廢輪胎處理技術及方法

?? 日期:2017-03-13???? 作者:謝明憲????


廢輪胎處理技術及方法主要是原型利用、磨粉(Scrap tires)、輔助燃料(Tire derived fuel,TDF)及熱裂解(Pyrolysis)四種方式。

1.1 原型利用

廢輪胎“原型利用”雖非最終處理,卻可使廢輪胎的生命周期時間延長,為目前最直接且成本最低的處理方式。包括作為人工漁礁、隧道工程、碼頭工程、農(園)藝用途、娛樂設施、攔沙壩工程等,但用量有限,且需考量其使用是否會造成環境問題。

“舊胎翻新”的加工處理較簡單,但市場需求度不高且屬于低價產品,不易推廣。雖然,輪胎翻新是行之多年的方法,可相當于新胎的用途,且成本不到新胎的1/4。但隨著汽車與交通的現代化,輪胎在高速行駛下的安全操控性要求日益嚴苛,翻新輪胎無法達到與新胎相同的性能,所以市場已經漸漸萎縮。基本上轎車用輪胎已經無人翻新,過去大量翻新的卡車及工程用胎,在臺灣也已降到10%以下的水平。

1.2 破碎與磨粉

廢輪胎經機械“破碎”后,作為建材及橡膠制品之原料,包括廢輪胎制成水泥磚、地磚或相關建材之替代制品。若再進一步“磨粉”,并去除廢輪胎中原有的鋼絲及棉絮等雜質,則可以制成橡膠成份純度很高的橡膠粉、再生橡膠及其他相關橡膠制品。再生橡膠雖然行之有年,技術成熟,但在臺灣并不發達,較大的廠家是保綠資源公司,一年多前甫剛在臺上柜,不過其制造工廠實際坐落在馬來西亞。

1.3 輔助燃料

廢輪胎之熱值達8000 kcal/kg以上,較燃煤5000 kcal/kg為高,且燃燒后殘留之灰份亦與燃煤相當,因此很適合需要高熱能的產業。TDF(Tire derived fuel——廢輪胎衍生燃料)提供具有窯爐之水泥工廠、具有汽電共生設備之電廠及具有蒸汽設備之紙廠等作為產生能源之原料。臺灣將廢輪胎作為能源再利用之比例要高于物質再利用,約占70%,也就是將廢輪胎制成衍生燃料是臺灣目前用量最大的處理方式。

1.4 熱裂解處理

熱裂解原理是將廢輪胎放置在缺氧或惰性氣體中進行不完全之熱降解,可產生液態、氣態之碳氫化合物以及碳殘渣。此技術首先將廢輪胎經由切片粉碎后送入熱裂解反應器,在反應器內經加熱后產生熱分解反應,接下來將氣態產物通入冷凝器,藉此油氣分離,冷凝出近似柴油餾分,分離出之可燃性氣體則再送往燃燒爐燃燒提供熱裂解系統源源不斷的熱源,反應器內固態產物主要為炭黑,經磁選使粗炭黑與鋼絲分離,粗炭黑經由進一步處理制得可供商業化應用的炭黑。熱裂解處理技術流程圖如圖1所示。

熱裂解法處理廢輪胎能夠實現資源的回收及有價產品的充分再利用,是目前各國廢輪胎處理的重要發展方向之一,也符合國家的產業政策和發展規劃。根據《中華人民共和國工業和信息化部公告》工產業政策[2010]第4號中所提之基本原則所述,將廢輪胎以熱裂解技術進行資源回收,不但屬生產工藝及技術創新,且符合節能減排之要求,并對廢輪胎之綜合再利用提出最佳之解決方案。

臺灣過去有許多熱裂解回收處理之廠家,然因技術無法突破及造成二次污染問題無法克服,現僅存之熱裂解廠家為環拓科技股份有限公司。

表1  廢輪胎回收再利用與處理技術優缺點比較

處理方法 優  點 缺  點 制程設備 污染防治 最終產品
原型利用 直接利用 無法資源化
破碎磨粉 1.技術層次低
2.能耗少
3.可作為熱裂解與輔助燃料之原料
1.資源再利用價值低
2.高振動、高分貝噪音與粉塵
1.設備簡單
2.設備成本低
1.粉塵回收設備
2.廢水回收設備
1.橡膠片
2.橡膠粉
3.鋼絲
輔助燃料 1.降低營運成本
2.減少能源消耗
1.空氣污染
2.無法資源再利用
脫硫設備 粉塵回收設備 1.灰分
2.固型物殘渣
熱裂解 回收資源價值最高 1.技術層次高
2.能耗高
3.炭黑之油/灰分高
4.產品受制程好壞影響大
1.設備復雜,進入
    門檻高
2.設備成本高
1.油水分離設備
2.二段式洗滌塔
3.廢氣燃燒塔
4.廢水回收設備
1.裂解油
2.炭黑
3.鋼絲
 
2. 熱裂解產品特性

2.1 裂解油

本制程生產之裂解油比重約在0.93左右, 黏度比燃料油低,與柴油相近,作為燃料油使用不需先經預熱程序,可直接噴燃;裂解油之熱值約9800~10200 kcal/kg,熱值較燃料油為高, 主要原因是其輕質油含量較高所致。裂解溫度愈高,在反應爐內時間愈長,所得到裂解油成分愈輕,愈接近汽油之成分。裂解油質量整理如表4所示,若再經過濾和脫色處理,可使其顏色與柴油接近,可供漁船或發電機使用。

表2  裂解油質量范例      
             
項    目 單    位 方    法 測    值
Heat of Combustion kcal/kg ASTM D240 9800~10200
[email protected] g/mL ASTM D4052 0.935±0.1
[email protected] mm2/s ASTM D445 5.9~9.2
Flash Point ASTM D93 30~40
Water Content Vol. % ASTM D95 <1.0
Sediment Vol. % ASTM D1796 <0.7
Sulfur Content Wt% ASTM D2622 1.1±0.2
Pour Point ASTM D5950 -15~-18
 
2.2 裂解炭黑——環保炭黑

2.2.1 裂解炭黑質量


一條輪胎各部位因特性需求不同,會添加各種不同的炭黑,熱裂解炭黑系還原返回原始炭黑之產物,等于是各部位炭黑的混合物,因此,其質量基本上是相當于所有用于輪胎上炭黑之加權平均。反應在粒徑分析儀的分析上(參見圖2),裂解炭黑的分布曲線半腰寬ΔD50較N660窄,但較N330寬,拖長的曲線尾巴,Quartile ratio大,顯示以硬質炭黑成分比例多的混合特性。

裂解炭黑碘吸附表面積值約70~105,而 DBP 油吸附值約65~90之間與N-300 系列近似,質量低于傳統(爐法)軟、硬質炭黑之間(參見圖3),屬中等表面積,低吸油值產品。

裂解炭黑由廢輪胎回收裂解而得,因輪胎制造生產時添加或使用之無機物及金屬物質,主要是鋅化合物及鈷化合物,另一部分非金屬氧化物為二氧化硅,其余是少量之白炭黑及輪胎所附著之塵土,使裂解炭黑灰分(Ash)介于12~15%之間,較一般炭黑高出許多,因此補強及色度均較一般炭黑為低。然用價格可彌補產品此一缺陷。

生產裂解炭黑,需通過嚴謹、一致的熱裂解控制,且經過精細的研磨工序,使得裂解炭黑除具有一定表面積與吸油值外,亦具有低的表面殘油分與低的水篩余物,使其在應用時,除可獲得一致的補強穩定性外,另因其低表面殘油特性,使其在高溫混煉加工時,有別于一般回收炭黑,不會產生濃郁的氣味。一種典型的裂解炭黑質量如表3所示。

表3  裂解炭黑質量范例   
               
項  目 單  位 方  法 測  值
Iodine Number mg/g ASTM D1510 80±10
Oil Absorption Number mL/100g ASTM D2414 85±10
Ash wt.% ASTM D1506 16.0 Max.
Nitrogen Surface Area m2/g ASTM D6556 65±10
Toluene Discoloration % ASTM D1618 85 min.
Grit (35 mesh) ppm ASTM D1514 0
Grit (100 mesh) ppm ASTM D1514 10 Max.
Grit (325 mesh) ppm ASTM D1514 1000 Max.
Heating Loss % ASTM D1509 2 Max.
 
2.2.2 裂解炭黑在輪胎領域之應用

炭黑的價值在很大程度上反應在其補強特性上,因為裂解炭黑是回收還原而來,它的補強性不能和原生炭黑相提并論,但通過部分取代與配方搭配,仍能提供輪胎客戶物美價廉的炭黑產品。表4是以ASTM D3192天然膠配方,測試N330與裂解炭黑(R-330)在不同摻合比例下之物性,結果顯示,100%裂解炭黑在拉伸強度(Tensile strength)、300%定伸(Modulus)、伸長率(Elongation%)三個質量指標上相較于N330,都有明顯下降,尤其拉伸強度已下降72%,顯示其補強特性的下降,當裂解炭黑添加比例降低到50%左右,拉伸強度可上升至80%左右。

裂解炭黑使用于輪胎應以部分取代方式執行,相較炭黑用量比例約30~50%,整體質量影響不大,又能降低生產成本。輪胎制造過程中添加有鋅氧粉以及硫化所需的硫磺,在廢輪胎裂解過程中無法去除。因此,使用裂解炭黑應用于橡膠補強時,經適當的調整氧化鋅用量及硫化系統后 ,亦可使添加裂解炭黑之膠料,其硫化反應獲得穩定的控制。在輪胎的使用部位上,一般輪胎約含28~30%炭黑,分布于不同輪胎部位有不同比例:胎面25%、胎體簾紗膠20%、胎側17%、胎體鋼絲束帶膠12%等。胎面要求耐磨,需表面積與結構較高之炭黑,較不適合裂解炭黑取代(除低速輪胎外),裂解炭黑可廣泛使用在胎體簾紗膠、三角膠、胎側、內胎等部位上(參考圖4)。

表4  ASTM D3192天然膠配方,N330與裂解炭黑R-330不同摻合比例之物性比較

ITEM 1 2 3 4 5 6 7
N330/R330 100/0 80/20 60/40 50/55 50/60 40/60 0/100
配方(Phr)              
天然膠 100 100 100 100 100 100 100
N-330 50 40 30 25 25 20 0
R-330 0 10 20 27.5 30 30 50
氧化鋅 5 5 5 5 5 5 5
硬酯酸 3 3 3 3 3 3 3
促進劑 DM 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
硫磺 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5
在 145℃ , 硫化 30 min
300% M
(MPa)
15.9
(100)
15.1
(95)
14.5
(91)
14.6
(92)
15.3
(96)
14.2
(89)
12.8
(81)
Tensile
(MPa)
27.4
100)
24.6
90)
24.1
(88)
21.6
(79)
21.4
(78)
23.1
(84)
19.7
(72)
Elongation
(%)
468
(100)
450
(96)
454
(97)
417
(89)
402
(86)
440
(94)
411
(88)
 
2.2.3 熱裂解炭黑在其他領域之應用

2.2.3.1 橡膠制品應用

輪胎以外的其他橡膠產品稱為“橡膠制品”或“工業制品”,橡膠制品的種類繁多,包括膠管、輸送帶及傳送帶、減震制品、橡膠鞋底、密封制品等,由于種類部位多,使用條件與性能要求也相當復雜,制造上主要應考慮橡膠及硫化體系的選用,及借助炭黑補強特性對膠料物理機械性能和加工性的影響。
 
裂解炭黑可以像傳統炭黑一樣應用在橡膠制品上,質量的考慮點除了拉伸強度不要太低外,有些應用例如密封制品,對炭黑篩余物的含量要求很低,以確保其產品之表面光潔度與氣密性。
 
2.2.3.2 塑料色母粒應用

由于炭黑本身質輕容易飛散,故常制作成色母粒形式再供塑料行業使用,在減低污染的同時,也改善炭黑在塑料中的分散性。
 
炭黑在色母粒中的應用主要是作為著色劑,充當黑色或調色的角色,在著色的應用上特別關注黑度(Jetness)與著色力(Tinting strength)兩項指標,前者與炭黑吸光能力有關,炭黑粒徑越小,聚集體結構越低,吸光能力越強,黑度就越高;后者反映炭黑改變白色顏料外觀的能力,取決于凝聚體的大小與分布,兩項指標可由制作色板以分光儀測得。塑料或油墨著色也會特別注意著色的色相(Hue)表現,也就是表現藍色相或紅色相。通常粒徑小愈易吸收可見光中的藍光,而呈現紅色相。
 
裂解炭黑作為塑料色母粒使用,用于EVA發泡、PE吹膜做成黑色塑料袋、塑料模件等,因價格低廉,可降低炭黑使用成本、提高產品競爭力。在炭黑特性的要求上,裂解炭黑一般呈現藍色相,有增強高色度視覺印象優勢,為表現良好的分散性,對于篩余物與造粒硬度等需要特別關照。
 
2.2.3.3 油墨應用

以用量最多的新聞油墨為主要切入點,印刷方式以平版油墨膠印油墨(offset ink)為主要。
 
油墨應用重視分散性、流動性、表面光澤、黏度穩定性等特性,在炭黑的質量要求上,裂解炭黑的藍色相具有視覺優勢,為業界所喜好,本身粒徑較大,結構不高,黏度低,有助于流動特性,具有作為油墨用炭黑的基本條件,已實際運用在臺灣某新聞報紙油墨上。炭黑形態可以粉末炭黑供應,可改善生產效率及分散性。
 
炭黑表面的含氧基團,可促進聯結料對炭黑的潤滑和分散,因此在炭黑表面引進含氧官能團,使表面極性化,可大大改善油墨分散性、流動性、亮度、黑度等性能。油墨用炭黑通過接枝或氧化處理,改質技術已經很成熟,未來也會被運用到裂解炭黑上,提高其附加價值。
 
過去幾年臺灣熱裂解業者在炭黑商業化遭遇瓶頸后,曾嘗試將炭黑經再制成為活性炭,意欲應用于吸附焚化爐排出之有害物質或廢水脫色脫臭處理,結果證明經濟效益差,可行性不高,更加確定如何產出符合產業標準的炭黑,才是熱裂解炭黑發展要走的路,而通過對裂解炭黑的接枝或氧化等技術改質,提高其附加價值,可讓裂解炭黑的未來之路更為寬廣。
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