论文总字数：33604字

摘 要

国际上一致认为废旧轮胎是一种“黑色垃圾”。废旧轮胎若不经回收利用，而是露天堆放，则不仅侵占土地资源，污染环境，而且可能引发火灾，危害人们的生命和财产安全。LCA是一种评价产品从原材料投入到废弃整个生命周期对环境影响的方法，在废旧轮胎回收利用领域也得到了一定程度的应用。

本文采用LCA评价方法，以废旧轮胎在水泥窑中的焚烧和在回转窑中的热裂解的资源回收利用两种方案为研究对象，对废旧轮胎从收集、运输到处理利用过程进行环境影响评价，并将环境影响归为7类：全球变暖(GWP)、酸化(AP)、富营养化(EP)、光化学污染(POF)、人体毒性(HTP)、固体废弃物(SW)以及资源消耗(ADP)。

结果表明，废旧轮胎在水泥窑的焚烧利用过程中，TDF废旧轮胎与煤混合比为15%时，相比煤为燃料的水泥窑，混有废旧轮胎的水泥窑节约原煤0.174t。从环境影响看，最大的环境影响类别是全球变暖，其原因在于轮胎作为高分子有机物，C含量较高，其次是酸化和光化学污染。但是相比煤燃料，15%的TDF混合燃料会对全球变暖、酸化、富营养化、人体毒性以及固体废弃物影响更大。

废旧轮胎经回转窑的热解，可产生汽油、柴油、以及炭黑。从环境影响看，最大的环境影响是全球变暖,其次是光化学污染和酸化,且资源消耗也较多，其原因在于焚烧过程使用燃料主要为热解气和添加的天然气。另外，热解工艺对富营养化、人体毒性的影响微乎其微。

关键字；废旧轮胎，生命周期评价（LCA）,焚烧，热解

Abstract

It is a common belief that scrap tires, a kind of “black trash” would not only bite our natural environment, but also lead to fires, which may have a heavy toll on the health and wealth of human, if they wasn’t be properly treated. LCA(life cycle assessment), a favorable method that can evaluate the environmental effects led by industrial products in their whole life, is now expanded to the recycling of scrap tires.

Based on LCA, this program compares two prevalent end-of-life treatment methods for scrap tires: incineration in cement kiln and pyrolysis in rotary kiln. The range of the study begins from the collection of scrap tires to transportation and ends in its recycle. Additionally, the article focuses on 7 environment potential effects: Global Warming Potential(GWP), Acidification Potential(AP), Eutrophication Potential(EP), Photochemical Pollution Potential(POF), Human Toxicity Potential(HTP), Solid Waste(SW).

The result shows that in terms of incineration, given the 15% TDF, the consumption of coal can be reduced by 0.174t. Because of the high level of C in scrap tires and coal, this method contributes most to the GWP，with AP and POF following. Meanwhile, the incineration of scrap tires coal would lead to more SW, GWP, AP, EP, HTP.

In terms of pyrolysis with gasoline, diesel and carbon black as its products, similar to the results of incineration, GWP suffers most from the technology, followed by ADP, POF, AP. This is because the pyrolysis of scrap tires is driven by a great number of natural gas and pyrolysis gas. In addition, the pyrolysis of scrap tires hardly makes any difference in EP and HTP.

Key Words: scrap tires, LCA, incineration, pyrolysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2 生命周期评价（LCA）国内外研究现状 2

1.2.1生命周期的国内外评价现状 2

1.2.2 轮胎产业研究现状 3

1.3研究内容 4

第二章 生命周期评价方法论 5

2.1 生命周期评价体系 5

2.1.1 生命周期评价概述 5

2.1.2 生命周期的技术框架 5

2.2生命周期评价模型 7

2.2.1 分类 8

2.2.2环境影响潜值特征化 8

2.2.4加权归一化 10

第三章 废旧轮胎资源化利用 10

3.1轮胎物性分析 10

3.1.1轮胎组成成分分析 10

3.1.2 轮胎的物理性质 11

3.2废旧轮胎资源化利用现状 11

3.2.1废旧轮胎原型或改制利用 11

3.2.2再生胶 12

3.2.3沥青改性剂 12

3.2.4衍生燃料（TDF）用于水泥窑 13

3.2.5 回转窑中热解，炼制油品 13

第四章 废旧轮胎的生命周期评价研究 14

4.1目标与范围的确定 14

4.1.1评价目标和范围界定 14

4.1.2确定功能单位 14

4.2废旧轮胎生产应用清单分析 15

4.2.1废旧轮胎在水泥窑中的焚烧应用 15

4.2.2废旧轮胎在回转窑中的热解应用 20

4.3环境影响评价 25

4.3.1废旧轮胎在水泥窑中的焚烧应用 25

4.3.2 废旧轮胎在回转窑中的热解制取柴油和汽油应用 25

4．4结果解释 27

4.4.1废旧轮胎在水泥窑中的焚烧应用 27

4.4.2废旧轮胎在回转窑中的热解制取柴油和汽油应用 28

4．5废旧轮胎焚烧和热解工艺输入输出对比 30

第五章 总结与展望 32

5.1 总结 32

5.2 研究展望 32

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

科技发展的今天，工业成为不少国家的支柱型产业，因此为了促进经济增长，各国不得不加快工业化进程，然后由于人类科技水平有限、污染防控意识薄弱，大量工业污染进入生态环境，导致全球变暖，臭氧耗竭、土壤沙化等问题，威胁着人类以及其他物种的生存与生活，同时工业产品在生产过程中会消耗大量的资源和能源，这些已将人类置于资源、能源供不应求的局面。面对这些威胁，人类逐渐意识到粗狂型发展路线的不合理以及狭隘，开始将目光放向持续发展，并开始深刻了解各类产品及其包装物、生产工艺、原材料、能源或其他某种人类活动行为的全过程。

近年来，汽车行业发展迅猛。快速发展的汽车工业，在给人们生活带来便利的同时，也使车辆废弃部件的后续处理成为了一大难题。废旧轮胎成为众矢之的，它不仅侵占土地资源，而且露天存放时，极易滋生蚊虫传播疾病，严重时会恶化自然环境，并且由于其耐热性能不佳可能引发火灾，因此产生的生毒性物质，如环芳烃或多环芳烃、苯、苯乙烯、酚、丁二烯等，严重污染环境、威胁人体健康。因此，在资源回收利用方面，如何有效回收利用废旧轮胎，减轻其对生态带来的污染和威胁，是当下人类有待解决的新问题。

据中橡协测算，2017年我国废旧轮胎年产量约为3.7亿条，总重超过1350万吨。不仅如此，我国市场上的汽车数量仍持续高升，与这种趋势相伴而来的是废旧轮胎市场日益膨胀的现状。统计显示，到2020年我国废旧轮胎产量将达2000万吨，并以每年 8%-10%的速度递增，但在2015年，我国废旧轮胎回收利用率仅为50%左右，还不到西方国家的30%，这无疑浪费了巨大的资源。另外，中国某些地区，对废旧轮胎仍采用就地焚烧、填埋的方法，生态平衡因此遭到破坏，物种多样性也受到严重威胁。据此，回收利用废轮胎，减少污染、保护环境势在必行。

废轮胎处理方式主要是循环利用，其利用方式主要分为四类：1）原型利用，即将废旧轮胎经过修补和翻新支撑再生轮胎重新使用，或用作人造鱼礁、各体育场所的保护材料等；2）磨粉，即将其制成胶粒或胶粉、再生胶和胶垫，或用作改良铺路材料等；3）焚烧（直接热能利用），即将其作为燃料，转化为热能或电能加以利用。作为热能利用，其热值很高，达到9000 kcal/kg，比木材高69％、比烟煤高10％、比焦炭高4％；4）热裂解，即将除去钢丝和纤维的废轮胎放置在缺氧或惰性气体中进行不完全的热裂解，产生可燃性混合气体（作为高热值的燃气可用于热电联产）、混合油（汽油、柴油、燃料油）以及炭黑。因此，采用焚烧和热裂解手段处理废旧轮胎会带来不少经济效益和环境效益。

生命周期评价方法（LCA）可以全面而有效地评价产品整个生命周期对环境造成的影响，一般认为是对一种产品及其包装物、生产工艺、原材料、能源或其他某种人类活动行为的全过程，包括原材料的采集、加工、生产、包装、运输、消费和回用以及最终处理等，进行资源和环境影响的分析与评价。评价方法涵盖了产品“从摇篮到坟墓”全过程的环境影响评估。目前，世界发达国家采用LCA方法，分析轮胎全生命周期的资源、环境性能，并以此指导生产。但是，由于各国轮胎的组成不同，循环利用技术水平参差不齐，我们不能完全拿来为我所用。因此，需要根据我国轮胎产品、科技水平以及各地固有污染状况，划定指标，选择适合国情的轮胎回收方式。

鉴于此，本项目将运用LCA评价方法，以国内废旧轮胎焚烧和热裂解技术及其数据为基础，通过分析热焚烧和热裂解生产过程中的物质流，能量流，建立废旧轮胎热化学利用的资源效益与环境效益的评价模型。本项目研究，能够从资源消耗和环境影响角度，对废旧轮胎热化学转化利用生产工艺进行优化选择和设计，有效减少和控制生产过程中对资源、环境的不利影响，并从理论层面指导清洁生产。

1.2 生命周期评价（LCA）国内外研究现状

1.2.1生命周期的国内外评价现状

生命周期评价方法（LCA），这是一种全面且有效评价产品生产过程环境影响的方法，涵盖了产品“从摇篮到坟墓”全过程的环境影响评估。最初可追溯到1969年美国可口可乐公司对不同饮料容器的资源消耗和环境排放所作的特征分析。后来LCA的应用范围得以扩展，直至今日LCA广泛用于产品全生命周期的影响评估中，由此为企业选择产品提供依据。

20 世纪 70 年代，Bonifaz Oberbacher^[1]等人在运用“净能量分析”（Net Energy Analysis），研究了能源的分析与规划，并建立能源和物料平衡以及生态试验，对产品生命周期对环境的所有输入、输出进行核算。Mary Ann Gurran^[2]运用类似清单分析的方法研究了产品全生命周期的资源输入和污染排放。

20 世纪 80至90 年代，政府环保意识渐渐加强，在可持续发展的理念下，生命周期评价方法得到了快速发展。“国际环境毒理学与化学学会（SETAC）”^[3]在1990年首次主持召开了有关环境协调性评价的国际研讨会，与会者就生命周期评价的概念和理论框架达成了广泛的一致，并确定使用生命周期评价这个术语，从而统一了国际上的生命周期评价研究。国际标准化组织（ISO）也将生命周期评价作为ISO14000环境管理体系的一个重要步骤，其环境管理标准技术委员会（TC-207）在ISO14000系列标准中为LCA预留了10个标准号（ISO14040-ISO14049），其中ISO14040为环境管理-生命周期评价-原则与框架，于1997年6月正式颁布， ISO14041为清单分析、ISO14042影响评价、ISO14043为结果评价。

1993年，国际标准化组织（ISO）发布ISO14000标准，该标准将全生命周期评价分为四步，它们分别是，目标与范围确定、清单分析、影响评价和结果解释四部分，其中目标与范围确定将直接影响到整个评价工作的流程和做种研究结论的可信度，是整个LCA最重要的一个环节；清单分析是LCA的核心；影响评价是LCA过程中中最难的环节，被认为是技术含量最高，发展最不完善的技术环节，也是相关研究的焦点；结果解释是根据研究结果形成结论和建议的阶段，它将系统的评估产品、工艺或活动的整个生命周期内能源消耗、原材料使用以及环境排放。这种分析包括定量和定性的改进措施。

当今，LCA被进一步拓展，用于研究废弃物的回收情况，由此为企业制定固体废弃物减排目标提供决策依据。国内LCA的研究报道从20 世纪 90 年代开始，其中，席德立开发了一套获取产品LCA清单数据的方法。此后，国内关于LCA的研究文献逐渐增多，清晰地呈现出了从LCA方法论到LCA应用研究这一过渡特点^[3]。虽然国内研究人员在此方面开展了大量研究工作，生命周期评价及其应用也正在成为学术界关注的焦点和研究的热点，但是在应用方面，与国外还有很大的差距。

1.2.2 轮胎产业研究现状

材料回收方面，Rebe Feraldi^[4]等人针对GTR14展开研究，以废旧气动车和卡车轮胎为研究对象。GRT14的生产意义主要在于，它可与塑化剂进行合成，生产出代替SBS的沥青改性剂Road 。根据Genan(世界最大的废旧轮胎回收厂)提供的能耗数据，他们发现相较SBS，Road 混合阶段所需的能量减少了75%。并由EPA AP-42分批混合热拌沥青厂的排放系数估算VOC排放量分析得到，相比SBS, Road 在使用中释放的VOC减少了30%。目前全球沥青改性市场的原始SBS生产量超过100万公吨，因此，若用Road 替换不仅可以消耗废旧轮胎，还可以大幅减少能耗以及环境污染。

焚烧方面， Rebe Feraldi^[2]等人对美国废旧轮胎焚烧工艺产生的环境效益做出评价。研究以燃料的主要成分和热值作为输入参数（烟煤和石油焦的平均热值分别为24.9 MJ/kg和32.5 MJ/kg）。利用热平衡法，根据每种燃料的低位热值（LHV）列出能量平衡并计算TDF燃料替代量，随后测算各类污染量。另外，研究人员利用Boie方程估算估算二氧化硫和金属的排放量，计算出烟气总量。计算结果显示，相较于将废旧轮胎用于沥青改良剂，焚化造成的环境影响更大。

热解方面，德国是目前世界上废旧轮胎热裂解技术使用最成熟的国家，德国一家公司从成立之初就致力于废旧轮胎、塑料、橡胶热裂解技术的研发，该公司的热裂解技术已经代表世界一流水平。在它们研发的反应器中，废旧轮胎橡胶550-700℃的高温环境下发生热解，经过40分钟的反应过程，而且德方凭借技术优势在整个热解过程中不会造成任何二次污染，通过国内和欧盟的达标认证^[5]。自2013年，台湾开始运营连续废旧轮胎热解装置，该热解系统完全自动化、能耗低，且加入再过滤过程，防止因热解产生的柴油馏分中硫，碳含量较高而影响性能。

详细的废旧轮胎资源化利用见第三章。

1.3研究内容

本文以生命周期评价为基础，对废旧轮胎生命末期从收集、运输、加工、利用进行评价分析。

（1）本文分析废旧轮胎的组成和性能，并以此为依据，对废旧轮胎生命末期各类应用展开描述。

（2）全面介绍生命周期分析方法论，对其技术框架：目的与范围确定，清单分析，

影响评价和结果解释，做以详细阐述。

（3）主要针对废旧轮胎在水泥窑中焚烧利用和回转窑中热解查阅资料，了解工业过程，收集相关排放数据。

（4）为废旧轮胎建立生命周期模型，分析其各阶段的资源消耗及污染排放，并求出排放总数。在水泥窑的混合焚烧分析中，设置对照组，即水泥窑中完全采用传统燃料——煤，旨在对比评估水泥窑中的混合焚烧对环境效益。

（5）将两种轮胎生命周期末期的输入、输出数据归于7类环境影响，即全球变暖、酸化、富营养化、光化学污染、健康危害、固废、资源消耗，再根据特征化因子和标准化因子对数据进行特征化合并标准化，以将每一类环境影响下的不同潜在影响值做一汇总，以得到每种影响类型的综合影响值。

（6）将标准化结果进行清单分析和结果解释，并对比两种回收利用方式的环境效益。

（7）根据结果得出，相比在水泥窑中的混合焚烧，废旧轮胎在回转窑的热解环境效益更高。因此，针对热解工艺，从理论层面提出优化设计。

第二章 生命周期评价方法论

2.1 生命周期评价体系

2.1.1 生命周期评价概述

生命周期评价（LCA）针对于由物质和能量联系起来的产品系统，对其全生命周期（包括原材料的提取、加工、制造、运输、销售、使用、循环回收、再使用、最终废弃）各阶段的输入、输出及其潜在环境影响进行汇编和评价。其路径是确定和量化与评估对象相关的能源能耗、物质消耗、和废弃物排放来评估某一产品、过程的环境负荷^[6]。产品全生命周期流程如图2-1所示。

2-1产品全生命周期流程

2.1.2 生命周期的技术框架

生命周期评价过程包括目的与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释，其作用关系如图2-2所示。

图2-2生命周期评价技术框架

（1）目标和范围的确定

确定目标和范围作为整个生命周期评价的基础，阐述了开展此评价的目的、原因以及研究结果可能应用的领域。另外，该阶段需明确研究中的功能单位、基准流、产品系统边界、相关假设数据资料质量要求、关键复核。这些对研究的广度、深度做以限制，并保证了研究结果与预期目标一致。

（2）清单分析

清单分析作为生命周期评价过程量化各类影响的第一步，也是评估的核心环节，分为选择清单分析的细则、数据收集和计算处理。选择清单细则的内容取决于评价过程和目的，包括各类资源投入、能源消耗以及可能产生的废弃物；数据收集要求收集工艺整个生命周期各阶段的资源、能量需求和环境释放具体数目；计算处理则要求对所收集数据进行汇总、量化。

（3）影响评价

影响评价依据清单分析的结果来评估潜在环境影响（环境负荷），是LCA中最重要的部分，也是技术含量最高，难度最大的部分，其旨在更好地阐述清单数据和环境影响的相互关联，并评价由各种环境损害造成的总体环境影响。该过程分为四步，分别是分类、特征化、标准化、归一化，其实现步骤如图2-3^[7]。

图2-3 LCA影响评价实现步骤

（4）结果解释

结果解释是整个生命周期评价的总结部分，其内容基于评价的目的和范围，并以清单分析和影响评价展开，结合科学与工业理论，分析产生结果的原因^[8]，并着眼实际情况，制定相关改进措施。

2.2生命周期评价模型

本项目根据SETAC和ISO关于LCA的影响评价阶段的概念框架以及中国科学院生态环境研究中心建立的模型框架，建立研究框架。该框架的基本思想是，通过评价产品生命周期中各阶段的所有输入、输出对指定的环境影响的贡献强度，分析并解释清单数据^[9]。该模型主要包括了五个有机组成部分，分别是环境影响分类，环境影响潜值特征化，数据标准化，环境影响加权和环境影响负荷和资源耗竭系数的计算，这四个组成部分的关系如图2-4所示^[8]。

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