化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計書-一種新型廢舊輪胎處理技術(shù)

產(chǎn)品設(shè)計書一種新型廢舊輪胎處理技術(shù)2015-5-10學(xué)院班級2015-5-10學(xué)院班級：化工1204學(xué)號：XXXXXXXX姓名：XXX目錄1技術(shù)背景 -12-1技術(shù)背景2010年1月11日，中國汽車工業(yè)協(xié)會公布2009年中國汽車產(chǎn)銷統(tǒng)計，中國以300多萬輛的優(yōu)勢，首次超越美國，成為世界汽車產(chǎn)銷第一大國。中國已成為全球主要的汽車消費市場[1]。隨著人們生活水平逐步提高和物流業(yè)高速發(fā)展，我國的私家車保有量和貨車的數(shù)量逐年提高。車輛數(shù)量的增加帶動了經(jīng)濟的發(fā)展，同時汽車輪胎的消耗和磨損也產(chǎn)生了很多的垃圾——廢舊輪胎。數(shù)年以前廢舊輪胎都是當(dāng)成垃圾被扔掉，極大的污染了我們賴以生存的環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生的廢舊輪胎以8%至10%的速度遞增。2010年，中國廢舊輪胎產(chǎn)生量約達(dá)2.5億條，回收利用率僅為50%左右，不到西方發(fā)達(dá)國家的30%，已然造成了巨大的資源浪費。所謂廢舊輪胎，是指被替換或淘汰下來已失去作為輪胎使用價值的輪胎，以及工廠產(chǎn)生的報廢輪胎。廢舊輪胎具有很強的抗熱、熱生物、抗機械性，并很難降解，幾十年都不會自然消失掉。長期露天堆放，不儀占用大量土地，而且極易滋生蚊蟲傳播疾病，還窬易引發(fā)火災(zāi)，被人們稱為“黑色污染”[2]。“如果不走循環(huán)利用道路，不充分利用每年產(chǎn)生的廢舊輪胎，再過15-20年，當(dāng)我國的汽車保有量達(dá)到美國水平時，可能全世界的天然橡膠都賣給中國都不夠?！?0月13日，在青島舉行的“2012年中國輪胎翻新與循環(huán)利用年會暨中國輪胎資源利用國際技術(shù)交流論壇”上，中國輪胎翻修與循環(huán)利用協(xié)會會長朱軍對記者表示。1.1利用途徑目前，我國廢舊輪胎綜合利用的途徑大致有5種[3]：廢舊輪胎原形直接利用。熱分解。廢舊輪胎熱分解就是用高溫加熱廢舊輪胎，促使其分解成油、可燃?xì)怏w、碳粉。一噸廢舊輪胎能得到：燃料油410-450kg；炭黑370-390kg；燃料氣80-120kg；鋼絲80-100kg。舊輪胎翻新。生產(chǎn)再生橡膠。即通過化學(xué)方法，使廢舊輪胎橡膠脫硫，得到再生橡膠。目前采用的再生膠生產(chǎn)技術(shù)有傳統(tǒng)廢舊橡膠高溫高壓脫硫再生法、化學(xué)再生法、輻射脫硫法、超聲波脫硫法和微生物脫硫法等。廢舊橡膠的脫硫再生是指利用物理、化學(xué)或生物等方法有選擇性地打開橡膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而盡量避免打斷主鏈，使其生成一種可以再硫化的準(zhǔn)線性結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)橡膠的重復(fù)利用[4,5]。再生膠能部分地代替生膠用于橡膠制品，以節(jié)約生膠及炭黑，也有利于改善加工性能及橡膠制品的某些性能。另外，還有物理再生技術(shù)，例如1987年，日本Okuda和Hatano[6]采用超聲波對硫化天然橡膠進(jìn)行了脫硫再生的研究，并申請了專利。目前，國外對廢舊輪胎橡膠的生物再生處理也有一定成果。例如日本、德國、瑞典等對廢舊橡膠微生物脫硫法進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。Fliermans等[7]采用生物再生法對廢膠粉進(jìn)行了脫硫再生，并申請了專利。生產(chǎn)硫化橡膠粉。廢舊輪胎再生膠粉是指將廢舊輪胎通過各種技術(shù)將輪胎內(nèi)部的鋼絲、纖維分離出來并將膠塊研磨成膠粉。其生產(chǎn)工藝有常溫粉碎法、低溫冷凍粉碎法、水沖擊法等。膠粉越精細(xì)，加工時所用時間越長，使用時溶解速度越快。目前，國內(nèi)廢舊輪胎再生膠粉主要用于三個領(lǐng)域領(lǐng)域：防水卷材料；橡膠制品及輪胎生產(chǎn)；膠粉改性瀝青；1.2目前國內(nèi)技術(shù)發(fā)展情況國內(nèi)對輪胎解聚研究較為深入的是北京化工大學(xué)、大連理工大學(xué)等。劉銀秀等人[8]利用超臨界甲苯分別對廢輪胎和天然橡膠進(jìn)行了解聚研究。研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增大解聚率增大，隨著壓力的增大解聚率先增大，達(dá)到臨界點之后解聚率變化不大；解聚后獲得以炭黑為主的固相產(chǎn)物和以小分子油狀物為主的液相產(chǎn)物；在橡膠的解聚反應(yīng)中超臨界甲苯起到了溶脹和參與反應(yīng)的作用。廢舊輪胎產(chǎn)生后，由于其主要成分是橡膠和炭黑，耐腐蝕性能很強，如何有效處理并使之廢物利用，是人們普遍關(guān)心的問題。下圖是目前國內(nèi)廢舊輪胎處理的幾種主要方式。其中，廢舊輪胎被翻新占比5%，熱裂解占比10%，相對比例都不高，還有少部分的廢舊輪胎改做其他用途占比8%，比如在山坡固土、碼頭護(hù)舷等等。但是，多數(shù)廢舊輪胎還是得到了有效再利用。其中46%的廢舊輪胎用于生產(chǎn)再生膠、膠粉，再生膠和膠粉可以再次用來生產(chǎn)橡膠制品，膠粉少量直接應(yīng)用于瀝青改性，大部分用于生產(chǎn)再生膠，這對于節(jié)約生膠、降低資源消耗、改善生產(chǎn)成本，都起到了一定的促進(jìn)作用。目前，這已經(jīng)成為廢舊輪胎回收處理的主要方式[9]。我國廢舊輪胎回收利用存在的主要問題：1）回收利用率低，廢舊輪胎丟棄現(xiàn)象嚴(yán)重，給環(huán)境保護(hù)帶來一定影響。2）廢舊輪胎回收利用企業(yè)普遍生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模小，自我改進(jìn)能力低，企業(yè)發(fā)展無后勁。3）廢舊輪胎加工利用企業(yè)包袱沉重，經(jīng)濟效益差，困擾著廢舊輪胎利用行業(yè)的發(fā)展。4）企業(yè)稅賦成倍增長，廢舊輪胎加工企業(yè)生存困難。1.3市場需求量橡膠資源短缺對國民經(jīng)濟發(fā)展的影響日益顯現(xiàn)，而輪胎是我國最主要的橡膠制品。2009年，我國生產(chǎn)輪胎消耗橡膠已占全國橡膠資源消耗總量的70%左右，年產(chǎn)生廢輪胎2.33億條，重量約合860萬噸，折合橡膠資源約300多萬噸，若能全部回收再利用，相當(dāng)于我國5年的天然橡膠產(chǎn)量[10]。2用戶需求2.1需求方案操作簡便處理時間短不產(chǎn)生有毒氣體處理設(shè)備易得操作周期短易于接受處理后可供再利用處理成本低處理所需處理劑易得可小規(guī)模運行操作操作全自動無需過多人員推廣性強處理量大處理速度快不會對周圍環(huán)境造成影響適用處理的輪胎類型廣安全系數(shù)高耗能低處理效率高使用催化劑處理后回收使用率高處理后便于再利用對輪胎橡膠本質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞小不產(chǎn)生外排廢棄物處理后可直接使用2.2需求整理操作簡便不產(chǎn)生有毒氣體操作周期短處理后可供再利用處理成本低處理所需處理劑易得推廣性強不會對周圍環(huán)境造成影響適用處理的輪胎類型廣安全系數(shù)高耗能低處理效率高處理后回收使用率高處理后便于再利用對輪胎橡膠本質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞小不產(chǎn)生外排廢棄物2.3需求組合分類（一）安全環(huán)保方面不產(chǎn)生有毒氣體不會對周圍環(huán)境造成影響安全系數(shù)高不產(chǎn)生外排廢棄物（二）性能需求方面處理后可供再利用處理后便于再利用處理后回收使用率高對輪胎橡膠本質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞小推廣性強適用處理的輪胎類型廣處理效率高（三）操作要求方面操作簡便操作周期短處理所需處理劑易得（四）能耗成本方面耗能低處理成本低3技術(shù)設(shè)計要求由于輪胎的主要成分是橡膠和炭黑，具有耐磨、耐腐蝕等多種優(yōu)良特性，但是當(dāng)輪胎的使用壽命耗盡時，這些優(yōu)點也就變成了缺點，便為廢舊輪胎的處理帶來了不小麻煩。另外，考慮到處理效率及處理成本問題，所設(shè)計出的方法技術(shù)必須要很好的解決這兩個根本問題，同時廢舊輪胎處理后如何很好的再利用也是技術(shù)上的重點。最終設(shè)計出的廢舊輪胎處理技術(shù)必須符合上述需求之中的安全環(huán)保要求、性能要求、成本要求，同時優(yōu)化操作。本設(shè)計計劃從提高廢舊輪胎再生利用的價值方向出發(fā)，設(shè)計出一種高效環(huán)保低成本的新型廢舊輪胎處理技術(shù)。本處理技術(shù)的設(shè)計僅針對無法直接再使用和無法翻新的廢舊輪胎。4技術(shù)方案從物理途徑獲得：方案一：粉碎成膠粒[11]；方案二：丟棄到外太空；方案三：粉碎填埋；方案四：陽光暴曬；方案五：有機溶劑浸泡處理；方案六：制作藝術(shù)品；方案七：常溫生產(chǎn)膠粉[12]；方案八：冷卻深加工[13]；方案九：制造塑膠[14]；方案十：破碎切片；從化學(xué)途徑獲得：方案十一：雙氧水浸泡；方案十二：制取再生膠；方案十三：高溫氮氣催化裂解[15]；方案十四：低溫微波處理[16]；方案十五：制備改性道路瀝青[17]；方案十六：混合焚燒；方案十七：無氧高溫?zé)岱纸鈁18]；方案十八：真空裂解制備氣液燃料[19]；方案十九：高溫氣體老化處理，再粉碎；方案二十：微生物分解處理；方案二十一：電弧裂解[20]；方案二十二：水熱法處理[21]；方案二十三：超臨界水氧化法[22]；方案二十四：催化裂解生產(chǎn)原料油[23]；方案二十五：超臨界CO2化學(xué)再循環(huán)處理[24]；方案二十六：催化裂解制炭黑和燃料油[25]；方案二十七：混合法制備改性瀝青混合料[26]；方案二十八：用來制造印刷油墨[27]；方案二十九：制備還原橡膠[28]；方案三十：利用廢舊輪胎膠粒/聚乙烯制備發(fā)泡材料[29]；方案三十一：制備改性膠粉[30]；方案三十二：在超臨界流體中脫硫再生[31]；4.1方案整理對上述31個方案進(jìn)行整理，剔除明顯不符合要求以及不環(huán)保的方案項，后保留下來的方案有：方案一、方案六、方案七、方案八、方案九、方案十、方案十三、方案十四、方案十五、方案十七、方案十八、方案二十一、方案二十二、方案二十三、方案二十四、方案二十五、方案二十六、方案二十七、方案二十八、方案二十九、方案三十以、方案三十一及方案三十二，共計23個方案。4.2方案分類（一）物理法處理：方案一：粉碎成膠粒；方案六：制作藝術(shù)品；方案七：常溫生產(chǎn)膠粉；方案八：冷卻深加工；方案九：制造塑膠；方案十：破碎切片；（二）化學(xué)法處理：方案十四：低溫微波處理；方案十七：無氧高溫?zé)岱纸猓环桨付唬弘娀×呀?；方案二十二：水熱法處理；方案二十三：超臨界水氧化法；方案二十五：超臨界CO2化學(xué)再循環(huán)處理；方案三十二：在超臨界流體中脫硫再生；（三）催化法處理：方案十三：高溫氮氣催化裂解；方案二十四：催化裂解生產(chǎn)原料油；方案二十六：催化裂解制炭黑和燃料油；（四）改性再利用：方案十五：制備改性道路瀝青；方案十八：真空裂解制備氣液燃料；方案二十七：混合法制備改性瀝青混合料；方案二十八：用來制造印刷油墨；方案二十九：制備還原橡膠；方案三十：利用廢舊輪胎膠粒/聚乙烯制備發(fā)泡材料；方案三十一：制備改性膠粉；4.3方案篩選本設(shè)計計劃從提高廢舊輪胎再生利用的價值方向出發(fā)，設(shè)計出一種高效環(huán)保低成本的新型廢舊輪胎處理技術(shù)。由于物理法為一般的處理途徑，所具有的再生價值不高，故不作方案優(yōu)選考慮。以下為優(yōu)選的可行方案，共計6個：方案十五方案十八方案二十六方案二十七方案二十八方案三十5方案的進(jìn)一步確認(rèn)對篩選出的這6個優(yōu)選方案進(jìn)行權(quán)值分析，并確定出一個最優(yōu)方案。權(quán)值分析見表1。表1方案權(quán)值分析權(quán)重十五十八二十六二十七二十八三十再生價值0.206.507.008.507.508.008.50環(huán)保0.308.007.507.508.509.009.00處理效率0.208.006.006.509.007.509.00處理成本0.307.506.006.008.006.505.00總分1.007.556.657.058.257.757.70由上表得出方案二十七的權(quán)值總分最高為8.25，故最優(yōu)方案為“案二十七：混合法制備改性瀝青混合料”。5.1方案具體化“方案二十七”發(fā)明內(nèi)容：本發(fā)明的目的在于提供一種能夠大量處置廢舊輪胎橡膠、改善路用性能及降低道路噪聲的利用廢舊輪胎采用混合法制備改性瀝青混合料的方法。其過程示意圖見圖1。具體步驟：制備橡膠瀝青；集料的篩選；橡膠顆粒與集料混合物德爾拌制；橡膠改性瀝青混合料的制備；圖1廢舊輪胎橡膠混合法改性瀝青混合料示意圖在上述步驟1）中可加入添加劑，所述添加劑可使用維他聯(lián)接劑、硫、苯酚二硫化物等一種，加入劑量視品種而異。本發(fā)明中所得的橡膠瀝青混合料用于鋪筑道路路面。5.2成本分析本方案主要成本涉及廢舊輪胎購入、設(shè)備及能耗費、其他原料及助劑費用三大部分。鑒于本技術(shù)方案能產(chǎn)生產(chǎn)品收益，總的來說成本較低。5.3風(fēng)險分析由于本方案基于環(huán)保角度出發(fā)，且處理過程不涉及有毒有害物質(zhì)，所以風(fēng)險系數(shù)較低，是一種綠色環(huán)保處理技術(shù)。5.4可行性分析結(jié)合成本分析、風(fēng)險分析以及方案技術(shù)特點，可看出本處理技術(shù)具有風(fēng)險系數(shù)低、能耗低、成本低、環(huán)保性能高、技術(shù)可靠等多種優(yōu)點，具有很高推廣借鑒價值。針對目前國內(nèi)廢舊輪胎處理市場而言，本處理技術(shù)可以很好地解決廢舊輪胎的回收治理問題，由于該技術(shù)同時具有較高的處理效率，推廣后可以大大減輕廢舊輪胎帶來的環(huán)境污染問題。參考文獻(xiàn)[1]邢臺新傳媒.中國成為世界汽車第一大國[EB/OL]./epaper/ncwb/html/2010-01/12/content_160572.htm,2015-05-11.[2][3]李如林.我國廢舊輪胎回收利用行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].中國資源綜合利用,2003,(3):3-6.[4]AdhikariB,DeD,MaitiS.Reclamationandrecyclingofwasterubber[J].Progressinpolymerscience,2000,25(7):909-948.[5]FukumoriK,MatsushitaM,OkamotoH,eta1.Recyclingtechnologyoftirerubber[J]．JSAEreview,2002,23(2):259-264.[6]OkudaM,HatanoY.MethodofDesulfurizingRubberbyUltrasonicWave：Japan,62121741[P].1987-02-16.[7]FliermansCB.Microbialprocessingofusedrubber：U.S.Patent6479558[P]2002-11-12.[8]劉銀秀,鄒霞,潘志彥,等.廢輪胎和天然橡膠在超臨界甲苯中的解聚研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報,2007,35(6):732-736.[9]蓋世汽車網(wǎng).廢舊輪胎市場應(yīng)用現(xiàn)狀[EB/OL]./News/2014/09/05051607167811.shtml,2015-05-11.[10]中國廢舊輪胎回收市場調(diào)研報告[R].中國產(chǎn)業(yè)投資決策網(wǎng).[11]趙中華.廢舊輪胎粉碎成膠粒的工藝及裝置[P].CN:201210461345.8,2013-02-13.[12]張樹清.利用廢舊輪胎常溫生產(chǎn)膠粉的方法[P].CN:200910167781.2,2010-03-17.[13]何志斌.廢舊輪胎冷卻深加工處理方法[P].CN:201510010915.5,2015-05-06.[14]王悅虹,崔英,等.用廢舊輪胎生產(chǎn)塑膠的方法[P].CN:201310394733.3,2014-01-15.[15]代永娟,張馳,等.一種廢舊輪胎的熱裂解工藝[P].CN:201410792574.7,2015-04-22.[16]孫家正,孫國志,等.一種廢舊輪胎微波裂解裝置[P].CN:201420420680.8,2014-12-17.[17]車春玲.一種利用廢舊輪胎制備改性道路瀝青的方法[P].CN:201310725123.7,2014-04-09.[18]曹建國,劉偉,等.一種處理廢舊輪胎的方法[P].CN:200810102813.6,2009-09-30.[19]肖國民,王戀,等.一種廢舊輪胎真空裂解制備氣液燃料的方法[P].CN:200910183235.8,2010-02-10.[20]王胤.電弧裂解廢舊輪胎制取炭黑的方法[P].