汽車輪胎循環利用發展現狀及工藝方法探討

徐海軍 伍文杰 馮文斌 佘翊妮 張伊磊

摘要：隨著我國汽車工業的高速發展，廢舊汽車輪胎市場日益增大，廢舊輪胎回收再利用作為國家戰略性新興產業，在循環經濟發展中社會效益越來越好。我國對廢舊輪胎的處理工藝方法主要有三種方式，分別是深冷研磨法、濕法粉碎法與熱裂解法。深冷研磨采用常溫粉碎后以液氮冷卻粉碎；濕法粉碎分為RAPRA法、常溫浸混粉碎法與全水相法；熱裂解法分為熱解工藝、催化裂接工藝、微波解聚工藝。然而，三種方法分別存在成本過高、環境影響大、產物價值低等缺點，但同時也各有優勢。為此，對主要技術的具體工藝進行了對比分析，并提出了我國現階段廢舊輪胎回收利用的不足之處。研究結論對我國廢舊汽車輪胎回收再利用相關產業的發展具有一定的參考價值。

關鍵詞：廢舊輪胎；廢舊橡膠；回收利用；熱解工藝；低溫粉碎；濕法粉碎

中圖分類號：X705? 收稿日期：2023-12-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.016

1 前言

我國橡膠消耗量、輪胎和橡膠制品產量、汽車產銷量均位居全球第一，由此我國成為世界廢舊橡膠產生量最大的國家之一。從2005年的509萬t到2020年的2000萬t，廢舊橡膠產生量以每年7%～8%的增速上升。我國廢橡膠總量的70%主要來自廢舊的汽車輪胎。目前，美國、日本廢舊輪胎回收利用率約90%，而我國廢舊輪胎回收利用率約60%，與發達國家相比，我國廢舊輪胎回收率較低，但隨著我國科學技術的發展，具有較大的提升空間。2020年，我國膠粉產量達到505萬t，其中460萬t再生橡膠需420萬t膠粉，直接應用膠粉85萬t，我國不僅是世界最大的再生橡膠生產國，也是世界上最大的膠粉生產國。

2 我國廢舊輪胎回收再利用行業發展現狀

在國內政策方面，2015-2022年，國家發布了《關于加快推進生態文明建設的意見》《關于加快廢舊物資循環利用體系建設的指導意見》《產業結構調整指導目錄》等多項文件，鼓勵廢舊輪胎回收再利用產業的發展，并在國家重點研發計劃“固廢資源化”重點專項中加入了“廢乘用車輪胎高效裂解與副產物綜合利用技術”。中國輪胎回收利用協會在《中國輪胎循環利用行業“十四五”發展規劃》中提出，到2025年，廢輪胎規范回收利用率達到70%。

在回收產物方面，回收制得的橡膠粉應用領域廣泛，顆粒較大者可應用于改性瀝青添加劑[1]、再生膠、防水卷材、橡膠活塞、剎車閘襯套等橡膠制品，而200目以上的超細顆?？捎糜谏a密封件、管道襯里、橡膠管等工業制品。

在產業方面，我國的主要業務[2-5]為舊輪胎翻新、廢舊輪胎生產橡膠、橡膠粉和熱裂解處理。其中以再生膠和膠粉的方式進行綠色循環再利用占比高達46%，是廢舊汽車橡膠輪胎的主要利用方式。

綜上所述，廢舊輪胎再利用這一領域得到了相關政策的支持和推動，通過有效的回收和再利用，可以減少資源浪費、環境污染，并為社會和經濟帶來可持續的效益。

3 我國廢舊輪胎回收再利用工藝方法

從技術角度調研分析得到，目前國內主要處理工藝為深冷研磨、水磨法和熱裂解法，下面將分析其主要技術方法、工藝流程特點。

3.1 深冷研磨工藝

橡膠輪胎在常溫條件下直接粉碎會產生大量的熱能，熱量帶來的高溫容易使所得膠粉碳化，引發危險，因此一般顆粒較小的膠粉常采用深冷研磨、冷凍粉碎的方法進行再利用循環生產。

整個低溫研磨的技術在20世紀70年代由歐美國家率先開始研究，目前使用范圍最廣的冷卻介質為液氮。國外的廢舊橡膠循環再制造公司，例如美國聯合碳化物公司、日本環境開發株式會社和德國INTEC公司等均采用液氮作為冷媒進行橡膠的研磨和膠粉的生產。

國內的低溫粉碎技術始于20世紀90年代，在“八五”期間南京飛利寧深冷工程有限公司為避免當時過高的液氮價格，率先從科技方面進行創新，將渦輪膨脹空氣制冷技術應用于輪胎粉碎，但最終因電能消耗過高而停止生產。而浙江平湖橡膠一廠、天津凱福粉末公司和青島綠葉橡膠有限公司均采用液氮冷凍，其中青島綠葉橡膠有限公司已研發出完整膠粉生產線，加之液氮價格回落，已生產出能進入市場的膠粉產品，但由于設備原因無法繼續精進。中國海洋石油集團有限公司對深冷低溫粉碎工藝進行創新，利用氣固兩相流的流動原理，有效地降低了液氮消耗，生產出了75～180 μm的精細膠粉產品[6]。

國內的深冷研磨的粉碎工藝通常在使用液氮低溫粉碎之前常溫破碎，達到節約液氮的耗量，提高整個工藝的經濟效益的目的。

整個廢舊輪胎膠粉常低溫粉碎制作工藝流程分為5個環節，包括常溫破碎、低溫粉碎前處理、低溫粉碎、低溫粉碎后處理和稱重打包。

常溫破碎工藝采用雙軸撕碎機，可以將廢舊輪胎整胎粉碎成20 mm×20 mm以下的橡膠塊，然后通過中碎機、細碎機、磁選機、纖維分離器等設備，得到1～3 mm的常溫橡膠顆粒。低溫粉碎工藝包括低溫粉碎前處理、低溫粉碎和低溫粉碎后處理三個流程（見圖1）。通過全封閉隔熱式螺旋輸送機實現對常溫破碎后的橡膠顆粒進行預冷凍處理，再送入低溫膠粉磨機中進行低溫粉碎。

預冷凍的目的是使橡膠物料的狀態容易玻璃化，節約二次冷凍粉碎的能耗，因此低溫粉碎都是基于預冷凍基礎上，低溫粉碎過程應保證橡膠塊始終處于玻璃化狀態以下。液氮裝置中的液氮通過高壓噴嘴分別噴入隔熱式螺旋輸送機和低溫膠粉磨機中，帶消聲器的風機抽取低溫膠粉磨機中的多余冷空氣，通過旋風離心除塵器、脈沖式布袋除塵器等清除空氣中的粉塵，將冷空氣再次送入隔熱式螺旋輸送機中，完成液氮冷量的循環利用。液氮噴入量的多少，通過在低溫膠粉磨機出口處安裝熱電偶溫度傳感器監測出料溫度來控制。篩選出達到要求粒度的粉末裝袋，其余不合格的橡膠粉返回低溫細碎機進行二次粉碎。整個過程應在相對密封較好的環境下進行，以達到減少液氮消耗的目的。

經計算，要使液氮經過研磨機之后還留有能量能對上方物料進行預冷，每生產1 kg的橡膠膠粉，需要消耗0.609 L的液氮，大概消耗0.49 kg的液氮。應用工業液氮進行常低溫制備100目膠粉，按每噸廢舊輪胎可生產加工出65%膠粉、25%鋼絲和10%的纖維計算。其中，100目精細膠粉在6月份的市場售價均價為6 195元/t；鋼絲2 000元/t；纖維1 800元/t；每制備1 t膠粉需要消耗液氮0.5 t，用電100 kW·h，電費按每度電1元，工業液氮按2 600元/t計算。按照10 000 t/年的產能測算，則在未扣除所得稅后的稅前利潤大約為1 482.16萬元。

此工藝優勢主要體現在深冷研磨過程中不易改變膠粉的性能，膠粉不易被碳化，生產過程綠色環保；然而，劣勢表現在對超低溫研磨設備要求極高，國內暫無設備可替代，項目研發時間和費用投入大。

3.2 濕法粉碎工藝

濕法粉碎[7]工藝是指在各種溶劑中對輪胎進行粉碎從而生產膠粉。最典型的濕法粉碎RAPRA法[8]一般分為以下三步：

a.先在常溫下粗碎廢舊輪胎得到較粗膠粉。

b.用化學試劑（包括水）對粗膠粉進行預處理。

c.使用圓盤式膠體研磨機研磨粗膠粉。

在第二步的化學試劑處理中，不同溶劑采用不同方式：若使用乙酸乙酯、丁酮、三氯甲烷等極性溶劑，則在用溶劑膨脹軟化膠粉后，用大量水浸泡粗膠粉（一般在三倍以上）；若使用油酸，則處理之后使用輥筒進行薄通，并與固體堿一同壓煉，脆化橡膠。

典型的RAPRA法存在許多不足，如所用溶劑會對環境造成一定影響；成本高；產品適用范圍不廣。因此，也有對以下這種生產工藝進行改進的工藝：

a.常溫浸混粉碎法。

為了解決一般粉碎中可能出現的高溫使膠粉熔化等問題，在第三步使用研磨機研磨粗膠粉時更換方式，采用剪切、擠壓和研磨相結合的方式粉碎，同時以風冷和水冷進行除熱。

b.全水相法。

打造一條完整的膠粉生產線，在全密閉的充滿水介質的環境中進行粉碎、篩選等工序，從而達到零排放。

以此方法制備的膠粉相較于常低溫研磨產生的膠粉來說更為精細，且顆粒擁有更粗糙的表面，更低的含硫量。濕法水磨膠粉可用于輪胎胎圈膠配方，部分替代炭黑N330，具有更廣泛的應用面。但此方法對環境影響大，此類粉末市場競爭激烈，經濟效益受市場影響大。

3.3 熱裂解法處理工藝

熱裂解工藝指通過高溫和化學試劑對廢舊汽車橡膠輪胎進行分解，回收液體燃料和化學品（炭黑）。此工藝可以分為熱解和催化降解，下面將分析其主要技術方法和工藝流程。

a.熱解工藝。

常壓惰性氣體熱解技術是廢舊輪胎處理方法中的重要方向。具體為：清洗、粉碎廢舊輪胎后，通過磁選設備篩選原料，分離出廢纖維、廢鋼絲。將其余物質干燥預熱，隨后送入熱反應器，通過高溫進行熱分解反應（通常為500～600 ℃），同時通入水蒸汽或氮氣等惰性氣體進行保護。根據目標物質的不同，有不同的加工工藝。

①產物為燃料油。

將同為分解產物的氣態烴和炭殘渣作為熱解爐燃料，熱解廢膠塊，用減壓法分離油、氣。

②產物為炭黑。

將生產過程中的固體產物通過固體回收系統，例如磁選除去廢鋼渣后，再經細磨、酸洗、過濾、烘干后得炭黑產品。

③產物為燃料氣。

冷凝收集到的氣體，進一步加工即可獲得合成氣。熱解工藝除普通的常壓惰性氣體熱解技術外，還有真空熱解技術與熔融鹽熱解技術。真空熱解技術是在減壓和低溫條件下分解橡膠，根據溫度與壓強不同可以得到固液氣不同成分配比的產物；熔融鹽熱解技術是在減壓和低溫條件下，將廢橡膠放入氯化鋰/氯化鉀低共熔混合物中分解橡膠。兩種技術各有自身的優勢區間，但都沒有走出熱解的范疇，熱解方法處理橡膠有諸多缺點，如使其分裂所需溫度過高，加熱時間長；原料需要提前研磨；產物雜質含量高，導致產品質量參差不齊，如要減少雜質則需要進行更多加工。

b.催化裂解工藝。

在常規熱解的基礎上加入催化劑，從而達到降低反應所需溫度，減少雜質產生，加快反應速度等的目的。催化裂解實際由兩步反應組成：①橡膠大分子熱裂解產生C5～C50的烴；②裂解產生的烴在催化劑上進一步反應得到產物。

催化方式一般分為兩種：①共同催化裂解，即混合催化劑與輪胎粉末，直接進行催化裂解；②先熱解再催化，即先熱裂解粉末，將熱解產物通過催化劑進行催化裂解。

由于加入了催化劑，可在裂解反應較少甚至不發生的情況下降低反應活化能，因此合適的催化劑可降低最佳裂解溫度，節省能源，提升產率并降低污染排放。

c.微波解聚工藝。

將廢舊輪胎粉碎成一定大小，再置入通有氮氣的微波發生器中，進行微波降解操作，輪胎中金屬絲與炭黑能有效吸收通過的電磁波，且質量分數高達30%，因此無須預處理輪胎，可以實現整胎熱解。

綜上所述，對輪胎采取不同的處理方式，所得的產物不同，各自的優缺點也不盡相同，常見處理方式的優缺點對比如表2所示。

4 結語

隨著科技的進步，汽車廢舊輪胎拆解技術的不斷改進，可以對橡膠輪胎進行高效處理和綠色循環再利用。我國已經具有較為成熟的對廢舊輪胎處理方式和產業，然而在回收汽車橡膠輪胎和處理輪胎方式的多樣性上仍有不足，存在著專利、技術創新領域的空白，而對廢舊輪胎的回收再利用能夠有效地彌補我國天然橡膠的不足，減輕石油相關產品的壓力，同時能解決廢舊橡膠帶來的環境污染等問題，是符合可持續發展戰略的重要項目。因此仍需保持對相關技術的研究創新，謀求更高效的生產加工方式，從而可以有效處理好廢舊汽車橡膠輪胎綜合利用問題。

參考文獻：

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[8]所同川，李忠明.廢舊橡膠回收利用新技術[J].江蘇化工，2004，32（6）：1-6.

作者簡介：

徐海軍，男，1974年生，高級工程師，研究方向為工藝裝備。