廢輪胎利用的魔力組合法

陳匯宏， 魚偉令

（1. 華東理工大學，上海 200237；2. 上海橡膠制品研究所有限公司，上海 201702）

廢輪胎利用的魔力組合法

陳匯宏1， 魚偉令2

（1. 華東理工大學，上海 200237；2. 上海橡膠制品研究所有限公司，上海 201702）

簡述了廢輪胎利用史所積淀形成的熱裂解、精細膠粉、再生橡膠等經典工藝。由于這些工藝至今仍存在綠色和效益難以兩全的缺陷，行業中出現了諸多難以統一的選徑用器之爭。建立了新穎的路徑模型，并由此提出一種處理利用廢輪胎的組合法。這種組合法能取現有廢輪胎處理利用的各法之長，并化解各法之劣，一種變廢輪胎利用的選徑用器之爭為集優轉劣的串珠成鏈式合奏，有利于實現對廢輪胎的資源循環利用。

路徑模型；廢輪胎；廢橡膠；熱裂解；再生橡膠；精細膠粉；廢輪胎裂解炭黑

0 前 言

由車上換下且不能通過維修翻新再上車利用的輪胎被定義為廢輪胎。廢輪胎的利用方案有：原型利用，如作車、船的防撞緩沖隔離件，以及船和碼頭的防撞護舷等；破碎后利用，如制作鞋底、修鞋配件等；在破碎基礎上再粗碎至過5～20目的利用，如作運動場塑膠跑道的填充膠粒；在破碎基礎上再粗碎至過20～40目的利用，如再生橡膠或精細膠粉的原料等；用廢輪胎原型或破碎塊或粗碎粒經干餾（即熱裂解處理）后的利用，可獲得燃料油；用廢輪胎作燃料的利用，以及用廢輪胎作海中人工漁礁等等。

在我國，歷經市場實踐檢驗，目前能量化生產的主要有三種利用方案——即裂解、膠粉、再生膠。在新版的《中國輪胎循環利用行業“十三五”發展規劃》中，對包括這三種經典工藝在內的廢舊輪胎資源利用業的指導性國家規劃是“到2020年，基本建立適合我國廢舊輪胎資源循環利用的法律法規及標準、政策體系和統計信息服務體系；初步建立規范的廢輪胎回收體系。全國從事廢舊輪胎循環利用的符合各專業準入條件的企業達到300家；廢輪胎平均回收率達到95%以上，無害化和環保達標利用率達到80%；載重輪胎翻新率提高到35%，巨型工程輪胎翻新率提高到40%，轎車輪胎翻新率達到5%；再生橡膠年產量達到500萬 t；橡膠粉年產量達到100萬 t；熱裂解年產量達到50萬 t?！盵1]

1 綠色訴求引發選徑用器之爭

廢輪胎有資源和污染的雙重特性。近些年經過行業內的不斷技術進步，在徹底淘汰了再生膠的水法、水油法后，水污染被革除了?，F時行業中公認的治污目標是空氣污染。至于如何攻克空氣污染，行業和科技界的專家對此存在著工藝路徑和用器裝備的選擇之爭，就裂解、膠粉、再生膠三者所給出的爭鳴意見，有代表性的有以下這些。

1.1 對熱裂解行業的意見

正方認為：熱裂解是廢輪胎循環利用的最后環節，是將廢輪胎“吃干榨凈”的重要手段[1]，其對廢輪胎來講能被百分之百利用，并可最終獲得廢輪胎質量90%的產品（指燃料油、鋼絲、裂解炭黑渣之和約等于90%，另約10%可燃氣已被作裂解燃料自用了）。這是目前廢輪胎被綠色化轉化率最高的方案了，故應大力發展。當然熱裂解不能采用土煉油類有污染性的生產裝置，同時還需加強對裂解炭黑出路的開發和對燃料油的提質研發等，應在進一步提高效益的同時，更注重對裂解爐尾氣、炭黑粉塵等的治理。更重要的是，其能處理利用小汽車用棄的半鋼子午胎，而現時已產業化的精細膠粉、再生膠工藝路徑皆不能利用之。

反方認為：“熱裂解”不符合中國國情，更不能作為當今廢輪胎處理的發展方向。其理由是國家在“熱裂解”項目上推了多年，除了生產“熱裂解”設備的企業獲得了利潤外，投入“熱裂解”項目的企業基本依靠國家項目資金維持生存，基本上無利可圖。更重要的是35%所謂的“炭黑”，也就是“輪胎渣”，根本無法獲得市場認可[2]。

1.2 對精細膠粉行業的意見

正方認為：橡膠粉直接應用是國際公認的廢輪胎環保型、資源型的無害化加工利用方式，故應向發達國家看齊，大力發展膠粉，淘汰再生膠。

反方認為：在我國主要推廣的是常溫橡膠粉，其與國外用冷凍法生產的膠粉在過100目膠粉的含量上存在明顯的質量差距，故在國內沒能解決膠粉提質技術的情況下，市場又僅有呈激烈競爭的瀝青改性這一應用領域，發展并不順暢。另外，不能認為用廢輪胎制成的細膠粉就是完全無污染的，因為從廢輪胎破碎分離出的鋼絲、尼龍纖維骨架材料，其總量占到廢輪胎質量的1/3,這其中總雜有少量硫化橡膠粉粒，會在其下游熱加工利用時發生煙性空氣污染。這種污染很容易被忽視，而其污染烈度遠勝再生膠脫硫罐所冒出的煙氣。故用廢輪胎制成膠粉，其產品清潔化得率和被使用率至多是廢輪胎質量的2/3，這還遠不如裂解法。更何況裂解法還能處理利用半鋼子午胎。

1.3 對再生橡膠行業的意見

正方認為：我國是橡膠資源極端缺乏的國家，再生橡膠是現階段較精細膠粉更能被我國橡膠制品業所接受的廢輪胎橡膠再生質產品，已成為繼天然橡膠、合成橡膠之后，我國橡膠工業不可或缺的第三大橡膠資源。訴其污染，主要是集中在脫硫工序。淘汰高耗能、簡陋、不安全的落后設備，淘汰煤焦油和污染型活化劑，制定再生橡膠行業自律標準，改變再生橡膠高溫高壓脫硫工藝，采用常壓連續再生工藝，定能使產業向低碳綠色方向發展。

反方認為：再生橡膠行業多年來雖有技術進步，但與社會對環保的急迫要求相比，進程還是太慢！其所謂已排上治污攻堅議程的內容還僅僅停留在脫硫工序無臭和產品在室溫下無臭等底線要求上，遠未觸及產品在下游熱硫化時也要無臭這一難題。與制膠粉一樣，再生橡膠也未能觸及總量占到廢輪胎質量1/3的從廢輪胎破碎分離出的鋼絲、尼龍纖維的清潔化出路難題。所以綜合地講，其污染烈度排于精細膠粉之前，即居于裂解、膠粉、再生膠三者之首，故對其要限制發展。

1.4 對用器裝備的選擇之爭

正方認為：要淘汰廢輪胎粗碎工序的耗勞式簡陋小三件（切圈、切條、切塊），淘汰再生橡膠脫硫工序的間歇式動態脫硫罐，推廣連續式常壓脫硫機組。這是因為耗勞式簡陋小三件難以實現安全生產；間歇式動態脫硫罐在進、出料環節難以將臭氣密閉；連續式常壓脫硫機組便于密封，且可將臭氣變得易于處理，可有組織地排放。

反方認為：不應強制淘汰耗勞式簡陋小三件，因為其符合國內的市場現實，對其存在不安全性的瑕疵應耐心地寄希望于技術創新；不應強制淘汰再生橡膠脫硫工序的間歇式動態脫硫罐，但可限令其實施技術改造。動態罐所出產品的均一性好，質量穩定，現已出現進、出料環節操作可實現降溫和密閉的裝備了。而要推廣連續式常壓脫硫機組，還應盡快解決此種機械所出再生橡膠產品的均一化瑕疵等問題。

1.5 對選擇產品的劑型之爭

正方認為：現時再生膠為卷片后割成的塊狀，其生產和使用時都耗能嚴重，應創新發展節能的粒狀產品。

反方認為：現時與常壓連續脫硫機共推的免精煉顆粒狀再生膠有著暫難克服的缺陷，即，產品中的鋼絲屑粒比較多；相對缺少均一化過程，產品的質量波動較大；包裝袋費用大于塊狀再生膠。

2 數學建模，疊求佳值

2.1 使用模糊數學，建立路徑模型[3]

2.1.1 依據條件

任一種廢輪胎的再生利用方式都可以在平面紙上用“一長串的工藝方框圖”來表示；任一種廢輪胎的再生利用方式所遇到的問題，都可以在其一長串的工藝方框圖中用某一個或一個以上的方框具體標出，即“問題方框”。

2.1.2 建立路徑模型表示圖

對前述的“一長串工藝方框圖”，可以簡略地在平面紙上設曲線Cx來表示（x代表不同的工藝方框圖）；對前述的“問題方框”，可以簡略地用在所設曲線Cx上再加設標注點Dy來表示（y代表不同的具體問題方框）；對所用原料——廢輪胎，可以簡略地設○，并在其中加注∑Ai，表示為曲線Cx的起點（i代表廢輪胎的某品種，∑表示連加）；對所得的產品（如再生膠、膠粉、裂解產物等），可以簡略地設□，并在其中加注∑Bj，表示曲線Cx的終點（j代表產品的某品種，∑表示連加）。圖1所示即為三點一曲線的通式圖形，這就是路徑模型的最簡圖形表達式。

圖1中，○和∑Ai表示所用原料——廢輪胎的集合（i是具體的廢輪胎某品種）；□和∑Bj表示所得產品的集合（j是具體的產品某品種）；曲線Cx表示任一長串的工藝方框圖（x代表不同的工藝方框圖）；Dy表示任一問題方框（y是具體的不同問題方框）。

圖1 路徑模型的最簡圖形表達式

如將現有的廢輪胎裂解、膠粉、再生膠三法經典工藝路徑代入圖1，實施圖1的Ⅰ級展開，即得圖2。

圖2是被代入了裂解、膠粉、再生膠三法經典工藝路徑后的簡略表述，即原圖1中∑Ai變成了圖2中的A1——斜交廢輪胎、A2——全鋼子午廢輪胎、A3——半鋼子午廢輪胎所組成的廢輪胎原料集合。原圖1中∑Bj變成了圖2中的B1——再生膠、B2——精細膠粉、B3——熱裂解油、B4——經熱裂解后所得的鋼絲所組成的產品集合。

圖2 路徑模型的I級展開表達式圖形之一

原圖1中曲線Cx和其上標注的Dy變成了圖2中的曲線C1——現時再生膠的工藝路徑方框圖以及曲線C1上的標注點D1——含膠粉粒的鋼絲、尼龍骨架等缺陷，曲線C2——常溫精細粉碎的工藝路徑方框圖，曲線C2上的標注點D2——含膠粉粒的鋼絲、尼龍骨架等缺陷，曲線C3——裂解煉油的工藝路徑方框圖，C3曲線上的標注點D3——低值炭黑等缺陷。

從圖1（路徑模型的最簡表達式圖形）和圖2（路徑模型的Ⅰ級展開表達式圖形）看，不但能將歷史上種種廢輪胎的利用方式簡化標注成三點一線圖，更是將業界所要求的將廢輪胎原料A無污染（即通暢地不遇阻礙D）地經過程C制成綠色高值的產品B的模糊要求，清晰地簡化提煉成猶如從A地如何通暢地不遇阻礙D而到達B地的交通排堵或繞堵問題了。

在廢輪胎資源循環利用行業的傳統方式中，裂解、膠粉、再生膠三種工藝路徑總是分叉后就不再有傳質交往，三者各自遇到傳質阻礙點Dy，并在自身工藝路徑中實施強力排堵。這就好比在高速公路上遇車禍被堵，只有將受損車輛強力運走再恢復道路通車這一種方式似的。

以下介紹的組合法，就是要開拓交通排堵的另一方式，即在A地到B地的數條（其間無通行關系）道路各自受堵時，采用在各受堵道路Cx間設置便道的方式，巧妙繞開各阻礙點Dy。

根據組合法創新的“將廢輪胎制超細膠粉母料”新技術，能在圖2中所示的C1、C2、C3之間設置傳質通道，具體如圖3所示。

圖3中，E1——在C1（現時再生膠的工藝）與C3（裂解煉油的工藝）間設置的傳質通道；E2——在C2（常溫精細粉碎的工藝）與C3（裂解煉油工藝）間設置的傳質通道；E3——在C3（裂解煉油工藝）與C2（常溫精細粉碎工藝）之間設置的傳質通道。

圖3 在圖2所示C1、C2、C3之間設置了傳質通道

這些通道的作用在于至少將雜鋼絲、尼龍骨架D1、D2通過傳質通道E1、E2導于C3，經C3裂解過程裝備的加工，變成了熱裂解油B3和熱裂解后所得的鋼絲B4；至少將低值炭黑D3經傳質通道E3導入C2，最后得到超細膠粉母料B5。

要指出的是，圖3中所述的新設傳質通道E1、E2、E3，要經過更進一步的研發論證工作才能具體地建立起來；理論上講，在圖2所述的C1、C2、C3之間能設置出無窮多條傳質通道Ey→∞；圖1為路徑模型的最簡圖形，其可進一步展開。

上述介紹的路徑模型的學術意義在于：能化繁為簡，將紛繁的種種技術進步和其尚存的問題以簡潔的路徑圖形式，如沙盤狀呈現出來，便于人們理解問題之所在并提出解決方案。

2.2 路徑模型結合各經典工藝，催生組合法

將裂解、膠粉、再生膠三者的經典工藝路徑的主線繪于圖4。將圖4經開發實踐工作檢驗確認后，獲得圖5。

新創的這種組合法已先后獲得多項榮譽：2015年獲中國物流與采購聯合會頒發的科技進步二等獎（證書號CFLP2015-02-02-40，獲獎名稱“用全額綠色高值節能化四項全扣合式組合法將廢輪胎制成超細膠粉母料新技術”）[5-6]；2010年在第二屆上海發明創新大賽上，獲上海發明創新二等獎（證書號101010，獲獎名稱“橡膠產業鏈和諧鏈接新技術”）[7]；2009年獲第二十二屆上海市優秀發明選拔賽優秀發明金獎（獲獎名稱“廢舊輪胎、廢雜塑料資源循環高值利用技術及成套裝備”）[8]；2008年獲首屆上海民間發明創新大賽（浦東杯）二等獎（獲獎名稱“廢舊輪胎資源全額高值綠色化循環利用技術及成套設備”）[9]。

利用組合法首獲的廢輪胎再生質主產品是超細膠粉母料。經試用等檢測實踐證明，其可以較常規再生橡膠或精細膠粉3～6倍的量，高比例地摻配于通用型橡膠制品中；具有相對密度1.25、拉伸強度12 MPa及綠色環保等特點，可替代相對密度≥1.4、拉伸強度10～12 MPa的橡膠（天然橡膠或通用型合成橡膠）和炭黑、氧化鋅、填料等高價新料的集合。

3 組合法的魔力

3.1 對廢輪胎熱裂解的新定位

在組合法中，裂解是不可或缺的配角。裂解占量至多僅占廢輪胎總質量的1/3,熱裂解路徑段的作用至少有：吃盡再生橡膠或精細膠粉路徑不能吃或和吐出的物料，如含有細硫化膠粉粒的鋼絲或尼龍纖維等；吐出能助精細膠粉出過100目硫化膠粉的助磨劑——裂解炭黑。

圖4 現有廢輪胎處理利用的三種經典路徑

圖5 經新促傳質通道后獲得的新圖4

3.2 對廢輪胎再生橡膠的新看法

在組合法中，再生膠的最核心段被保留。即原處理路徑中動態罐或螺旋或螺桿擠出機組合裝置的工作負荷將被削減，如削去高耗能的濾膠、捏煉、精煉，降低塑化溫度至少100 ℃，因為進罐或入機被熱的膠粉粒徑已是能輕松獲得過80目不過150目篩的膠粉了！因出罐或出機物料后續已無須脫雜，故膠粉與軟化助劑比例無須再受制于加工性的好壞，再加上使用環?；鷦匀痪湍塬@得在生產和下游硫化時皆不冒煙的環保產品。

3.3 對廢輪胎精細膠粉的新展望

在組合法中，細碎機改良后能挑大梁。所述的改良，其特征在于至少在細碎機前或后設置防塵的自動化配料系統。這種改良是使本為細碎純硫化膠粉的細碎機，變得能夠適應細碎或之后實施配方改性等處理硫化膠粉和炭黑等粉體混合物料的要求。這一改良使精細粉碎路徑在組合法中有了真正賽過冷凍法的前景，也使再生膠路徑的塑化加熱溫度能夠降至橡膠受熱冒煙溫度之下，開辟了熱裂解炭黑的升值通道。

3.4 對連續式塑化機的新訴求

在組合法中，被減負的塑化機更靠譜。所述的減負，其特征在于能將現時裝備加熱至250 ℃以上之溫度至少減去100 ℃（因在組合法中已將進料膠粉粒徑由現時的至粗過20目至細不過80目，變成至粗過80目至細不過150目篩，降溫后使物料躲過了被降解發煙的溫度），減除了濾膠、捏煉、精煉等。經過這些降溫節能的減負，使生產車間尾氣收集處理裝置運行更穩定，產品在下游硫化時不冒煙，環保性更靠譜。

3.5 對間隙式動態罐的再認識

在組合法中，動態罐也有新用武之地。 所述“新用武”，其特征在于將其僅執行高溫脫硫的原功能，延伸成為作高溫脫硫、再趁熱與后加的炭黑或輕質碳酸鈣等粉體實施潤濕預混的新操作。這一延伸能將罐內先生成的水蒸氣以及一些松散的物態，皆作為與軟化劑、炭黑等粉體實施潤濕低轉矩預混的有益資源而被利用了。這一延伸性改變將再生膠中間產物變成了某種混煉膠的中間產物。當然，動態罐還需進一步創新。

3.6 對廉價粗碎小三件也候望

在組合法中，粗碎小三件也有了生存之機。業內有80%的企業在廢輪胎粗碎工序中使用切圈、切條、切塊小三件。若不當使用小三件，會有粉塵污染和安全隱患。但若對其作防塵和安全性加設創新（事實上國內已有了多種小三件的改進裝備在運行），并將其使用車間用攝像頭、報警器與使用膠塊的下家的質量、安全責任監管部門鏈接起來，在此創新改進的前提下，將其作為收集站裝備，則亦能在組合法中獲得新機。

3.7 使業內節點成果珠鏈合奏

組合法是以包括現有裂解、膠粉、再生膠三分岔經典路徑在內的種種技術方案為基礎，針對以往工藝方案都存在著單路獨進和遇堵自排的慣性思維，采用路徑模型理論，指出了可利用現有工藝路徑中各有傳質通行優勢的路段實施組合，繞過了原各路徑的受阻點。在路徑模型中，不但能看出現有各工藝路徑的優點和劣勢，以及轉劣為優的路徑，更能將原料品種和產品的物理性能、劑型等參數，在上下游效益和環保之間清晰地找到最大公約數?？傊?，組合法是將業內各據成果、厚此薄彼的紛爭，變成了各有千秋的產業化珠鏈合奏。

4 從組合法創新平臺上展望廢輪胎利用的新前景

綜上所述，組合法更能符合我國國情和國家對廢舊輪胎資源利用的中長遠期規劃，使裂解、膠粉、再生橡膠協同發展，使半鋼子午線廢胎的綠色高值利用成為可能，所獲的種種廢輪胎再生質產品將能承受更嚴格的有機揮發分限量規定。組合法符合（發改環資[2012]765號文）《國家發展改革委、財政部關于推進園區循環化改造的意見》中重點提出的“產業鏈接循環化”的要求，能成為橡膠產業鏈結構優化的插件。

[1] 中國輪胎循環利用行業“十三五”發展規劃[EB/OL]. http://sanwen.net/a/eutbmoo.html.

[2] “熱裂解”不應作為廢輪胎利用的方向[EB/OL]. http://www.cria.org.cn/event/2/36905.html.

[3] 用路徑模型導解廢輪胎資源化難題——從方法論角度介紹超細膠粉母料等的創新[EB/OL]. http://www.cnki.com. cn/Article/CJFDTotal-JSZS201508030.htm.

[4] 首創組合法終使廢輪胎實現資源綠色循環——橡膠工業可持續發展技術的重大突破 [EB/OL].

http://www.ezaisheng.com/news/show-29324.html .

[5] 推進廢舊輪胎資源利用 橡源馳晨新技術打破瓶頸 [EB/OL]. http://www.xj91.com.cn/sangwu/QY_Shownews. asp?HYNew_ID=1516 .

[6] 2015年度中國物流與采購聯合會科學技術獎獲獎項目[EB/OL].http://www.docin.com/p-1362569880.html .

[7] 上海第二屆發明創新大賽獲獎名單 [EB/OL]. http://www.cainet.org.cn/html/152.html .

[8] 第二十二屆上海市優秀發明選拔賽獲獎項目[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/link?url=isW9QoFCxhYM6c6vPD35r eBnCSnSV1mlYu54zU0bygUBmfW5B-jKDEUQoN6u5ygbwlytvvQcqo6YfczPcH8k2E6N5bN_L1C_kblASe3-9tG.

[9] 搭建民間發明成果轉化的平臺 [EB/OL]. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HDKJ200812009.htm .

[責任編輯：朱 胤]

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2017-04-17