā)電、低溫粉碎,表明二次翻新可以作為工程翻新輪胎再利用的最有效途徑.

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