王 強(qiáng),王云龍,姜 莉,齊曉杰,王國(guó)田

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

中國(guó)橡膠資源相對(duì)比較匱乏，橡膠原材料80%依賴進(jìn)口。目前，世界各國(guó)都非常重視輪胎翻新行業(yè)，將輪胎翻新視為節(jié)約橡膠資源的最有效途徑。中國(guó)每年有近1億條廢舊輪胎產(chǎn)生，這些廢舊輪胎如果不能有效進(jìn)行二次再利用，不僅浪費(fèi)大量的橡膠資源，同時(shí)給環(huán)境污染帶來巨大壓力。一條嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)出的翻新輪胎，其使用壽命不亞于同型號(hào)新輪胎。輪胎翻新能夠大大節(jié)約橡膠資源和促進(jìn)節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)，然而輪胎翻新對(duì)社會(huì)、環(huán)境及企業(yè)的定量影響程度還缺乏理論上的系統(tǒng)研究和科學(xué)評(píng)價(jià)[1-3]。為此，本文以23.5R25型號(hào)載重車輛翻新輪胎為基本研究對(duì)象，基于生命周期理論，探索翻新輪胎能量消耗、碳排放及經(jīng)濟(jì)性理論計(jì)算方法，定量評(píng)價(jià)翻新輪胎生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段(兩次)、使用階段及再利用階段(包括二次翻新、機(jī)械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解、燃燒發(fā)電等5種再利用方式[4-6])的能量恢復(fù)效果、碳削減率及經(jīng)濟(jì)效益，以科學(xué)評(píng)估輪胎翻新對(duì)社會(huì)、環(huán)境及企業(yè)帶來的影響程度。

1 翻新輪胎生命周期組成

翻新輪胎生命周期組成如圖1所示，主要包括翻新輪胎生產(chǎn)、翻新輪胎運(yùn)輸(兩次)、翻新輪胎使用和翻新輪胎再利用4個(gè)階段。其中翻新輪胎生產(chǎn)階段主要會(huì)消耗胎面膠、緩沖膠、舊胎體、粘合劑等資源及能源，再利用階段又分為二次翻新、機(jī)械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解、燃燒發(fā)電等5 種方式(后續(xù)簡(jiǎn)稱5種再利用方式)，每一個(gè)階段在消耗一定資源和能源的同時(shí)，都會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生一定量的碳排放，同時(shí)也會(huì)消耗一定的經(jīng)濟(jì)成本和再生新的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)[7-8]。

圖1 翻新輪胎生命周期組成

2 翻新輪胎生命周期能量消耗、碳流動(dòng)及經(jīng)濟(jì)性模型

2.1 翻新輪胎生命周期能量消耗模型

翻新輪胎生命周期能量消耗組成如圖2所示，其能量消耗模型可按式(1)計(jì)算。

TE=TE1+TE2+TE3+TE4.

(1)

式中：TE為總能量消耗，MJ；TE1為生產(chǎn)階段能量消耗，MJ；TE2為運(yùn)輸階段(兩次)能量消耗，MJ；TE3為使用階段能量消耗，MJ；TE4為再利用階段能量消耗，MJ。

翻新輪胎5種再利用方式的替代能源模型可按式(2)計(jì)算。

AE=AE1+AE2+AE3+AE4+AE5.

(2)

式中：AE為替代能量MJ；AE1為二次翻新能量消耗MJ；AE2為機(jī)械粉碎能量消耗MJ；AE3為低溫粉碎能量消耗MJ；AE4為燃燒分解能量消耗MJ；AE5為燃燒發(fā)電能量消耗，MJ。

圖2 翻新輪胎生命周期能量消耗組成

2.2 翻新輪胎生命周期碳排放模型

翻新輪胎生命周期碳排放組成如圖3所示，碳排放量模型可按式(3)計(jì)算[9-10]。

TC=TC1+TC2+TC3+TC4.

(3)

式中：TC為總碳排放量，kgC；TC1為生產(chǎn)階段碳排放量，kgC；TC2為運(yùn)輸階段(兩次)碳排放量，kgC；TC3為使用階段碳排放量，kgC；TC4為再利用階段碳排放量，kgC。

翻新輪胎5種再利用方式的碳削減量AC可按式(4)計(jì)算。

AC=AC1+AC2+AC3+AC4+AC5.

(4)

式中：AC1為二次翻新碳削減量，kgC；AC2為機(jī)械粉碎碳削減量，kgC；AC3為低溫粉碎碳削減量，kgC；AC4為燃燒分解碳削減量，kgC；AC5為燃燒發(fā)電碳削減量，kgC。

圖3 翻新輪胎生命周期碳排放組成

2.3 翻新輪胎生命周期經(jīng)濟(jì)性模型

翻新輪胎生命周期經(jīng)濟(jì)性模型可以用經(jīng)濟(jì)-成本、經(jīng)濟(jì)-利潤(rùn)、環(huán)境-成本和環(huán)境-利潤(rùn)等4種分析模型來描述[11-12]。

2.3.1 經(jīng)濟(jì)-成本分析模型

翻新輪胎生命周期經(jīng)濟(jì)-成本分析模型可按式(5)計(jì)算。

ECi(rmij,Pmij,reij,Puij,LSAi,DEi,SCi)=

(5)

式中：ECi為翻新輪胎經(jīng)濟(jì)-成本，元；rmij為原材料的單耗，kg；Pmij為原材料的單價(jià)，元/kg；reij為水、電、煤等能源的單耗，m3、kW·h、kg；Puij為能源的單價(jià)，元/m3、元/kW·h、元/kg；LSAi為人力及管理等成本費(fèi)用，元；DEi為固定資產(chǎn)折舊等費(fèi)用，元；SCi為銷售成本等費(fèi)用，元。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)-利潤(rùn)分析模型

翻新輪胎生命周期經(jīng)濟(jì)-利潤(rùn)分析模型可按式(6)計(jì)算。

(6)

式中：EPi為翻新輪胎經(jīng)濟(jì)-利潤(rùn)，元；Tij為生產(chǎn)階段或再利用階段產(chǎn)出產(chǎn)品的產(chǎn)量，kg；upij為產(chǎn)出產(chǎn)品的單價(jià)，元/kg。

2.3.3 環(huán)境-成本分析模型

翻新輪胎生命周期環(huán)境-成本分析模型可按式(7)計(jì)算。

(7)

式中：CEi為翻新輪胎環(huán)境-成本，元；rmij為原材料的單耗，kg；ELij為消耗原材料排放的CO2造成環(huán)境損失，元/ kg；reij為水、電、煤等各種能源的單耗，m3、kW·h、kg；ELij為消耗能源排放的CO2造成環(huán)境損失，元/m3、元/kW·h、元/kg。

2.3.4 環(huán)境-利潤(rùn)分析模型

翻新輪胎生命周期環(huán)境-利潤(rùn)分析模型可按式(8)計(jì)算。

(8)

式中：PEi為翻新輪胎環(huán)境-利潤(rùn)，元；Tij為再利用階段產(chǎn)出產(chǎn)品的產(chǎn)量，kg；CECi為產(chǎn)出產(chǎn)品的碳排放系數(shù)，kgC/kg；PCi為CO2排放費(fèi)用，元。

3 翻新輪胎各階段能量消耗模型及碳排放模型

3.1 生產(chǎn)階段能量能耗模型和碳排放模型

翻新輪胎生產(chǎn)階段能量消耗模型按式(9)計(jì)算[13-14]。

(9)

式中：TE1為生產(chǎn)階段總能耗，MJ；PMi為原材料i的消耗量，kg；PMρi為原材料i的能量密度，MJ/kg；PEj為能源j的消耗量，kg；PEρj為能源j的能量密度，MJ/kg。

翻新輪胎生產(chǎn)階段碳排模型按式(10)計(jì)算。

(10)

式中：TC1為生產(chǎn)階段總碳排放量，kgC；PCMi為生產(chǎn)階段原材料i的消耗量，kg；PCMIi為生產(chǎn)階段原材料i的碳排放系數(shù)，kgC/kg；PCEj為生產(chǎn)階段能源j的消耗量，kg；PCEIj為生產(chǎn)階段能源j的碳排放系數(shù)，kgC/kg。

3.2 運(yùn)輸階段能量能耗模型和碳排放模型

翻新輪胎運(yùn)輸階段能量消耗模型可按式(11)計(jì)算。

TE2=TD×TE×TEρ.

(11)

式中：TE2為運(yùn)輸階段總能耗，MJ；TD為平均運(yùn)輸距離，km；TE為能源消耗量，kg；TEρ為消耗能源的能量密度，MJ/kg。

翻新輪胎運(yùn)輸階段碳排放模型可按式(12)計(jì)算。

TC2=TD×TCEj×TCEIj.

(12)

式中：TC2為運(yùn)輸階段總碳排放量，kgC；TD為平均運(yùn)輸距離，km；TCEj為能源消耗量，kg；TCEIj為能源的碳排放系數(shù)，kgC/kg。

3.3 使用階段能量能耗模型和碳排放模型

翻新輪胎使用階段能量消耗模型可按式(13)計(jì)算。

TE3=UD×UE×UEρ.

(13)

式中：TE3為使用階段總能耗，MJ；UD為平均運(yùn)輸距離，km；UE為能源消耗量，kg；UEρ為消耗能源的能量密度，MJ/kg。

翻新輪胎使用階段碳排放模型可按式(14)計(jì)算。

TC3=UD×UCEj×UCEIj.

(14)

式中：TC3為使用階段總碳排放量，kgC；UD為平均運(yùn)輸距離，km；UCEj為能源消耗量，kg；UCEIj為能源的碳排放系數(shù)，kgC/kg。

3.4 再利用階段能量消耗模型和碳排放模型

翻新輪胎再利用階段能量消耗模型可按式(15)計(jì)算。

(15)

式中：TE4為再利用階段總能耗，MJ；RMi為原材料i的消耗量，kg；RMρi為原材料i的能量密度，MJ/kg；REj為能源j的消耗量，kg；REρj為能源j的能量密度，MJ/kg。

翻新輪胎再利用階段碳排放模型可按式(16)計(jì)算。

(16)

式中：TC4為再利用階段總碳排放量，kgC；RCMi為原材料i的消耗量，kg；RCMIi為原材料i的碳排放系數(shù)，kgC/kg；RCEj為能源j的消耗量，kg；RCEIj為能源j的碳排放系數(shù)，kgC/kg。

4 翻新輪胎能量消耗、碳排放及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.1 能量消耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

翻新輪胎的5種再利用方式替代能量模型可按式(17)計(jì)算[15-16]。

(17)

式中：AE為再利用階段替代能量，MJ；RPPi為新產(chǎn)品i的產(chǎn)量，kg；RPEρi為新產(chǎn)品i的能量密度，MJ/kg；RPEj為新能源j的產(chǎn)量，kg；REρj為新能源j的能量密度，MJ/kg。

翻新輪胎再利用階段的凈能量盈余NES(MJ)可按式(18)計(jì)算。

NES=AE-TE4.

(18)

翻新輪胎的5 種再利用方式的能量恢復(fù)率ERR(%)可按式(19)計(jì)算。其值為再利用階段輸出能量AE占生產(chǎn)階段能耗TE1與再利用階段能耗TE4總和的百分比。

(19)

4.2 碳排放評(píng)價(jià)指標(biāo)

翻新輪胎的凈碳盈余NCS(kgC)可按式(20)計(jì)算。

NCS=AC-TC4.

(20)

翻新輪胎的5種再利用方式碳削減模型可按式(21)計(jì)算。

(21)

式中：RPPi為再利用階段新產(chǎn)品i的產(chǎn)量，kg；RPCIi為新產(chǎn)品i的碳排放系數(shù)，kgC/kg；RPEj為新能源j的產(chǎn)量，kg；RPCEj為新能源j的碳排放系數(shù)，kgC/kg。

翻新輪胎的5 種再利用方式碳削減率CRR(%)可按式(22)計(jì)算。其值為再利用階段碳削減量AC占碳排放量(主要包括生產(chǎn)階段碳排放TC1和再利用階段碳排放TC4)的百分比。

(22)

4.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

翻新輪胎的5種再利用方式利潤(rùn)成本比PCR(%)可按式(23)計(jì)算[17]。

(23)

5 翻新輪胎能量消耗、碳排放及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)分析

5.1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)來源

研究對(duì)象選擇為某品牌23.5R25型號(hào)翻新輪胎，其使用的地理位置為黑龍江哈爾濱地區(qū)，使用時(shí)間為2017—2019年，該型號(hào)翻新輪胎由某輪胎翻新企業(yè)生產(chǎn)制造，其平均使用壽命為2年左右，輪胎質(zhì)量約為500 kg。生命周期評(píng)價(jià)過程所用數(shù)據(jù)來源參考了該輪胎翻新企業(yè)實(shí)際數(shù)據(jù)、輪胎翻新行業(yè)報(bào)告、相關(guān)文獻(xiàn)中的研究結(jié)果等。

5.2 能量消耗結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

翻新輪胎生命周期能量消耗結(jié)果如表1所示。

由表1可知，生命周期能量消耗結(jié)果中，翻新輪胎生產(chǎn)階段占有的比重最大(高達(dá)91.91%)，運(yùn)輸階段占有的比重最小(僅為0.76%)；5種再利用階段中，低溫粉碎消耗的能量最大(為53 134 MJ/t輪胎)，燃燒發(fā)電消耗的能量最小(為483 MJ/t輪胎)，而二次翻新的能源恢復(fù)率最高(占74.88%)，燃燒發(fā)電的能源恢復(fù)率最低(占7.37%)，結(jié)果表明二次翻新在5種再利用方式中的能量回收效果最佳。

5.3 碳排放結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

翻新輪胎生命周期碳排放結(jié)果如表2所示。

由表2可知，生命周期碳排放結(jié)果中，翻新輪胎生產(chǎn)階段占有的比重最大(高達(dá)92.87%)，運(yùn)輸階段占有的比重最小(僅為0.67%)；5種再利用階段中，低溫粉碎產(chǎn)生的碳排放最大(為8 122 kgC/t輪胎)，燃燒發(fā)電產(chǎn)生的碳排放最小(為26kgC/t輪胎)，而二次翻新的碳削減率最高(占74.77%)，低溫粉碎的碳削減率最低(占6.51%)，結(jié)果表明二次翻新在5種再利用方式中的碳削減效果最佳。

表1 翻新輪胎生命周期能量消耗結(jié)果

表2 翻新輪胎生命周期碳排放結(jié)果

5.4 經(jīng)濟(jì)性結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

翻新輪胎生命周期經(jīng)濟(jì)性結(jié)果如表3所示。

表3 翻新輪胎生命周期經(jīng)濟(jì)性結(jié)果

由表3可知，生命周期經(jīng)濟(jì)性結(jié)果中，翻新輪胎生產(chǎn)階段的經(jīng)濟(jì)成本最高(達(dá)9 325元/t輪胎)，運(yùn)輸階段的經(jīng)濟(jì)成本最低(為155元/t輪胎)，翻新輪胎生命周期的利潤(rùn)成本比中二次翻新占有的比重最大(達(dá)50.05%)，燃燒發(fā)電占有的比重最小(為4.62%)，同樣結(jié)果再次表明二次翻新在5種再利用方式中的經(jīng)濟(jì)效益最佳。

6 結(jié) 論

1)基于生命周期理論構(gòu)建了翻新輪胎的能量消耗模型、碳排放模型及經(jīng)濟(jì)型模型，確定了生命周期評(píng)價(jià)指標(biāo)和結(jié)果清單，定量分析與評(píng)價(jià)了輪胎翻新各階段的能量消耗、碳排放及經(jīng)濟(jì)性。

2)翻新輪胎生產(chǎn)階段的能量消耗、碳排放及經(jīng)濟(jì)成本均最大，其次為使用階段，運(yùn)輸階段的能量消耗、碳排放及經(jīng)濟(jì)成本均最小，表明翻新輪胎生產(chǎn)階段對(duì)翻新輪胎的總能耗、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)性將產(chǎn)生較大影響。

3)能量回收、碳排放及經(jīng)濟(jì)效益等結(jié)果均表明，輪胎翻新再利用將會(huì)產(chǎn)生更大的能量回收效果和經(jīng)濟(jì)效益、大大減少碳排放量，是廢舊輪胎再利用5種方式中最有效的途徑，是未來廢舊輪胎循環(huán)再利用的發(fā)展趨勢(shì)。