廢舊輪胎低溫熱解冷淬碎化的實驗研究

摘 要

摘要：運用固定床熱解爐對廢舊輪胎進行低溫熱解，設定溫度范圍為330～360℃。對熱解后的產物進行冷淬，用實驗機測得熱解產物的沖擊韌度。熱解終溫為350℃時固體產率最大，且鋼絲容易
摘要：運用固定床熱解爐對廢舊輪胎進行低溫熱解，設定溫度范圍為330～360℃。對熱解后的產物進行冷淬，用實驗機測得熱解產物的沖擊韌度。熱解終溫為350℃時固體產率最大，且鋼絲容易分離，熱解后產物粉碎效果較好，避免了常溫機械粉碎或低溫冷凍粉碎的高成本及污染問題。
關鍵詞：廢舊輪胎；低溫熱解；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
   隨著汽車工業的發展，近年來廢舊輪胎的產量迅猛增長。廢舊輪胎的大量積壓與管理不善，對環境造成了嚴重的污染與危害。因此，廢舊輪胎的處理與利用，已經成為全世界共同關心和亟待解決的社會問題。廢舊輪胎回收利用的方式很多，可大致分為原形改制、再生利用和熱化學處理3類[1]，目前應用最為廣泛的是熱化學處理。
   廢舊輪胎的熱化學處理主要包括焚燒和熱解兩種形式，焚燒法是最為簡單直接的一種固體廢棄物熱化學處理方法。廢舊輪胎的灰分、水分含量低，熱值高，適合進行焚燒處理，焚燒產生的熱量可用于發電或者供熱。但焚燒過程中也存在一些問題，如輪胎生產中加入的添加劑中含有的鎘、鉛等重金屬鹽在焚燒過程中殘留于底灰中，而且焚燒中會產生二氧化硫、氯化氫、氰化氫、二噁英等有毒物質。
    廢舊輪胎的熱解是指在無氧和缺氧的工況下，在適當的溫度下，使廢舊輪胎的有機成分發生裂解，從而脫出揮發性物質并形成固體炭的過程，產物主要是燃料油、炭黑和燃氣等，各產物成分隨熱解方式、熱解溫度等變化而不同[2、3]。熱解法可以帶來很高的能源回收率，生成的燃氣、燃油和炭黑產物與工業產品性能相似，品位高，運輸方便，再利用時產生的污染也較少，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環境的二次污染，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輪胎)切成小塊，接著用粉碎機將其磨成細粒，再經磁力和風力分選，除去鐵屑和纖維，即可得到膠粒。為得到更細的膠粉，可采用適當的方法將其進一步細化。這種粉碎方法不但噪聲大、臭氣重、環境污染嚴重，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，耗能費時，很不理想。
    本實驗利用廢舊輪胎中的橡分在熱解低溫區的特性，將輪胎低溫熱解后與鋼絲分離，然后采用自來水進行驟然冷淬碎化，其冷淬產物粒度小，無韌度，易于進一步粉碎。
2 熱解實驗
   ① 實驗裝置與方法
   廢舊輪胎的熱解實驗裝置見圖1。實驗裝置由固定床熱解爐、熱解反應器、熱電偶、溫控器、充氮管、熱解液收集器、溫度計、冷凝器、U型管壓差計、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。在固定床熱解爐內套有一個直徑為100mm，高度為150mm的熱解反應器，用以盛裝實驗樣品，反應器蓋上設有出氣管、充氮管和熱電偶。為使熱解氣中的可凝氣體充分冷凝下來，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，接受冷凝下來的熱解油，每組冷凝器的進出口均設有溫度測點。廢舊輪胎的熱解過程在密閉、微正壓的條件下進行，產生的氣體中不含有毒物質，因此將去除可凝氣體后的不凝結氣體經過流量計后，排出室外燃燒。在冷凝器和流量計之間安裝了U型管壓差計，以便觀察實驗過程中系統內的壓力變化情況。
    熱解裝置的溫控器由K型鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶和AI-808P型人工智能工業調節器組成，固定床熱解爐采用程序升溫。
固定床熱解爐及熱解反應器的外部構造見圖2。熱解反應器上部與固定床熱解爐上部平齊放置。實驗時設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器內物料受熱并發生分解。
 

   ② 實驗原料
實驗樣品來自天津市某汽車修理廠的夏利牌轎車的廢舊輪胎，型號為165/70R 13 79T，廢舊輪胎(含鋼絲和簾布)被切割成大約為7cm×3cm的長塊，見圖3。
 

3 實驗結果與分析
    廢舊輪胎的熱解產物主要為炭黑、燃料油和燃氣，熱解產物及產品質量受多種因素影響，如熱解溫度、壓力、顆粒尺寸及形狀等。本實驗采用微正壓氮氣氣氛下熱解的方法，重點分析低溫熱解固態產物冷淬后的沖擊韌度的變化。
    ① 冷淬
    借用金屬淬火的原理，將熱解試樣升溫達到熱解終溫后迅速將其投入常溫自來水中，使其冷卻，以改變廢舊輪胎的強度及韌度，使其容易破碎。
   ② 沖擊韌度
   有些材料在靜荷載作用下表現為較高的強度，但在沖擊荷載的作用下，卻表現得非常脆弱；相反，有些材料強度不高，但在純幾何作用下反而表現出很高的韌性。沖擊韌度就是材料在沖擊荷載作用下對破壞的抵抗能力，材料的韌度大小可以通過沖擊試驗測定[4]。
   本實驗為了減小測試誤差，每組試樣測試3次，取其平均值。
   ③ 熱解產物的特性分析
   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機上直接讀取，沖擊韌度按下式計算：
 
式中α——沖擊韌度，J/mm2
    W——沖擊吸收功，J
    A——試樣的截面積，mm2
   計算結果見表1。
表1 不同熱解終溫下廢舊輪胎試樣的沖擊試驗計算結果
熱解終溫/℃
試樣寬度/min
試樣長度/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℃時試樣破碎時的沖擊韌度沒有太明顯的變化，在熱解終溫為350℃時沖擊韌度明顯減小，熱解終溫為360℃時沖擊韌度減小得更多。熱解終溫為330℃時沖擊試驗后的試樣形狀見圖4，熱解終溫為340℃時沖擊試驗后的試樣形狀見圖5，熱解終溫為350℃時沖擊試驗后的試樣形狀見圖6。
 

    從圖4、5可以看出，在這兩種熱解終溫下，廢舊輪胎試樣出現了破碎，但不是很明顯，且鋼絲不容易分離出來。從圖6可以看出，在熱解終溫為350℃時，試樣破碎情況很好，并且鋼絲能很容易地分離出來。熱解終溫為360℃時，輪胎試樣破碎更為完全，但此時輪胎的失重率更大。因為實驗的目的是為了在得到最大的固體產率的條件下使廢舊輪胎較易破碎，所以認為廢舊輪胎最佳的低溫熱解終溫應為350℃。
4 結論
    運用廢舊輪胎在低溫熱解區的特性，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℃時冷淬后試樣的沖擊韌度較小，固體產率較大，且鋼絲容易分離，說明應將廢舊輪胎熱解的最低溫度控制在350℃。
參考文獻：
[1] 王紹文，梁富智，王紀增.固體廢棄物資源化技術與應用[M].北京：冶金工業出版社，2001.
[2] 宋玉銀.城市有機固體廢棄物的熱解研究[J].環境科學與技術，1992，(3)：9-19.
[3] 王中民.城市垃圾處理與處置[M].北京：中國環境出版社，1992.
[4] 呂百齡，劉登祥.實用橡膠手冊[M].北京：化學工業出版社，2001.
 
(本文作者：王喬力1 張書廷2 1.中國建筑科學研究院 空氣調節研究所 北京 100013；2.天津大學 環境科學與工程學院 天津 300072)