化学产品设计书-一种新型废旧轮胎处理技术.doc

产品设计书 一种新型废旧轮胎处理技术 2015-5-10 学院班级：化工学院班级：化工 1204 学学 号：号：XXXXXXXX 姓姓 名：名：XXX 目录目录 1 技术背景- 1 - 1.1 利用途径.- 1 - 1.2 目前国内技术发展情况 .- 2 - 1.3 市场需求量.- 3 - 2 用户需求- 3 - 2.1 需求方案.- 3 - 2.2 需求整理.- 3 - 2.3 需求组合分类.- 4 - （一） 安全环保方面- 4 - （二） 性能需求方面- 4 - （三） 操作要求方面- 4 - （四） 能耗成本方面- 4 - 3 技术设计要求- 4 - 4 技术方案- 5 - 4.1 方案整理.- 6 - 4.2 方案分类.- 6 - （一） 物理法处理：- 6 - （二） 化学法处理：- 6 - （三） 催化法处理：- 6 - （四） 改性再利用：- 6 - 4.3 方案筛选.- 7 - 5 方案的进一步确认- 7 - 5.1 方案具体化.- 7 - 5.2 成本分析.- 8 - 5.3 风险分析.- 8 - 5.4 可行性分析.- 8 - 参考文献- 8 - - 1 - 1 技术背景技术背景 2010 年 1 月 11 日，中国汽车工业协会公布 2009 年中国汽车产销统计，中 国以 300 多万辆的优势，首次超越美国，成为世界汽车产销第一大国。中国已 成为全球主要的汽车消费市场1。随着人们生活水平逐步提高和物流业高速发 展，我国的私家车保有量和货车的数量逐年提高。车辆数量的增加带动了经济 的发展，同时汽车轮胎的消耗和磨损也产生了很多的垃圾废旧轮胎。数年 以前废旧轮胎都是当成垃圾被扔掉，极大的污染了我们赖以生存的环境。据统 计，我国每年产生的废旧轮胎以 8%至 10%的速度递增。2010 年，中国废旧轮 胎产生量约达 2.5 亿条，回收利用率仅为 50%左右，不到西方发达国家的 30%，已然造成了巨大的资源浪费。 所谓废旧轮胎，是指被替换或淘汰下来已失去作为轮胎使用价值的轮胎， 以及工厂产生的报废轮胎。废旧轮胎具有很强的抗热、热生物、抗机械性，并 很难降解，几十年都不会自然消失掉。长期露天堆放，不仪占用大量土地，而 且极易滋生蚊虫传播疾病，还窬易引发火灾，被人们称为“黑色污染”2。 “如果不走循环利用道路，不充分利用每年产生的废旧轮胎，再过 15-20 年，当我国的汽车保有量达到美国水平时，可能全世界的天然橡胶都卖给中国 都不够。 ”10 月 13 日，在青岛举行的“2012 年中国轮胎翻新与循环利用年会暨 中国轮胎资源利用国际技术交流论坛”上，中国轮胎翻修与循环利用协会会长 朱军对记者表示。 1.1 利用途径 目前，我国废旧轮胎综合利用的途径大致有 5 种3： 1)废旧轮胎原形直接利用。 2)热分解。 废旧轮胎热分解就是用高温加热废旧轮胎，促使其分解成油、可燃气体、 碳粉。一吨废旧轮胎能得到：燃料油 410-450 kg；炭黑 370-390 kg；燃料气 80- 120 kg；钢丝 80-100 kg。 3)旧轮胎翻新。 4)生产再生橡胶。 即通过化学方法，使废旧轮胎橡胶脱硫，得到再生橡胶。目前采用的再生 - 2 - 胶生产技术有传统废旧橡胶高温高压脱硫再生法、化学再生法、辐射脱硫法、 超声波脱硫法和微生物脱硫法等。废旧橡胶的脱硫再生是指利用物理、化学或 生物等方法有选择性地打开橡胶三维网络结构而尽量避免打断主链，使其生成 一种可以再硫化的准线性结构，以实现橡胶的重复利用4,5。再生胶能部分地代 替生胶用于橡胶制品，以节约生胶及炭黑，也有利于改善加工性能及橡胶制品 的某些性能。 另外，还有物理再生技术，例如 1987 年，日本 Okuda 和 Hatano6采用超声 波对硫化天然橡胶进行了脱硫再生的研究，并申请了专利。 目前，国外对废旧轮胎橡胶的生物再生处理也有一定成果。例如日本、德 国、瑞典等对废旧橡胶微生物脱硫法进行了研究，并取得了一定的成果。 Fliermans 等7采用生物再生法对废胶粉进行了脱硫再生，并申请了专利。 5)生产硫化橡胶粉。 废旧轮胎再生胶粉是指将废旧轮胎通过各种技术将轮胎内部的钢丝、纤维 分离出来并将胶块研磨成胶粉。其生产工艺有常温粉碎法、低温冷冻粉碎法、 水冲击法等。胶粉越精细，加工时所用时间越长，使用时溶解速度越快。目前， 国内废旧轮胎再生胶粉主要用于三个领域领域： 防水卷材料； 橡胶制品及轮胎生产； 胶粉改性沥青； 1.2 目前国内技术发展情况 国内对轮胎解聚研究较为深入的是北京化工大学、大连理工大学等。刘银 秀等人8利用超临界甲苯分别对废轮胎和天然橡胶进行了解聚研究。研究发现 随着温度的增大解聚率增大，随着压力的增大解聚率先增大，达到临界点之后 解聚率变化不大；解聚后获得以炭黑为主的固相产物和以小分子油状物为主的 液相产物；在橡胶的解聚反应中超临界甲苯起到了溶胀和参与反应的作用。 废旧轮胎产生后，由于其主要成分是橡胶和炭黑，耐腐蚀性能很强，如何 有效处理并使之废物利用，是人们普遍关心的问题。下图是目前国内废旧轮胎 处理的几种主要方式。其中，废旧轮胎被翻新占比 5%，热裂解占比 10%，相 对比例都不高，还有少部分的废旧轮胎改做其他用途占比 8%，比如在山坡固土、 - 3 - 码头护舷等等。但是，多数废旧轮胎还是得到了有效再利用。其中 46%的废旧 轮胎用于生产再生胶、胶粉，再生胶和胶粉可以再次用来生产橡胶制品，胶粉 少量直接应用于沥青改性，大部分用于生产再生胶，这对于节约生胶、降低资 源消耗、改善生产成本，都起到了一定的促进作用。目前，这已经成为废旧轮 胎回收处理的主要方式9。 我国废旧轮胎回收利用存在的主要问题： 1）回收利用率低，废旧轮胎丢弃现象严重，给环境保护带来一定影响。 2）废旧轮胎回收利用企业普遍生产经营规模小，自我改进能力低，企业发 展无后劲。 3）废旧轮胎加工利用企业包袱沉重，经济效益差，困扰着废旧轮胎利用行 业的发展。 4）企业税赋成倍增长，废旧轮胎加工企业生存困难。 1.3 市场需求量 橡胶资源短缺对国民经济发展的影响日益显现，而轮胎是我国最主要的橡 胶制品。2009 年，我国生产轮胎消耗橡胶已占全国橡胶资源消耗总量的 70%左 右，年产生废轮胎 2.33 亿条，重量约合 860 万吨，折合橡胶资源约 300 多万吨， 若能全部回收再利用，相当于我国 5 年的天然橡胶产量10。 2 用户需求用户需求 2.1 需求方案 1)操作简便 - 4 - 2)处理时间短 3)不产生有毒气体 4)处理设备易得 5)操作周期短 6)易于接受 7)处理后可供再利用 8)处理成本低 9)处理所需处理剂易得 10) 可小规模运行操作 11) 操作全自动 12) 无需过多人员 13) 推广性强 14) 处理量大 15) 处理速度快 16) 不会对周围环境造成影响 17) 适用处理的轮胎类型广 18) 安全系数高 19) 耗能低 20) 处理效率高 21) 使用催化剂 22) 处理后回收使用率高 23) 处理后便于再利用 24) 对轮胎橡胶本质结构破坏小 25) 不产生外排废弃物 26) 处理后可直接使用 2.2 需求整理 1)操作简便 2)不产生有毒气体 3)操作周期短 - 5 - 4)处理后可供再利用 5)处理成本低 6)处理所需处理剂易得 7)推广性强 8)不会对周围环境造成影响 9)适用处理的轮胎类型广 10) 安全系数高 11) 耗能低 12) 处理效率高 13) 处理后回收使用率高 14) 处理后便于再利用 15) 对轮胎橡胶本质结构破坏小 16) 不产生外排废弃物 2.3 需求组合分类 （一） 安全环保方面 不产生有毒气体 不会对周围环境造成影响 安全系数高 不产生外排废弃物 （二） 性能需求方面 处理后可供再利用 处理后便于再利用 处理后回收使用率高 对轮胎橡胶本质结构破坏小 推广性强 适用处理的轮胎类型广 处理效率高 （三） 操作要求方面 操作简便 - 6 - 操作周期短 处理所需处理剂易得 （四） 能耗成本方面 耗能低 处理成本低 3 技术设计要求技术设计要求 由于轮胎的主要成分是橡胶和炭黑，具有耐磨、耐腐蚀等多种优良特性， 但是当轮胎的使用寿命耗尽时，这些优点也就变成了缺点，便为废旧轮胎的处 理带来了不小麻烦。另外，考虑到处理效率及处理成本问题，所设计出的方法 技术必须要很好的解决这两个根本问题，同时废旧轮胎处理后如何很好的再利 用也是技术上的重点。最终设计出的废旧轮胎处理技术必须符合上述需求之中 的安全环保要求、性能要求、成本要求，同时优化操作。本设计计划从提高废 旧轮胎再生利用的价值方向出发，设计出一种高效环保低成本的新型废旧轮胎 处理技术。本处理技术的设计仅针对无法直接再使用和无法翻新的废旧轮胎。 4 技术方案技术方案 从物理途径获得： 方案一：粉碎成胶粒11； 方案二：丢弃到外太空； 方案三：粉碎填埋； 方案四：阳光暴晒； 方案五：有机溶剂浸泡处理； 方案六：制作艺术品； 方案七：常温生产胶粉12； 方案八：冷却深加工13； 方案九：制造塑胶14； 方案十：破碎切片； 从化学途径获得： 方案十一：双氧水浸泡； 方案十二：制取再生胶； - 7 - 方案十三：高温氮气催化裂解15； 方案十四：低温微波处理16； 方案十五：制备改性道路沥青17； 方案十六：混合焚烧； 方案十七：无氧高温热分解18； 方案十八：真空裂解制备气液燃料19； 方案十九：高温气体老化处理，再粉碎； 方案二十：微生物分解处理； 方案二十一：电弧裂解20； 方案二十二：水热法处理21； 方案二十三：超临界水氧化法22； 方案二十四：催化裂解生产原料油23； 方案二十五：超临界 CO2化学再循环处理24； 方案二十六：催化裂解制炭黑和燃料油25； 方案二十七：混合法制备改性沥青混合料26； 方案二十八：用来制造印刷油墨27； 方案二十九：制备还原橡胶28； 方案三十：利用废旧轮胎胶粒/聚乙烯制备发泡材料29； 方案三十一：制备改性胶粉30； 方案三十二：在超临界流体中脱硫再生31； 4.1 方案整理 对上述 31 个方案进行整理，剔除明显不符合要求以及不环保的方案项，后 保留下来的方案有：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，共计 23 个方案。 4.2 方案分类 （一） 物理法处理： - 8 - 方案一：粉碎成胶粒； 方案六：制作艺术品； 方案七：常温生产胶粉； 方案八：冷却深加工； 方案九：制造塑胶； 方案十：破碎切片； （二） 化学法处理： 方案十四：低温微波处理； 方案十七：无氧高温热分解； 方案二十一：电弧裂解； 方案二十二：水热法处理； 方案二十三：超临界水氧化法； 方案二十五：超临界 CO2化学再循环处理； 方案三十二：在超临界流体中脱硫再生； （三） 催化法处理： 方案十三：高温氮气催化裂解； 方案二十四：催化裂解生产原料油； 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：制备改性道路沥青； 方案十八：真空裂解制备气液燃料； 方案二十七：混合法制备改性沥青混合料； 方案二十八：用来制造印刷油墨； 方案二十九：制备还原橡胶； 方案三十：利用废旧轮胎胶粒/聚乙烯制备发泡材料； 方案三十一：制备改性胶粉； 4.3 方案筛选 本设计计划从提高废旧轮胎再生利用的价值方向出发，设计出一种高效环 保低成本的新型废旧轮胎处理技术。由于物理法为一般的处理途径，所具有的 - 9 - 再生价值不高，故不作方案优选考虑。以下为优选的可行方案，共计 6 个： 1) 方案十五 2) 方案十八 3) 方案二十六 4) 方案二十七 5) 方案二十八 6) 方案三十 5 方案的进一步确认方案的进一步确认 对筛选出的这 6 个优选方案进行权值分析，并确定出一个最优方案。权值 分析见表 1。 表表 1 方案权值分析方案权值分析 权重十五十八二十六二十七二十八三十 再生价值0.206.507.008.507.508.008.50 环保0.308.007.507.508.509.009.00 处理效率0.208.006.006.509.007.509.00 处理成本0.307.506.006.008.006.505.00 总分1.007.556.657.058.257.757.70 由上表得出方案二十七的权值总分最高为 8.25，故最优方案为“案二十七： 混合法制备改性沥青混合料” 。 5.1 方案具体化 “方案二十七”发明内容： 本发明的目的在于提供一种能够大量处置废旧轮胎橡胶、改善路用性能及 降低道路噪声的利用废旧轮胎采用混合法制备改性沥青混合料的方法。其过程 示意图见图 1。具体步骤： 1) 制备橡胶沥青； 2) 集料的筛选； 3) 橡胶颗粒与集料混合物德尔拌制； 4) 橡胶改性沥青混合料的制备； - 10 - 图图 1 废旧轮胎橡胶混合法改性沥青混合料示意图 在上述步骤 1）中可加入添加剂，所述添加剂可使用维他联接剂、硫、苯 酚二硫化物等一种，加入剂量视品种而异。本发明中所得的橡胶沥青混合料用 于铺筑道路路面。 5.2 成本分析 本方案主要成本涉及废旧轮胎购入、设备及能耗费、其他原料及助剂费用 三大部分。鉴于本技术方案能产生产品收益，总的来说成本较低。 5.3 风险分析 由于本方案基于环保角度出发，且处理过程不涉及有毒有害物质，所以风 险系数较低，是一种绿色环保处理技术。 5.4 可行性分析 结合成本分析、风险分析以及方案技术特点，可看出本处理技术具有风险 系数低、能耗低、成本低、环保性能高、技术可靠等多种优点，具有很高推广 借鉴价值。针对目前国内废旧轮胎处理市场而言，本处理技术可以很好地解决 废旧轮胎的回收治理问题，由于该技术同时具有较高的处理效率，推广后可以 大大减轻废旧轮胎带来的环境污染问题。 参考文献参考文献 1 邢台新传媒.中国成为世界汽车第一大国EB/OL. /epaper/ncwb/html/2010-01/12/content_160572.htm,2015-05-11. 23 李如林.我国废旧轮胎回收利用行业的现状及发展对策J.中国资源综合利用,2003,(3): 3-6. 4 Adhikari B, De D, Maiti S. Reclamation and recycling of waste rubberJ.Progress - 11 - in polymer science, 2000, 25(7):909-948. 5 Fukumori K, Matsushita M, Okamoto H, et a1. Recycling technology of tire rubberJ JSAE review, 2002, 23(2): 259-264. 6 Okuda M, Hatano Y. Method of Desulfurizing Rubber by Ultrasonic Wave：Japan, 62121741P. 1987-02-16. 7 Fliermans C B. Microbial processing of used rubber：U.S. Patent 6479558P 2002-11-12. 8 刘银秀,邹 霞,潘志彦,等.废轮胎和天然橡胶在超临界甲苯中的解聚研究J.燃料化学学 报,2007,35(6):732-736. 9 盖世汽车网.废旧轮胎市场应用现状EB/OL. /News/2014/09/05051607167811.shtml,2015-05-11. 10 中国废旧轮胎回收市场调研报告R.中国产业投资决策网. 11 赵中华.废旧轮胎粉碎成胶粒的工艺及装置P.CN:201210461345.8,2013-02-13. 12 张树清.利用废旧轮胎常温生产胶粉的方法P.CN:200910167781.2,2010-03-17. 13 何志斌.废旧轮胎冷却深加工处理方法P.CN:201510010915.5,2015-05-06. 14 王悦虹,崔 英,等.用废旧轮胎生产塑胶的方法P.CN:201310394733.3,2014-01-15. 15 代永娟,张 驰,等.一种废旧轮胎的热裂解工艺P.CN:201410792574.7,2015-04-22. 16 孙家正,孙国志,等.一种废旧轮胎微波裂解装置P.CN:201420420680.8,2014-12-17. 17 车春玲.一种利用废旧轮胎制备改性道路沥青的方法P.CN:201310725123.7,2014-04-09. 18 曹建国,刘伟,等.一种处理废旧轮胎的方法P.CN:200810102813.6