李湘洲
(長春理工大學(xué),吉林長春130022)
隨著交通運輸事業(yè)日益發(fā)達,各類汽車的數(shù)量急劇增加?!笆晃濉逼陂g,我國汽車產(chǎn)銷量雙雙超過1300萬輛,居世界首位。由于輪胎生產(chǎn)消耗的橡膠資源約占全國橡膠消費總量的70%,這使我國的橡膠消費量和進口量日益增加,其中天然橡膠的進口依存度已連續(xù)多年超過75%。我國既是橡膠消費第一大國,同時也是輪胎生產(chǎn)大國,輪胎年產(chǎn)量達4.4億多條,2010年產(chǎn)生的廢舊輪胎達3億條。近年來廢舊輪胎進口量有增無減,帶來了日益嚴峻的環(huán)境和回收處理問題。
國外最初處理廢舊輪胎的主要方式為土壤填埋。由于廢舊輪胎很難降解,長期在土壤中造成土壤肥力下降,即使降解,產(chǎn)物也為硫、芳烴等有害物質(zhì),污染土壤和地下水。廢舊輪胎堆放還容易引起火災(zāi),滋生蚊蠅傳播疾病。橡膠是極易燃燒物質(zhì),著火后基本無法撲滅,只能等待完全燃燒,燃燒過程中產(chǎn)生大量含硫和其他有毒有害氣體;在傳播疾病方面,美國曾出現(xiàn)過從廢舊輪胎堆放處傳播惡性傳染病的先例。另外,由于國內(nèi)燃油價格攀升,巨大的利潤空間導(dǎo)致土法廢舊輪胎煉油盛行,屢禁不止,對環(huán)境造成了嚴重污染。因此,妥善處理廢舊輪胎,對保護生態(tài)環(huán)境十分重要。
從資源回收方面看,橡膠是十分重要的資源,在國民經(jīng)濟中具有重要作用。而我國又是橡膠資源嚴重不足的國家,橡膠自給率僅在53.8%左右。2010年橡膠產(chǎn)量為328萬t,其中天然橡膠78萬t,合成橡膠250萬t。而當(dāng)年國內(nèi)橡膠消費量為683萬t,其中天然橡膠318萬t,合成橡膠365萬t,兩者的自給率僅為24.5%和68.5%,因此,我國橡膠行業(yè)供需矛盾十分突出[1]。
我國橡膠行業(yè)一方面資源緊張,另一方面需求強勁,因此回收利用廢舊橡膠資源,發(fā)展橡膠行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟就顯得十分必要。以9.00 R20輪胎為例,生產(chǎn)一條翻新輪胎比生產(chǎn)一條新輪胎可節(jié)約橡膠9 kg。2007年我國翻新輪胎1200萬條,共節(jié)約橡膠10萬t以上,并生產(chǎn)了200萬t再生膠和50萬t膠粉。若沒有這些產(chǎn)品,橡膠供求矛盾會更為嚴峻[1]。
據(jù)統(tǒng)計,2010年,美國廢舊輪胎達470萬t,歐洲近350萬 t,日本超過110萬t,我國約160萬t[2]?!昂谏廴尽迸c資源問題,迫使國內(nèi)外都十分重視廢舊輪胎的回收和綜合利用,以達到既避免環(huán)境污染,又使資源再生利用的目的。
從20世紀90年代初開始,發(fā)達國家就投入大量資金和人力研究開發(fā)廢舊輪胎的利用,取得了較大的進展。目前主要有4種途徑:一是對胎體完好的輪胎進行翻新利用,可以延長輪胎的使用壽命。例如米其林的輪胎可以翻新2~3次,延長總里程近113萬km。二是將廢輪胎切碎做燃料用于發(fā)電等,其熱值為29~37 MJ/kg。三是高溫裂解回收橡膠烴和炭黑、燃料油等。四是制成膠粒和精細膠粉。精細膠粉的用途廣、市場潛力大,可作為瀝青改性劑替代彈性塑料橡膠(SBS)或生產(chǎn)改性瀝青、防水建材;利用精細膠粉化學(xué)反應(yīng)活性大,不脫硫加入橡膠制品中或輪胎生產(chǎn)中以降低成本;作為建筑用保溫填料做隔離、保溫材料等。美國利用德國英泰克公司的第五代膠粉設(shè)備(RC400-5型)生產(chǎn)的精膠粉純度已達到99.9%,可替代塑料。
美國回收處理一條廢輪胎,政府補貼0.5~1美元;加拿大每銷售一條新輪胎,收取3加元附加費,收取的費用集中用于廢輪胎的回收與利用;日本每處理一條報廢汽車輪胎,政府補貼1.8美元。英、日、德等國免費回收廢輪胎,并給予利用企業(yè)減免稅的政策支持。
目前,世界多數(shù)國家不允許進口廢舊輪胎,有些發(fā)達國家,在禁止進口的同時,還采取鼓勵出口的政策。例如美國每年產(chǎn)生廢輪胎2.73億條,回收利用1.81億條,占生產(chǎn)量的66%,剩余9200萬條,其中出口約1500萬條,主要出口到巴西、墨西哥等國,這些國家從美國運走1 t廢輪胎可獲得30多美元的補助,因此出口成為美國消納不了的廢輪胎的轉(zhuǎn)嫁途徑[3]。
美國規(guī)定運輸10條以上、堆放500條以上廢輪胎,無論何種方法處理均實行政府審批制度和許可證制度,這樣就將廢輪胎的數(shù)量、流向和再利用方式納入到政府的統(tǒng)計資料庫,有利于政府執(zhí)法部門進行動態(tài)監(jiān)控。
美國各州在推進廢輪胎回收利用方面,普遍收取廢輪胎回收處理費,但各州的收費標(biāo)準有所不同。加州自1992年建立廢輪胎回收處理專項基金,其來源是向新輪胎銷售商征收回收處理費。銷售商將廢輪胎回收處理費加到零售價格中,再轉(zhuǎn)入加州政府專用基金帳戶。收費標(biāo)準為每條新輪胎1.75美元。這些費用用于專項執(zhí)法以及資助廢輪胎清運、處理和膠粉市場的開發(fā)。政府采用差別化補貼的方法來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整。在加州,廢輪胎回收處理專項基金收入每年約有3500~4000萬美元,主要用于資助廢輪胎膠粉企業(yè)開發(fā)市場,改善廢輪胎野外堆放條件,運輸人員及回收市場的管理經(jīng)費等。
法律規(guī)定,廢輪胎不得與生活垃圾或其他廢棄物一起運輸和處理,否則將受到重罰。這樣就迫使輪胎使用者將廢輪胎交給新輪胎銷售商,銷售商要找有廢輪胎運輸許可證的運輸商和處理商進行處理,就要付錢,銷售商再從輪胎使用者那里把錢賺回來。這樣就形成了一個廢輪胎回收、運輸、處理市場化運作的產(chǎn)業(yè)鏈和資金流,平衡了各方面的經(jīng)濟利益。
美國是一個完全市場化的國家,但對于廢輪胎回收利用這樣涉及環(huán)境與資源的事情,政府還是采取了嚴格的強制性計劃,以推動市場的發(fā)展。例如,加州環(huán)保局提供的《2006/2007—2010/2011年廢輪胎回收利用計劃》,該計劃是根據(jù)加州議會通過的廢輪胎回收處理各項法律制定的,其中詳細描述了專項基金的使用計劃,以及所要支持的具體項目資金和財政預(yù)算等[4]。
直接利用是將廢輪胎以原有形狀或近似原形加以利用,輪胎翻修便是其直接利用中最有效、最經(jīng)濟的利用方式。在使用和保養(yǎng)良好的情況下,一條輪胎可多次翻修,這樣總的翻胎壽命往往可達新胎的1~2倍,而所耗原材料僅為新胎的15%~30%,所以各國都普遍重視輪胎翻修工作。目前世界上最先進的翻胎技術(shù)為預(yù)硫化翻胎法,又稱冷翻法,即將已經(jīng)硫化成型的胎面膠粘合到經(jīng)過打磨處理的胎體上,裝上充氣內(nèi)胎和包封套,送入大型硫化罐,在較低溫度和壓力下硫化,一次可生產(chǎn)多條翻新輪胎[5]。
除翻修外,廢輪胎還可作為人工魚礁、碼頭護弦以及賽車道車輛的緩沖材料,在美國還將其做成高速公路的隔音墻使用。
美國康涅狄格州用廢輪胎來代替地下管道。他們將廢輪胎豎立相疊,排成一列埋入地下,經(jīng)固定充當(dāng)泄洪暗渠,很經(jīng)濟實用。
日本有人用廢輪胎固坡:將廢輪胎整齊地擺放在坡面上,然后用水泥澆灌空隙,使廢輪胎與坡面連成整體。這樣既節(jié)約水泥,又增強了坡面的堅固程度,同時還利用了廢輪胎。
法國技術(shù)人員利用廢輪胎建筑“綠色消音墻”,實踐證明,這種消音墻吸音效果極佳,音頻在250~2000 Hz的嗓聲可被吸收掉85%。具體做法是:沿直徑將廢輪胎剖成對稱的兩半,然后將其傾斜層層疊放,再在墻外罩以金屬格柵作為防火護板。傾斜20°擺放,以利于排水,避免雨水積存在輪胎內(nèi)滋生蚊蠅。
與其他綜合利用途徑相比,廢輪胎的直接利用是一種有價值的回收利用方法,在耗費能源和人力較少的情況下使廢輪胎物盡其用,但該方法利用廢輪胎的量并不大,只有廢輪胎量的1%左右[7]。
熱能利用就是用廢輪胎代替燃料使用。廢輪胎是一種高熱值材料,其燃燒熱約為33 MJ/kg,每千克的發(fā)熱量比木材高69%,比煙煤高10%,比焦炭高4%,與優(yōu)質(zhì)煤相當(dāng)。利用熱能的方法是將廢輪胎破碎,然后按一定比例與各種可燃廢物混合,配制成固體垃圾燃料,供高爐噴吹代替煤、石油和焦炭,供水泥回轉(zhuǎn)窯代替煤,或用于火力發(fā)電。其中焙燒水泥是對廢輪胎利用率較高的回收方式,在水泥焙燒過程中,廢輪胎中的鋼絲正好代替制造水泥所需的鐵礦石成分,即用廢輪胎焙燒水泥,可以少加或不加鐵礦石[5]。
如今美國、日本以及歐洲許多國家,有不少水泥廠、發(fā)電廠、造紙廠、鋼鐵廠和冶煉廠都在用廢輪胎作燃料,效果很好,不僅降低了生產(chǎn)成本,而且解決了廢輪胎引起的環(huán)境問題。
將廢輪胎通過常溫粉碎或低溫粉碎等方法,制備膠粉后加以利用,這是較早就采用的方法,也是目前廢輪胎回收一種重要的途徑,生產(chǎn)精細膠粉已成為現(xiàn)在廢輪胎再利用的主導(dǎo)方向。
膠粉的應(yīng)用主要有3個方面:一是橡膠工業(yè),用于直接成型彈性體與新膠料并用;二是塑料工業(yè),主要為摻入熱塑性塑料和熱固性塑料中作為填充或者增韌材料,膠粉在填充前往往需要表面改性,以使其與塑料基體有良好的相容性;三是用于瀝青、塑膠跑道和建筑等方面。此外,近年來還開發(fā)了許多新用途,如用于制備離子交換劑,改良土壤,或作為輕質(zhì)工程回填料等[5]。
膠粉工業(yè)是廢橡膠綜合利用產(chǎn)業(yè)的一個重要分支,在我國始于20世紀80年代后期。目前膠粉生產(chǎn)工藝主要有兩種:常溫法和冷凍法。兩種工藝均需要經(jīng)過粉碎前預(yù)加工、粉碎、分離與輸送、篩分和包裝等過程。常溫粉碎分為粗碎(大于2目)、中碎(大于20目)和細碎(大于40目)。在國外,冷凍法粉碎廢橡膠早在20世紀70年代就已工業(yè)化,采用的冷媒體多為液氮。冷凍粉碎工藝有兩種:一是廢橡膠全部在冷凍環(huán)境下進行粉碎;二是冷凍和常溫并用的粉碎工藝,即先將廢橡膠在常溫狀態(tài)下粉碎達到一定粒度后,再進入冷凍系統(tǒng)完成細碎[8]。
廢輪胎的熱分解主要包括熱解和催化降解。熱解技術(shù)主要包括常壓惰性氣體熱解、真空熱解和熔融鹽熱解,但無論采用哪種方法,都存在處理溫度高、加熱時間長、產(chǎn)品雜質(zhì)多等缺陷。催化降解則采用路易斯酸熔融鹽作催化劑,反應(yīng)速度快,產(chǎn)品質(zhì)量較熱解好。通過熱分解可以回收液體燃料和多種化學(xué)品。
隨著我國能源緊張狀況的加劇和能源價格的上漲,近年來利用廢輪胎土法煉油在全國蔓延。土法煉油產(chǎn)生的有毒有害氣體和沉淀的油渣,造成嚴重的環(huán)境污染,煉油場地周邊土壤、地表和地下水遭到嚴重破壞。一個土法煉油廠每年要燒掉2萬t左右的廢輪胎,這是一個極大的浪費,必須加以遏制[8]。
總的來說,熱分解工藝的設(shè)備投資高,附值低,更重要的是燃燒產(chǎn)生苯和二惡英類等致癌毒性氣體,對大氣環(huán)境造成嚴重污染,對人類和生態(tài)構(gòu)成嚴重威脅,目前很多發(fā)達國家已經(jīng)明令禁止[5]。
物理再生是利用外加能量,如力、熱—力、冷—力、微波、超聲波、射線等,使交聯(lián)橡膠的三維網(wǎng)絡(luò)破碎,形成具有流動性的再生膠。
4.1.1 微波再生
微波脫硫法是一種非化學(xué)、非機械的一步再生法,它是利用微波能量切斷硫—硫鍵(S—S)、硫—碳鍵(S—C)而不破壞碳(C—C),從而達到再生的目的。因為微波能量是可控的,各種化學(xué)鍵的鍵能不同,斷裂時所需要的能量也不同。所以微波能斷鍵是有選擇的,用這種方法生產(chǎn)的再生膠性能接近原膠。
4.1.2 超聲波再生
利用超聲波也能夠選擇性地破壞交聯(lián)鍵而保留分子主鏈,使硫化橡膠達到再生的目的。在硫化橡膠的超聲脫硫過程中,除了破壞三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以外,也導(dǎo)致了部分大分子鏈C—C鍵的斷裂。因此,有必要進一步研究,以提高超聲波脫硫的選擇性,只有有選擇地破壞化學(xué)鍵,才能最大限度地保持原膠性能。
4.1.3 電子束再生
電子束輻照再生方法是利用丁基橡膠獨有的對射線敏感的特性,借助電子加速器產(chǎn)生的高能電子束,對其產(chǎn)生化學(xué)斷鍵——解聚效應(yīng),使之獲得再生。
4.1.4 剪切流動場反應(yīng)控制技術(shù)
不使用化學(xué)藥劑,通過對廢橡膠施加熱能、壓力、剪切力,使硫化膠的硫鍵發(fā)生斷裂,從而生成性能穩(wěn)定同時具有塑性的再生膠。
化學(xué)再生就是在一定的溫度和溶劑條件下,化學(xué)助劑與廢膠中的硫—硫鍵(S—S)作用,使硫鍵斷裂,生成具有流動性的再生膠。再生劑有以下幾種。
4.2.1 無機化合物
金屬鈉可以使硫化膠得到再生。將膠粉懸浮于甲笨、環(huán)已烷等溶劑中,在300℃高溫,金屬鈉存在的條件下隔氧處理,可使單硫鍵、雙硫鍵和多流鍵斷裂。但是金屬鈉是活潑金屬,在環(huán)境條件下易發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng),且反應(yīng)過程不易控制。隔氧處理的反應(yīng)條件也比較苛刻,此外,生成的硫化鈉以及剩余的溶劑會對環(huán)境造成污染。
4.2.2 RV橡膠再生劑
RV是一種再生膠新技術(shù),其基本原理是采用一種化學(xué)劑使其與S—S鍵反應(yīng),而破壞C—C鍵,使硫化網(wǎng)絡(luò)斷裂。該方法精巧、簡便、無毒、能耗低,在常溫下完成。
4.2.3 RRM再生劑
印度的研究人員開發(fā)了一種用植物作為再生劑的新技術(shù),即利用可再生資源(RRM)作為再生劑。在國內(nèi),也有人從大蒜、桔子皮等植物中提取出一種植物再生劑,用于廢橡膠的再生,得到了較好的效果。天然植物再生劑利用了可再生資源,符合可持續(xù)發(fā)展條件,對廢輪胎帶來的黑色污染治理及橡膠資源的回收利用具有積極意義。
微生物再生技術(shù)就是利用微生物脫硫,通過減少硫磺的氧化或硫磺交聯(lián),使廢橡膠粉末表面降解或改性。這種脫硫方法可使廢橡膠粉末的表面層從有彈性變成有粘性的糊狀,從而與新的生膠混合,制成新的橡膠制品。用微生物脫硫具有成本低和不污染環(huán)境等優(yōu)點,但是這種再生技術(shù)用于實踐還有很長的路要走。例如,微生物脫硫用的裝置和工藝等都是未來需要重點研究的課題[6]。
我國廢舊輪胎的循環(huán)利用與發(fā)達國家相比,還存在著較大的差距。主要表現(xiàn)在以下3方面。
近年來,舊輪胎的翻新量占生成量的比例雖已從7%上升到10%左右,但與國外仍有較大差距,而且翻新的品種多集中在載重汽車,對于轎車、飛機的輪胎基本沒有翻新。
近年,有關(guān)部門雖然頒布了《輪胎產(chǎn)業(yè)政策》文件,兩項國家標(biāo)準《載重汽車翻新輪胎》、《轎車翻新輪胎》以及一項行業(yè)標(biāo)準《工程機械翻新輪胎》,但實施效果和管理相對落后。目前我國尚無廢舊輪胎的回收利用管理部門,也未建立大型正規(guī)的回收利用系統(tǒng)。在國外,廢舊輪胎回收利用管理機構(gòu)很多。如美國的“廢胎管理委員會”,加拿大的“廢胎回用管理協(xié)會”等。我國對廢舊輪胎的處理尚缺乏優(yōu)惠政策,而國外廢舊輪胎多是無償利用,政府還有補貼,并實行免稅政策。我國不僅不免稅,稅率還高于其他加工行業(yè)。
我國廢舊輪胎回收利用企業(yè)生產(chǎn)規(guī)格普遍偏小,自我革新改進能力低,發(fā)展無后勁。大多數(shù)翻新輪胎企業(yè)工藝裝備水平不高,技術(shù)力量薄弱。加上我國廢舊輪胎資源零星分散,回收、加工、運輸費用高,生產(chǎn)經(jīng)營困難多,所以廢舊輪胎回收利用行業(yè)長期呈低水平徘徊狀態(tài)。
為促進廢舊輪胎資源的綜合利用,在吸取國外成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合國內(nèi)實際情況,不斷在技術(shù)、管理、政策上創(chuàng)新,要盡快將廢舊輪胎資源回收利用逐步納入法制化管理軌道;建立健全廢舊輪胎回收利用網(wǎng)絡(luò)及機制,負責(zé)本地區(qū)廢舊輪胎集中回收、分類、初加工及再利用的集散;研究制定鼓勵廢舊輪胎回收利用的經(jīng)濟政策,加快廢舊輪胎回收利用的產(chǎn)業(yè)化進程,找到既充分利用廢舊輪胎資源,又沒有二次污染的多種利用途徑,為建設(shè)節(jié)約型社會和加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,開辟新的突破口。
不久前,英國工程師發(fā)明了既環(huán)保又解決交通堵塞的好辦法——鋪設(shè)橡膠路面。這種“柔軟”的公路是用廢舊輪胎制成嵌板,然后鋪設(shè)在已經(jīng)棄用的鐵軌上。新型的橡膠路上可以行駛汽車和電車,時速最高可達80 km。也可將橡膠鋪設(shè)到人行道上。把低成本的連鎖橡膠板鋪在廢棄鐵軌中間,每1.6 km的鐵軌中間需要鋪設(shè)3.54萬t廢輪胎碎塊。每塊嵌板是用輪胎碎塊制成,在制造過程中,產(chǎn)生的污染很低。由于新路面全部用橡膠制成,不會開裂、破碎、坑洼,也不會因為霜凍而損壞,同時消音效果很好。平日的養(yǎng)護費用非常低,因為每更換一塊嵌板的時間僅15 min。這種新型橡膠路的壽命長達20年,這是普通路面難以與之比較的。英國已在北安普敦郡的科比建成了一條長300 m的示范路面。美國和歐洲一些國家也在效仿這種方法制造橡膠路面。據(jù)報道,歐盟已出臺法律,規(guī)定在垃圾掩埋場掩埋或焚燒廢舊輪胎均屬違法行為,這就使得上述利用廢舊輪胎制造橡膠路面極具吸引力[7]。
根據(jù)我國廢舊橡膠利用現(xiàn)狀,其發(fā)展方式仍應(yīng)延續(xù)中國特色的廢舊橡膠綜合利用格局,即以再生膠為主,適度發(fā)展膠粉,加快以大企業(yè)為主,發(fā)展輪胎翻新行業(yè)。我國統(tǒng)計數(shù)據(jù)也證明了這條道路是正確的。
再生膠一直是我國廢舊橡膠利用的主體,占我國廢舊橡膠利用總量的71.3%。這一方面解決了廢舊橡膠利用的難題,另一方面緩解了國內(nèi)橡膠資源的不足。今后5~10年內(nèi),再生膠仍將在廢舊橡膠利用行業(yè)占重要地位。
“十二五”期間,我國廢橡膠利用工作的重點是:(1)優(yōu)化翻胎工藝,使用預(yù)硫化胎面技術(shù)的全鋼子午胎翻胎年產(chǎn)能達到1500萬條,輕載、農(nóng)用、工程胎翻胎達到700萬條;(2)借鑒相鄰學(xué)科的優(yōu)勢,研發(fā)新一代無臭味、無遷移污染的新型再生活化劑和再生軟化劑,無臭味再生膠產(chǎn)量達到總產(chǎn)量的70%;(3)擴大特級輪胎再生膠規(guī)模,到“十二五”末其比例達到再生膠總產(chǎn)能的15%,年產(chǎn)能達到50萬t;(4)合理利用廢半鋼子午胎資源,生產(chǎn)再生膠和公路改性瀝青專用硫化膠粉,年產(chǎn)能分別達到80萬t和45萬t;(5)穩(wěn)定丁基再生膠生產(chǎn),擴大三元乙丙膠、氯丁膠、丁苯膠,以及氟橡膠和硅橡膠等再生合成膠產(chǎn)能,其占再生膠總產(chǎn)能的比例由“十一五”的8%提高到20%,“十二五”末年產(chǎn)能達到85萬t[8]。
相信在不久的將來,我國一定能進一步提高包括廢舊輪胎在內(nèi)的廢舊橡膠綜合利用水平,使廢橡膠這一寶貴資源物盡其用。
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