翻新工程機械輪胎生命周期的能量分析與評價

王 強，焦生杰

（1.長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064；2.黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050）

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，世界汽車輪胎的生產(chǎn)量以年平均10%的增長速度遞增，而中國汽車輪胎的年產(chǎn)量增速遠遠超過世界平均水平，為世界平均水平的2～3倍。據(jù)有關(guān)部門預測，到2020年，世界汽車輪胎的年產(chǎn)量有望突破20億條，而中國輪胎的年產(chǎn)量有望突破10億條，未來中國將成為世界輪胎中心[1-3]。目前中國每年產(chǎn)生近2億多條廢舊輪胎，而且數(shù)量還在以更加驚人的速度遞增，由此帶來的輪胎黑色污染問題將日益突出[4-6]。

近年來，礦山開采、建筑施工等行業(yè)發(fā)展迅速，使工程機械輪胎的需求量與日俱增，其年產(chǎn)量約為1 000萬條，占輪胎總量的0.5%左右，但銷售額卻占全部輪胎的5.5%左右。工程機械輪胎生產(chǎn)階段的耗膠量占整個輪胎耗膠量的15%左右，附加值比其他種類輪胎高出30%～50%[7-8]。工程機械輪胎通常在露天礦采區(qū)及土石方工程作業(yè)區(qū)等復雜惡劣環(huán)境下使用，負荷大、轉(zhuǎn)彎多、受地面凸起物沖擊力大，使用壽命相對較低，廢舊輪胎產(chǎn)生率較大。因此，提高廢舊工程機械輪胎的翻新率，可有效提高廢舊工程機械輪胎的利用率，大大節(jié)約橡膠資源和促進綠色環(huán)保發(fā)展。工程機械輪胎翻新對社會、企業(yè)及環(huán)境產(chǎn)生的影響目前還缺乏系統(tǒng)性、針對性以及定量分析與評價。為此，本工作以基于生命周期的指標為評價基準，通過構(gòu)建翻新工程機械輪胎能量消耗模型，定性和定量地描述和評價翻新工程機械輪胎再利用階段5種處理方式的能量恢復效果，以期為翻新工程機械輪胎的推廣應(yīng)用及輪胎翻新行業(yè)政策制定提供理論指導。

1 翻新工程機械輪胎能量消耗分析

翻新工程機械輪胎生命周期如圖1所示，主要包括輪胎生產(chǎn)、輪胎運輸、輪胎使用和再利用4個階段，每個階段均會消耗一定的自然資源和能源，而再利用階段還會再生新資源和新能量[9]。

圖1 翻新工程機械輪胎生命周期

翻新工程機械輪胎生命周期的能量消耗分析如圖2所示。其中再利用階段主要對二次翻新、機械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解、燃燒發(fā)電等5種典型再利用方式進行能耗分析。

圖2 翻新工程機械輪胎生命周期能量消耗分析

2 翻新工程機械輪胎能量模型

2.1 能量消耗模型

基于生命周期的翻新工程機械輪胎能量消耗模型以熱力學第一定律為基礎(chǔ)，輪胎生產(chǎn)、輪胎運輸、輪胎使用和再利用4個階段的能量消耗關(guān)系各不相同，每個階段都有相應(yīng)的能量函數(shù)，利用疊加原理，建立翻新工程機械輪胎生命周期能量消耗模型，如式（1）所示[9-14]。

式中，E為消耗的總能量；E1，E2，E3和E4分別為生產(chǎn)階段、運輸階段、使用階段和再利用階段消耗的能量。

2.1.1 生產(chǎn)階段能耗

翻新工程機械輪胎的生產(chǎn)階段能耗主要由所消耗的原材料和能源組成，其能耗按式（2）進行計算[9，12]。

式中，PMi為原材料i的消耗量；ρMi為原材料i的能量密度；PEj為能源j的消耗量；ρEj為能源j的能量密度。

2.1.2 運輸階段能耗

翻新工程機械輪胎的運輸階段主要包括原材料運輸?shù)缴a(chǎn)點、翻新輪胎從生產(chǎn)點運輸?shù)戒N售點及廢舊輪胎收集點運輸?shù)皆倮锰幹命c三部分，其中運輸階段總能耗主要受運輸方式、運輸距離及運輸車輛使用的燃料等因素影響，其能耗按式（3）計算。

式中，D為運輸階段的平均運輸距離；PE為運輸階段的能源消耗量；ρE為運輸階段消耗能源的能量密度。

2.1.3 使用階段能耗

翻新工程機械輪胎使用階段能耗受使用階段平均運輸距離、使用的燃料等因素影響，其能耗按式（4）計算。

式中，Du為使用階段的平均運輸距離；Pu為使用階段的能源消耗量；ρu為使用階段消耗能源的能量密度。

2.1.4 再利用階段能耗

翻新工程機械輪胎再利用階段既消耗能量又回收能量，其能耗按式（5）計算。

式中，PRi為再利用階段原材料i的消耗量；ρRi為再利用階段原材料i的能量密度；PRj為再利用階段能源j的消耗量；ρRj為再利用階段能源j的能量密度。

2.2 能量替代模型

翻新工程機械輪胎二次翻新、機械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解、燃燒發(fā)電5種典型的再利用階段均會有新產(chǎn)品或新能源產(chǎn)生，研究過程中將其視為替代能量，可視為直接生產(chǎn)該新產(chǎn)品或新能源所需的能耗量，按式（6）計算。

式中，EA為再利用階段替代能量；PAi為再利用階段產(chǎn)品i的產(chǎn)量；ρAi為再利用階段產(chǎn)品i的能量密度；PAj為再利用階段能源產(chǎn)品j的產(chǎn)量；ρAj為再利用階段能源產(chǎn)品j的能量密度。

2.3 能量評價指標

2.3.1 凈能量盈余

翻新工程機械輪胎再利用階段的凈能量盈余（ES）可由再利用階段替代能量與再利用階段總能耗之間的關(guān)系來表示，如式（7）所示。

2.3.2 能量恢復率

翻新工程機械輪胎再利用階段的二次翻新、機械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解、燃燒發(fā)電5種典型再利用工藝對輸入能量的恢復程度可用能量恢復率（R）表示，其值為再利用階段輸出能量占輸入能量（主要包括生產(chǎn)階段能耗和再利用階段能耗）的比例，如式（8）所示。

3 能量分析

3.1 研究對象

選擇26.5R25翻新工程機械輪胎作為研究對象，單胎質(zhì)量按0.5 t、使用壽命按1.5 a、平均運輸距離按5萬km計算，以2條翻新工程機械輪胎的質(zhì)量（1 t）為功能單位。

3.2 數(shù)據(jù)來源

翻新工程機械輪胎生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)參考中國橡膠輪胎行業(yè)報告和哈爾濱惠良汽車輪胎翻新有限公司的實際數(shù)據(jù)；翻新工程機械輪胎運輸階段和使用階段的各項數(shù)據(jù)參考黑龍江龍運快運有限公司、哈爾濱市巴彥縣黑山采石場等企業(yè)實際數(shù)據(jù)；翻新工程機械輪胎再利用階段的機械粉碎、燃燒分解及燃燒發(fā)電等數(shù)據(jù)參考文獻[9，14]的研究結(jié)果，低溫粉碎數(shù)據(jù)參考文獻[14]的研究結(jié)果。地理邊界為中國東北地區(qū)，時間邊界為2014—2016年。

3.3 翻新工程機械輪胎能量分析

3.3.1 生產(chǎn)階段能量輸入

翻新工程機械輪胎生產(chǎn)階段的能量輸入如下。

（1）原材料。胎面：天然橡膠（NR）質(zhì)量為93 kg，能量密度為165.5 MJ·kg-1，能量為15 392 MJ；丁苯橡膠（SBR）質(zhì)量為50 kg，能量密度為179.90 MJ·kg-1，能量為8 995 MJ；炭黑N330質(zhì)量為57 kg，能量密度為143.25 MJ·kg-1，能量為8 165 MJ。舊胎體：能量延續(xù)原輪胎胎體，質(zhì)量為800 kg，能量密度為124.02 MJ·kg-1，能量為99 216 MJ。

（2）能源。水：質(zhì)量為15 kg，能量密度為7.536 MJ·kg-1，能量為113 MJ。電力：電量為90 kW·h，能量密度為11.47 MJ·（kW·h）-1，能量為1 032 MJ。

綜上所述可知，翻新工程機械輪胎生產(chǎn)階段總輸入能量為132 913 MJ。

3.3.2 運輸階段能量輸入

翻新工程機械輪胎運輸階段的能量輸入如下：12 t載貨汽車，運輸強度為0.05 L·（t·km）-1，消耗柴油25 L，能量密度為44.13 MJ·L-1，能量為1 103.25 MJ。

3.3.3 使用階段能量輸入

按照目前翻新工程機械輪胎在礦山區(qū)的使用狀況（數(shù)據(jù)來源于哈爾濱市巴彥縣黑山采石場），平均壽命里程為4萬km，平均0.8 a需更換一次輪胎，1輛礦山裝載機年消耗柴油為2 500 L，燃料使用轉(zhuǎn)換系數(shù)按6%計算，1 t工程機械輪胎（2條）總消耗柴油為2 000×12%=240 L。按礦山裝載機的能量密度為44.13 MJ·L-1計算，得出能量輸入為10 591 MJ。

3.3.4 再利用階段能量輸入-輸出

3.3.4.1 二次翻新再利用階段能量輸入-輸出

（1）能量輸入

二次翻新再利用階段胎面的能量輸入與首次翻新階段一致，NR能量為15 392 MJ，SBR能量為8 995 MJ，炭黑N330能量為8 165 MJ；舊胎體的能量延續(xù)原輪胎胎體，二次翻新時不計入；能源的能量輸入與首次翻新階段一致，水的能量為113 MJ，電力的能量為1 032 MJ?？偰芰枯斎霝?3 697 MJ。

（2）能量輸出

翻新輪胎的質(zhì)量為1 000 kg，能量密度為124.02 MJ·kg-1，能量為124 017 MJ；打磨膠粉的質(zhì)量為20 kg，能量密度為37.10 MJ·kg-1，能量為742 MJ?？偰芰枯敵鰹?24 017 MJ。

綜上所述，二次翻新再利用階段凈能量盈余為91 062 MJ，能量恢復率為74.88%。

3.3.4.2 機械粉碎再利用階段能量輸入-輸出

（1）能量輸入

水：質(zhì)量為150 kg，能量密度為7.536 MJ·kg-1，能量為1 130.4 MJ。電力：電量為109.5 kW·h，能量密度為11.47 MJ·（kW·h）-1，能量為1 256 MJ。鋼制刀具：質(zhì)量為0.518 kg，能量密度為27.80 MJ·kg-1，能量為14.4 MJ。燃油：質(zhì)量為0.011 kg，能量密度為45.47 MJ·kg-1，能量為0.5 MJ?？偰芰枯斎霝? 401.3 MJ。

（2）能量輸出

精細膠（＜0.7 mm）：質(zhì)量為380 kg，能量密度為39.60 MJ·kg-1，能量為15 048 MJ。普通膠粉（＜2 mm）：質(zhì)量為190 kg，能量密度為37.10 MJ·kg-1，能量為7 049 MJ。鋼絲：質(zhì)量為300 kg，能量密度為27.8 MJ·kg-1，能量為8 340 MJ?？偰芰枯敵鰹?0 437 MJ。

綜上所述，機械粉碎再利用階段凈能量盈余為28 035 MJ，能量恢復率為22.49%。

3.3.4.3 低溫粉碎再利用階段能量輸入-輸出

（1）能量輸入

電力：電量為15.7 kW·h，能量密度為11.47 MJ·（kW·h）-1，能量為180 MJ。氮氣：質(zhì)量為703 kg，能量密度為0，能量為0。天然氣：體積為1.55 m3，能量密度為34.16 MJ·L-1，能量為52 948 MJ。鋼絲：質(zhì)量為0.25 kg，能量密度為27.80 MJ·kg-1，能量為6.95 MJ?？偰芰枯斎霝?3134.95 MJ。

（2）能量輸出

精細膠粉（粒徑＜0.7 mm）：質(zhì)量為420 kg，能量密度為39.60 MJ·kg-1，能量為16 632 MJ。普通膠粉（粒徑＜2 mm）：質(zhì)量為150 kg，能量密度為37.10 MJ·kg-1，能量為5 565 MJ。鋼絲：質(zhì)量為300 kg，能量密度為27.80 MJ·kg-1，能量為8 340 MJ?？偰芰枯敵鰹?0 537 MJ。

綜上所述，低溫粉碎再利用階段凈能量盈余為-22 597 MJ，能量恢復率為16.41%。

3.3.4.4 燃燒分解再利用階段能量輸入-輸出

（1）能量輸入

電力：電量為135 kW·h，能量密度為11.47 MJ·（kW·h）-1，能量為1 548.45 MJ。柴油：體積為7.2 L，能量密度為46.98 MJ·L-1，能量為338.26 MJ。煤：質(zhì)量為877 kg，能量密度為29 MJ·kg-1，能量為25 433 MJ?？偰芰枯斎霝?7 319.71 MJ。

（2）能量輸出

氣體：質(zhì)量為100 kg，能量密度為27.75 MJ·kg-1，能量為2 175 MJ。熱解油：質(zhì)量為290 kg，能量密度為39.58 MJ·kg-1，能量為11 478.2 MJ。鋼絲：質(zhì)量為300 kg，能量密度為27.80 MJ·kg-1，能量為8 340 MJ。炭黑：質(zhì)量為180 kg，能量密度為126.50 MJ·kg-1，能量為22 770 MJ?？偰芰枯敵鰹?4 763.2 MJ。

綜上所述，燃燒分解再利用階段凈能量盈余為17 444 MJ，能量恢復率為27.94%。

3.3.4.5 燃燒發(fā)電再利用階段能量輸入-輸出

（1）能量輸入

水：質(zhì)量為0.15 kg，能量密度為7.536 MJ·kg-1，能量為1.13 MJ。電力：電量為0.04 kW·h，能量密度為11.47 MJ·（kW·h）-1，能量為0.46 MJ。燃油：質(zhì)量為0.01 kg，能量密度為45.47 MJ·L-1，能量為0.45 MJ。鋼絲：質(zhì)量為為0.23 kg，能量密度為27.80 MJ·kg-1，能量為6.39 MJ。碳酸氫鈉：質(zhì)量為120 kg，能量密度為3.96 MJ·kg-1，能量為475.2 MJ?？偰芰枯斎霝?83.63 MJ。

（2）能量輸出

電力：電量為130 kW·h，能量密度為11.47 MJ·（kW·h）-1，能量為1 491.1 MJ。鋼絲：質(zhì)量為300 kg，能量密度為27.80 MJ·kg-1，能量為8 340 MJ?？偰芰枯敵鰹? 831.1 MJ。

綜上所述，燃燒發(fā)電再利用階段凈能量盈余為9 348 MJ，能量恢復率為7.37%。

4 結(jié)果分析

4.1 能量消耗分析

1 t翻新工程機械輪胎生命周期能量輸入-輸出如下。

生產(chǎn)階段能量消耗為132 913 MJ，運輸階段能量消耗為1 103 MJ，使用階段能量消耗為10 591 MJ。資源化階段能量消耗包括二次翻新、機械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解和燃燒發(fā)電，分別為33 697，2 401，53 134，27 139和483 MJ；資源化產(chǎn)品能量替代分別為124 759，30 437，30 537，44 763和9 831 MJ，凈能量盈余分別為91 062，28 035，-22 597，17 444和9 348 MJ；能源恢復率分別為74.88%，22.49%，16.41%，27.94%和7.37%。

由上述數(shù)據(jù)可知，1 t翻新工程機械輪胎生命周期中能量總消耗約14 4607 MJ，其中生產(chǎn)階段的能耗約占翻新工程機械輪胎生命周期總能耗的91.91%，使用階段的能耗約占7.32%，運輸階段的能耗約占0.76%，能耗排序為生產(chǎn)階段＞使用階段＞運輸階段。

4.2 能量評價

二次翻新再利用方式的凈能量盈余為91 062 MJ、能源恢復率為74.88%，在二次翻新、機械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解和燃燒發(fā)電5種再利用方式中最高，能量回收效果排序為二次翻新＞燃燒分解＞機械粉碎＞低溫粉碎＞燃燒發(fā)電。

5 結(jié)語

（1）以生命周期評價理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了翻新工程機械輪胎的總能量消耗模型以及輪胎生產(chǎn)、輪胎運輸、輪胎使用和再利用4個階段的能量消耗模型和計算方法。

（2）通過能量輸入和輸出分析，評價二次翻新、機械粉碎、低溫粉碎、燃燒分解、燃燒發(fā)電5種典型再利用方式的能量回收效果。翻新工程機械輪胎生產(chǎn)階段的能耗最大，約占翻新工程機械輪胎生命周期總能耗的91.91%，其次為使用階段，約占7.32%，運輸階段的能耗約占0.76%，生產(chǎn)階段的能耗對翻新工程機械輪胎總能耗影響最大。

（3）翻新工程機械輪胎的5種再利用方式中，能量回收效果排序為輪胎二次翻新＞燃燒分解＞機械粉碎＞低溫粉碎＞燃燒發(fā)電。二次翻新再利用方式是翻新工程機械輪胎再利用的最有效途徑。