輪胎全生命周期碳中和技術(shù)的發(fā)展

李翠平，張新軍，李 鵬

（1.中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證有限公司，北京 100006；2.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100143）

碳中和是指通過(guò)節(jié)能減排等形式抵消企業(yè)和產(chǎn)品等在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量以達(dá)到相對(duì)零排放。碳中和輪胎是指使用綠色能源或可持續(xù)原材料來(lái)抵消輪胎生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的任何排放。碳中和概念提出后，低碳和綠色成為各輪胎企業(yè)的研發(fā)方向和競(jìng)爭(zhēng)重心。輪胎行業(yè)頭部企業(yè)正在從輪胎全生命周期入手，努力向碳中和靠攏。2020年11月米其林公司宣布了減排與碳中和生產(chǎn)的實(shí)施計(jì)劃，并研發(fā)出世界第1條碳中和輪胎e.PRIMACY。我國(guó)多家輪胎行業(yè)頭部企業(yè)在生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品研發(fā)、廢舊輪胎翻新等領(lǐng)域也在踐行節(jié)能減排責(zé)任，為行業(yè)做出了表率[1]。

我國(guó)提出2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，到2060年我國(guó)非化石能耗占比將達(dá)到80%，國(guó)家“雙碳”目標(biāo)指引企業(yè)未來(lái)發(fā)展規(guī)劃。歐美國(guó)家從碳達(dá)峰到碳中和歷經(jīng)約80年，而我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間只余約30年，窗口期非常短，這就要求各企業(yè)在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、可再生材料使用、工藝減碳、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)等方面采取更有力的措施。

輪胎在生產(chǎn)階段消耗大量橡膠、填料、助劑和電力等資源，使用階段消耗大量燃油，報(bào)廢后成為難以降解的黑色固體廢棄物。在倡導(dǎo)低碳發(fā)展、推進(jìn)資源化利用的今天，輪胎產(chǎn)業(yè)引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題引起了廣泛的關(guān)注，因此開(kāi)展輪胎全生命周期對(duì)環(huán)境影響的研究，評(píng)估輪胎產(chǎn)品碳足跡，有助于輪胎產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展。產(chǎn)品碳足跡主要指產(chǎn)品系統(tǒng)全生命周期直接和間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量。產(chǎn)品全生命周期評(píng)價(jià)方法可以對(duì)產(chǎn)品從最初的原材料采購(gòu)到最終廢棄處理進(jìn)行全過(guò)程的跟蹤，并分析產(chǎn)品碳足跡。輪胎全生命周期碳足跡研究范圍包括輪胎生產(chǎn)階段（包括資源開(kāi)采、原材料生產(chǎn)、半成品部件生產(chǎn)和輪胎生產(chǎn)）、運(yùn)輸階段（從輪胎生產(chǎn)地點(diǎn)到輪胎銷(xiāo)售和使用地點(diǎn)）、使用階段和廢棄物處理處置階段4個(gè)主要階段的碳足跡[2]。

輪胎企業(yè)是輪胎全生命周期中的一部分，涉及輪胎原材料選擇、采購(gòu)和輪胎設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售。輪胎生產(chǎn)階段的能耗占比并不是最大，而是輪胎使用階段的碳足跡貢獻(xiàn)最大，但是輪胎設(shè)計(jì)決定了其所需原材料、使用能耗、廢棄物處理方式和可回收比例等，是輪胎全生命周期中碳中和的核心。

本文從輪胎原材料選擇、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能降耗、廢棄輪胎回收再生等方面探討輪胎全生命周期碳中和技術(shù)的發(fā)展。

1 輪胎原材料的選擇

輪胎生產(chǎn)的原材料主要是橡膠和填料，其次是作為骨架材料的鋼絲簾線和纖維簾線，最后是防老劑、硫化劑、增塑劑和活性劑等橡膠助劑。研究[3]表明，輪胎生產(chǎn)階段中原材料生產(chǎn)和輪胎加工過(guò)程的碳足跡貢獻(xiàn)分別為81%和19%，原材料生產(chǎn)中合成橡膠生產(chǎn)的碳足跡貢獻(xiàn)為27%，其次為炭黑生產(chǎn)的碳足跡貢獻(xiàn)（23%）和鋼絲簾線生產(chǎn)的碳足跡貢獻(xiàn)（18%），其他原材料生產(chǎn)的碳足跡貢獻(xiàn)為13%。

輪胎企業(yè)是橡膠產(chǎn)品最大的用戶(hù)，其橡膠消費(fèi)量占比可達(dá)到70%左右。輪胎企業(yè)對(duì)原材料的選擇是有方向性的，對(duì)原材料行業(yè)的發(fā)展具有重大影響。

1.1 合成橡膠

合成橡膠生產(chǎn)需要大量的化石資源，而化石資源是不可持續(xù)的。輪胎企業(yè)應(yīng)在合成橡膠采購(gòu)中優(yōu)選單體轉(zhuǎn)化率高的產(chǎn)品，即輪胎企業(yè)通過(guò)有傾向性的選擇，倒推合成橡膠企業(yè)技術(shù)升級(jí)，促進(jìn)合成橡膠行業(yè)提效降耗。以乳聚丁苯橡膠為例，不同企業(yè)乳聚丁苯橡膠生產(chǎn)的單體轉(zhuǎn)化率差異巨大，從60%至75%，高的單體轉(zhuǎn)化率可以明顯提高合成橡膠的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)能耗。

選擇可降解橡膠材料以降低廢棄輪胎處理能耗也是一個(gè)重要的方向。目前已經(jīng)有多家輪胎企業(yè)與高校進(jìn)行了相關(guān)課題的聯(lián)合研發(fā)，如北京化工大學(xué)先進(jìn)彈性體材料研究中心牽頭完成的生物基可降解聚酯橡膠材料已經(jīng)通過(guò)了中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定[4]。

1.2 白炭黑

輪胎補(bǔ)強(qiáng)填料已經(jīng)從全炭黑逐漸過(guò)渡到以白炭黑為主。白炭黑生產(chǎn)不需要炭黑生產(chǎn)所需的油和氣，并且白炭黑作為填料可以降低輪胎滾動(dòng)阻力及在使用過(guò)程中燃油消耗。但是，白炭黑替代炭黑作為填料時(shí)，為了提高白炭黑分散性，膠料混煉時(shí)間延長(zhǎng)，甚至混煉段數(shù)都有所增加，既降低了生產(chǎn)效率，又增大了生產(chǎn)能耗。采用預(yù)改性白炭黑混煉膠，最好是濕法混煉白炭黑膠料，可以較好地解決以上問(wèn)題。目前預(yù)改性沉淀法白炭黑混煉膠的研究較多，但是大多僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，其經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性均較差，且其尚不具備工業(yè)生產(chǎn)的可能。白炭黑濕法混煉工藝研究也較多，目前怡維怡橡膠研究院有限公司開(kāi)發(fā)的白炭黑濕法混煉液體黃金橡膠已在輪胎企業(yè)得到應(yīng)用。因此，輪胎企業(yè)應(yīng)該與原材料生產(chǎn)企業(yè)加強(qiáng)合作，開(kāi)展相關(guān)研究，開(kāi)發(fā)可工業(yè)化的性能優(yōu)異的白炭黑濕法混煉橡膠。

1.3 可持續(xù)和可回收材料

可持續(xù)材料主要來(lái)自植物基材料，包括蒲公英橡膠、稻殼灰生產(chǎn)的白炭黑、植物油和植物樹(shù)脂等。

北京化工大學(xué)與山東玲瓏輪胎股份有限公司聯(lián)合開(kāi)展了蒲公英橡膠輪胎的應(yīng)用研究，韓泰輪胎公司等也進(jìn)行了同類(lèi)輪胎的試制與應(yīng)用研究。普利司通公司、大陸集團(tuán)和倍耐力公司等進(jìn)行了銀菊膠在輪胎中的應(yīng)用研究。用稻殼灰生產(chǎn)的白炭黑在橡膠制品中也得到了應(yīng)用。木質(zhì)素作為可持續(xù)材料也被作為填料和氧化鋅分散劑等得到了大量的應(yīng)用研究。

1.4 廢棄輪胎再生材料

廢舊輪胎的處理主要以機(jī)械破碎方式回收輪胎中的纖維簾線和鋼絲，并利用廢棄輪胎制取再生橡膠。廢舊輪胎的回收利用可以大量節(jié)約和補(bǔ)充橡膠、鋼材和石油等資源。廢舊輪胎資源化再利用產(chǎn)生的環(huán)境收益在輪胎全生命周期中可貢獻(xiàn)－3.2%的碳足跡[3]。合理的廢舊輪胎資源化再利用方式可以適度減小輪胎全生命周期碳足跡。因此，應(yīng)推動(dòng)廢棄輪胎的回收再生及其再生材料的使用。

目前，我國(guó)廢舊輪胎的再利用方式主要集中在再生橡膠生產(chǎn)、輪胎翻新和熱裂解方面，其中用于再生橡膠生產(chǎn)的廢舊輪胎占70%，其他回收利用方式還沒(méi)有形成較大的規(guī)模。廢舊載重輪胎主要采用生產(chǎn)再生橡膠方式再利用，輪胎再生橡膠在某些力車(chē)胎中可較大量地使用。廢舊半鋼子午線輪胎主要采用熱裂解方式再利用，輪胎熱裂解產(chǎn)物主要是油、鋼絲、熱裂解炭黑及可燃?xì)怏w，輪胎裂解產(chǎn)物價(jià)格低廉，因此輪胎熱裂解方式經(jīng)濟(jì)性不佳。隨著相關(guān)研究的開(kāi)展，目前熱裂解炭黑改性技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，熱裂解炭黑可以部分替代爐黑使用[5-6]，例如山東耐斯特炭黑有限公司在輪胎胎面膠中使用部分熱裂解炭黑替代高耐磨爐黑，取得良好使用效果；青島雙星環(huán)保設(shè)備有限公司將熱裂解炭黑還原產(chǎn)物經(jīng)過(guò)超細(xì)研磨、活化改性、造粒等工藝制成高品質(zhì)熱解炭黑，用其替代工業(yè)炭黑或與工業(yè)炭黑搭配用于輪胎補(bǔ)強(qiáng)。此外，美國(guó)Pyrolyx公司從北美地區(qū)的廢棄輪胎中回收炭黑；瑞典回收炭黑生產(chǎn)商Enviro Systems公司與我國(guó)的萬(wàn)力輪胎股份有限公司在華南地區(qū)建立了一家回收炭黑工廠。

輪胎企業(yè)對(duì)熱裂解炭黑的應(yīng)用極大地推動(dòng)了廢棄輪胎的再生利用。

輪胎企業(yè)對(duì)填料的選用越來(lái)越具有多樣性，這對(duì)廢棄輪胎的熱裂解再生造成了一定的困難。如果輪胎生產(chǎn)時(shí)在輪胎上添加純炭黑或高用量白炭黑等填料體系的標(biāo)識(shí)，更有利于廢舊輪胎的回收利用。

應(yīng)指出的是，輪胎翻新在國(guó)際上被認(rèn)為是節(jié)約橡膠原材料、減少?gòu)U舊輪胎“黑色污染”的最有效途徑。翻新質(zhì)量較好的輪胎使用壽命甚至能夠接近或長(zhǎng)于新輪胎，且翻新一條輪胎的橡膠消耗量?jī)H為新輪胎的20%左右，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，尤其是工程機(jī)械輪胎，其損壞多為胎面脫層和崩花掉塊等，而輪胎胎體還有較大的繼續(xù)使用價(jià)值[7]。但是目前國(guó)內(nèi)用于翻新的輪胎占比較小，輪胎翻新技術(shù)仍有待提高。

2 輪胎設(shè)計(jì)

輪胎使用階段產(chǎn)生的碳足跡主要來(lái)源于汽車(chē)行駛過(guò)程中驅(qū)動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的能耗。輪胎使用階段是輪胎全生命周期中最重要的階段，貢獻(xiàn)了80%的碳足跡[2]。輪胎使用階段的能耗與輪胎滾動(dòng)阻力直接相關(guān)，其主要受到路面狀況、汽車(chē)行駛速度以及輪胎結(jié)構(gòu)、氣壓、負(fù)荷等因素的影響。輪胎滾動(dòng)阻力主要與輪胎設(shè)計(jì)相關(guān)，如優(yōu)化配方設(shè)計(jì)可以降低輪胎滾動(dòng)阻力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減小輪胎質(zhì)量，白炭黑的使用可以更明顯地降低輪胎滾動(dòng)阻力。因此好的輪胎設(shè)計(jì)可以降低輪胎使用階段的能耗，進(jìn)而減小該階段的碳足跡。

2.1 配方設(shè)計(jì)

輪胎配方設(shè)計(jì)對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)主要有以下幾個(gè)方面。

（1）低滾動(dòng)阻力和高抗?jié)窕阅艿木G色輪胎胎面膠配方設(shè)計(jì)。目前輪胎行業(yè)根據(jù)市場(chǎng)需求，產(chǎn)品向綠色環(huán)保方向發(fā)展，要求胎面膠具有高抗?jié)窕阅芎偷蜐L動(dòng)阻力。尤其是隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，對(duì)胎面膠的低滾動(dòng)阻力、高抓著性能和高抗?jié)窕阅艿囊笤絹?lái)越高。胎面膠配方設(shè)計(jì)一是使用高填充量的白炭黑作為填料，二是加入抗?jié)窕瑯?shù)脂，在保證胎面膠低滾動(dòng)阻力的前提下，進(jìn)一步提高其抗?jié)窕阅芘c干路面抓著力。

（2）自修復(fù)材料配方設(shè)計(jì)。通過(guò)在輪胎中設(shè)置獨(dú)特的自修復(fù)材料，使輪胎胎面在被尖銳物刺穿時(shí)可自動(dòng)修復(fù)而不損失輪胎充氣壓力。自修復(fù)輪胎具有安全性好、行駛里程長(zhǎng)和燃油效率高等優(yōu)點(diǎn)，并且不會(huì)犧牲輪胎舒適性。自修復(fù)輪胎是利用吸水性聚合物的溶脹壓力防止漏氣，自修復(fù)材料中膠粘劑與吸水性聚合物的比例是關(guān)鍵。目前大陸集團(tuán)、韓泰輪胎公司和米其林公司等均有自修復(fù)輪胎產(chǎn)品面世。配置自修復(fù)輪胎的汽車(chē)無(wú)需攜帶備胎，可以降低汽車(chē)油耗，并且一般的刺扎問(wèn)題基本不影響輪胎使用壽命，這可減少輪胎更換，有效降低物料和能源損耗。

（3）可降解合成橡膠材料應(yīng)用配方設(shè)計(jì)。2008年，張立群教授在馬來(lái)西亞國(guó)際橡膠會(huì)議上首次提出了“生物基工程彈性體”的概念，隨后其團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功一種生物基可降解的聚酯橡膠材料，并用其制造了可降解輪胎。可降解輪胎既可以在土壤環(huán)境中生物降解，也可以將通過(guò)醇解方法使回收的原材料再聚合，重新用于制造輪胎。整個(gè)過(guò)程極大地降低了廢棄輪胎處理能耗，并提高了廢棄輪胎再回收利用比例[8]。

新的材料需要全新的應(yīng)用配方設(shè)計(jì)，需要配方人員通過(guò)優(yōu)化調(diào)整得到輪胎需要的膠料配方。

此外，某些新型的輪胎如聚氨酯輪胎通過(guò)配方設(shè)計(jì)，可以提高其耐溫性能和耐水解性能，使其具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到減小輪胎質(zhì)量的效果，從而減少生產(chǎn)用材料和降低能耗。

輪胎采用更高強(qiáng)度的骨架簾線可以降低其骨架簾線規(guī)格，減小輪胎部件厚度，進(jìn)而減小輪胎質(zhì)量，目前高強(qiáng)度簾線在胎體和帶束層部位均有應(yīng)用。此外，利用高強(qiáng)度和高模量纖維簾線替代鋼絲簾線可以大幅度減小輪胎骨架材料質(zhì)量，并使輪胎獲得良好的耐疲勞性能[9]。

2007年，普利司通公司采用埃克森美孚化工公司開(kāi)發(fā)的新型合成特種彈性體/尼龍合金（DVA）膜材替代傳統(tǒng)的溴化丁基橡膠膠料用于輪胎氣密層。國(guó)內(nèi)北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司和北京化工大學(xué)等也進(jìn)行了相關(guān)研究，其中北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司研制的熱塑性動(dòng)態(tài)硫化橡膠（TPV）膜材在山東玲瓏輪胎股份有限公司成功進(jìn)行了輪胎試制。該類(lèi)膜材氣密層可以提供比傳統(tǒng)溴化丁基橡膠氣密層更好的氣密性，并使輪胎質(zhì)量減小約6%[10]。

輪胎其他部位如胎面、胎側(cè)也可以在滿(mǎn)足性能要求的前提下通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行減薄處理，以達(dá)到減小輪胎質(zhì)量的效果。

3 輪胎生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能降耗

3.1 空氣凈化材料無(wú)害處理后的再利用

在環(huán)保要求下，目前國(guó)內(nèi)各輪胎企業(yè)均配備了環(huán)保除塵裝置和空氣凈化裝置，裝置多采用活性炭吸附方式。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用新型吸附理念，使用高極性、高吸附性的無(wú)機(jī)物進(jìn)行粉體和有害氣體的吸附，該無(wú)機(jī)物在中策橡膠集團(tuán)有限公司等輪胎企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的效果。另外，使用后更換下來(lái)的無(wú)機(jī)物通過(guò)無(wú)害處理后，由于其表面吸附的有機(jī)物有改性作用，其與橡膠基體具有良好的相容性，在橡膠基體中分散良好，具有中等補(bǔ)強(qiáng)性能，可以作為填料進(jìn)行再利用。

3.2 硫化過(guò)熱水熱能的再利用

輪胎硫化工序消耗大量的能源，其能耗占全部生產(chǎn)流程能耗的50%以上。通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)，可以降低生產(chǎn)能耗，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。另外，輪胎企業(yè)蒸汽的余熱利用具備可行性和廣闊空間。

徐州徐輪橡膠有限公司采用新的輪胎節(jié)能硫化工藝[11]，在硫化過(guò)程中減少了大量外壓飽和蒸汽和內(nèi)壓過(guò)熱水的能源消耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

風(fēng)神輪胎股份有限公司分別在夏季和冬季增設(shè)溫水型余熱制冷機(jī)和將表冷器改造為冷熱雙用換熱器[12]，構(gòu)成半成品車(chē)間恒溫系統(tǒng)，高效地回收利用輪胎制造過(guò)程中所產(chǎn)生的高品質(zhì)余熱資源，降低了生產(chǎn)成本。

貴州輪胎股份有限公司利用壓差余熱發(fā)電、增加反滲透除鹽系統(tǒng)、硫化機(jī)由蒸鍋式加熱改為熱板式、回收利用硫化廢熱水等措施[13]，有效地提高了熱能利用效率，使得綜合能耗降低15%以上。

中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)橡膠輪胎有限責(zé)任公司采用活性炭吸附輪胎硫化熱水中的油分并采用石英砂過(guò)濾而去除膠沫、炭黑、鐵銹等雜質(zhì)[14]，使硫化廢熱水水質(zhì)達(dá)到了鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)，降低了硫化廢熱水排污率，節(jié)約了大量水和能源。

輪胎企業(yè)對(duì)過(guò)熱水的回收利用已較為到位，而過(guò)熱水的其他用途還有冬季取暖、職工洗浴用水加熱等。但輪胎企業(yè)過(guò)熱水的再利用仍有提升空間，如改性白炭黑和低鋅氧化鋅造粒時(shí)均可利用過(guò)熱水進(jìn)行干燥處理。

3.3 硫化氮?dú)獾幕厥绽?/h3>

貴州輪胎股份有限公司制氮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氮?dú)饬蚧鍧嵣a(chǎn)以及氮?dú)庥行Щ厥绽茫〉昧肆己玫慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，消除了氮?dú)饣厥蘸笾苯优趴债a(chǎn)生的異味，硫化現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境顯著改善。

四川輪胎橡膠（集團(tuán)）股份有限公司開(kāi)發(fā)了一種輪胎硫化氮?dú)饣厥昭b置[15]，其氮?dú)饣厥章矢撸芄?jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 其他措施

輪胎企業(yè)廠區(qū)內(nèi)各種運(yùn)輸工具盡量采用新能源車(chē)輛。

輪胎企業(yè)廠房房頂一般較為平坦，可以在房頂上大面積鋪設(shè)光伏發(fā)電板，可作為常規(guī)電能源的有效補(bǔ)充，也可以將光伏電進(jìn)行存儲(chǔ)以作備用能源。

通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)提高輪胎廠區(qū)綠化面積也是碳中和舉措的一部分。

4 結(jié)語(yǔ)

輪胎企業(yè)是輪胎全生命周期碳中和的核心與關(guān)鍵。輪胎企業(yè)通過(guò)輪胎原材料選擇、輪胎配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輪胎生產(chǎn)工藝設(shè)置等確定輪胎原材料種類(lèi)和用量、輪胎生產(chǎn)能耗、輪胎使用能耗以及廢舊輪胎回收利用處理方式和可回收比例等。輪胎企業(yè)需要進(jìn)一步提升技術(shù)和管理水平，使我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)碳中和及碳達(dá)峰的目標(biāo)。