王 強(qiáng)，焦生杰

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064；2.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)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(zhǎng)速度遞增，而中國(guó)汽車輪胎的年產(chǎn)量增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(yù)測(cè)，到2020年，世界汽車輪胎的年產(chǎn)量有望突破20億條，而中國(guó)輪胎的年產(chǎn)量有望突破10億條，未來(lái)中國(guó)將成為世界輪胎中心[1-3]。目前中國(guó)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(lái)的輪胎黑色污染問(wèn)題將日益突出[4-6]。

近年來(lái)，礦山開(kāi)采、建筑施工等行業(yè)發(fā)展迅速，使工程機(jī)械輪胎的需求量與日俱增，其年產(chǎn)量約為1 000萬(wàn)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(jī)械輪胎生產(chǎn)階段的耗膠量占整個(gè)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(jī)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(fù)雜惡劣環(huán)境下使用，負(fù)荷大、轉(zhuǎn)彎多、受地面凸起物沖擊力大，使用壽命相對(duì)較低，廢舊輪胎產(chǎn)生率較大。因此，提高廢舊工程機(jī)械輪胎的翻新率，可有效提高廢舊工程機(jī)械輪胎的利用率，大大節(jié)約橡膠資源和促進(jìn)綠色環(huán)保發(fā)展。工程機(jī)械輪胎翻新對(duì)社會(huì)、企業(yè)及環(huán)境產(chǎn)生的影響目前還缺乏系統(tǒng)性、針對(duì)性以及定量分析與評(píng)價(jià)。為此，本工作以基于生命周期的指標(biāo)為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，通過(guò)構(gòu)建翻新工程機(jī)械輪胎能量消耗模型，定性和定量地描述和評(píng)價(jià)翻新工程機(jī)械輪胎再利用階段5種處理方式的能量恢復(fù)效果，以期為翻新工程機(jī)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(dǎo)。

1 翻新工程機(jī)械輪胎能量消耗分析

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

圖1 翻新工程機(jī)械輪胎生命周期

翻新工程機(jī)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(duì)二次翻新、機(jī)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(jìn)行能耗分析。

圖2 翻新工程機(jī)械輪胎生命周期能量消耗分析

2 翻新工程機(jī)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(jī)械輪胎能量消耗模型以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，輪胎生產(chǎn)、輪胎運(yùn)輸、輪胎使用和再利用4個(gè)階段的能量消耗關(guān)系各不相同，每個(gè)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(jī)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(yùn)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(jī)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(jìn)行計(jì)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(yùn)輸階段能耗

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

式中，D為運(yùn)輸階段的平均運(yùn)輸距離；PE為運(yùn)輸階段的能源消耗量；ρE為運(yùn)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(jī)械輪胎使用階段能耗受使用階段平均運(yùn)輸距離、使用的燃料等因素影響，其能耗按式（4）計(jì)算。

式中，Du為使用階段的平均運(yùn)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(jī)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(jì)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(jī)械輪胎二次翻新、機(jī)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(huì)有新產(chǎn)品或新能源產(chǎn)生，研究過(guò)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(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3.1 凈能量盈余

翻新工程機(jī)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(lái)表示，如式（7）所示。

2.3.2 能量恢復(fù)率

翻新工程機(jī)械輪胎再利用階段的二次翻新、機(jī)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(duì)輸入能量的恢復(fù)程度可用能量恢復(fù)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(duì)象

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

3.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

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

3.3 翻新工程機(jī)械輪胎能量分析

3.3.1 生產(chǎn)階段能量輸入

翻新工程機(jī)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(jī)械輪胎生產(chǎn)階段總輸入能量為132 913 MJ。

3.3.2 運(yùn)輸階段能量輸入

翻新工程機(jī)械輪胎運(yùn)輸階段的能量輸入如下：12 t載貨汽車，運(yùn)輸強(qiáng)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(jī)械輪胎在礦山區(qū)的使用狀況（數(shù)據(jù)來(lái)源于哈爾濱市巴彥縣黑山采石場(chǎng)），平均壽命里程為4萬(wàn)km，平均0.8 a需更換一次輪胎，1輛礦山裝載機(jī)年消耗柴油為2 500 L，燃料使用轉(zhuǎn)換系數(shù)按6%計(jì)算，1 t工程機(jī)械輪胎（2條）總消耗柴油為2 000×12%=240 L。按礦山裝載機(jī)的能量密度為44.13 MJ·L-1計(jì)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(shí)不計(jì)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。總能量輸出為124 017 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(fù)率為74.88%。

3.3.4.2 機(jī)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(xì)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(jī)械粉碎再利用階段凈能量盈余為28 035 MJ，能量恢復(fù)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?dú)猓嘿|(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(xì)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(fù)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(fù)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(fù)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(jī)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(yùn)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(jī)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(fù)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(jī)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(jī)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(yùn)輸階段的能耗約占0.76%，能耗排序?yàn)樯a(chǎn)階段＞使用階段＞運(yùn)輸階段。

4.2 能量評(píng)價(jià)

二次翻新再利用方式的凈能量盈余為91 062 MJ、能源恢復(fù)率為74.88%，在二次翻新、機(jī)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?yàn)槎畏拢救紵纸猓緳C(jī)械粉碎＞低溫粉碎＞燃燒發(fā)電。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）以生命周期評(píng)價(jià)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了翻新工程機(jī)械輪胎的總能量消耗模型以及輪胎生產(chǎn)、輪胎運(yùn)輸、輪胎使用和再利用4個(gè)階段的能量消耗模型和計(jì)算方法。

（2）通過(guò)能量輸入和輸出分析，評(píng)價(jià)二次翻新、機(jī)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(jī)械輪胎生產(chǎn)階段的能耗最大，約占翻新工程機(jī)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(yùn)輸階段的能耗約占0.76%，生產(chǎn)階段的能耗對(duì)翻新工程機(jī)械輪胎總能耗影響最大。

（3）翻新工程機(jī)械輪胎的5種再利用方式中，能量回收效果排序?yàn)檩喬ザ畏拢救紵纸猓緳C(jī)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(jī)械輪胎再利用的最有效途徑。