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废旧轮胎资源综合利用技术
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轮胎成型机展厅
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汽车给人们带来了交通便利,公路运输促进了国民经济的发展。但我们在享受便利和品尝经济发展的成果时,不得不面对日益增多的废旧轮胎。据统计,目前全世界每年有15亿条轮胎报废,其中北美大约4亿条,西欧近2亿条,日本1亿条[1~5]。如何将废旧轮胎资源化、减量化、无害化,不仅关系到环境保护这个重要的社会问题,而且还关系到持续发展这一全球性的战略问题。

合理处置废旧轮胎,长期以来一直是环境保护的难题。在上世纪90年代,世界各国最普遍的做法是对废旧轮胎进行掩埋或堆放。以美国为例,1992年废旧轮胎掩埋/堆放率达到63%[1,5]。但随着地价上涨,征用土地用作掩埋/堆放场所越来越困难。另一方面,废旧轮胎大量堆积,极易引起火灾,造成第二次公害。随着科学技术进步,世界各国纷纷积极开辟废旧轮胎综合利用新途径。尤其是近些年来,公众的环境保护意识日益增强,利用废旧资源培育新型产业,实现经济可持续性发展成了世界各国的共识。目前废旧轮胎的综合利用途径有翻新、原形改制、热能利用、热分解、再生胶、胶粉等。

一、轮胎翻新[2,5~9]

翻新是利用废旧轮胎的主要方式和最佳选择。将已经磨损的、不能使用的废旧轮胎的外层削去,粘贴上胶料,再进行硫化,即可得到能够重新使用的翻新胎。在使用、保养良好的条件下,一条轮胎可以翻新多次,具体地说,尼龙帘线轮胎可翻新2~3次,钢线子午线轮胎可翻新3~6次。每翻新一次,可重新获得相当于新轮胎寿命60~90%的使用寿命,平均里程大约为5~7万公里。通过多次翻新,至少可使轮胎的总寿命延长1~2倍,换句话说,一条轮胎经过多次翻新后起码相当于2~3条轮胎。而翻新一条废旧轮胎所消耗的原材料只相当于生产一条同规格新轮胎的15~30%,价格仅为新轮胎的20~50%。

由于翻新保持了轮胎的原始物性和形状,耗用的能源和人工都较少,但却达到了物尽其用的目的,所以被普遍认为是废旧轮胎最有效的利用方法。另一方面,其他综合利用方法,譬如生产再生胶、胶粉、热分解、热能利用等均或多或少在能源消耗、成本、污染方面存在一些问题,相比之下,废旧轮胎翻新具有明显的优势,所以历来倍受重视。

轮胎翻新最早始于1907年的英国,在1933年后传入中国。传统的翻新工艺是热硫化法,该法目前仍是我国翻胎业的主导工艺,但在美国、法国、日本等发达国家已逐渐遭淘汰。最先进的翻新工艺是环状胎面预硫化法,它由意大利马朗贡尼(Marangoni)集团于上世纪70年代研发并于1973年投放市场。该集团是一家既制造轮胎翻新设备和检验设备,同时又从事轮胎翻新生产的跨国公司。与马朗贡尼齐名的还有美国奔达可(Bandag)公司,该公司自上世纪80年代投身轮胎翻新业以来,每年营业额均在30亿美元以上。近年来崛起的后起之秀是米其林轮胎翻新技术公司(MRTI),它是排在世界轮胎业前三名的法国米其林集团设在北美地区的一家子公司。MRTI拥有两项专利技术:预硫化翻新(Recamic)技术和热硫化翻新(Remix)技术。通过实行两条腿走路的方针,即自办轮胎翻新厂与向其他轮胎翻新厂出让技术使用权相结合,MRTI业已建立起庞大的轮胎翻新网络。该网络目前拥有40多间MRTI翻胎厂和37间加盟翻胎厂。只要交上2.5万美元并与MRTI签署五年合约,即可成为MRTI的加盟翻胎厂,享受由MRTI租借翻胎生产设备和提供翻胎生产技术的服务。MRTI的兴起已经严重影响到奔达可在北美地区近百年的垄断地位。

美国60%以上的废旧轮胎得到翻新,欧共体规定2000年废旧轮胎的25%必须得到翻新,而我国与先进国家存在较大的差距,目前得到翻新的废旧轮胎还不到10%。

二、原形改制[3,5,9,10,11]

原形改制是通过捆绑、裁剪、冲切等方式,将废旧轮胎改造成有利用价值的物品。最常见的是用作码头和船舶的护舷、沉入海底充当人工鱼礁、用作航标灯的漂浮灯塔等。

美国每年产生废旧轮胎2.5亿条,通过原形改制可使其中的500~600万条变废为宝。栅网垫排公司收集废旧轮胎,用切割机分离胎圈与胎身,再根据需要将胎身裁成不同尺寸的胶条,用这些胶条编织成弹性防护网、防撞挡壁、防滑垫排等。弹性防护网供建筑、爆破工地挡飞石落物;防撞挡壁供保护船坞用;防滑垫用来临时加固路面,使重型车辆顺利通过泥泞地带。从废旧轮胎上截取下来的胎圈,还可以被加工成排污管道出售。

美国康涅狄格州许多居民有将废旧轮胎代替地下管道使用的好习惯。他们将废旧轮胎竖立相叠,排成一列埋入地下,经固定充当泄洪暗渠,也相当经济实用。

美国加利福尼亚州一位娱乐业老板发明了利用废旧轮胎改制成的“捕雨系统”,节约高尔夫球场草坪灌溉费用的技术,并为此而申请了专利。所谓“捕雨系统”也就是将废旧轮胎从中间破开一分为二,然后埋入高尔夫球场草坪深一英尺的地下。遇天下雨时,雨水聚积在半个轮胎内,不至于渗漏流失,保证有充足水分供草根吸收,从而减少灌溉次数。铺满一个标准的18穴高尔夫球场,大概要用120万条废旧轮胎,一年可节约灌溉费用1~7万美元。

日本有人发明了用废旧轮胎固坡。具体做法是:将废旧轮胎整齐地摆放在坡面上,然后用水泥浇灌空隙,使废旧轮胎与坡面连成整体。这种方法不仅节约水泥,而且增强了坡面的坚固程度,同时又消耗了废旧轮胎,其好处何止一举两得。

法国技术人员用废旧轮胎建筑“绿色消音墙”,使用证明吸音效果极佳,音频在250~2000Hz的噪音可被吸收掉85%。其具体做法是:沿直径将废旧轮胎剖成对称的两半,然后将其倾斜20°层层叠放,再在墙外罩以金属格栅作为防火护板。之所以需要倾斜20°摆放,主要是方便排水,避免飘入的雨水积存在轮胎内滋生蚊虫。

与其他综合利用途径相比,原形改制是一种非常有价值的回收利用方法,它在耗费能源和人工较少的情况下使废旧轮胎物尽其用,而且给人们提供了充分发挥想象力的空间以及大胆实践的机会。但该方法消耗的废旧轮胎量并不大,所以只能当作是一种辅助途径。

三、热能利用[1,2,4,12,13]

废旧轮胎是一种高热值材料,其每公斤的发热量分别比木材高69%、、比烟煤高10%、比焦炭高4%。热能利用就是用废旧轮胎代替燃料使用。一是直接燃烧回收热能,此法虽然简单,但会造成大气污染,不宜提倡;二是将废旧轮胎破碎,然后按一定比例与各种可燃废旧物混合,配制成固体垃圾燃料(RDF),供高炉喷吹代替煤、油和焦炭,供水泥回转窑代替煤以及火力发电用。同时,该法还有副产品——炭黑生成,经活化后可作为补强剂再次用于橡胶制品生产。

如今在美国、日本以及欧洲许多国家,有不少水泥厂、发电厂、造纸厂、钢铁厂和冶炼厂都在用废旧轮胎作燃料,效果非常好,不仅降低了生产成本,而且从根本上解决了废旧轮胎引起的环境污染问题。对水泥厂而言,废旧轮胎中的钢丝帘线和胎圈钢丝正好代替制造水泥所需的铁矿石成份,也就是说用废旧轮胎焙烧水泥,可以少加或不加铁矿石,这真是一物二用,何乐而不为呢?!

在所有综合利用途径中,热能利用是目前能够最大量地消耗废旧轮胎的唯一途径,此是其一;由于轮胎是橡胶、钢丝、纤维等多种不同材料的复合体,这就增加了回收利用的难度,像制造胶粉就必须先对废旧轮胎进行预处理,将轮胎中的橡胶部分和钢丝、纤维部分分离,而热能利用则无此要求,此是其二;其三是相对于其他综合利用途径,热能利用的设备投资最少。因此,近年来热能利用已逐渐引起各国政府和环保组织的重视,被认为是处理废旧轮胎的最好办法,从而被确定为今后综合利用废旧轮胎的重点发展方向。相信不出三五年,热能利用将在废旧轮胎综合利用中占据主导地位。

四、再生胶[4,5,9,13]

通过化学方法,使废旧轮胎橡胶脱硫,得到再生橡胶是综合利用废旧轮胎最古老的方法。最早可追溯到1847年,有人发明了用松节油和废硫化橡胶一同煮沸脱硫的方法,得到世界第一批再生胶。在第二次世界大战期间,各国都面临不同程度的橡胶资源匮乏。为弥补不足,各国大力发展再生胶生产,新工艺、新技术不断涌现,生产自动化程度逐渐提高,再生胶行业出现了空前兴旺的景象。这段时间是再生胶工业的鼎盛时期。二战结束后,天然橡胶短缺得到缓解,尤其是合成橡胶开始大规模工业化生产后,再生胶作为橡胶代用品的地位被完全动摇,退居为胶料的配合剂,再生胶生产量、耗用量逐年下降,再生胶市场一年比一年萎缩。可以说,如果天然橡胶和合成橡胶的价格不提高到足以令再生橡胶具有明显的经济效益的话,再生胶工业的发展今后很难重新振兴。

特别是近些年来,随着全球环保之风愈吹愈烈,再生胶工业的诸多劣势,譬如工艺复杂,耗费能源多,生产过程污染环境,造成第二次公害等愈加引起公众关注。另一方面,与橡胶相比,再生胶由于性能欠佳,应用范围受到限制。因此,发达国家早已逐年削减再生胶产量,有计划地关闭再生胶厂,用生产胶粉来取代制造再生胶,再生胶工业兴旺发达的时代已一去不复返了。

目前采用的再生胶生产技术有动态脱硫再生法(恩格尔科法)、常温再生法、低温再生法(TCR法)、低温相转移催化脱硫法、微波再生法、幅射再生法和压出再生法。

再生胶的主要用途是在橡胶制品生产中,按一定比例掺入胶料,一来取代一小部分生胶,以降低产品成本,二来改善胶料加工性能。掺有再生胶的胶料可制造各种橡胶制品。再生胶在轮胎中的用量一般为5%,在工业制品中的用量一般为10~20%,在鞋跟、鞋底等低档制品中的用量一般可达到40%左右。

五、胶粉[2,13~15]

通过机械方式将废旧轮胎粉碎后得到的粉末状物质就是胶粉,其生产工艺有常温粉碎法、低温冷冻粉碎法、水冲击法等。顾名思义,低温冷冻粉碎法就是利用冷媒(通常是液氮)将废旧轮胎冷冻到低于胶料中的高聚物的玻璃化温度Tg值以下(譬如天然橡胶或丁苯橡胶为-90~-67℃),使其脆化后再进行粉碎。这样得到的胶粉,粒度细,流动性好,而且具有一系列常温粉碎胶粉所不具备的特点。

与再生胶相比,胶粉无须脱硫,所以生产过程耗费能源少,工艺较再生胶简单得多,不排放废水、废气污染环境,而且胶粉性能优异,用途极其广泛。通过生产胶粉来回收废旧轮胎是集环保与资源再利用于一体的很有前途的方式,这也是发达国家摒弃再生胶生产,将废旧轮胎利用重点由再生胶转向胶粉和开辟其他利用领域的根源。有专家预言,制造胶粉有望成为排在翻新、热能利用之后的第三种主要途径。

胶粉有许多重要用途,譬如掺入胶料中可代替部分生胶,降低产品成本;活化胶粉或改性胶粉可用来制造各种橡胶制品(汽车轮胎、汽车配件、运输带、挡泥板、防尘罩、鞋底和鞋芯、弹性砖、圈和垫等等);与沥青或水泥混合,用于公路建设和房屋建筑;与塑料并用可制作防水卷材、农用节水渗灌管、消音板和地板、水管和油管、包装材料、框架、周转箱、浴缸、水箱;制作涂料、油漆和粘合剂;生产活性炭。

据外刊报道,美国霍华德大学研究人员用胶粉制成胶板,然后将胶板粘贴在铁板上代替水泥墙作高速公路隔音墙。据介绍,一道长1.6公里、高8米的隔音墙可消耗6万条废旧轮胎。这种隔音墙的制造成本与水泥墙相仿,但隔音效果要比水泥墙好得多。皆因橡胶具有滞后性能,所以其吸收噪音的能力比水泥强。

美国还用胶粉制造下水道盖板和街道窨井盖,既降低了市政工程投资,又减少了废旧轮胎对环境的污染。而日本则将胶粉大量用于制造分别具有安全性、透水性、柔软的步行感和耐水性等不同功能的橡胶垫、体育场馆地板材料、游泳池护缘、擦字橡皮等,产品不仅成本低,而且易着色。据说,底层为沙石、表层为胶粉的复合地砖,其使用寿命可长达50年。

近几年来,胶粉应用在我国也得到长足进展,已有多家机构开发出多种实用技术。北京中创新技术研究中心就是其中的一例。该中心用胶粉生产彩色弹性地砖取得成功,并已申请国家专利。这种地砖无毒、无污染、防滑、防霉、防火、耐磨、轻质、抗老化,吸收冲击能力强,具有适合人行走、运动所需的最佳磨擦系数,不仅外观典雅,脚感舒适,而且成本较低,铺设方便,可广泛用于广场、公园、人行通道、体育场、泳池、家庭卫生间、露台、微机房以及其他各种器械运动场地和公共场所的地面铺设。相信在未来的城镇道路和公共场馆建设中,这种新型地砖必将大有用武之地,同时这类新技术亦可望成为新的投资热点。

回收利用废弃物其实是一项系统工程。不仅要求在将废弃物转化成新资源时成本要低,不要产生新的污染源,而且还要求由废弃物转化过来的新资源是可用的,最好是能够被大量地使用和消费,否则将造成新的资源积压和浪费,无法形成“变废为宝”的良性循环。粉碎废旧轮胎生产胶粉也不例外。为达到上述目的,世界各国近年来一直在积极拓展胶粉应用范围,锲而不舍地寻找新的用途。

胶粉与沥青共混得到改性沥青,将其用于公路建设是最近10年间世界各国的重点发展方向。胶粉掺入到沥青中,可提高沥青的韧性,而且由于能够吸收沥青中的油蜡,减少了游离蜡含量,从而使沥青对温度的敏感性下降。用胶粉改性沥青铺设的路面比普通沥青路面更耐用,低噪音,少产生裂纹,耐候性更好,寿命长一倍,严寒天气不易结冰。据介绍,用胶粉改性沥青铺设一条双向高等级公路,每公里路面可消耗1万条废旧轮胎制成的胶粉。从上世纪90年代开始,以美国为首的西方国家纷纷以立法形式,鼓励或强制在公路修建中使用胶粉。如美国国会于1991年通过的《陆上综合运输经济法案(ISTEA)》就明文规定,从1994年起凡用联邦拨款采购热拌沥青混合料的,其中5%的拨款必须用来采购胶粉改性沥青,以后每年递增5%,到1997年增加到20%。该法案出台后,从根本上推进了胶粉在公路修建中的应用。到上世纪末,美国铺设的胶粉改性沥青路面已超过1.1万公里。此外日本、俄罗斯、加拿大、瑞典、韩国、芬兰等亦已成功地将胶粉改性沥青用于修建高速或高等级公路。

近年来,我国每年修建公路需消耗多达200~300万吨的沥青,公路维护保养所消耗的沥青还不包括在内。若在沥青中掺入15%的胶粉,则每年可消耗胶粉30~40万吨。其结果必然是既不用进口昂贵的SBS改性沥青,又疏通了胶粉的消费渠道,使国内自有资源得到充分的利用,扶持了胶粉生产企业的发展,促进了废旧轮胎的回收利用。

六、热分解[2,4,9,12,15]

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。热分解所得的油与商业燃油特性相近,可用于直接燃烧或与石油提取的燃油混合后使用,也可以用作橡胶加工软化剂。热分解所得的可燃气体主要由氢和甲烷等组成,可作燃料使用,也可以就地燃烧供热分解过程的需要。热分解所得的碳粉可代替炭黑使用,或经处理后制成特种吸附剂。这种吸附剂对水中污物,尤其是水银等有毒金属有极强的滤清作用。此外,热分解产物还有废钢丝。

最近英国研究人员对传统热分解技术进行了改革,由先前的有氧条件变为无氧状态,进一步提高了分解产物的经济价值,从而使该技术具有更广阔的应用前景。

据美国的一份资料介绍,利用热分解技术处理废旧轮胎,每分解4条轮胎,可获得3美元利润。但热分解目前存在的设备投资大、操作费用高的问题仍然有待解决,否则势必妨碍该法的推广和扩大使用。

七、结语

轮胎工业的原材料在很大程度上依赖于石油,特别是在天然橡胶资源缺乏、大量使用合成橡胶和合成纤维的国家,70%以上的原材料是以石油为基础。在美国,每生产1条乘用轮胎要消耗26升石油,每生产1条载重轮胎要消耗106升石油。可以说,不管以何种方式利用废旧轮胎,其最终结果都是提高了石油的利用价值,在目前能源日趋紧张的形势下,回收利用废旧轮胎对节约能源具有重大意义。我国是一个橡胶消费大国,2000年汽车轮胎产量就达到7828万条,废旧轮胎日益增多,已成为亟待解决的问题。如不未雨绸缪,及早治理,必将给城乡环境带来不良影响。勿庸置疑,努力开发各种处理废旧轮胎的新技术、新工艺,对充分利用再生资源,减少环境污染,改善人类的生存环境具有积极意义。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2007-9-17)
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