廢舊輪胎低溫?zé)峤饫浯闼榛膶?shí)驗(yàn)研究

摘 要

摘要：運(yùn)用固定床熱解爐對(duì)廢舊輪胎進(jìn)行低溫?zé)峤?，設(shè)定溫度范圍為330～360℃。對(duì)熱解后的產(chǎn)物進(jìn)行冷淬，用實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)得熱解產(chǎn)物的沖擊韌度。熱解終溫為350℃時(shí)固體產(chǎn)率最大，且鋼絲容易
摘要：運(yùn)用固定床熱解爐對(duì)廢舊輪胎進(jìn)行低溫?zé)峤?，設(shè)定溫度范圍為330～360℃。對(duì)熱解后的產(chǎn)物進(jìn)行冷淬，用實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)得熱解產(chǎn)物的沖擊韌度。熱解終溫為350℃時(shí)固體產(chǎn)率最大，且鋼絲容易分離，熱解后產(chǎn)物粉碎效果較好，避免了常溫機(jī)械粉碎或低溫冷凍粉碎的高成本及污染問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：廢舊輪胎；低溫?zé)峤?；沖擊韌度
Experimental Study on Fragmentation of Waste Tyre by Cold Quenching after Low Temperature Pyrolysis
WANG Qiao-li，zHANG Shu-ting
Abstract：The low temperature pyrolysis of waste tyre is carried out in fixed-bed pyrolytic reactor，and the temperature is set at 330 to 360℃.The cold quenching of the pyrolyzed products is performed. and their impact toughness is tested by impact machine.When the pyrolysis temperature is 350℃，the solid yield is the largest，the steel wires are easy to be separated，and the pyrolyzed products are crushed effectively，thus avoiding high cost and pollution from room-temperature machine crush and low-temperature frozen crush.
Key words：waste tyre；low temperature pyrolysis；impact toughness
1 概述
   隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)廢舊輪胎的產(chǎn)量迅猛增長(zhǎng)。廢舊輪胎的大量積壓與管理不善，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染與危害。因此，廢舊輪胎的處理與利用，已經(jīng)成為全世界共同關(guān)心和亟待解決的社會(huì)問(wèn)題。廢舊輪胎回收利用的方式很多，可大致分為原形改制、再生利用和熱化學(xué)處理3類(lèi)[1]，目前應(yīng)用最為廣泛的是熱化學(xué)處理。
   廢舊輪胎的熱化學(xué)處理主要包括焚燒和熱解兩種形式，焚燒法是最為簡(jiǎn)單直接的一種固體廢棄物熱化學(xué)處理方法。廢舊輪胎的灰分、水分含量低，熱值高，適合進(jìn)行焚燒處理，焚燒產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電或者供熱。但焚燒過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，如輪胎生產(chǎn)中加入的添加劑中含有的鎘、鉛等重金屬鹽在焚燒過(guò)程中殘留于底灰中，而且焚燒中會(huì)產(chǎn)生二氧化硫、氯化氫、氰化氫、二噁英等有毒物質(zhì)。
    廢舊輪胎的熱解是指在無(wú)氧和缺氧的工況下，在適當(dāng)?shù)臏囟认拢箯U舊輪胎的有機(jī)成分發(fā)生裂解，從而脫出揮發(fā)性物質(zhì)并形成固體炭的過(guò)程，產(chǎn)物主要是燃料油、炭黑和燃?xì)獾龋鳟a(chǎn)物成分隨熱解方式、熱解溫度等變化而不同[2、3]。熱解法可以帶來(lái)很高的能源回收率，生成的燃?xì)?、燃油和炭黑產(chǎn)物與工業(yè)產(chǎn)品性能相似，品位高，運(yùn)輸方便，再利用時(shí)產(chǎn)生的污染也較少，因此具有較高的附加值。由于是缺氧分解，還原氣氛可減輕廢物中硫、氮、重金屬等有害成分對(duì)環(huán)境的二次污染，這些成分將殘留在固體中，因此工藝上不需要昂貴的洗氣裝置。
    焚燒和熱解都需要將輪胎粉碎，通常是先將廢舊輪胎(例如含鋼絲和簾布的轎車(chē)輪胎)切成小塊，接著用粉碎機(jī)將其磨成細(xì)粒，再經(jīng)磁力和風(fēng)力分選，除去鐵屑和纖維，即可得到膠粒。為得到更細(xì)的膠粉，可采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵溥M(jìn)一步細(xì)化。這種粉碎方法不但噪聲大、臭氣重、環(huán)境污染嚴(yán)重，而且先要磨碎廢舊輪胎中的鋼絲和簾布，再將鐵屑和纖維分離出來(lái)，耗能費(fèi)時(shí)，很不理想。
    本實(shí)驗(yàn)利用廢舊輪胎中的橡分在熱解低溫區(qū)的特性，將輪胎低溫?zé)峤夂笈c鋼絲分離，然后采用自來(lái)水進(jìn)行驟然冷淬碎化，其冷淬產(chǎn)物粒度小，無(wú)韌度，易于進(jìn)一步粉碎。
2 熱解實(shí)驗(yàn)
   ① 實(shí)驗(yàn)裝置與方法
   廢舊輪胎的熱解實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)裝置由固定床熱解爐、熱解反應(yīng)器、熱電偶、溫控器、充氮管、熱解液收集器、溫度計(jì)、冷凝器、U型管壓差計(jì)、流量表、鵝頭洗氣瓶組成。
 

    固定床熱解爐由耐高溫不銹鋼材料制成，直徑為200mm，高度為350mm，功率為7.5kW。在固定床熱解爐內(nèi)套有一個(gè)直徑為100mm，高度為150mm的熱解反應(yīng)器，用以盛裝實(shí)驗(yàn)樣品，反應(yīng)器蓋上設(shè)有出氣管、充氮管和熱電偶。為使熱解氣中的可凝氣體充分冷凝下來(lái)，冷凝器采用3組U型套管式水冷冷凝器，在其底部裝有桃形分液漏斗，接受冷凝下來(lái)的熱解油，每組冷凝器的進(jìn)出口均設(shè)有溫度測(cè)點(diǎn)。廢舊輪胎的熱解過(guò)程在密閉、微正壓的條件下進(jìn)行，產(chǎn)生的氣體中不含有毒物質(zhì)，因此將去除可凝氣體后的不凝結(jié)氣體經(jīng)過(guò)流量計(jì)后，排出室外燃燒。在冷凝器和流量計(jì)之間安裝了U型管壓差計(jì)，以便觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化情況。
    熱解裝置的溫控器由K型鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶和AI-808P型人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器組成，固定床熱解爐采用程序升溫。
固定床熱解爐及熱解反應(yīng)器的外部構(gòu)造見(jiàn)圖2。熱解反應(yīng)器上部與固定床熱解爐上部平齊放置。實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定固定床熱解爐的溫度，使其按固定的溫升速率(20℃/min)升溫，依靠輻射傳熱使熱解反應(yīng)器內(nèi)物料受熱并發(fā)生分解。
 

   ② 實(shí)驗(yàn)原料
實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)自天津市某汽車(chē)修理廠的夏利牌轎車(chē)的廢舊輪胎，型號(hào)為165/70R 13 79T，廢舊輪胎(含鋼絲和簾布)被切割成大約為7cm×3cm的長(zhǎng)塊，見(jiàn)圖3。
 

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    廢舊輪胎的熱解產(chǎn)物主要為炭黑、燃料油和燃?xì)?，熱解產(chǎn)物及產(chǎn)品質(zhì)量受多種因素影響，如熱解溫度、壓力、顆粒尺寸及形狀等。本實(shí)驗(yàn)采用微正壓氮?dú)鈿夥障聼峤獾姆椒ǎ攸c(diǎn)分析低溫?zé)峤夤虘B(tài)產(chǎn)物冷淬后的沖擊韌度的變化。
    ① 冷淬
    借用金屬淬火的原理，將熱解試樣升溫達(dá)到熱解終溫后迅速將其投入常溫自來(lái)水中，使其冷卻，以改變廢舊輪胎的強(qiáng)度及韌度，使其容易破碎。
   ② 沖擊韌度
   有些材料在靜荷載作用下表現(xiàn)為較高的強(qiáng)度，但在沖擊荷載的作用下，卻表現(xiàn)得非常脆弱；相反，有些材料強(qiáng)度不高，但在純幾何作用下反而表現(xiàn)出很高的韌性。沖擊韌度就是材料在沖擊荷載作用下對(duì)破壞的抵抗能力，材料的韌度大小可以通過(guò)沖擊試驗(yàn)測(cè)定[4]。
   本實(shí)驗(yàn)為了減小測(cè)試誤差，每組試樣測(cè)試3次，取其平均值。
   ③ 熱解產(chǎn)物的特性分析
   材料的韌度大小用試樣單位面積上所吸收的沖擊功表示。試樣沖擊吸收功可從試驗(yàn)機(jī)上直接讀取，沖擊韌度按下式計(jì)算：
 
式中α——沖擊韌度，J/mm2
    W——沖擊吸收功，J
    A——試樣的截面積，mm2
   計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 不同熱解終溫下廢舊輪胎試樣的沖擊試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果
熱解終溫/℃
試樣寬度/min
試樣長(zhǎng)度/mm
試樣截面積/mm2
試樣沖擊吸收功/J
試樣沖擊韌度/(J·mm-2)
330
10.5
22.4
234
10.4
0.044
340
10.6
22.8
242
9.O
0.037
350
11.6
22.2
257
3.8
0.015
360
10.5
23.O
242
1.5
0.006
    可以看出，隨著熱解終溫的升高，試樣的沖擊韌度逐漸減小。熱解終溫為330℃與340℃時(shí)試樣破碎時(shí)的沖擊韌度沒(méi)有太明顯的變化，在熱解終溫為350℃時(shí)沖擊韌度明顯減小，熱解終溫為360℃時(shí)沖擊韌度減小得更多。熱解終溫為330℃時(shí)沖擊試驗(yàn)后的試樣形狀見(jiàn)圖4，熱解終溫為340℃時(shí)沖擊試驗(yàn)后的試樣形狀見(jiàn)圖5，熱解終溫為350℃時(shí)沖擊試驗(yàn)后的試樣形狀見(jiàn)圖6。
 

    從圖4、5可以看出，在這兩種熱解終溫下，廢舊輪胎試樣出現(xiàn)了破碎，但不是很明顯，且鋼絲不容易分離出來(lái)。從圖6可以看出，在熱解終溫為350℃時(shí)，試樣破碎情況很好，并且鋼絲能很容易地分離出來(lái)。熱解終溫為360℃時(shí)，輪胎試樣破碎更為完全，但此時(shí)輪胎的失重率更大。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的目的是為了在得到最大的固體產(chǎn)率的條件下使廢舊輪胎較易破碎，所以認(rèn)為廢舊輪胎最佳的低溫?zé)峤饨K溫應(yīng)為350℃。
4 結(jié)論
    運(yùn)用廢舊輪胎在低溫?zé)峤鈪^(qū)的特性，可較清晰地了解廢舊輪胎的冷淬碎化性能。在熱解終溫為350℃時(shí)冷淬后試樣的沖擊韌度較小，固體產(chǎn)率較大，且鋼絲容易分離，說(shuō)明應(yīng)將廢舊輪胎熱解的最低溫度控制在350℃。
參考文獻(xiàn)：
[1] 王紹文，梁富智，王紀(jì)增.固體廢棄物資源化技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.
[2] 宋玉銀.城市有機(jī)固體廢棄物的熱解研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，1992，(3)：9-19.
[3] 王中民.城市垃圾處理與處置[M].北京：中國(guó)環(huán)境出版社，1992.
[4] 呂百齡，劉登祥.實(shí)用橡膠手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.
 
(本文作者：王喬力1 張書(shū)廷2 1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院 空氣調(diào)節(jié)研究所 北京 100013；2.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072)