废旧轮胎低温热解冷淬碎化的实验研究_工程实践

摘要

摘要：运用固定床热解炉对废旧轮胎进行低温热解，设定温度范围为330～360℃。对热解后的产物进行冷淬，用实验机测得热解产物的冲击韧度。热解终温为350℃时固体产率最大，且钢丝容易

摘要：运用固定床热解炉对废旧轮胎进行低温热解，设定温度范围为330～360℃。对热解后的产物进行冷淬，用实验机测得热解产物的冲击韧度。热解终温为350℃时固体产率最大，且钢丝容易分离，热解后产物粉碎效果较好，避免了常温机械粉碎或低温冷冻粉碎的高成本及污染问题。

关键词：废旧轮胎；低温热解；冲击韧度

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

随着汽车工业的发展，近年来废旧轮胎的产量迅猛增长。废旧轮胎的大量积压与管理不善，对环境造成了严重的污染与危害。因此，废旧轮胎的处理与利用，已经成为全世界共同关心和亟待解决的社会问题。废旧轮胎回收利用的方式很多，可大致分为原形改制、再生利用和热化学处理3类^[1]，目前应用最为广泛的是热化学处理。

废旧轮胎的热化学处理主要包括焚烧和热解两种形式，焚烧法是最为简单直接的一种固体废弃物热化学处理方法。废旧轮胎的灰分、水分含量低，热值高，适合进行焚烧处理，焚烧产生的热量可用于发电或者供热。但焚烧过程中也存在一些问题，如轮胎生产中加入的添加剂中含有的镉、铅等重金属盐在焚烧过程中残留于底灰中，而且焚烧中会产生二氧化硫、氯化氢、氰化氢、二噁英等有毒物质。

废旧轮胎的热解是指在无氧和缺氧的工况下，在适当的温度下，使废旧轮胎的有机成分发生裂解，从而脱出挥发性物质并形成固体炭的过程，产物主要是燃料油、炭黑和燃气等，各产物成分随热解方式、热解温度等变化而不同^[2、3]。热解法可以带来很高的能源回收率，生成的燃气、燃油和炭黑产物与工业产品性能相似，品位高，运输方便，再利用时产生的污染也较少，因此具有较高的附加值。由于是缺氧分解，还原气氛可减轻废物中硫、氮、重金属等有害成分对环境的二次污染，这些成分将残留在固体中，因此工艺上不需要昂贵的洗气装置。

焚烧和热解都需要将轮胎粉碎，通常是先将废旧轮胎(例如含钢丝和帘布的轿车轮胎)切成小块，接着用粉碎机将其磨成细粒，再经磁力和风力分选，除去铁屑和纤维，即可得到胶粒。为得到更细的胶粉，可采用适当的方法将其进一步细化。这种粉碎方法不但噪声大、臭气重、环境污染严重，而且先要磨碎废旧轮胎中的钢丝和帘布，再将铁屑和纤维分离出来，耗能费时，很不理想。

本实验利用废旧轮胎中的橡分在热解低温区的特性，将轮胎低温热解后与钢丝分离，然后采用自来水进行骤然冷淬碎化，其冷淬产物粒度小，无韧度，易于进一步粉碎。

2 热解实验

① 实验装置与方法

废旧轮胎的热解实验装置见图1。实验装置由固定床热解炉、热解反应器、热电偶、温控器、充氮管、热解液收集器、温度计、冷凝器、U型管压差计、流量表、鹅头洗气瓶组成。

固定床热解炉由耐高温不锈钢材料制成，直径为200mm，高度为350mm，功率为7.5kW。在固定床热解炉内套有一个直径为100mm，高度为150mm的热解反应器，用以盛装实验样品，反应器盖上设有出气管、充氮管和热电偶。为使热解气中的可凝气体充分冷凝下来，冷凝器采用3组U型套管式水冷冷凝器，在其底部装有桃形分液漏斗，接受冷凝下来的热解油，每组冷凝器的进出口均设有温度测点。废旧轮胎的热解过程在密闭、微正压的条件下进行，产生的气体中不含有毒物质，因此将去除可凝气体后的不凝结气体经过流量计后，排出室外燃烧。在冷凝器和流量计之间安装了U型管压差计，以便观察实验过程中系统内的压力变化情况。

热解装置的温控器由K型镍铬-镍硅铠装热电偶和AI-808P型人工智能工业调节器组成，固定床热解炉采用程序升温。

固定床热解炉及热解反应器的外部构造见图2。热解反应器上部与固定床热解炉上部平齐放置。实验时设定固定床热解炉的温度，使其按固定的温升速率(20℃/min)升温，依靠辐射传热使热解反应器内物料受热并发生分解。

② 实验原料

实验样品来自天津市某汽车修理厂的夏利牌轿车的废旧轮胎，型号为165/70R 13 79T，废旧轮胎(含钢丝和帘布)被切割成大约为7cm×3cm的长块，见图3。

3 实验结果与分析

废旧轮胎的热解产物主要为炭黑、燃料油和燃气，热解产物及产品质量受多种因素影响，如热解温度、压力、颗粒尺寸及形状等。本实验采用微正压氮气气氛下热解的方法，重点分析低温热解固态产物冷淬后的冲击韧度的变化。

① 冷淬

借用金属淬火的原理，将热解试样升温达到热解终温后迅速将其投入常温自来水中，使其冷却，以改变废旧轮胎的强度及韧度，使其容易破碎。

② 冲击韧度

有些材料在静荷载作用下表现为较高的强度，但在冲击荷载的作用下，却表现得非常脆弱；相反，有些材料强度不高，但在纯几何作用下反而表现出很高的韧性。冲击韧度就是材料在冲击荷载作用下对破坏的抵抗能力，材料的韧度大小可以通过冲击试验测定^[4]。

本实验为了减小测试误差，每组试样测试3次，取其平均值。

③ 热解产物的特性分析

材料的韧度大小用试样单位面积上所吸收的冲击功表示。试样冲击吸收功可从试验机上直接读取，冲击韧度按下式计算：

式中α——冲击韧度，J/mm²

W——冲击吸收功，J

A——试样的截面积，mm²

计算结果见表1。

表1 不同热解终温下废旧轮胎试样的冲击试验计算结果

热解终温/℃	试样宽度/min	试样长度/mm	试样截面积/mm²	试样冲击吸收功/J	试样冲击韧度/(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，随着热解终温的升高，试样的冲击韧度逐渐减小。热解终温为330℃与340℃时试样破碎时的冲击韧度没有太明显的变化，在热解终温为350℃时冲击韧度明显减小，热解终温为360℃时冲击韧度减小得更多。热解终温为330℃时冲击试验后的试样形状见图4，热解终温为340℃时冲击试验后的试样形状见图5，热解终温为350℃时冲击试验后的试样形状见图6。

从图4、5可以看出，在这两种热解终温下，废旧轮胎试样出现了破碎，但不是很明显，且钢丝不容易分离出来。从图6可以看出，在热解终温为350℃时，试样破碎情况很好，并且钢丝能很容易地分离出来。热解终温为360℃时，轮胎试样破碎更为完全，但此时轮胎的失重率更大。因为实验的目的是为了在得到最大的固体产率的条件下使废旧轮胎较易破碎，所以认为废旧轮胎最佳的低温热解终温应为350℃。

4 结论

运用废旧轮胎在低温热解区的特性，可较清晰地了解废旧轮胎的冷淬碎化性能。在热解终温为350℃时冷淬后试样的冲击韧度较小，固体产率较大，且钢丝容易分离，说明应将废旧轮胎热解的最低温度控制在350℃。

参考文献：

[1] 王绍文，梁富智，王纪增.固体废弃物资源化技术与应用[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[2] 宋玉银.城市有机固体废弃物的热解研究[J].环境科学与技术，1992，(3)：9-19.

[3] 王中民.城市垃圾处理与处置[M].北京：中国环境出版社，1992.

[4] 吕百龄，刘登祥.实用橡胶手册[M].北京：化学工业出版社，2001.

(本文作者：王乔力¹ 张书廷² 1.中国建筑科学研究院空气调节研究所北京 100013；2.天津大学环境科学与工程学院天津 300072)