何光发·基于机器视觉的胎面裁断定长测量与控制系统

227

裁断机在线测量要求，对射式和反射式光电开关难以上下安装而被否定 ；漫反射式光电开关由于自身

检测距离的稳定性差，调整设定长度很不方便，难于满足现场使用要求。而工业数字相机最早就是为

了工业测量而开发，以一台 512×480 分辨率的黑白数字相机为例，其每一条水平线有 512 个像素点，

以水平视野 200mm（测量基准点 ±100mm），工业上通用的测量冗余倍数 4 倍来计算，其实际测量精度

为 200*4/512=1.56mm，这对于裁断工艺要求的胎面长度精度来说，已绰绰有余。

轮胎裁断机机器视觉测量技术定长控制与测量解决方案原理示意图见图 1。

图 1 胎面裁断机机器视觉定长测量控制系统示意图

相机 1 安装在距离切刀盘口等于“设定长度”的位置，水平检测区域为 ±100mm，在此范围内改

变设定长度，可以不改变相机 1 的安装位置。相机 2 安装在相机 1 后距离等于“设定长度”的位置，

称为“复测长度”，用于裁断后的胎面实际长度的测量，其水平检测区域与相机 1 相同。每个相机后

面安装一条漫放射条型光源，用于突出胎面胶切口的边缘。每个相机前面安装一个漫放射光电开关，

如图 1 所示，胎面胶切口的边缘运动到 B5 检测位置时，B5 上升沿起动相机 1，并接通光源 1。当胎面

胶切口的前边缘运行到相机 1 中设定长度后，定长测量完成，即可关闭相机 1 和光源 1。而 B6 上升沿

同时起动相机 1 和相机 2，并接通光源 1 和光源 2，开始进入裁断后的胎面胶实际长度的复测，复测

完成后关闭相机 1，2 和光源 1，2。

相机 1，2 由图像处理器进行实时处理，每当到达设定长度，图像处理控制系统向裁断机控制系统

发出裁断信号，代替原系统的裁断信号。原系统伺服控制器计算出的裁断信号可以保留，通过一个选

择开关接入裁断机控制系统，以备机器视觉定长测量控制系统调整维护时使用。“复测长度”值通过

工业以太网现场总线方式传送到裁断机控制系统，用于生产线上的 LED 大屏幕数字显示。

机器视觉图像处理系统可以存储 20000 个实际长度数据，可以方便地打印，分析长度波动，以便

生产线的调整。

轮胎裁断机机器视觉测量技术定长控制与测量系统包括光源、镜头、CCD 照相机、图像处理单元、

图像处理软件、监视器、PLC、通讯／输入输出单元等。如图 2 所示。

图 2 机器视觉定长测量控制系统组成

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

2.3 轮胎裁断机机器视觉测量控制系统精度分析

机器视觉测量控制系统用于在线动态测量的精度通常受相机的分辨率和处理速度制约。目前，24

万像素的工业相机已非常成熟，其分辨率可达到微米级，而对于毫米级测量要求的轮胎裁断机已不再

成问题。因此机器视觉系统处理速度成为唯一必须考虑的问题。下面借助于图 3 ，通过对裁断机测量

控制精度的要求来分析对机器视觉系统处理速度的要求。图 3 的上半部分表示定长测量过程，下半部

分表示裁断后的胎面胶实际长度的测量过程。

图 3 机器视觉定长测量控制系统精度分析

目前，24 万像素的黑白相机机器视觉系统处理速度一般在 30-50 帧 /s，彩色相机机器视觉系统

处理速度一般在 10-30 帧 /s。以 50 帧 /s 的机器视觉系统为例，其每一帧图像处理完成需要的时间

为 20ms，而对于 40m/min 的生产线，20ms 内产品的位移量大于 13mm，相当于裁断机现有测量方式的

误差范围 ；即便生产线速度降到 20m/min，其测量误差也要大于 6mm，显然满足不了提高裁断精度的

要求。

机器视觉系统处理时间包含成像时间，图像传输时间和图像处理时间，其中图像传输时间大约占

整个时间的一半左右。要大幅提高机器视觉系统运行速度，只有选择多处理器并行运行的机器视觉系

统才有可能。目前，24 万像素的黑白相机多处理器机器视觉系统处理速度已达到 200 帧 /s，相当于 5

毫秒的处理周期 ；如果采用隔行扫描方式，并将传输的图像限制在 1/3 范围，如示图中相机测量范围

阴影部分，水平像素 160-320 之间处理周期可降到 4ms 内。综合其他因素，对于 40m/min 的生产线，

测量误差小于 3mm ；对于 20m/min 的生产线，测量误差小于 2mm。

由图 3 还可以看到，相机 1 用于定长测量控制，要求实时性高，此时相机 2 未进入工作状态，机

器视觉系统只需对相机 1 进行处理 ；对裁断后的胎面胶长度的复测需要两个相机同时工作，而此时对

机器视觉系统实时性要求不高，裁断后的胎面胶前后边缘位于两个相机的测量范围内的任一时刻完成

测量，对测量精度不产生影响。因此，机器视觉系统采用一个控制器处理两个相机，可以大幅降低成本。

2 轮胎裁断机机器视觉测量实现方法

胎面裁断定长测量与控制系统图像控制器控制器采用日本基恩士公司的 CV-5000 系列机器视觉系

统，该系统是一种介于智能像机和板卡式机器视觉系统之间的新一代工业机器视觉系统。CV-5000 系

列机型是由一个具有四个处理器的并行处理器系统驱动的——一个超高速彩色图像处理引擎，以及两

个专门进行图像处理的 DSP（数字信号处理器），和一个高速 RISC（简化指令集计算机）CPU。该系统

达到了同类产品中最快的处理速度，CPU 和 DSP 都是最新的类型，具备较快速度的先进同步处理系统。

CV-5000 系列机器视觉系统配置图见图 4。

何光发·基于机器视觉的胎面裁断定长测量与控制系统

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图 4 机器视觉系统配置图

2.1 高速处理速度

CV-5000 系列机型中使用的 7X 高速相机使用全新的超高速 CCD 能在 4.7ms（240,000 像素相机）

或 20.5ms（1 百万像素相机）内进行全屏传输。这些相机支持对产量超过每分钟 3,000 个单位的切割

边缘超高速生产线的检测。1 百万像素的相机能在以前机型中的 240,000 像素 2X 高速相机所需的相

同时间内完成处理，支持以前不可能进行的高分辨率相机高速生产线检测。

图 5 多处理器处理单元时序

图 6 多处理器图像处理单元

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当图像在处理过程中时，双缓存器记忆允许 CV-5000 系列接收下一次触发输入。即使在非隔行

扫描模式中，检验工作时间也只有大约 5.2ms（大约 11500 部件 / 分钟 *）(* 使用 CV-H035C 时图像

处理时间为 4ms)。

2.2 统计功能

CV-5000 系列相机具有内建的统计功能，让您能实时查看检测状态，图像保存器功能让您保存当

前故障的图像以备稍后查看。您无需连接 PC 就能在任何时候检查状态，把可选的不良种类和检查数

字立即反馈到上层流程，能够帮助提高产量。

图 7 内建的统计功能

2.3 8.4"TFT-LCD 彩色监视器

CA-MP81/MN81 超薄、节省空间设计厚度仅为 40mm 的超薄设计使其可以很容易地安装在控制面板

上。

高亮度和高清晰彩 TFT-LCD 采用 TFT 活性矩阵系统，实现了 262，144 色高亮屏幕和高清晰显示

可以选择各种安装方式除了选择面板式安装，也可以选择新颖立架以及立柱式支架安装，包括在有限

空间内进行安装的各种安装风格。

图 8 TFT-LCD 显示器和检测状态画面显示

3 结束语

基于机器视觉的胎面裁断定长测量与控制系统，通过非接触式直接测量目标体，有效避免了被动

式测量和主动式测量中因接触打滑造成的测量误差，同时，基于机器视觉的胎面裁断定长测量与控制

系统设置有复测环节，能在线实时检测裁断产品的质量，省去了人工抽检环节，可有效避免不合格品

流入下一道工序。但是，本系统使用过程中也有需要注意的地方，比如胎面输送中的胎面变形、光源

环境的污染都会导致测量结果偏差，因此在使用过程中的优化和保养维护变得很重要，有待行业同仁

携手改进和提升。

许志胜·SIMOTION D435 在大口径波纹管成型机上的应用

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在橡塑波纹管行业中，成型机作为整条生产线的关键设备，在生产 PP、PE、PVC 等原材料的波纹

管过程中，起到了非常重要的作用。以前的大口径成型机均以立式为主，其模块上下开合，占地面积小，

结构紧凑，但模块更换较困难，在线扩口成型也很困难，并且速度极慢。同时模块对数多，更换时间长，

模块不易采用水冷，影响生产效率，一般最大内径可以达到 800mm。新一代大口径成型机以卧式为主，

目前最大做到内径 1800mm。而本文所介绍的是卧式成型机的升级产品 ：梭式成型机。它采用运动控制

器和伺服进行控制，具有自动回位、零位校准、定位纠偏、在线偏差补偿等优点。在生产不同的管材

时，可以根据管材型号进行更换模具即可，模块少，更换简单容易，而且模块自然水冷，生产速度更快，

生产的管材质量更好。

1 成型机介绍

波纹管成型机是生产波纹管的核心设备，主要由成型模具、传动系统、控制系统三部分构成。成

型模具一般由 30~40 对上下（或水平）对开的模片组成，沿一定的轨迹移动，模具闭合构成圆形管子

的成型腔，模具打开，使制品脱离模具，模具可由水或空气冷却，使管材成型。其成型过程为 ：从挤

出机挤出原料，利用真空泵，形成真空负压，经过真空吸附，使内外壁分别贴合在成型模具和机头水

套上成型。而本文所介绍的新一代梭式传动的成型机，以最新 1800 生产线的 SBZ1800 成型机为例，

可以减少模块的数量，生产在线扩口管材只需要 9 对，而生产不带扩口的直管仅仅需要 7 对，通过梭

式运动完美曲线轨迹，减小成型机空间半径，全方面减少投资成本。

所以波纹管成型机的关键就是成型模具运行曲线轨迹的确定，首先建立模具运行的数学模型，通

过电子凸轮，建立各轴运动曲线，然后打印出其轨迹，最后按照这一轨迹组合模具。双壁波纹管生产

线如图 1 所示。

图 1 PE、PVC 和 PP 双壁波纹管生产线

SIMOTION D435 在大口径波纹管

成型机上的应用

许志胜

( 大连三垒机器股份有限公司，辽宁 大连 116000)

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

2 成型机控制系统构成

2.1 系统结构网络图

此套 1800 生产线 SBZ1800 成型机系统以 Simotion D435 运动控制器为控制核心，通过工业以

太网与 Simotion D435 连接用于编程和调试的 PC/PG ；通过西门子工业现场总线 PROFIBUS-DP 与

Simotion D435 连接的人机界面接口模块及用于数字量 I/O 扩展的接口模块（见图 2）；

图 2 系统结构网络图

通过西门子 DRIVE-CLIQ 总线与 Simotion D435 连接的驱动单元各模块及电机编码器。模型框图

见图 3。所以在做实际方案时，配置了 Simotion D435 + KTP1200 +ET200M IM153 的方案。

图 3 系统框图

2.2 西门子 SIMOTION D 运动控制器的特点

Simotion D 结构紧凑，是一款基于 SINAMICS S120 驱动系列。本例采用的运动控制器 Simotion

435-2 DP/PN 控制单元，最多支持 32 轴。

采用 Simotion D435 后， PLC 和运动控制功能以及 SINAMICS S120 驱动器软件都在同一控制硬

件上运行。Simotion D 中集中了符合 IEC 61131-3 标准的 PLC 以及符合 PLCOpen 标准的运动控制功

能块。根据 Simotion D 平台的不同，HMI 设备可在 PROFIBUS、以太网或 PROFINET 接口上运行，便

许志胜·SIMOTION D435 在大口径波纹管成型机上的应用

233

于操作人员实施监控。此外，也可以通过这些接口，使用远程维护、诊断和远程服务等功能。

优点 ：

（1） 驱动器中直接集成了 PLC、运动控制和工艺功能，因此经济高效 ；

（2）采用了创新型 SINAMICS S120 设计 ；

（3）结构紧凑，可缩小控制机柜尺寸 ；

（4）非常适用于模块化分布式机器方案 ；

（5）用户友好型操作 ；

（6）可通过多种通信接口实现灵活联网 ：

（7）集成众多工艺功能因而功能强大 ；

（8）工程配置非常简单，涵盖从驱动器调试到开环控制以及运动控制应用的全部过程 ；

（9）使用 CF 卡，更换方便并且包含所有数据（程序、数据、驱动器参数和授权证），因此便于维护；

（10）PLC 与运动控制之间不再需要接口，因此动态性能非常高。

3 控制难点以及解决方案

3.1 梭式传动简介

下图 4 为成型机模块某一运动瞬间的运动轨迹图，从图中可以看出 ：

（1）在输送轴 ( 返回区 ) 成型模块以加快速度返回，这样，可以减少模块的数量，进而减少投资成本。

就本例，共 7 对模块，在主轴（工作区）5 对模块成型，输送（返回区）2 对模块。

（2）成型模块在主轴（工作区）的进入处（合模区）和返回处（分模区）的过渡，不通过曲线导轨，

模块以直角的形式进入主轴（工作区）并从其返回，因而减少了机器的宽度。

（3）成型模块的全部动作都通过同步伺服电机控制来实现，从而保证了成型机高度平稳的运行并

生产出高质量的产品。

1- 合模轴（合模区） 2- 主轴（工作区）3- 输送轴（返回区） 4- 分模轴（分模区）

图 4 卧式成型机模块排列图

3.2 控制解决方案及编程

大连三垒卧式成型机 SBZ1800 在控制系统上主要由 6 轴伺服构成，分别为上下主轴，输送轴，合

模轴，上下分模轴。如图 5 所示，第一个模块为 Simotion D435，后面是西门子新一代驱动 Sinamic

S120，分别为 1 个书本型电源模块 SLM 和 6 个单轴电机模块。Simotion D435 通过总线 DRIVE-CLiQ

接口与 Sinamic S120 的其它模块进行数据交换，可以写入读取各轴的参数。

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

图 5 SIMOTION D435 和 SINAMICS S120

工作原理为成型模块从左右通道返回成型通道的开始位置，然后以垂直的角度形成成型管材通道，

运行的轨迹为矩形而不是椭圆形，同见图 4。

模块要按照设计好的曲线来运行，才能保证管材的成型。运动控制器使用西门子 SIMOTION

SCOUT 软件的 Trace 功能，通过在软件中预先输入需要监控的伺服参数，启动数据跟踪功能，就可以

监控到实际曲线，如图 6 所示。

图 6 曲线图

本控制系统的难点在于各伺服轴之间的协调运行关系，所以必须以主轴位置为基本参考点，主轴

运行方向 1 个模块的长度就是 1 个运动周期，然后周期反复。其他各轴需要跟随主轴，进行相应的位

置移动。按数学模型来说，就是 X_Y 的 2 轴坐标系，其他各轴，以主轴为 X 轴，自身为 Y 轴，各自建

立自己的坐标，绘制曲线图，然后各轴按各自曲线运动。而解决这一问题的最好方法就是利用电子凸

轮功能。电子凸轮由机械凸轮演变而来，相对于机械凸轮，电子凸轮具有数据可修改性强，曲线随时

优化等优点。Simotion D435 中提供了电子凸轮功能，通过软件的多轴授权，根据设计好的数据建立

凸轮表和凸轮曲线。

许志胜·SIMOTION D435 在大口径波纹管成型机上的应用

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本例采用的编程语言是 Simotion MCC,MCC 是为了降低生产机械自动化控制的复杂度而专门设

计的一种新型图形化编程语言，它直接集成到西门子 SIMOTION SCOUT 软件中。这里可以使用符合

PLCOpen 标准的运动控制功能块，完成凸轮运动。

首先，要建立主轴，确定主轴的原位，保证主轴机械原位和电子凸轮相一致。然后赋值，确定实

际位置，详见图 7。

图 7 Shift measuring system 指令

其次，建立各轴，使各轴使能启动，详见图 8。

图 8 Switch axis enable 指令

再次，使用 Home axis 指令，程序中通过测量系统在控制系统及机械系统间建立位置关联，各轴

建立凸轮曲线，详见图 9。

图 9 Home axis 指令

正常运行时，使用各个轴与主轴之间的 Cam on 指令，使主轴和其他轴按着曲线图，也就是根据

电子凸轮曲线，同步运行，如图 10 所示。

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

图 10 Cam on 指令

最后，判断各轴和主轴同步完成后。再启动主轴的 Start axis position-controlled 位置控制，

如图 11 所示。同时给主轴初始速度，就能保证各个伺服轴按照上述的电子凸轮曲线同步运行。主轴

增减速度，其他各轴根据曲线位置，相应变化。

图 11 Start axis position-controlled 指令

如果在运行过程中出现了某一个伺服轴滞后，当滞后距离没有超出设定的范围，也可以使 Set

offset on camming 来对当前滞后的伺服轴进行位置的追赶，偏置校准，如图 12 所示。

图 12 Set offset on camming 指令

在完成电子凸轮运动的过程中，整个系统还具有保护功报警能，如果出现某一个伺服轴或者其他

影响生产的错误报警，通过对此伺服轴以及报警代码的监控，对整个系统报警停机，从而避免了错误

和危险的发生。

4 结论

大连三垒的成型机是最早使用西门子 Simotion D435 运动控制器的设备，同时使用 KTP1200 触

摸屏进行参数设定、校准整定、报警监控、凸轮曲线监视等，操作简单。各项工艺指标满足生产工艺

的技术要求，自调试完毕后，系统运行稳定，已经投入到实际生产中，效果良好，目前已经出口欧洲。

参考文献 ：

[1] SIMOTION 用于生产设备，2018.

李刚 等·硫化群控系统的组建与应用

237

在轮胎的加工工艺中，硫化有着非常重要的作用。硫化三要素温度、压力、时间直接影响硫化效应，

决定硫化质量。记录每次硫化过程中的三要素曲线是硫化工序的重点工作。

最初硫化机使用三针记录仪来记录这些曲线，按体系要求留存十五年以备追溯。这种机台独立记

录曲线又需要工艺技术人员反复核对工艺条件、检查实际执行情况的工作模式，随着设备数量增加、

生产产量提高，不断地耗费更多人力、物力和时间。其次在工艺条件核对中，因为人员疏忽、检查不全，

导致模具字块匹配错误、硫化工艺条件执行偏差、轮胎错硫等现象频频发生。另外，由于纸质文档存

在存放条件不良、缺乏系统梳理、记录曲线不清晰等因素影响，导致在追溯过程中信息缺失，无法诊

断病疵轮胎的问题所在。这些都严重影响企业产品质量和生产效益。

组建硫化机组群控系统，将硫化条件参数和要素曲线等生产信息数字化处理、传输、储存。通过

建立各项在线确认流程，在减轻现场工艺技术人员工作强度的同时，提高硫化工艺过程监管和追溯能

力，增强生产综合管控水平。

1 群控网络系统的组建

我公司硫化生产工序有 340 余台（包括 B 型热板机械式、液压式及部分工程胎）硫化机，所用控

制系统为三菱 Q 系列 PLC，总线连接式三菱 GT 系列触摸屏。在群控网络中硫化机 PLC 作为下位机从站，

每条硫化沟配置一个下位机主站，每个主站挂两个 CC-Link 网络，单个 CC-Link 网络接 10 ～ 20 个

硫化机从站。下位机主站采用 CC-Link IE 双环路组网通过电脑板卡（插于 PCI 插槽中）接入上位机，

采用光纤进行传输，数据处理上较快，能够在几个毫秒（光纤部分）里面处理完数据，且使用双环路

网络保证了数据可靠传输（见图 1）。

上位机采用研华 IPC 工业控制计算机。使用 Delphi 程序编写上位机程序，完成下位机数据采集

及硫化参数下载等功能。采集的数据保存在数据库中，以便客户端程序访问。

2 群控系统的应用

2.1 工艺条件与模具匹配确认

当生产计划调整，硫化机更换模具后，工艺员需对模具规格字、层级、负荷指数 / 速度级别、最

大负荷与气压等各字块进行检查，避免换模时安装错误导致轮胎硫化报废。

在群控系统中设定流程 ：机台结束换模状态，系统自动对硫化机进行锁定无法进缸硫化。需要工

艺员按照无线终端设备上的验模单对现场模具进行检验，确认各项内容拍模具花块及字块照片提交。

提交验模单后，群控系统才能允许试硫生产一缸。试硫结束后系统继续自动锁定机台禁止硫化。工艺

员需继续使用无线终端设备对试硫的轮胎外观进行检验，确认外观无错误和缺陷后拍轮胎规定部位照

片提交首缸检验单。群控系统才能解锁机台，允许该机台进入连续生产状态。

硫化群控系统的组建与应用

李刚，郑万利，王忻国，陈伟，楼鑫，林元表

( 杭州朝阳橡胶有限公司，浙江 杭州 310018)

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

图 1 群控系统硬件拓扑图

通过该流程的建立与实施，机台在更换模具后的生产中出现批量错硫和轮胎外观病疵概率大幅降

低。

2.2 硫化工艺参数下传与确认

当硫化机更换规格后工艺步序时间及板模温设定值需根据规格进行转换。在没有群控系统时，需

要工艺员在更换规格的机台上进行逐项修改，工作效率低且容易出错。

通过群控系统流程建立与功能拓展，在生产计划下达模具更换指令，切换机台状态为换模时，系

统根据新规格的编码从 BOM 中调取相应的工艺步序时间参数及板模温设定值，通过下位机主站送往更

换规格的机台。工艺员只需在机台触摸屏上确认参数是否正确并下载完成参数设定。

2.3 生产计划与物料信息匹配确认

胎胚进缸硫化前，操作人员需对胎胚成型条码和机台条码进行扫描，让系统识别轮胎规格、层级

以及机台所绑定的模具规格层级等信息并进行比对校验。

比对成功则证明该条胎胚可在此硫化机进缸硫化，允许继续生产。如果比对失败，系统将锁定机

台禁止进缸硫化，直至扫描信息比对通过。

此功能有效杜绝生产人员因检查疏漏导致错硫现象的发生。

2.4 硫化过程工艺监控与记录

下位机从站 PLC 实时采集硫化步序、硫化时间、热板温度、模套温度、内温、内压数据，并在触

摸屏上进行显示，3 天内的数据可在触摸屏上直接查询（见图 2）。

在下位机从站 PLC 中设置报警参数。由下位机从站 PLC 判断硫化过程中各硫化步序的热板温度、

模套温度、内温、内压的值是否超出工艺条件公差范围。

当 PLC 检测到生产中的硫化工艺已超差时，现场机台通过声光报警灯进行提示，并将报警及封存

信息在触摸屏上进行显示（见图 3）。下位机主站把相关数据送往上位机，存入数据库服务器。群控系

李刚 等·硫化群控系统的组建与应用

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统扫描获取报警数据字，自动翻译为相应的信息，通过钉钉系统提供的群机器人接口，将机台报警信

息定向推送到相应的机台责任人，提醒相关责任人进行排查和修复处理。

通过上述改造，有效确保硫化过程工艺的监管力度，大幅度提高工艺报警的处置效率，减少工艺

员在线巡查时间。

图 2 下位机触摸屏曲线 图 3 下位机触摸屏报警信息及轮胎封存信息

2.5 三要素曲线及报警记录追溯查询

为了能更好地对轮胎品质进行管控追溯，内部开发客户端查询软件。

（1）可根据硫化机的机台编号、时间区间、条码信息对所有硫化曲线进行查询，并可使用拖拉框

方式放大显示。如此可精确查询每条轮胎在硫化过程中各时间段的硫化步序、温度和压力等数据。同

时还能对画面曲线进行打印及数据导出（见图 4）。有效提升硫化工艺过程追溯能力和分析水平。

图 4 客户端使用查询曲线

（2）可通过“机台编号”、“时间区间”、“报警信息”等关键字对所有硫化机的报警记录进行查询。

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

查询结果列出所选机台及时间段内出现某一种报警的所有记录，如同时选择硫化步序则会筛选出同一

步序的所有报警记录。由于某缸轮胎硫化中可能存在多个报警，可通过点击复选框“按条码分组”功能，

只显示每个条码的一项报警记录，得出所选时段对应机台生产不符工艺的轮胎数量。系统还能把记录

导出至 Excel 进行后期处理，对各报警产生的频次、机台、硫化步序时间等分布情况的分析及各种报

表的制作提供便利（见图 5）。

图 5 客户端查询报警

（3）客户端程序还可对所有硫化机在执行工艺步序时间进行查询，方便工艺员对众多机台的在执

行工艺步序时间进行检查（见图 6），无需前往现场逐台检查，提高了工作的便捷性。

图 6 客户端查询工艺步序时间

2.6 群控系统的其它功能

李刚 等·硫化群控系统的组建与应用

241

（1）轮胎病疵查询功能。可对任意时间段内生产的轮胎进行病疵规格分类查询，方便对生产出的

轮胎病疵及时分析管控。

（2）产量信息统计功能。可对任意时间段内生产的轮胎依据机台、班组、员工等要素分类查询，

汇总该时段机台员工所生产的各规格轮胎数量。

（3）机台状态查询功能。显示所有硫化机组当前设备状态（如计划检修、更换模具、跟换胶囊、

胎胚脱节等），每间隔半分钟更新状态信息。可在任意时间段内，通过选定机台编号或某项设备状态，

查询机台过往状态详情及机台处于各状态的汇总时间。

（4）生产规格查询功能。可直接显示所有机台当前对应的生产规格信息。也可按生产规格将对应

机台编号分组显示。

（5）胶囊使用次数查询功能。可对所有机台在使用的胶囊次数进行查询，方便工艺员对胶囊使用

情况进行监控。

3 结束语

该群控系统在硬件选型上使用的都是工业级备件，运行稳定可靠，在多年的使用中未出现异常死

机和数据丢失现象。系统功能也在工艺、生产、设备各方面的管理需求下不断完善和升级。应用此系

统后未再出现模具更换错误、人为因素导致的错硫现象，解决了很多硫化工序工艺和生产上的管理难

点，受到员工广泛好评。

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

随着各国对安全、环保、节能要求的不断提高 , 改进现有的工艺和技术，采用绿色环保的原料，

从而实现橡胶制品的绿色发展已成为必然趋势 ；聚碳酸亚丙酯（PPC）是由二氧化碳和环氧丙烷聚合

而成，CO2 含量约占一半，价格低廉，PPC 的利用可固定 CO2，有利于缓解目前的环境污染现状，是实

现二氧化碳资源的循环利用的新途径，因此，PPC 被认为是一种绿色环保的材料 ；纵观 PPC 在国内的

应用现状，主要是高分子量 PPC 在生物降解材料，如农作物地膜上的使用 [1-6] ；众所周知，我国是酿

酒大国，粮食发酵过程中产生了大量的二氧化碳，如直接排到大气中，会产生温室效应 ；将其与环氧

丙烷初步反应可得到低分子量 PPC，在对低分子量 PPC 进行改性后，用于橡胶制品中 , 可产生独特的

改性效果，不失为绿色橡胶研发的新方向 [7]。

炭黑是橡胶制品最重要的补强剂之一，炭黑的大量使用为橡胶制品贴上了黑色的标签 ；作为一种

新型浅色填料，勃姆石 (BM) 由 Al-O6 八面体层叠组成，呈碱性，可以促进硫化，其来源广泛，价格低廉，

在聚合物中具有较好的分散和浸润性能，可部分替代炭黑、白炭黑等补强剂，减少环境污染，降低混

炼能耗，提高胶料性价比 [8-11]。

丁腈橡胶是耐油密封圈胶料的主体材料，但其耐高温性能差 [12-13]，采用乙烯丙烯酸酯橡胶（AEM）[14-15]

作为并用改性剂，从胶料的加工、物性及成本角度综合考虑，优选 NBR/AEM 的并用比为 80/20 ；将低

分子量 PPC、MA 和勃姆石制成预混料，在改善其 PPC 加工性能的同时，替代 DOP 等酯类增塑剂，符合

欧盟环保标准 ；将 PPC 预混料与白炭黑添加到 NBR/AEM 并用胶中 ；研究了 PPC 预混料和白炭黑的用量

对胶料力学、耐老化、耐介质以及压缩性能的影响，以获得绿色、高性价比的耐油密封圈胶 ；同时，

拓宽低分子量 PPC 在橡胶工业中的的应用领域，为绿色橡胶的研究提供参考依据。

1 实验部分

1.1 原料及设备

原料 : 丁腈橡胶（NBR-41），兰州石化有限公司产品 ；乙烯丙烯酸酯橡胶（Vamac-GLS），美国杜

邦公司产品；聚碳酸亚丙酯 PPC（数均分子量：2000-4500），江苏中科金龙化工有限公司产品；勃姆石，

济南唐盛化工有限公司 ；碱性白炭黑 ：沧州鑫诚盛化工有限公司 ；硫化剂 HMDC-70、加工助剂 VAM、

脱模剂 18D 和促进剂 DOTG-75 ：无锡诺曼高分子材料有限公司产品 ；沉淀法白炭黑 , 山东立华新材料

有限公司产品 ；活性剂、促进剂、防老剂等均为市售产品。

仪器 ：炼胶、硫化工艺采用无锡第一橡塑厂生产的 XK-160 型开炼机和 QLB-50D/Q 型平板硫化机 ；

性能测试主要采用台湾高铁科技有限公司生产的 GT-M2000-A 型无转子硫化仪、高低温电脑拉力机以

及上海实验设备厂生产的 401-B 型热老化箱等。

1.2 PPC/ 勃姆石预混料的制备

（1）将低分子量 PPC 加热至 60 ～ 75℃，再加入顺丁烯二酸酐 MA 进行混合搅拌，使顺丁烯二酸酐

低分子量 PPC 的改性及其在橡胶

绿色化研究中的应用

王忠光 *

，赵桂英，杨昭，徐云慧，孔媛

( 徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140)

王忠光 等·低分子量 PPC 的改性及其在橡胶绿色化研究中的应用

243

在低分子量 PPC 中完全溶解，制备改性 PPC，按质量配比为 ：低分子量 PPC ：顺丁烯二酸酐 =10 ：2。

（2）将经步骤（1）制得的改性 PPC，添加到操作改性剂勃姆石中，控制二者的质量比为 1 ：3 ；

在加热式捏合机中混合，控制搅拌速度在 40-45r/min，当物料温度升至 55℃时，继续恒温混合 1h 左右，

制得低分子量 PPC/ 勃姆石预混料。

1.3 混炼胶的组成

NBR-41，80（质量份，下同）；Vamac-GLS,20 ；硬酯酸，1.5 ；氧化锌，5 ；防老剂，1 ；促进剂

CZ,1.5 ；TMTD-80，1.5 ；DTDM，2 ；硫 化 剂 HMDC-70，0.5 ；促 进 剂 DOTG-75，1 ；PEG-4000，2 ；

KH-560，1 ；VAM，1 ；18D，1 ；碱性白炭黑，20 ；其余原料均为变量，详见下表 1 所示。

表 1 实验配方

配方 1# 2# 3# 4# 5#

白炭黑 30 24 15 9 0

增塑剂 10 8 5 3 0

PPC/ 勃姆石预混料 0 8.4 21 29.4 42

1.4 试样制备

混炼胶的制备 ：调节辊距至 0.1mm，首先对 NBR 薄通塑炼 3 ～ 4 次后，加入 AEM、硬脂酸、加工

助剂 VAM、脱模剂 18D，打三角包 5 个，使 NBR 和 AEM 在开炼机辊筒上混合均匀，且不辗辊；调大辊距，

加入上述胶料并包辊，依次加入活性剂氧化锌，防老剂等 ；再加入碱性白炭黑、沉淀法白炭黑、PPC

预混料及增塑剂等，最后加入硫化剂、促进剂等小料，待小料吃完后，调小辊距至 0.5mm 左右，薄通

并打 5 个三角包，然后调大辊距至 2.5~3mm，打大卷、下片，即可制得混炼胶片 [16]。

硫化胶片 ：适当停放后，采用无转子硫化仪测试胶料的工艺性能，在平板硫化机上设定工艺参数，

硫化所需的胶片，其中，硫化温度设定为 ：170℃，硫化时间按照 T90 进行。

1.5 性能测试

工艺性能及各项物性均采用相应的国家标准进行，压缩试验采用 B 型试样 ；老化、耐介质以及压

缩的实验条件均为 ：125℃ ×72h[17]。

2 结果与讨论

2.1 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶加工性能的影响

表 2 为 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶加工性能的影响。

表 2 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶加工性能的影响

从表 2 中硫化特性参数可以看出，胶料的硫化时间 T90 均随着 PPC 预混料用量的增加而逐渐降低，

原因可能有两方面，一方面 PPC 可通过 MA 来参与橡胶的交联反应，另一方面 PPC 用量的增加，操作

改性剂勃姆石用量相应增加，白炭黑用量减少，降低了白炭黑对促进剂的吸附作用，因此胶料的硫化

时间缩短；各配方脚料的焦烧时间 T10 都在 1min 左右，确保硫化时有足够的时间使胶料充满整个模腔，

以得到完整的胶片 ；从表 2 还可以看出，随着 PPC 预混料用量的增加，胶料的最大转矩 MH 和最小转

矩 ML 逐渐减少，PPC 预混料具有增塑作用，改善了胶料的流动性，便于加工成型。

2.2 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶力学性能的影响

PPC 预混料的用量

硫化特性参数

MH/dN·m ML/dN·m t c10/m:s t c90/m:s t c100/m:s

1# PPC 预混料 0 68.50 14.70 1:31 6:17 28:40

2# PPC 预混料 8.4 45.44 10.88 1:12 5:30 25:20

3# PPC 预混料 21 41.87 6.09 1:05 4:28 23:59

4# PPC 预混料 29.4 33.87 5.42 1:04 3:57 23:57

5# PPC 预混料 42 22.57 2.87 0:56 3:54 21:11

244

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶力学性能的影响如图 1、图 2 所示。

图 1 300% 定伸应力下胶料的力学性能

图 2 胶料的撕裂强度变化

从图 1、2 可以看出，随着 PPC 预混料用量的增加，胶料的硬度、300% 定伸应力以及撕裂强度逐

渐减小，胶料刚性降低，抵抗变形能力以及抗裂纹扩展能力变差，这可能与胶料中白炭黑的用量逐渐

降低有关 ；而胶料的拉伸强度则随着 PPC 预混料用量的增加呈现先增加后降低的趋势，当 PPC 预混料

用量 8.4 份时，拉伸强度最大，达到 14.88MPa，当 PPC 预混料用量大于 29.4 份时，拉伸强度明显降低；

说明适当用量的 PPC 预混料和白炭黑并用，可改善白炭黑在橡胶中的分散性，提高其补强效果 ；同时，

PPC 预混料参与橡胶的交联反应，形成了更为紧密的网络结构，达到较好的补强效果，提高了抗拉伸

破坏的能力 ；当 PPC 预混料超过一定用量时，导致白炭黑的用量减少，补强性减弱，胶料的拉伸强度

明显降低 ；从图 1、2 中还可以看出，随着 PPC 预混料用量的增加，胶料的伸长率明显提高，当 PPC

预混料用量 8.4 份时，胶料的伸长率最大，达到 665%，说明添加 PPC 预混料能够提高胶料的形变。

2.3 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶老化性能的影响

PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶老化性能的影响如图 3 所示。

图 3 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶老化性能的影响

王忠光 等·低分子量 PPC 的改性及其在橡胶绿色化研究中的应用

245

从图 3 可以看出，老化后胶料的硬度增加，拉伸强度降低，其中硬度增量均在 +2 左右 ；当 PPC 预

混料的用量为 0 份时，胶料的拉伸强度变化率最大，达到 -12% ；老化后胶料的伸长率均呈现下降的

趋势，降幅最大的是 PPC 预混料用量 0 份时的胶料，为 -14.7%，最小的是 PPC 预混料用量 29.4 份和

42 份时的胶料，均为 -8% 左右 ；总体来看，各胶料均具有较好的耐老热化性能 ；当 PPC 预混料的用量

为 29.4 份、碱性白炭黑用量为 9 份时，老化后胶料的性能变化率最小，其耐老化性能最优。

2.4 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶耐介质性能的影响

下图 4 为 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶耐介质性能的影响

图 4 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶耐介质性能的影响

从图 4 可知，耐油后胶料的硬度、拉伸强度及伸长率均小于耐油前，PPC 预混料用量 42 份时，胶

料的拉伸强度变化率最大，为 -11%；PPC 预混料用量 8.4 份时，胶料的拉伸强度变化率最小，为 -5%；

硬度降幅最大的是 PPC 预混料用量 0 份和 8.4 份时的胶料，均为 -3，最小的是 PPC 预混料用量 21 份

时的胶料，仅为 -1 ；当 PPC 预混料用量 0 份时，胶料的伸长率变化率最大，达到 -21%，而 PPC 预混

料用量 21 份时，胶料的伸长率变化率最小，为 -12% ；原因是油类在高温作用下侵入橡胶内部，对其

分子的交联网络结构起到了一定的破坏作用，导致胶料的强度、抗变形能力降低 ；由于 PPC 预混料参

与橡胶的交联反应，使胶料的网络结构较为紧密，同时，操作改性剂勃姆石呈片状，在一定程度上阻

止了油类介质的侵入，因此，含有 PPC 预混料胶料的耐油性能较好。

从图 4 还可以看出，耐油后胶料的体积变化率均为正值，说明在高温作用下，油类介质侵入胶料

内部网络结构中，导致胶料吸油后体积膨胀；但由于油类介质的吸入量较少，胶料的体积变化率不明显；

随着 PPC 预混料在并用胶中用量的增加，胶料的体积变化率呈逐渐降低的趋势，但 PPC 预混料的添加

量为 21 份时，并用胶的体积变化率达到最小值，仅为 +1.98%，说明胶料内部交联网络结构的紧密性，

阻止了油类介质的侵入和腐蚀作用。

2.5 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶压缩性能的影响

下图 5 为 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶压缩性能的影响。

图 5 PPC 预混料对 NBR/AEM 并用胶压缩性能的影响

246

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

从图 5 可以看出，随着 PPC 预混料添加量的增加，并用胶的压缩永久变形逐渐降低 ；当 PPC 预混

料添加量 42 份、沉淀法白炭黑添加量 0 份时，胶料的压缩永久变形最小，为 34%，明显小于 PPC 预混

料用量 0 份、白炭黑用量 30 份时胶料的压缩永久变形 ；相对于白炭黑来讲，勃姆石颗粒较粗，胶料

具有较好的弹性恢复能力，因此，胶料的抗压变性能提高。

3 结论

⑴胶料具有较好的加工性能，随着 PPC 预混料用量的增加，胶料的硫化时间 T90 逐渐降低，高效

节能 ；PPC 预混料具有增塑作用，改善了胶料的流动性，便于加工成型。

⑵随着 PPC 预混料用量的增加，胶料的硬度、定伸应力、撕裂强度降低 ；拉伸强度先增加后降低，

当 PPC 预混料用量 8.4 份时，拉伸强度最大，为 14.88MPa；伸长率随着 PPC 预混料用量的增加明显提高，

当 PPC 预混料用量 8.4 份时，胶料的伸长率最大，达到 665%。

⑶当 PPC 预混料用量 29.4 份时，老化后胶料的性能变化率最小，其耐热老化性能最优 ；随着 PPC

预混料添加量的增加，并用胶的压缩永久变形、体积变化率逐渐降低 ；当 PPC 预混料添加量为 21 份、

白炭黑添加量为 15 份时，胶料的综合性能最好，且明显优于白炭黑填充胶 ；低分子量 PPC 替代酯类

增塑剂，可为绿色橡胶的研究提供有益的参考。

参考文献 ：

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彭森明·一种焖烧喷淋法的废气治理系统的研究

247

各企业对废气处理方法有多种，有吸附法、吸收法、生物法、氧化法、燃烧法等。最近十年，工

厂对主机排风口处理采用废气处理方式，一般做法是采用除尘风机加布袋式除尘器，采用水冲洗处理、

电离子分离处理，或采用活性炭吸附除味或有些小风量的利用风机抽风直接外排。最近有的做法为采

用一种光触媒强化抑菌除味过滤器制造技术，光触媒强化抑菌除味过滤器属于空气过滤技术领域，通

过对过滤单元的结构形式进行改进，使通过装置的流速减缓、增大单位体积的光触媒接触面积和延长

光触媒反应时间，从而达到更好的除臭、杀菌功效果。但这种做法存在超温或漏电或爆炸风险。因为

它是光催化电离分离技术。活性炭存在微孔堆塞、易失效、使用时间不长。为避免上述风险，克服上

述弊端，目前开发一种焖烧法除味技术。我们与北京万向新元科技股份有限公司合作，开发利用一种

新技术即焖烧喷淋法的废气治理系统。该系统总体外形图如图 1 所示，其系统流程图如图 2 所示。

图 1 焖烧喷淋法的废气治理系统

图 2 焖烧喷淋法的废气治理系统流程图

一种焖烧喷淋法的废气治理系统

的研究

彭森明

( 万力轮胎股份有限公司，广州 从化 510940)

248

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

1 采用焖烧喷淋法的废气治理系统项目

该项目于 2018 年发布和实施，为万力轮胎（广州从化基地）炼胶车间废气治理设备改造项目，

1500 万套项目共有十多台密炼机，热胶烟气废气排放口 30 个，每个排放口风机额定风量达 17000m3

/h。

原配置的废气处理艺为除尘 + 活性炭吸咐，本项目将对原处理方案进行改造，拆除原活性炭吸附装置

和改进布袋除尘系统。

改造后的母炼生产线投料口、排料口废气治理系统从两台除尘器后端汇合后，先进入 EPA 系统，

吸附浓缩燃烧处理 VOCs 废气。

2 治理方案

治理方案包括 3 套母炼生产线投料口、排料口废气治理系统达 98880m3

/h，2 套终炼生产线投料口、

排料口废气治理系统达 68880m3

/h ；2 套母炼生产线投料口、排料口、一次法生产线废气治理系统

两台除尘器后端汇合后，先进入 EPA 系统，吸附浓缩燃烧处理 VOCs 废气。母炼投料口、排料口

和一次法线电加热催化燃烧设备、吸收风机、脱附风机，喷淋塔塔体、排水泵及过滤器等各 10 多台 ；

循环水泵 20 多台。配有 10 多套臭氧站、多套控制及软件系统

2.1 二级除尘器

二级除尘器包括过滤器箱体、抽插式滤袋、压差检测仪表等，采用模块化设计，方便快速更换滤袋。

该项产品具有以下特点 ：①过滤面积大，容尘量高 ；②风量大，阻力低，使用寿命长 ；③适合在潮湿，

高气流和尘埃负载大的环境下使用 ；④独特的袋式结构，确保气流均衡充满整个袋子，独特的热熔技

术可防止滤袋之间的渗漏。处理风量 68800/98800m3

/h, 过滤风速约 1m/min、过滤粒径大于 0.5um、

过滤效率 94.88%。

2.2 废气高效净化一体机（EPA）

（1）工作流程及原理 ：高效净化一体机由浓缩腔室、废气催化燃烧装置、分解气体产生装置、分

解废气预热装置、阀门、风机、控制柜等组成，高效净化一体机的结构见图。高效净化一体机原理主

要是通过吸附浓缩加分解催化燃烧的处理方式。采用隔离分腔结构设计，利用浓缩吸附材料对废气中

的有机化合物进行浓缩，饱和之后的浓缩吸附材料通过分解气体 ；反吹分解析出有机化合物，恢复浓

缩性吸附材料能循环使用，分解析放出高浓度小风量有机废气进入新型预热装置预热至催化燃烧温度

后进入催化燃烧室开始无火焰燃烧反应，燃烧后产生 CO2 和水蒸气，无需二次处理，实现对废气的有

效治理。适用于轮胎厂橡胶厂母炼生产线废气处理。

（2）技术优势 ：通过浓缩，将“低浓度大风量的废气”转换为“高浓度小风量的废气”，大大降

低催化处理风量，降低成本 ；浓缩后的高浓度废气在催化剂作用下加快有机物化学反应，即保证了在

400-500℃，催化剂运行安全放和节约能耗 ；利用燃烧后乏气的热能进行分解释析，降低了能耗，大

大节约运行费用 ；浓缩吸附无传动部件，减少了废气的泄漏率和设备的故障率 ；系统集成化程序高，

体积小，采用模块化集装箱设计，运输方便，安装简单，节省工期 ；即可实现单体设备 PLC 控制，也

可参与用户 DCS 集中控制，在线精准控制，灵活选择 ；氧化彻底，外排气体物主要为二氧化碳和水蒸

气为主，完全实现“超低排放”，满足环保要求。

（3）EPA 高效净化一体机参数 ：处理风量 68800m3

/h 和处理风量 99800m3

/h、再生风机运行滤芯

吸附风速平均 0.3m/s、脱附风速 0.058m/s，催化氧化平均温度约 400℃

2.3 催化氧化一体机（COA）

技术原理 : 复合催化氧化一体化就是将臭氧氧化与吸收法高效结合。臭氧有很强氧化性，在适当

的条件下，可把环境中的大多数化合物进行氧化，生成一些单分子，对有机物有较强的氧化降解作用。

通过一种试剂直接喷淋废气，吸收废气中的污染物质和粉尘颗粒。因吸收剂是碱性溶液，吸收剂能与

橡胶废气中的酸性物质进行中和反应，特别适合于橡胶终炼生产线废气处理。将吸收法和臭氧氧化法

相结合，吸收液经过氧化的单原子分子吸收，达到强化处理效果 ；另外，臭氧在水溶液中的分解度比

彭森明·一种焖烧喷淋法的废气治理系统的研究

249

在气相中大，快速得多，能快速分解还原氧气，解决了臭氧消耗不完全、直接排放的问题。

复合催化氧化一体机降解机理 : 复合催化氧化一体机由循环水泵、排污泵、喷淋塔、离心风机、、

混合器、臭氧站、配液系统组成。复合催化氧化一体机工作流程为 ：①通过混合器的废气，先与臭氧

站来的臭氧反应，将大分子有机物转化成小分子有机物 ；②氧化后的废气进入一体机，采用逆向雾化

喷淋，使得废气与吸收液充分接触，经过中和吸收，有机物小分子和酸性气体分别与吸收液反应到去除，

通过风机将净化后气体排放排气筒达到达标排放。

复合催化氧化一体机处理密炼车间废气的优势如下 ：①处理效果好 ；臭氧对绝大部分有机物具有

降解效果，喷淋可降解废气中颗粒物和部分有机污染物，臭氧氧化和喷淋吸收相结合，处理效果好 ；

②应用范围广 ；该设备适用于各种成分废气的处理，对废气预处理要求低 ；③自动化程度高 ：系统通

过可编程控制器 PLC 实现对现场仪表阀门等各种信号的采集和执行动作控制 ；④装置安全可靠 ：复合

催化氧化一体机内无高温、高压电气部件，废气中颗粒物和水汽不会对设备造成影响，运行安全 ；⑤

防腐性能好 ：复合催化氧化一体机外壳采用 PP 制作，具有良好的耐腐蚀性能，设备使用寿命长。处

理风量 70000~80000m3

/h。

臭氧装置 : 该臭氧是由注入式低温等离子装置产生，注入式低温等离子发生器的核心采用了先进

的介质阻挡双间隙放电技术，原料气流经绝缘介质与高压电极之间以及绝缘介质层和臭氧发生器罐体

接地极之间的狭小间隙，两个环状间隙之间的高压电场双面放电，将通过的氧气转化为臭氧，臭氧产

生效率高。工业上一般采用电晕放电法制取。其工作原理为 ：当空气通过对高压交流电极之间的放电

电场时，在高速电子流的轰击下将氧分子离解为氧原子，氧原子迅速与氧分子反应生成臭氧分子。

3 工艺说明

本方案采用“吸附材料吸附浓缩”和“低温催化氧化”复合技术，先对废气中的有机物进行浓缩，

使低浓度大风量的废气装换为高浓度小风量的废气，浓缩之后的高浓度废气在催化剂的作用下进行低

温无火焰燃烧（即催化氧化），同时自身燃烧产生的温度可以满足燃烧温度，无需再外部预热，催化

燃烧生成 CO2 和 H2O。

EPA 废气高效净化一体机主要包含“废气吸附浓缩装置”和“废气催化氧化装置”，具体介绍如下。

3.1 废气吸附浓缩装置

废气吸附浓缩装置是通个多个独立设计的废气浓缩吸附单元对收集之后的工业废气（主要成分

VOC）进行吸附处理，当吸附单元内的吸附材料吸附至一定量（动态饱和量）后，利用小风量的高温

热空气加热吸附材料，使吸附材料表面的 VOC 脱附解析，经废气催化氧化装置处理，从而实现有机废

气的高效处理。本装置为机电仪一体化定制设备，主要设备包括风机、VOC 有机废气预处理设备、废

气吸附浓缩装置（塔或床）、自动阀门、电器和自控集成系统等，设备规格设计依据工业 VOC 有机废

气总风量。VOC 有机废气进入吸附单元之前，采取预处理工艺，包括滤袋过滤、洗涤、调湿等方法，

去除粉尘、高沸点或易聚合的有害物质，延长吸附材料使用寿命，经处理后的 VOC 进入废气吸附浓缩

单元，其中有机化合物被吸附，吸附之后的净化气经排放烟囱高空排放。高温热空气作为解析气体进

行吸附材料解析再生，形成空气与有机化合物混合气体进入催化氧化装置发生催化氧化反应。本装置

为全自动工艺控制设计，运行时无需人员值守（可根据用户需求采用手动调节）。VOC 有机废气管路和

吸附器中的阀门执行器均采用气动式，满足废气处理过程的防爆要求。喷淋加水装置如图 3 所示。

250

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

图 3 喷淋加水装置

3.2 废气催化氧化装置

废气催化氧化装置内装有耐高温 VOC 高效净化催化剂，使脱附之后的有机废气在温度较低的条件

下迅速氧化成水和二氧化碳，达到处理废气的目的。与直接燃烧相比，催化氧化（又叫催化燃烧）温

度较低，反应平稳完全。催化氧化过程是在催化氧化装置中进行的。有机废气先通过热交换器预热到

210~380℃，再进入催化氧化室，通过催化剂床时，碳氢化合物的分子和混合气体中的氧分子分别被

吸附在催化剂的表面而活化。由于表面吸附降低了反应的活化能，碳氢化合物与氧分子在较低的温度

下迅速氧化，产生二氧化碳和水。催化氧化反应的关键是选择合适的催化剂，要求 ：活性高，特别要

低温活性好，以便在尽可能低的温度下开始反应。燃烧反应是放热反应，释放出大量的热可使催化剂

的表面达到 500℃以上的高温，而催化剂容易因熔融而降低活性，所以要求催化剂能耐高温。

3.3 催化剂系统工作流程

初次开机并自动运行，首先会有一个碳箱处于待机状态。处于待机状态的碳箱不吸附也不脱附，

吸附阀和脱附阀都会关闭。可以 24h 运行，能更改设定时间。经一段时间后，该碳箱吸附，其余碳箱

轮流脱附，不处于脱附状态的碳箱则吸附（在同一时间内，有一个碳箱处于脱附或待机状态，即始终

遵循多用一备原则）。这些碳箱都脱附完一遍后，本轮最后一次脱附的碳箱进入待机状态，待机完成后，

此次待机的其余碳箱再进行轮流脱附。如此往复循环。

碳箱吸附过程，即吸附阀打开，脱附阀关闭，碳箱吸附来自车间的废气。碳箱脱附过程，即吸附

阀关闭，脱附阀打开，将吸附来的杂质通过高温加热转换成清洁气排出去，脱附开始时，首选脱附风

机会满频率空吹一次，然后其关闭，打开加热器，待加热室温度达到所设的下限值（约 300℃，可手

动更改），脱附风机再次开启，将加热器中的热能送往当前处于脱附状态的碳箱，对此碳箱中的活性

炭加热，活性炭到达其设定的下限温度值后（约 90℃，可手动更改）保持此状态再进行一段时间（约

2h，可手动更改）后，加热器关闭，脱附风机满频率吹扫几分钟至脱附过程结束，再转入下一过程。

EPA 废气高效净化一体机主要包含“废气吸附浓缩装置”和“废气催化氧化装置”，具体介绍如下。

3.4 废气吸附浓缩装置

通个多个独立设计的废气浓缩吸附单元的废气吸附浓缩装置，。对收集后的废气（VOC）进行吸附

处理，当吸附单元内的吸附材料吸达到一定的动态饱和量后，利用小风量的高温热空气加热吸附材料，

使吸附材料表面的 VOC 脱附分解析出，经废气催化氧化装置处理，最终实现高效处理有机废气。

本装置为机电仪表一体化定制设备，主要设备有机废气预处理设备、废气吸附浓缩装置（塔或床）、

风机、自动阀门、电器和自控集成系统等，设备规格依据工业 VOC 有机废气总风量。VOC 有机废气进

入吸附单元之前，采取预处理方法，包括过滤、洗涤、调湿等方法，去除粉尘、高沸点或易聚合的有

害物质，延长材料使用寿命，经处理后的 VOC 进入废气吸附浓缩单元，其中有机化合物被吸附，吸附

彭森明·一种焖烧喷淋法的废气治理系统的研究

251

之后的净化气经排放烟囱高空排放。高温热空气作为分解析放气体进行吸附材料解析再生，形成空气

与有机化合物混合气体进入催化氧化装置发生催化氧化反应。焖烧喷淋注装置如图 4 所示。

本装置为全自动工艺控制设计，运行时无需人员值守（可以根据用户需要采用手动工艺）。VOC 有

机废气管路和吸附器中的阀门执行器均采用气动式，满足废气处理过程的防爆要求。

图 4 焖烧喷淋法装置

3.5 废气催化氧化装置 - 催化燃烧

废气催化氧化装置内装有耐高温 VOC 高效净化催化剂，使脱附之后的有机废气在温度较低的条件

下迅速氧化成水和二氧化碳，达到处理废气的目的。与直接燃烧相比，催化氧化（又叫催化燃烧）温

度较低，反应平稳完全。催化氧化过程是在催化氧化装置中进行的。有机废气先通过热交换器预热到

220 到 380℃之间，再进入催化氧化室，通过催化剂着床，碳氢化合物分子和混合气体中的氧分子分

别被吸附在催化剂表面而活化。由于表面吸附降低了反应的活化能，碳氢化合物与氧分子在较低的温

度下迅速氧化，产生二氧化碳和水。选择合适的催化剂是催化氧化反应的关键在于活性要高，低温活

性要好，便于较低温度下开始化学反应。燃烧反应是释放热量的反应，释放出大量的热致使催化剂的

表面温度达到 500℃以上，催化剂容易因为熔融而降低了活性，所以要求催化剂必需做到耐高温。

4 结束语

经立项、招标、评审后，2017 年投入改造 , 将新增的多套焖烧喷淋法的废气治理系统与原有各密

炼机生产线的废气处理后排放口分别相连。2018 年完成 3 套并投入使用，2020 年以增加 2 套并 2021

年投入使用。每天以 24hh 运行。外排气体获得净化，无异味，转化分解的水质及气体达到环保检国

家环保排放监测要求，减少周边市民投诉，确保了轮胎工厂正常运转。

252

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

根据能量守恒定律，输入的能量等于被有效利用的能量与损失的能量之和，即输入能量 = 有效能

量 + 损失能量。因此，为提高能量的利用率，在实际工作中我们必须想法扩大有效能量，尽量减少损

失能量。本文简要阐述能量平衡的内涵和分析方法，结合锅炉热平衡和蒸汽热平衡介绍能量平衡在轮

胎企业的应用，以期发现热力系统存在的问题，逐步提高热力系统的效率，进而降低能耗成本。

1 能量平衡的内涵及分析方法

1.1 能量平衡的内涵

能量平衡是以企业或设备为对象，以能量守恒定律为基础，进行的各种能源收入与支出的平衡、

消耗与有效利用和损失之间的数量平衡。

能量平衡的目的是通过对企业能源利用系统及其各个环节用能状况的定量分析，掌握企业的用能

情况，查找企业的节能潜力，明确企业的节能方向，为改进能源管理、制定节能技术措施、降低产品

能耗、提高能源利用效果提供科学依据。

能量平衡有两种方式，一种是以企业为对象的能量平衡，称为企业能量平衡，平衡期通常为一年；

另一种是以设备为对象的能量平衡，称为设备能量平衡，平衡期较短。

能量平衡的方法有三种，一是采用测试计算与统计计算相结合，二是采用从总体到局部方向进行

能量平衡，三是采用正、反平衡相结合。能量平衡不是瞬时平衡，客观上要求以平衡期的统计数据来

反映实际的用能情况，因此测试计算与统计计算相结合的方法是能量平衡的原则性方法 ；当然，对若

干用能环节和设备进行必要的测试来取得数据也是能量平衡的客观需要。为保障数据流程与能量流程

客观上的一致性，能量平衡应以企业能源利用流程为参照系，从能源供应到能源消费各个环节和各个

部位进行能量平衡，才能达到企业总体平衡与局部平衡的统一和完整。

1.2 能量平衡的依据及程序

国内是从 70 年代末期开始企业能量平衡工作的，由于能源利用大都是通过热能来实现的，初始阶

段是以企业或设备热平衡开始 ；到 80 年代初才扩展到能量平衡，并于 1983 年正式颁布国标 GB3484-

83《企业能量平衡通则》，把企业能量分析提高到一个新阶段。

能量平衡的工作程序大体上可分为系统分析、数据分析、能量分析、能耗分析和总结分析等 5 个

阶段。

轮胎企业的能量平衡主要是指电和热以及部分主要用能设备的能量平衡，通过统计计算与测试计

算相结合的方法进行综合分析。

本文主要阐述轮胎企业的锅炉热平衡和蒸汽热平衡。

2 锅炉热平衡

锅炉热平衡的目的是为了保证送入锅炉的热量与有效利用热及各项热损失的总和相平衡，并在此

基础上计算出锅炉的热效率和燃料消耗量。

轮胎企业的热平衡分析及利用

王其营

( 天津国际联合轮胎橡胶股份有限公司，天津 300452)

王其营·轮胎企业的热平衡分析及利用

253

2.1 锅炉热平衡的计算公式

锅炉热平衡的测量与计算应该在锅炉处于稳定的热力工况下进行，其热平衡计算公式为 ：

Qgr= Qg1+ Qg2+ Qg3+ Qg4+ Qg5+Qg6+Qg7+Qg8……………………………………[1]

式 [1] 中 : Qgr 为锅炉输入热量，单位为 kj/kg(kj/m3

), 下同 ；

Qg1 为锅炉的有效利用热量 ；

Qg2 为排烟带走的热量 ；

Qg3 为气体不完全燃烧损失的热量 ；

Qg4 为固体不完全燃烧损失的热量 ；

Qg5 为锅炉向周围环境散失的热量 ；

Qg6 为燃料灰渣带走的热量 ；

Qg7 为锅炉排污带走的热量 ；

Qg8 为锅炉其他原因散失的能量。

在此公式中，锅炉的有效利用热量 Qg1 是我们需要的，锅炉热平衡的目的就是在锅炉输入热量 Qgr

固定的前提下，尽量减小 Qg2、Qg3、Qg4、Qg5、Qg6、Qg7 和 Qg8 的数值。

2.2 影响锅炉热平衡的因素分析及相应的措施

在锅炉热平衡计算公式中，锅炉输入热量 Qgr 主要来自煤、重油及天然气（包括 LNG 转换的天然气）

等。当然，燃料不同，使用锅炉的结构就有较大的差别，但是锅炉运行符合最新环保要求是最基本的

条件，否则就无从进行热平衡统计和计算。

锅炉的有效利用热量 Qg1 是计算锅炉热效率的基础，Qg1 越大，说明燃料的热量被利用的比例越高，

锅炉的热效率就越高，反之则越低。因此，想法把 Qg1 扩大，是通过热平衡计算后发现问题并通过改

进达到的目标。

排烟带走的热量 Qg2 是燃气锅炉最主要的热损失，它取决于排烟温度与空气系数。目前 , 燃气锅炉

的排烟温度一般在 100% ～ 150℃之间，排烟温度偏高 , 导致锅炉的热效率降低，排烟带走的热量 Qg2

随排烟温度的升高而增大。为减少排烟带走的热量，可采取三方面的措施 ：一是降低排烟温度，排烟

温度每降低 10℃，排烟热损失可减少 0.6% ～ 0.8%，则锅炉的热效率相应增加 0.6% ～ 0.8% ；二是降

低排烟处空气系数，空气系数每增加 0.1，排烟热损失增加 0.35% ；三是回收烟气蒸汽中的潜热，燃

气锅炉排烟中含有蒸汽 , 过热的蒸汽是烟气中热量的主要携带者。烟气中除显热外 , 还有大量潜热 ,

这部分热损失的 70% 可以通过接触式换热设备进行回收 ；烟气露点一般为 58℃ , 如果将排烟温度降到

烟气露点以下 , 通过回收蒸汽潜热可提高锅炉热效率 7% ～ 9%；如果将降低到烟气露点之前的显热回收，

可使锅炉热效率提高 2% ～ 6% ；同时，由于排烟温度降低高，烟气中的水汽冷凝溶解的氮氧化物增加，

导致氮氧化物排放量减少，烟筒冒白烟的现象减轻。

气体不完全燃烧损失的热量 Qg3 主要是排烟中未完全燃烧或燃尽的可燃性气体（如 CO、H、CH4 等）

所带走的热量，其大小取决于锅炉的型式、燃料成分、炉膛温度、炉膛空气系数以及运行操作是否合

理等。气体不完全燃烧损失的热量 Qg3 只要合理控制，可以在一定程度上得到控制。目前，燃气锅炉

燃烧器的燃烧效率一般为 99.0% ～ 99.5%, 即气体不完全燃烧热损失率为 1.0% ～ 0.5%。燃气锅炉在

燃烧良好的情况下 , 气体不完全燃烧热损失较小 ；但是在燃烧不良的情况下 , 气体不完全燃烧的热损

失率很高。燃气锅炉不同于燃油和燃煤锅炉 , 燃油和燃煤锅炉在燃烧不完全时容易冒黑烟，比较容易

被发现，而燃气锅炉燃烧不良时不会产生黑烟 , 加之未配置烟气分析设备 , 直观上很难判断。但是可

以通过观察火焰的颜色进行判断，如果火焰的颜色发蓝、发亮则说明燃烧充分 ；如果火焰的颜色发红、

发暗则说明燃烧不充分，需要随时调整燃烧器的喷嘴等。

固体不完全燃烧损失的热量 Qg4 是燃料中的碳未完全燃烧所引起，因此，Qg4 在燃煤锅炉中显得比

较重要，在燃油及燃气锅炉中影响的程度会小一点，为此，应采取提高燃料燃烧效果的措施。对于燃

煤链条锅炉，在操作时应稳定锅炉负荷、保持火床平整、合理配风、及时调整煤层厚度和炉排转速 ；

同时可以在煤中按比例添加化学助燃剂，以便降低煤的着火温度、改善燃烧特性 ；在锅炉给煤滚筒出

254

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

口处加装分层燃烧装置，减少锅炉漏煤量、提高燃烧效率 ；在尾部烟道增加烟气置换器或热管余热回

收器，用于预热助燃空气。对于其它类型的锅炉，应该根据其结构采取相应的提高燃烧效率的措施。

锅炉向周围环境散失的热量 Qg5 为是指锅炉及其汽水管道、烟道、风道等，由于壁面温度高于环

境温度而向外界散失的热量。其中锅炉散热量最大，损失率一般为总量的 1% ～ 2%, 此损失长久存在，

累计散失热量较大 ；如果锅炉燃烧使用的空气取自锅炉间 , 让锅炉自身散热浪费的能量充分把引进的

空气加热，提高锅炉维持燃烧的空气温度，可以在一定程度上消除部分浪费 ；另外 , 辅助间的设备和

管道散热损失可以部分或全部用于辅助间供暖。从现场实际布局看，降低 Qg5 的措施应从减小炉体周

围的风速、提高锅炉围护结构的保温效果、减少散热面积和负荷波动、保持锅炉容量合理等方面着手。

燃料灰渣带走的热量 Qg6 是灰渣的物理显热损失，主要体现在燃煤锅炉上。减少 Qg6 的方法要建

立在上述几方面的基础上，特别是要保持负荷稳定，避免负荷忽高忽低；控制链条速度，减少细煤泄漏；

对于粒径差别较大的燃煤，施行分层燃烧等。只要保证燃煤充分燃烧，就可以有效控制灰渣带走的热量。

锅炉排污带走的热量 Qg7 对于不同结构的锅炉差别较大。对于燃气热水锅炉 , 由于排污量较小 ,

系统水容量大 , 排污热损失可以忽略不计。在 GB50041—92《锅炉房设计规范》中规定了低压蒸汽锅

炉的排污率不宜大于 10%, 但该规定侧重燃煤锅炉根据节约能源的要求和燃煤的经济性提出的。所以

保障锅炉用水合格，在炉水合格的前提下减少排污次数，也是一种很好的节约方法。排污水中含有较

高的热值和热量，应该充分利用 ；排污水的水分因氯根（CL-）高、碱性大，在余热利用后可以排放

到锅炉水膜除尘的循环水池中，用来中和酸性较高的循环水。锅炉排污方式有连续排污和定期排污两

种，目前利用排污余热的设备有连续排污膨胀器、连续排污扩容器、定期排污膨胀器、定期排污扩容

器等。连续排污扩容器将锅炉的连续排污水减压扩容，排污水在连续排污膨胀器内绝热膨胀，分离为

二次蒸汽和废热水，并在膨胀器内经扩容、降压、热量交换，然后排放。定期排污扩容器主要是将锅

炉的定期污水降压扩容，定期排污水在较低压力下发生二次沸腾，得到一部分二次蒸汽，同时使排污

水降温 ；二次蒸汽与排污水在定期排污扩容器内进行分离，分离出的蒸汽从上部的出口排出，排污水

从下部的污水口排出。二次蒸汽由专门的管道引出，可以用于锅炉除氧加热器的热源或其它适当的用

途。废热水通过浮球液位阀或溢流调节阀自动排出，通过管道引入套管式换热装置加热锅炉除氧器的

供水，冬季用于附近区域的采暖 ；完成热交换后，废水温度接近常温，可以直接排入锅炉水膜除尘的

循环水池中，进行酸性中和，经沉淀后循环使用，这样锅炉排污水及余热就能得到充分利用。做到这

一点，锅炉排污带走的热量 Qg7 就会减少，锅炉的热效率就会提高。

其他原因损失的热量 Qg8 是属于除上述原因之外的非正常原因造成的热量损失。例如 ：锅炉出现

故障，需要紧急排压降温处理，这时的热量损失就属于非正常原因造成的热量损失。生产线出现异常，

生产不能延续，造成蒸汽瞬间的压力上升，为保证安全，需要紧急排压，保证锅炉系统安全，这时的

热量损失也属于非正常原因造成的热量损失。

锅炉热平衡计算公式虽然比较简单，但是只要控制好各项热量损失，就能明显提高锅炉的热效率。

3 蒸汽热平衡

蒸汽热平衡的目的是为了保证进入蒸汽体系内蒸汽的热量与有效利用热及各项热损失的总和相平

衡，并在此基础上计算出蒸汽的热效率和单位产品蒸汽的消耗数量。

3.1 蒸汽热平衡的计算公式

蒸汽热平衡的测量与计算应该在蒸汽流量和压力处于稳定的状态下进行，其热平衡计算公式为 ：

Qsr= Qs1+Qs2+Qs3+Qs4+Qs5+Qs6+Qs7………………………………………[2]

式【2】中 : Qsr 为蒸汽输入热量，单位为 kj/kg(kj/m3

)，下同 ；

QS1 为蒸汽的有效利用热量 ；

Qs2 为蒸汽在输送过程中损失的热量 ；

Qs3 为用热设备及其附件和连接管道的蓄热及散失的热量 ；

王其营·轮胎企业的热平衡分析及利用

255

Qs4 为进入设备或工艺过程交换的热量 ；

Qs5 为生产的产品或工质带走的热量 ；

Qs6 为体系排出冷凝水带走的热量 ；

Qs7 为其他原因损失的热量。

蒸汽热平衡的计算公式虽然与锅炉热平衡的计算公式相同，但是涵盖内容、统计方式、计算方法

等差异较大，需要区别对待。

3.2 影响蒸汽热平衡的因素分析

在蒸汽热平衡计算公式中，蒸汽的输入热量 Qsr 是以蒸汽从锅炉出汽或从热电企业购买开始计量

的蒸汽热值总量为基数，权衡蒸汽在输送过程中的热量损失、用热设备及其附件和连接管道的蓄热及

散热、进入设备或工艺过程交换的热量、生产的产品或工质带走的热量、体系排出冷凝水带走的热量、

以及其他热量损失之间的关系。由于蒸汽参数受外界及蒸汽体系内部的影响因素较多，蒸汽携带的热

值总量（热焓值）也随之变动。因此，轮胎企业蒸汽热平衡准确计算热值的难度较大，一般都是进行

整体的平衡和改进。

蒸汽的有效利用热量 Qs1 是指用于生产纳入《轮胎单位产品能源消耗限额》（GB29449-2012）统

计范围内的合格成品轮胎所消耗的热量。蒸汽的有效利用热量 Qs1 是计算蒸汽系统热效率的基础，Qs1

越大，说明蒸汽的热量被利用的比例越高，蒸汽系统的热效率就越高，反之则越低。因此，分析蒸汽

热平衡的目的就是在蒸汽的输入热量 Qsr 一定的情况下，尽量多生产合格的成品轮胎 ；或生产一定数

量的合格轮胎，蒸汽的输入热量 Qsr 最少。

蒸汽在输送过程中损失的热量 Qs2 主要是因输送距离造成蒸汽的压力和温度的损失，具体包括在

输送管道上安装的疏水阀组排出凝结水的热量损失和管道保温层散失的热量。为此，要求选择的疏水

阀组质量要可靠，安装的方式要符合要求，操作要正确，才能确保蒸汽质量并控制热量损失 ；对全部

裸露的热力管道及管件要正确保温，减少热量传递。保温设计的原则应该使保温对象的散热损失小于

国家规定的“允许最大散热值”；在保温材料的物理、化学性能满足工艺要求的前提下，应优先选用

导热系数低、密度小、价格低廉的保温材料 ；保温材料和保温厚度的选择，应使由于保温所花的材料、

安装、维修的成本和保温后的散热损失在整个寿命期内达到最低的费用。一般热力设备及管道多使用

无机保温材料。

用热设备及其附件和连接管道的蓄热及散失的热量 Qs3 是在轮胎生产过程中必不可少的热量损失，

但是一方面要把上述部位进行合理保温，尽最大可能地减少热量的损失 ；另一方面就是尽量集中连续

生产，避免生产频繁开停，造成相关部位的频繁蓄热和散热，减少无谓的热量损失。

进入设备或工艺过程交换的热量 Qs4 相当于生产合格成品轮胎之前的“热身”，虽然过程必不可少，

但是无法列入有效利用热量 QS1 中。由于蒸汽使用的方式是在设备或工艺过程中完成热量交换，因此

提高蒸汽热平衡效果必须强化传热。由传热原理可知，传热量 = 传热系数 × 换热面积 × 冷热平均温差，

因此强化传热的途径就有提高传热系数、增大换热面积、加大冷热平均温差等三条。强化传热不但可

以提高蒸汽的热效率、增加产量，而且可以适当缩小设备尺寸，产生综合效益。蒸汽在进行热量交换

时，主要利用其携带的热量和压力，在完成热交换后，温度和压力都会降低。为提高蒸汽利用率，可

将这部分压力和温度降低的蒸汽经过处理作为二次蒸汽继续使用，甚至还可以作为三次蒸汽再次使用，

充分利用其余热和余压，最后变成冷凝水。如果充分这个过程，则蒸汽的有效利用热量 QS1 就会增加。

生产的产品或工质带走的热量 Qs5 是必不可少的，但可以尽量减少或控制。例如，在轮胎正硫化

时需要蒸汽加热，但正硫化结束后需要降温，这时可以利用等效硫化原理，在正硫化结束前的适当时

间减少或停止供应蒸汽，利用蒸汽余热完成正硫化，这样不但可以减少蒸汽用量，而且可以缩短冷却

时间，节约冷却水 ；同时，在硫化结束进行内部冷却时，可将内冷软化水与过热软化水刚开始置换时

温度较高的软化水回收，可以节约热量。

蒸汽在完成热交换后最终都变成冷凝水，冷凝水也具有一定的热量 Qs6。为此，一方面要合理安装、

256

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

使用功能适宜的疏水器，减少蒸汽直接排放 ；另一方面要充分利用冷凝水的热量，并回收冷凝水。高

温冷凝水回收后可以增压用于生产车间或办公区域采暖，然后经过滤除去铁锈及杂质后输送到锅炉除

氧器，这样冷凝水中的热量就能得到有效利用。

其他原因损失的热量 Qs7 是属于除上述原因之外的热量损失，一般都是非正常原因造成。像在蒸

汽输送过程中，因遇到极端天气造成管道冻结、冻裂等，在抢修过程中势必会造成蒸汽的排放、泄漏，

其热量损失可以列入 Qs7 中 ；在轮胎生产过程中，所有废次品生产所消耗的热量不能列入有效利用热

量 QS1，也只能列入其他原因损失的热量 Qs7 中。虽然 Qs7 的产生都属于偶然，但是只要做好事前预防、

事中控制、事后完善，也可以尽最大可能地减少。

保持蒸汽热平衡的前提是蒸汽体系的稳定运行，因此，必须保证管道及设备的正常，减少泄漏及

其它可能造成热量损失的几率，则蒸汽热平衡就可以持续、有效运行。

4 结语

对轮胎企业而言，进行热平衡的目的就是通过热平衡检测、统计和分析，找出企业在用热方面存

在的问题，制定提高热能系统效率的措施，降低热能在轮胎生产成本中所占的比例，进而使轮胎产品

更具有竞争力。

张宇·了解脱硫，循环经济之路和潜在的市场影响

257

推动循环经济的新方式——脱硫技术及其潜在的市场影响

脱硫是破坏硫化胶料中形成的硫交联键的过程，几十年来一直被认为是橡胶回收的“圣杯”，因

为它可以提供废弃橡胶再利用的最佳途径。 尽管过去的脱硫技术在工业上不可行或不具有成本效益，

但是新的技术和行业对脱硫的采用证明脱硫技术值得更多关注。

脱硫有不同的方法，橡胶回收通常被误认为是脱硫或与脱硫同义。但与橡胶回收不同的是，现有

的脱硫技术可以优先打破硫化橡胶中的硫链，而不破坏橡胶分子的完整性。合适地硫化后，橡胶的许

多优良性能得以保留。这种硫化橡胶可用于各种高端和关键应用，包括新轮胎和翻新轮胎。

此外，将脱硫和循环经济纳入当前的业务实践中并不需要付出任何努力。通过协作和开放式创新，

尽管需要组织和前瞻性思维，但各个线性经济体可以组合成一个行业循环解决方案。 脱硫对市场和

行业的潜在影响是巨大的。 想象一下，通过充分利用废旧轮胎和现有技术，全球橡胶消耗量将减少

10% 以上。废轮胎橡胶的脱硫是可行的，应引起轮胎橡胶工业的重视。还需要注意的是，尽管本文着

重于废旧轮胎橡胶，但其他材料也是脱硫的理想选择，包括三元乙丙橡胶和丁基橡胶。

1 脱硫与回收之间的区别

再生橡胶已被定义为通过加热、化学试剂和强力研磨处理而得到的具有预硫化可塑性的硫化橡胶，

这是一种有用的橡胶复合材料。橡胶再生的研究活动可以追溯到 19 世纪中期。不久之后，查尔斯·古

德伊尔先生获得了硫化橡胶的专利。从那时起，各种回收技术得到了发展。橡胶的再生涉及橡胶的软

化和溶胀，以及由于剪切变形和化学作用引起的断裂反应，橡胶的黏度降低，因此，加工条件对再生

橡胶性能的作用已在早期进行了综述。通过回收，实现了几种键的断裂，例如碳 - 碳（C-C），碳硫（C-S）

和硫 - 硫（S-S）。但是，回收方法降低的黏度和恢复的可塑性主要是由于 C-C 断裂反应缩短了聚合物

分子。如今，由于对化学溶液处理的重视，北美的传统回收工艺几乎已经被淘汰。

橡胶的脱硫涉及破坏硫化橡胶中的硫化学交联键。 ASTM STP183A 将脱硫定义为“解聚，氧化和

增加可塑性的组合”。然而，脱硫被理解为是硫化过程的逆转，即在硫化过程中形成的化学键的断裂。

硫磺硫化过程中形成的键是 C-S 和 S-S，只有这样的键在脱硫过程中才被裂解。因此，脱硫是裂解硫

化橡胶的单硫化物（C-S-C），二硫化物（C-S-S-C）和多硫化物（C-Sx-C）交联的过程，同时使橡胶

聚合物分子的骨架保持完整。根据这些定义，将废橡胶转化为可重复使用的橡胶的大多数物理和化学

方法应归类为再生而不是脱硫。这些方法涉及随机切断化学键，而不是针对性地切断硫交联键。表 1

将此类过程分为物理和化学两类，之前已经回顾过。通过这些不同的方法在研究实验室以较低的生产

量实现脱硫是可能的，但真正的可行性测试是扩展到符合大型制造商需求的工业产量水平。

了解脱硫，循环经济之路和潜在的

市场影响

张宇 译

( 全国橡胶塑料设计技术中心，北京 100049)

258

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

表 1 橡胶回收 / 脱硫过程

物理过程 化学过程

机械的 自由基清除剂

热机械 亲核添加剂

微波 催化剂体系

超声波 化学探针

要区分涉及随机或交联断裂的过程，可以通过使用先前开发的理论来研究聚合物辐照过程中的交

联和断裂反应来完成。这一理论模型是基于这种反应产生的可溶性聚合物的数量的确定，Horikx 进一

步采用了该模型来模拟硫化橡胶中的随机和交联断裂。该理论考虑了脱硫过程之前和之后，脱硫程度

（交联组分密度的变化）与橡胶中可溶组分含量之间的关系。 硫交联共聚物的选择性裂解由等式（1）

表示，而随机断链由等式（2）表示，等式（3）用于计算交联指数 y。

图 1 Tyromer 脱硫过程示意图

选择性交联断裂 :

脱硫度 = （1）

随机断裂 :

脱硫度 = （2）

（3）

Ve = 交斜分数的密度

s= 可溶性馏分含量

y= 交联指数

1 = 脱硫前的值所用的索引

2 = 脱硫后的值所用的索引

这些模型方程式的预测可用于评估脱硫前后的交联密度和可溶性含量的实验数据。 这是以

Horikx 图的形式完成的，将可溶成分与脱硫程度进行了比较。

2 Tyromer 为轮胎行业提供的解决方案

滑铁卢大学化学工程系的 Tzoganakis 教授发明了一种超临界 CO2 辅助双螺杆挤出工艺，以对废

旧轮胎橡胶进行脱硫，如图 1 所示。将橡胶屑送入挤出机中，沿挤出机筒向橡胶中注入非常少量的超

临界 CO2。图 2 突出显示了 CO2 的作用，CO2 的作用是使橡胶膨胀并使硫交联键处于张力下，从而促进

其断裂并导致脱硫橡胶材料的生产。 这种脱硫的橡胶混合物被称为轮胎衍生聚合物，简称 TDP。

张宇·了解脱硫，循环经济之路和潜在的市场影响

259

图 2 超临界 CO2 在 Tyromer 工艺中对交联橡胶的溶胀和脱硫的作用

经过十多年的研究和发展，Tyromer 已经将这项发明商业化，并扩大了产量。该公司已经证明，

在不使用化学溶剂和化学试剂的情况下，有选择地打破硫链以保护橡胶网络是可能的。我们使用了

Horikx 图来评估 Tyromer 脱硫过程的结果，图 3 显示了来自各种类型汽车密封件的三元乙丙橡胶样

品的 Horikx 图，对可溶物含量与脱硫程度作了标绘。虚线表示根据方程式（1）的选择性交联断裂模型，

实线表示根据方程式（2）的随机断裂模型，空心圆圈代表实验数据。可以看出，实验数据分散在两

条线之间。这说明硫化程度和断裂过程的类型取决于三元乙丙橡胶材料和硫化过程中使用的条件。

图 3 从汽车密封件中脱硫的三元乙丙橡胶样品的 Horikx 图

图 4 显示了轮胎胎面切屑实验的 Horikx 图。这种橡胶切屑是通过磨碎卡车轮胎的胎面而产生的。

同样，虚线表示根据等式（1）的选择性交联断裂模型，而实线表示根据等式（2）的随机断裂模型，

空心圆圈代表实验数据。在这种情况下，实验数据非常接近虚线。这清楚地表明，由此产生的断裂类

型具有高度选择性，脱硫程度也相对较高。

260

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

图 4 脱硫的轮胎胎面屑样品的 Horikx 图

Tyromer 的标准生产线连续生产能力超过 700kg/h( 约 1500 磅 )。不使用脱硫化学品或化学溶剂，

不使用添加剂，制造过程中不产生废物。该公司于 2019 年开设了一家规模更大的工厂，为一家轮胎

制造商供货，在欧洲和中国拥有许可证，并希望继续在世界各地授权其技术，以对废轮胎产生最大的

影响。

脱硫和再生之间的重要区别是橡胶的无效程度和最终用途。 例如，在轮胎胎面胶料中，通常以

10％ -20％的量添加 Tyromer 脱硫橡胶，效果极好，而再生橡胶或 MRP 等改性橡胶粉的添加量为 4%-8%

时效果较好。 优化很重要，但是，在某些情况下，TDP 可以简单地放入母胶混炼胶中，效果也很好。

由于与废橡胶或再生橡胶相比，TDP 的结构更牢固，因此 TDP 可以用于更多的应用场合和以更高的用

量使用。 其适用于 ：

（1）新轮胎，胎面和胎侧。

（2）翻新轮胎（预硫化，模硫化）。

（3）输送机和物料搬运。

3 推动循环经济

循环经济是一种经济模式，产品在使用寿命结束后，会被回收利用，回到原来的预定用途。艾伦·麦

克阿瑟基金会，其使命是加速世界向循环经济的转型，可归结为以下几个主要问题 :

（1）废物和污染处理计划。

（2）保持使用中的产品和材料 ；延长寿命。

（3）再生自然系统。

这意味着要确定将废旧轮胎变成新轮胎的方法。在过去，事实证明很难将再生轮胎橡胶重新结合

到新轮胎中，因为该行业具有较高的标准和质量要求，而再生橡胶尚未满足这些要求。但是，通过调

整和组织各个线性经济体并在供应链中共同努力，可以控制质量，从而获得高质量、清洁、一致的可

回收材料，供轮胎行业轻松使用。

脱硫虽然很有前景，但并不是在轮胎行业实现循环经济的唯一技术。热解可以将废旧轮胎还原为

其基本元素，回收再生炭黑 (rCB)、石油、天然气和钢铁。通过低温研磨工艺制成的微粉化橡胶粉（MRP）

张宇·了解脱硫，循环经济之路和潜在的市场影响

261

的尺寸范围在 50~200 目 +，并且在用途和用量方面也在不断增长。由于废轮胎问题是如此巨大和广泛，

这些其他技术也将在更大的解决方案中发挥重要作用。

4 对市场的影响

脱硫对轮胎和橡胶行业的潜在市场影响是巨大的。 有机会改变行业消耗资源的方式，并减少生产

的化学再生橡胶的数量。不仅有利于环境，而且制造商、经销商以及最终的消费者都可以节省成本。

脱硫材料比原始材料便宜得多，现在将脱硫材料并入运营将使公司能免受未来天然橡胶成本上涨的影

响。

废旧轮胎的平均重量约为 20 磅，每年生产的废旧轮胎数量超过 10 亿。全球新轮胎年产量接近 30

亿条。利用废旧轮胎和脱硫技术，即使只是取代 5% 的原始材料，也能节约数十亿英镑的资源，并有

效减少温室气体排放。市场对硫化橡胶和其他再生材料的需求正在增长，但尚未达到行业标准。就像

任何新产品一样，它需要致力于开发。每个制造商都是不同的，每个公司都需要根据自己的配方和需

求优化材料。现在，通过将脱硫材料应用到生产中，技术团队可以获得对该产品的熟悉度和信心，从

而缓慢地提高负载水平和应用数量。当天然橡胶的价格上涨时，那些已经使用脱硫材料的人将具有很

大的竞争优势，并增加了抵御这种价格风险的能力。

中国是世界上最大的再生橡胶生产国，去年生产了约 500 万吨再生橡胶。 在许多情况下，中高端

再生橡胶可以用脱硫材料替代，价格相近，而且还具有额外的环境和可持续性优势。在生产如此数量

的再生橡胶后，仅添加 1％的化学物质（按重量计）就意味着每年将使用 1 亿多磅的额外化学物质。同样，

这需要更多的工作和经验，以优化和找到最佳配合，但事实是，脱硫材料变得越来越可行。

5 需要开放创新战略

轮胎和橡胶行业可能是保密的产业。公司拥有专利和专有配方，并进行秘密的研发项目。由于轮

胎制造业的庞大规模，微小的竞争优势被放大，必须加以保护。但是，如同许多新材料，包括硫化橡

胶一样，应该有信息和技术资源来促进研发与使用。

在脱硫方面，开放式创新并不需要泄露敏感信息。开放式创新更像是一种心态和共同努力的意愿。

各方之间应进行实质性对话，以制定一种对双方都适用的解决方案。 这对于测试和开发新配方和胶

料特别重要。 我们应该考虑到，尽管每个公司都有自己的一套评估和测试的流程和方法，但通过协作，

我们通常可以共同实现比个人努力总和更大的成就。共享信息和知识对轮胎行业成功和更广泛地采用

再生材料至为重要。

6 脱硫过程中仍然存在的挑战

尽管近年来脱硫技术取得了长足的进步，但仍然存在许多挑战，包括公众对回收材料的认识不佳，

需要进一步开发合成橡胶胶料以及控制原料的一致性和质量。

不幸的是，再生材料是次等质量或更低质量的代名词，并且人们普遍认为再生材料质量较差。废

旧轮胎的平均寿命为 5 年，因此橡胶的性能退化不可避免，并且随着时间的推移会发生降解。尽管脱

硫的轮胎橡胶质量总是会比原始橡胶稍差，但在正确的条件下，它的性能与原始橡胶非常相近，并且

可以替代优质的母胶。 然而，改变看法并不是一项快速或轻松的任务。橡胶行业的许多工作人员几

年前就听说过脱硫或尝试过脱硫，但却陷入了死胡同，或认为这行不通。它需要培养、沟通和实践经

验来打破历史思维过程。

脱硫面临的另一个挑战是对合成橡胶的加工，为了产生改变世界的影响，必须成功地将乘用轮胎

或轻卡轮胎脱硫。 虽然可以对合成胶料进行脱硫，但这些胶料的质量和物理性能通常比卡车和工程

轮胎等天然橡胶含量较高的胶料要低。

值得注意的是，影响脱硫橡胶质量的决定性因素是原料的来源和质量。仅使用干净的工厂废料作

262

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

为原料可以提供积极的结果，但这对废轮胎问题没有影响。由于不同类型轮胎的组份以及天然橡胶和

合成橡胶的变化量，并非所有轮胎都能脱硫。天然橡胶的脱硫往往比合成橡胶要高，这意味着主要由

乘用轮胎组份的碎橡胶的抗拉强度和伸长率比履带轮胎的碎橡胶低 25％，与工程机械轮胎和推土机轮

胎的橡胶渣相比，这一差距可能更大。但是，这并不意味着客运轮胎不能被脱硫并且所得到的材料将

用于轮胎中，这仅意味着负载能力将略微降低，并且像任何新材料一样，需要根据应用和质量要求进

行优化。由于脱硫材料几乎总是混入母胶中，而不是以 100％的比例使用，因此独立的性能并不能始

终提供最终胶料质量的明确指示，脱硫材料必须首先混入母胶中，然后与对照物进行比较。

由于不同类型的轮胎在硫化时会产生不同的结果，因此废轮胎的收集和随后的组织可以通过建立

标准化的碎屑橡胶等级来对脱硫产生有益影响。对于分类和组织废旧轮胎，类似于 #2、#3 等塑料回

收的方式，将提供更高水平的一致性和可靠性，这是轮胎制造所必需的。 尽管有些加工商已经这样

做了，但仍有许多加工商对所有轮胎的处理方式都是一样的，因为由此产生的碎屑橡胶可用于次级应

用，例如运动场填充料、田间草皮和性能不那么关键的基本成型产品。通过使各个线性经济体协同工作，

可以创建更可行的循环经济。

7 结论和行动号召

最终，脱硫技术将得到改进，为轮胎和橡胶行业创造真正的循环经济提供了最大的机会。这需要

进一步的技术和工艺开发，但潜在的影响应该超过所做的工作。如今，世界上最大的公司正在花费数

百万美元开发可持续的天然橡胶和不同来源的橡胶，如银胶菊，我们应该同样重视废轮胎和开发可持

续的回收解决方案。脱硫是为了从自然资源中提取更多的价值，并回归到减少、再利用、回收和更新

/ 回收的 4R 战略。当购买胶料时，买方应询问有关脱硫材料和相关的成本节约情况。 对于从事制造

和混炼橡胶的人来说，Tyromer 可以帮助客户探索脱硫的潜力以及如何降低成本并改变可持续发展战

略。

编译自《Rubber World》No.5/2019

张宇·为可持续的“绿色”炭黑创建新的行业标准

263

废轮胎是世界面临的最成问题的废物之一。 在全球范围内，每年生产约 24 亿条轮胎。随着轮胎

到达寿命的尽头，仅在欧盟内部，每年约有 340 万 t 轮胎成为废物，其中大部分被焚烧了。在世界许

多地方，轮胎仍在扔掉或填埋，导致全球有超过 100 亿条轮胎被扔到垃圾场中。每年在这些废旧轮胎

中的 450 万 t 炭黑都被浪费了。

通常，超过 95％的炭黑都是使用 “ 熔炉 ” 工艺从原油中生产的，需要大约 2~2.5L 油才能生产 1kg

炭黑。 因此，目前的炭黑生产污染程度高，每年排放超过 3 500 万 t 的 CO2，以满足每年约 1 400 万

t 炭黑的全球需求。 如图 1 所示，大量炭黑被用于轮胎工业。

图 1　炭黑市场

黑熊公司的循环解决方案对环境产生了巨大的积极影响。每条平均炭黑产量为 5,000t/ 年的生产

线可节省多达 100 万棵树木所消耗的二氧化碳。在解决报废轮胎的整个年产量问题时，这等于减少了

8 亿棵树木的二氧化碳消耗量，并减少了 1.45 亿桶的石油消耗，同时产生了超过 4 吉瓦的绿色能源。

从历史上看，生产稳定、高质量的绿色炭黑来代替炉法炭黑遇到了一些困难，例如高挥发物含量、

难闻的气味、高含量的有毒多环芳烃和其他有害物质（例如二恶英、呋喃、多氯联苯、五氯酚等），

低橡胶补强特性和产品可变性。虽然到现在为止，这些障碍基还没有得到解决，但来自荷兰的黑熊碳

黑公司已经能够在这些障碍方面取得突破。

1　过程

将废旧轮胎 “ 分解 ” 为许多原始组成物质。如图 2 所示，可以使用机械切碎，切片和制粒技术将

橡胶与钢死和织物分离。然后使用热解工艺将橡胶颗粒转化为两种主要产品（图 3）：

（1）±40 wt.％的碳质炭，可用来生产黑熊的优质炭黑

（2）±60 wt.％的热解气可产生能量

为可持续的“绿色”炭黑创建新的

行业标准

张宇 译

( 全国橡胶塑料设计技术中心，北京 100049)

264

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

图 2　机械轮胎造粒

图 3 裂解步骤

黑熊公司技术的一个重要区别特征在于，它可以生产出残留碳氢化合物的挥发物含量非常低（<1

wt.％）的焦炭。 至关重要的是，该焦炭还具有 <5 ppm 的相应低 PAH 含量，比 “ 低 PAH” 传统炭黑

低四倍。然后，通过解团聚工艺进行提质，从而将其氮表面积增加至一定水准，使其橡胶补强物质与

N330 炉法炭黑相当，其动态橡胶补强品质等于 N660。最后，将炭黑造粒以便于加工。最终产品的外观、

形式和体积密度与传统的炉法炭黑没有区别。

2　原料，化学成分和产品一致性

黑熊公司已充分评估了使用不同原料类型（来自不同轮胎种类）的效果，并研究了其化学成分的

潜在变化可在多大程度上影响其产品的增强质量。 显然，控制进料的质量非常重要，这样可以最大程

度地降低产品质量的潜在差异。 因此，黑熊公司①根据最佳化学成分对轮胎原料进行了标准化 ；②开

发了可验证每个单个轮胎化学成分的技术 ；③严格控制工艺参数，以确保最大的产品一致性。

产品中存在的无机成分包括二氧化硅、锌和硫醚化合物，以及铁、镁、钙、钛的氧化物以及微量的钠、

磷、铝和钾。

3　积极的环境影响

在黑熊工艺中使用废轮胎作为原料，作为传统熔炉过程中使用油原料的一种替代，对环境有巨大

的积极影响。每吨炉法炭黑不仅可以节省 2,000~2500L 原油，还可以减少空气污染，具有非常诱人的

碳足迹，并产生净绿色能源（图 4）。

根据欧盟可再生能源指令（RED），废弃物的碳足迹为零。 这导致每生产一吨炭黑可净减少约

张宇·为可持续的“绿色”炭黑创建新的行业标准

265

5tCO2（图 5），并从剩余的石油和天然气中产生净绿色能源。 与特种炭黑相比，每生产一吨炭黑可减

少约 10~12t 二氧化碳。

图 5 CO2 排放

4　产品测试选择

本研究中描述的黑熊产品，BBC TR30 和 BBC TR30S，是由黑熊在德国和荷兰利用各种工业规模

的研发收费设施生产的，BBC TR30 和 BBC TR30S 的化学组成见表 1。

表 1 BBC TR30 和 BBC TR30S 的相关重要统计

特性 测试方法 单位 BBCTR30 BBCTR30S

BET表面

区域 ASTM D6556 M2

/g 86 77

STSA ASTM D6556 M2

/g 69 62

OAN ASTM D2414 cm3

/100 g 96 88

二氧化硅 DIN EN 15309 % 5-7 24-26

FAH含量 FDAM63/GS18 Ppm <5 <5

总无机物含量 DIN 51719 % 12-16 30-35

在独立实验室以及顶级轮胎制造商和橡胶合成商方面已经进行了大量测试，可根据要求提供参考

资料。本文包括了这些测试的一部分 ：

（1）与标准炉法炭黑相比，BBC TR30 和 BBC TR30S 的技术特征在于 OAN 数和 BET 表面积。

（2）在荷兰的一家独立的橡胶测试实验室中，对 BBC TR30 和 BBC TR30S 的力学性能和动态

性能与多个 ASTM 等级进行了比较，包括 N326、N330、N347、N550 和 N660。 在 ASTM D3191，

图 4　其他排放

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

D3192 和其他天然橡胶应用配方中测试了性能。

（3）将 BBC TR30 和 BBC TR30S 在 ASTM D3192 天然橡胶配方中分别与标准 ASTM 等级 N330

和 N660 进行比较。对于 BBC TR30S，调整了交联密度（MH-ML）以补偿二氧化硅的影响。

（4）在包含约 30％ BBC TR30 的 EPDM 挤出配方中，将 BBC TR30 与 N550 进行了比较。 由于

其较低的结构，BBC TR30 的模量 / 硬度比 N550 低。因此，在该配方中，为了达到相当的硬度，炭

黑含量提高了 6%，油分含量降低了 7%。

图 6 BBC TR30 和 BBC TR30S 以及标准 ASTM 等级 图 7 BBC TR30 和 BBC TR30S 之间的性能比较

5　测试结果汇总

（1）结果比较了 BBC TR30 和 BBC TR30S 与几种标准 ASTM 等级的统计数据，如图 6 所示。

（2）BBC TR30 和 BBC TR30S 的力学和动态性能比较如图 7 和图 8 所示。

（3）图 9 显示了 BBC TR30 和 N330 之间比较的标准化结果，图 10 显示了 BBC TR30S 和 N660

之间性能比较的非标准化结果。注 ：对于所有值，高 = 好。

图 8 BBC TR30 和 BBC TR30S 之间的性能比较 图 9 BBC TR30 和 N330 的标准化结果比较

图 10 BBC TR30S 和 N660 之间的标准化结果比较

张宇·为可持续的“绿色”炭黑创建新的行业标准

267

在三元乙丙橡胶参考胶料中，BBC TR30 与 N550 的非标准化结果如图 11 所示。注 ：对于所有值，

高 = 好。

图 11 BBC TR30 与 N550 在 EPDM 参考胶料中的对比

6　结果与讨论

（1）BBC TR30 和 BBC TR30S 已被证实是多炉黑等级的多功能替代品，在多个应用领域中具有

技术性能优势。黑熊牌号的高表面积与相对低的结构 / 低的填料有效体积分数相结合，提供了高机械

强度与极低的滞后性、低的刚度、低的正切增量和低的 Payne 效应的非常独特的组合。因此，主要的

应用目标包括那些需要出色的动态补强性能的目标，例如轮胎，传送带，三角皮带，防振装置，压胶

料辊等。

（2）与 N330 相比，BBC TR30 具有可比或更高的机械强度，同时具有较低的模量 / 刚度和滞后

性的逐步改善。

（3）与 N660 相比，BBC TR30S 和 BBC TR30 被证明可以提供更高水平的机械强度，同时在动

态性能方面也有一些改进（较低的 tanδ）。

（4）与 N550 相比，BBC TR30 可以完全替代 N550; 但是，需要添加额外的 10％ -15％才能达到

相同的硬度。 一般观察 ：

a. 更高的机械强度 ；

b. 大大改善了弯曲疲劳和更高的回弹力 ；

c. 挤出型材上的非光滑表面高光洁度。

7　结论

许多潜在的客户和其他感兴趣方的评估和意见都证实了 BBC TR30 和 BBC TR30S 的技术性能，

可以在许多应用中完全替代 N330、N550 和 N660 炉法炭黑。 PAH 含量低于检测极限也被认为是一

个有吸引力的特征，特别是在食品和饮用水领域。

编译自《Rubber World》No.5/2017

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

我国废旧轮胎每年产生量已达到 1500 万吨，而这些废旧轮胎都是难于降解的材料，常年累月堆放

容易滋生传染病媒介，也容易产生火灾，而且占用大量的土地，形成了黑色污染 ；而在另一方面，这

些“黑色污染”的固体垃圾却全身是宝——有国家战略物资的橡胶，有工业粮食的钢材。我国是一个

橡胶匮乏的国度，80% 需要进口。因此废旧轮胎循环再生利用成了许多国人议论的焦点和行动的巨人，

废旧轮胎再生利用成了我国一道有特色的风景线。欧美国家基本没有废旧轮胎再生循环利用产业，其

废旧轮胎堆积成山，出台了谁处理消化多少废旧轮胎，国家就补偿多少钱 ；而在我国每年的循环再生

利用量达到了 500 万吨，占世界产量 80% 以上，使用的废旧轮胎不但没有得到补偿，而相反需要处理

消化废旧轮胎企业付费购买。可见我国废旧轮胎循环再生利用产业多么“火”。废旧轮胎循环再生利

用产业的迅速发展，促进了一项又一项脱硫技术与设备的诞生。如高温高压动态脱硫技术与设备 ；高

温常压连续螺旋脱硫技术与设备 ；双螺杆脱硫技术与设备 ；普通单螺杆脱硫技术与设备 ；超临界 CO2

脱硫技术与设备 ；多螺杆组合式脱硫技术与设备以及单螺杆连续复合脱硫技术与设备等等。

目前虽然有很多废橡胶再生方法，但是从成本、产品质量及性能稳定性，生产的环保性和技术成

熟程度等方面考虑，并不是所有的再生方法都适合工业化生产，然而人们在这过程中，不断发现问题

和不断解决问题推动着脱硫工艺与设备的技术进步。在工业革命开始后，出现了橡胶制品，然后又出

现了汽车轮胎，因橡胶轮胎制品在废旧以后难以降解，造成环境污染，况且废旧橡胶本身仍然具有使

用价值，因此人们很早就有通过再生利用废旧橡胶的想法和实践，促进了废旧轮胎循环再生利用脱硫

工艺设备的技术进步和发展。

1 废旧轮胎再生循环利用脱硫工艺与设备的技术进步

1.1 漂白粉沸煮脱硫工艺

在 1846 年，有人把废旧橡胶与主要的漂白粉加热煮沸。让废橡胶与漂白粉产生热化学反应，期待

其能达到断裂或溶胀橡胶 S-C 键和 S-S 键的目的。这是脱硫工艺最早的脱硫方法，但是这种脱硫工

艺热化学脱硫速度太慢需要沸煮几十个小时，而脱硫产品质量又低劣。为了提高脱硫工艺效率和产品

质量，人们发明了水油法脱硫工艺。

1.2 水油法脱硫工艺（静态脱硫工艺）

由于漂白粉沸煮脱硫工艺热化学反应速度太慢、效率低，同时产品质量低劣，1858 年人们为了提

高脱硫工艺热化学反应速度和提高产品质量，出现了水油法脱硫工艺。把原来漂白粉改成矿物油作为

脱硫的软化剂，有效地和快速地溶胀废旧橡胶中的 S-C、 S-S 键。为了进一步加速其热化学反应在脱

硫罐中注入 0.5 ～ 0.7Mpa 的加热蒸汽，同时为了增加热化学的反应面积，将按一定配合剂配比的物

料摊放在金属盘中 , 由此，增加脱硫效率和断裂 S-S、S-C 键的程度。初步解决了脱硫工艺的工业化

生产问题。这种工艺使用了脱硫罐，但物料是静止的，称静态脱硫工艺。然而，这种脱硫工艺虽然在

废旧轮胎循环再生利用脱硫工艺与

设备的技术进步与发展趋势

吕柏源 1,2，吕晓龙 1,2

(1. 青岛科技大学，山东 青岛 266042 ；

2. 青岛高机科技有限公司，山东 青岛 266000)

吕晓龙 等·废旧轮胎循环再生利用脱硫工艺与设备的技术进步与发展趋势

269

一定程度上提高了生产效率，从几十小时降低到约 10 小时，产品的质量也得到一定程度的提高，但

是对现代工艺生产来说，这种方法效率还是太低了，因此寻求一种更高效的脱硫工艺是人们追求的目

标。

1.3 高温高压动态脱硫工艺

为了在静态脱硫工艺中进一步提高脱硫效率和提高产品质量，人们在静态脱硫工艺中做了两大突

破 ：一是采用的蒸汽，从 0.5 ～ 0.7Mpa 提高 2.2 ～ 2.8Mpa，以加速物料的溶胀速度 ；二是采用了

搅拌装置的脱硫罐以便提高软化剂与物料之间的传热效果、溶胀速度与溶胀程度，达到了废旧橡胶的

脱硫效率和效果。这是德国人在上世纪 70、80 年代发明的脱硫工艺，这为废旧橡胶再生利用奠定了

工业化基础。在 80 年代，我国由中国橡胶工业橡胶司牵头，组织了“高温高压动态脱硫技术与设备”

的攻关小组，并考察了德国的动态脱硫技术，由此，我国有了第一代高温高压动态脱硫技术与设备，

并以最快速度获得了推广，形成了我国废旧橡胶再生利用的特色，一举成为世界废旧橡胶再生利用的

大国。可以说，动态脱硫技术对我国废旧橡胶工业的产业化作出了重大贡献。但是，随着社会的发展，

人们生活水平的提高，对环境的要求也越来越高，而高温高压动态脱硫工艺存在以下主要问题 ：（1）

在脱硫工艺中，物料需加入软化剂和有关配合剂，并加入大量的水，然后在脱硫罐中，用高压蒸气蒸

煮 2 ～ 4 小时，在加工过程中排出大量二次严重污染的水和二次污染的气，对环境造成极大的污染；（2）

它的工作是间歇式的，难予提高效率。（3）它的工作压力达到 2.2 ～ 2.8Mpa，有安全隐患等。为了

解决动态脱硫工艺存在的问题，人们发明了常压螺旋连续脱硫工艺。

1.4 常压螺旋连续脱硫工艺

高温高压动态脱硫工艺能生产出最优的再生胶，但是它非常严重的污染问题，安全隐患问题和间

歇操作问题也是显而易见的。在我国早在上世纪 80 年代就研制过常压螺旋连续脱硫工艺，但是作为

一个全新的新生事物并不是完备的，即使鉴定了也推广不下去，但是国内的许多企业家和研究人员，

认准了常压螺旋连续脱硫工艺能解决高温高压动态脱硫工艺存在的问题 ：（1）可以用干法（不加入水

和高压蒸气）代替动态脱硫工艺的湿法生产工艺，能有效的解决动态脱硫工艺的污染问题 ；（2）可以

用连续生产工艺代替动态脱硫工艺的间歇操作 ；（3）没有高压的操作工艺，防止了安全隐患。因此，

自 21 世纪开初以来，全国掀起了研制“常压螺旋连续脱硫工艺”的巨大热潮，并由国家工信部联节

【2016】217 号文件中明确了 ：“再生胶行业推广常压连续脱硫生产工艺，彻底淘汰脱硫罐”。然而，

在使用实践中出现了以下问题 ：（1）由于螺旋脱硫只使用热化学原理，导致 S-S、S-C 键断裂不完全、

不彻底，因此再生胶性能严重下降，国家为了适应常压螺旋脱硫工艺的推广，专门重订再生胶标准，

全胎胶拉伸强度从原来 9MPa 降低到 7MPa，伸长率从原来的 360% 降低到 240% ；胎面胶拉伸强度从原

来 14MPa 降低到 10MPa，伸长率从原来的 420% 降低到 300% ；（2）可靠性降低，由于其核心原件使用

的材质偏低以及密封件多，容易磨损和失效，导致无故障工作日的降低 ；（3）由于螺旋只有输送功能

没有自洁性功能，一旦造成停机，增加了维修和使用的难度 ；（4）由于螺旋转速太低给生产中更换品

种带来麻烦。在这种情况下。人们又在想办法去寻求解决上述问题的脱硫工艺。

1.5 双螺杆脱硫工艺

根据脱硫原理，再生过程必须打断 S-S、S-C 键，这时专家学者和专业研究工作者，很自然会想

到采用双螺杆脱硫是最佳的选择。一是解决了脱硫过程的剪切强度与剪切量问题，这是动态脱硫、螺

旋脱硫以及普通单螺杆脱硫所不能实现的 ；二是解决了粉状物料的喂料问题，实现正位移喂料，对产

能有保证。同时双螺杆脱硫满足了连续生产、封闭作业以及干法脱硫工艺，因此，双螺杆脱硫工艺应

运而生。然而，在实践中双螺杆脱硫工艺也存在以下问题 ：（1）由于驱动双螺杆，其工作部分的机筒

螺杆系统增加了成倍摩擦面积，则必须加大驱动功率，进而，增大了能耗 ；（2）双螺杆具有强大的剪

切功能，不易控制剪切量，而往往在脱硫过程中无论是 C-C 键，还是 S-S、S-C 键都在打断之列，过

度的剪切量影响产品的物理性能 ；（3）由于螺杆过剪切的产生，容易形成物料胶粘状，难予降低产品

的出料温度，增加了冷却的繁琐工艺 ；（4）双螺杆结构复杂，增加制造与加工困难，造价高，同时带

270

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

来维护保养的困难，运行成本高，不利于“低碳”的目标。

为了解决动态脱硫工艺，螺旋脱硫工艺和双螺杆脱硫工艺存在的问题，国内又掀起了一股升级螺

旋脱硫工艺和普通单螺杆脱硫工艺。

1.6 升级版螺旋脱硫工艺。

螺旋脱硫工艺实现了干法脱硫、连续作业和常压作业操作，对环保做出了贡献，但却影响了产品

的物理性能和产品的稳定性。针对这一工艺问题，螺旋脱硫工艺做了以下升级 ：（1）为了提高产品质

量和稳定性、均匀性，在螺旋脱硫机的前端增加螺旋搅拌系统，使排出的物料在较大容量的储料罐进

行均匀搅拌，实现在一段时间内排出的物料的均匀稳定性 ；（2）为了提高产品的物理性能和降低门尼

粘度，这里有多种升级版 ：一是采用多螺杆或捏炼螺杆或双螺杆以及增加一台挤出压片机 ；二是采用

多机一线进行精炼压片。以上升级版本，目标都是为了提高产品的稳定性，提高产品的物理性能以及

降低门尼粘度，这些升级版会有一定提高产品性能的作用，但是因为螺旋脱硫工艺具有脱硫“不干净”、

“不彻底”的先天缺陷，所以很难获得满意的效果。

1.7 升级版普通单螺杆脱硫工艺。

普通单螺杆脱硫工艺最先是用在废旧丁基胶脱硫生产中，因丁基胶键能比较低，门尼粘度比较低，

因此，丁基胶脱硫在一定温度和较低的剪切作用下能实现脱硫功能。但用在废旧轮胎脱硫中，因橡胶

烃分子间的键能较高，凭普通单螺杆的剪切量是难予打断 S-S 键，S-C 键的，因此，普通单螺杆难予

生产出稳定的、高性能的再生胶产品。为了提高产品的稳定性和物理性能，同样需采用上述螺旋脱硫

的升级版工艺，这样一来，导致生产线结构庞大，工艺过程复杂，但仍生产不出高性能产品。

1.8 组合式升级版普通单螺杆脱硫工艺

为了解决螺旋脱硫和普通单螺杆脱硫工艺的稳定性和物理性能问题，出现了一种组合式升级版单

螺杆脱硫工艺，目的是为了强化打断 S-S、S-C 键以及产品稳定性功能。其工艺过程如下图所示。

图 1 组合式升级版普通单螺杆脱硫工艺

本脱硫工艺，用了三层（台）大长径普通单螺杆代替六层的螺旋脱硫机，其目的有两个 ：一是具

有自洁性能，螺杆能高速运转和具有一定剪切功能，对提高产品物理性能有一定作用 ；二是即使突然

停电或事故，停车后也可以自行起动正常生产。从塑化螺杆出来的物料达到了 230 ～ 240℃，通过冷

吕晓龙 等·废旧轮胎循环再生利用脱硫工艺与设备的技术进步与发展趋势

271

却螺杆降温，然后输送到捏炼挤出机，挤出机料斗容量很大，它具有两个功能 ：一是把不同脱硫程度

的物料搅拌均匀 ；二是对物料进一步塑化。目的是期待物料进一步塑化，达到提高物理产性能的目的。

由于从捏炼机出来的物料其温度仍超过 100℃。因此，在三机一线中的精炼压片机均使用了致冷水。

这一组合式升级版普通单螺杆脱硫工艺，其对脱硫工艺思路很清晰，对脱硫效果有一定意义，也能起

到提高再生胶物理性能一定效果，但是工艺过程太复杂，设备太庞大，能耗太高。

1.9 超临界 CO2 脱硫工艺

在脱硫工艺的技术进步中，已解决了 ：湿法脱硫→干法脱硫 ；间歇脱硫→连续脱硫 ；开放式脱硫

→封闭式脱硫。但是，到目前为止，脱硫工艺尚未解决需要使用矿物软化剂或植物软化剂问题，国内

外许多学者都有过研究，当下加拿大滑铁卢大学研究超临界 CO2 脱硫工艺是最成功的。这种脱硫方法

从原理上来说是可行的，它利用超临界 CO2 具有超高的渗透物料能力，同样起到矿物软化剂的作用，

为后续打断 S-S 键，S-C 键奠定了基础。超临界脱硫工艺，首先将胶粉喂入与超临界 CO2 注入有密封

功能的双螺杆塑化机中，经塑化后进入精炼挤出成筒状，然后用割刀剖开筒状，并逐渐展开在运输带中，

随后进入光辊压片，进入冷却水槽，冷却后进入定量（定长）裁断，最后打包为成品。

超临界 CO2 脱硫工艺可以免除使用矿物等软化剂，这是作为技术进步的最大特点，但根据脱硫原

理和脱硫工艺来看，有以下方面需要思考 ：（1）物理性能低，难予生产中高性能再生胶产品 ；（2）工

艺过程复杂，设备庞大，能耗高，造价高（据说每套需 3000 万人民币）；（3）生产线需添加超临界高

压 CO2 设备，多了一道约束脱硫过程的可靠性因素 ；（4）在当今生产中都在追求“低碳”，而在脱硫过

程中一边制造 CO2 一边排放 CO2，不符合低碳原则。

1.10 单螺杆连续复合脱硫工艺

废旧轮胎循环再生利用脱硫工艺与设备技术，经过两代人的努力已经解决了以下问题 ：（1）从湿

法工艺进步到干法工艺 ；（2）从开放式工艺进步到封闭式工艺。从上述（1）（2）项的技术进步，基

本上解决了循环利用脱硫工艺的污染问题 ；（3）从间歇操作工艺进步到连续操作工艺 ；（4）解决了循

环利用脱硫工艺过程中的安全隐患问题等。 但到目前为止，综合各种脱硫工艺仍存在如下问题 ：（1）

脱硫过程要么“不彻底”、“不干净”，要么“过脱硫”，目前的脱硫技术很难稳定地（按常规配方工艺）

达到传统动态脱硫技术的物理性能（含拉伸强度和伸长率）；（2）工艺过程复杂，脱硫辅助设备庞大，

如增加混合搅拌系统、双螺杆、多螺杆或捏炼补充脱硫系统以及庞大的冷却系统等 ；（3）能耗高 ；如

双螺杆系统设备；（4）可靠性较差，如螺旋设备；（5）维护保养困难，运行成本高等。根据社会的发展，

技术进步的驱动，需要一种满足以下综合要求的脱硫工艺 ：（1）为了简化设备和工艺，要求脱硫过程

既能满足物料热化学功能和能同时满足断裂 S-S 键和 S-C 键的剪切功能 ；（2）在物料完成热化学功能

和剪切功能后，能同时要满足高温下（220 ～ 240℃） 迅速高效的连续冷却后处理功能。根据以上的

要求出现了一种单螺杆连续复合脱硫工艺与设备，其原理如图 2 所示。

图 2 单螺杆连续复合脱硫工艺原理图

从图 2 中可以看到 ：整套脱硫设备主要由三部份组成，一是配料系统，二是由单螺杆连续复合脱

硫单元和连续封闭式快速冷却单元有机组合的一体化脱硫系统，三是定量打包或三机一线。由于单螺

杆连续复合的脱硫与高效冷却特殊功能，实现了 ：（1）能生产出质量稳定性好的再生胶 ：全胎胶拉伸

强度 10MPa、伸长率 360%，胎面胶拉伸强度 14MPa，伸长率 420%, 门尼可控 40 ～ 80 ；（2）设备紧凑

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简洁 , 能耗低 ( 主辅机各 75KW)，占地面积小 ( 主辅机共长 15m；工作可靠（主辅机只有两个运动副），

维护保护工作量小，运行成本低 ；（3）生产效率高，在正常生产作业中，每小时产量约为 600Kg，可

达到 700 Kg，最高为 860 Kg ；（4）可生产絮状再生胶，也可生产片状再生胶 ；（5）初始投资小，同

时适合废旧轮胎或高分子弹性体（包括废旧丁基胶、丁晴胶、天然乳胶制品，三元乙丙胶等）工业化

推广使用。

单螺杆复合脱硫设备如图 3 所示。

图 3 单螺杆连续复合脱硫设备

社会的发展，市场的竞争，驱动着技术的进步。我国再生胶产业发展与进步也验证了这一规律。

但同时也要归功于我国再生胶行业老一辈奠定的产业基础，正因为有了这一丰厚“再生胶”产业的沃

土，为我国再生胶技术发展和进步提供了养分，为孕育了我国再生胶新技术的蓬勃发展作出了重大贡

献。再生胶行业通过近 40 年的努力，其产业从无到有、从小到大、从弱到强，从落后到先进，成为

废旧橡胶循环再生利用的大国，这是值得庆贺的，但技术的进步是无止境的，行业的同仁们要继续奋斗，

当前摆在我们面前必须解决的核心技术——连续精炼技术代替多机一线技术在等待着我们！

2 废旧轮胎脱硫再生循环利用技术的发展趋势

在人类社会中，社会的发展和技术的进步，这是不为人们意志而转移的客观规律。大到整个社会，

小到小小的行业，就废旧轮胎脱硫再生循环利用工艺和设备的技术进步和发展而言也充分证明这一客

观规律。从静态（水油法）脱硫→高温高压湿法动态脱硫→螺旋连续干法脱硫→双螺杆连续脱硫→普

通单螺杆脱硫→螺旋 / 多螺杆脱硫→普通单螺杆组合脱硫→单螺杆连续复合脱硫。技术进步是无止境

的，然而下一步脱硫技术的发展趋势如何？在这里笔者根据社会发展的要求，行业发展的规律以及笔

者多年思考、实践、技术转化与产业化过程的体会，谈谈脱硫再生循环利用工艺与设备技术的发展趋势，

期望能起到抛砖引玉的作用。

2.1 从降低物料键能和降低物料门尼技术看脱硫再生技术的发展趋势

“脱硫再生”应该是说“断硫再生”，然而在处理废旧橡胶时考虑到了 ：在塑化了的橡胶加上了 S

交联剂，经过加热将塑性的胶料又变成了弹性体，那么硫化胶的逆过程则应该是把硫“脱”出。其实“脱”

硫过程并没有把硫“脱”出，而是把橡胶中的 S-S 键、S-C 键、C-C 键断裂开来，把网状的分子结构

吕晓龙 等·废旧轮胎循环再生利用脱硫工艺与设备的技术进步与发展趋势

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变回线状结构而恢复它的塑性体。人们根据这一再生机理，发明了各种各样脱硫再生技术。再生机理

主要包括两大技术，一是降低 S-S 键和 S-C 键的键能技术，当键能趋近 0 时则结合键为趋于断裂状态，

降低键能是为下一步有效打断 S-S 键和 S-C 键奠定基础；二是如果“脱硫”再生到此结束的话，许多 S-S

键和 S-C 键没能彻底断裂，在一定条件下 S-S、S-C 键又逐步恢复到联接状态，为了较彻底断裂 S-S 键，

S-C 键和打断部分 C-C 键使再生胶的门尼粘度达到橡胶厂的工艺要求，这称为降低门尼技术。

2.1.1 从降低物料键能技术看脱硫再生技术的发展趋势

脱硫再生的废旧橡胶主要包含三种化学键，其键能分别为 C-C 键 332 KJ/mol、S-C 键 272KJ/

mol, S-S 键 268 KJ/mol。在脱硫第一阶段是采用降低键能的介质，如矿物油软化剂，植物油软化剂，

这类软化剂在热力作用下，对化学键产生溶胀达到降低键能目的 ；同样可以采用超临界 CO2 介质，在

热力和压力的作用下能有效渗透化学键而降低键能。在这一阶段从漂白粉沸煮胶粉法到水油法，到高

温高压动态脱硫法，到螺旋连续高温脱硫法，到普通单螺杆高温脱硫法等，在这一阶段中的发展解决

了干法代替了湿法脱硫，连续封闭脱硫代替间歇脱硫，进而解决了脱硫中水与气的二次污染问题，但

是对降低再生脱硫物料分子中的键能作用被弱化。与动态脱硫罐相比，动态脱硫罐可通过高温、高压

和作用时间来提高和优化降低键能的程度，而连续脱硫则受到了压力和时间的限制，则对降低键能

的程度也受到限制，也就是说连续脱硫“不干净”、“不彻底”，这是连续脱硫的先天不足，也因此为

了推广环保脱硫，对再生胶的生产标准也作了修改 ；拉伸强度全胎胶从 9MPa 降低到 7MPa，伸长率从

360% 降低到 240% ；胎面胶从 14MPa 降低到 10MPa，伸长率从 420% 降低到 300%。虽然连续脱硫影响

了脱硫再生产品的物理性能，但从国家层面来考虑，连续脱硫技术是发展趋势。

2.1.2 从降低门尼技术看脱硫再生技术的发展趋势

由于连续脱硫的先天不足，为了能改善这一缺陷，许多企业在连续脱硫工序后增加了大容量的储

罐搅拌系统，双螺杆（或多螺杆或行星螺杆），或捏炼挤出，然后再增加多机一线。所谓降门尼其本

质就是尽量断裂 S-S 键和 S-C 甚至涉及 C-C 键。在传统的脱硫再生由于在脱硫罐已充分对 S-S、S-C

键降低键能，因此在传统脱硫再生技术降门尼工序比较简单，就直接用上三机一线或多机一线就可以

了，但是采用多机一线存在以下问题 ：（1）能耗太高，其电耗约占了整个脱硫再生能耗的 50% ；（2）

由于是开放式炼胶 / 压片，产生环境污染 ；（3）难于适应连续生产 ；（4）只能生产片状再生胶，不能

生产粉状或粒状再生胶，难以适应工业化 4.0 的发展要求。到目前为止尚没有既能获得高质量再生产

品，又能连续封闭多功能的降门尼技术，但时代的要求，高质、高效、连续封闭多功能降门尼技术是

发展趋势。

2.1.3 从降键能、降门尼纵合技术看脱硫再生技术的发展趋势

从上述降键能、降门尼的过程都是泾渭分明的两个工序，因此其设备也可分为两类 ：一类是降键

能的设备，一类是降门尼的设备，导致技术和设备的复杂化，而且效果也不明显。为解决降键能、降

门尼在同一设备完成，其设备应具有以下功能 ：一是设备的传热强度与传热总量要满足降低键能要求 ；

二是设备的对物料中剪切强度与剪切总量要满足降门尼要求 ；三是对单元体的每一物料具有相同热量

和剪切量。按此要求有两种设备基本可以满足 ：一是双螺杆脱硫再生设备 ；二是单螺杆连续复合脱硫

再生设备。

（1）双螺杆连续脱硫再生设备

双螺杆最大的特点是正位移喂料，能保证物料持续有效的喂料 ；能保证物料在输送过程中受到二

根螺杆互相啮合的“C”小室的强力剪切 ；能保证物料在输送与剪切过程中得到相同的热量，因此双

螺杆在同一设备中可以同时实现脱硫（降键能）和降门尼的复合功能。

（2）单螺杆连续复合脱硫再生设备

按照常规普通单螺杆它只具备输送功能和较弱的剪切功能与较弱的混合功能，同时不具备正位移

的喂料功能，这与双螺杆功能相比都是弱项。事实上普通单螺杆除了有强制自洁性能外，它的作用基

本与螺旋脱硫没有多大的差别。然而，普通单螺杆突破了传统挤出机理后，并运用新的机理 ：①传热

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强度与传热总量机理 ；②剪切强度与剪切总量机理 ；③单元体混合机理 ；④自强制喂料机理的单螺杆

设计，实现了单螺杆具备了高效的传热功能，强力的剪切功能，高质量的混合功能以及快速的吃料功能。

由此实现了简单的单螺杆结构同时满足降键能和降门尼的综合功能。

单螺杆连续复合脱硫再生设备的出现。克服了双螺杆能耗高，过度剪切的（脱硫）产品、物理性

能较低、制造困难、初始投资大、维护保养困难以及运行成本高等缺陷。综上所述，根据绿色环保、

节能降碳、高质、高效、高性价比以及智能制造等要求，单螺杆连续复合脱硫技术与设备是当前脱硫

技术的发展趋势。

2.2 从精炼 / 压片技术看脱硫再生技术的发展趋势

精炼 / 压片技术实质是降门尼和包装产品前的一道工序，目前主要使用的是开放式精炼 / 压片生

产线（称多机一线），还有其他捏炼挤出技术的，因质量问题成不了主流精炼 / 压片技术。由于精炼

/ 压片技术对产品的质量、节能降碳、绿色环保以及智能制造有着重要作用，因此，国内外有关技术

专家和科技工作者都在研究，但从出现废旧轮胎再生循环利用产业以来，一直都沿用多机一线进行精

炼 / 压片，这也说明要突破目前技术中的间歇作业的开放式操作、污染环境和降低能耗等问题有很大

的技术难度，但是社会的发展，市场的激烈竞争，这一技术问题迟早一定会得到解决，实现连续封闭、

高质、高效、低耗的技术——挤出精炼技术代替多机一线技术是精炼 / 压片发展趋势。

2.3 生产过程中恒温加热冷却技术的发展趋势

在脱硫再生过程中，恒温加热冷却技术对产品质量和生产效率有着重要的作用。目前脱硫加热有

采用电加热、电磁加热、远红外加热、微波加热、蒸汽加热和热油循环加热等，这些加热方式有各自

的优点，但也有各自的缺点。在特指脱硫再生过程中的加热方式，如果采用电加热、电磁加热、远红

外加热或微波加热存在以下三个问题 ：①只能加热机筒外壳，不能加热螺杆或螺旋的芯部，这也只能

有一个外壳加热（传热）的工作面，难予实现高效的传热效果，影响脱硫质量；②由于机筒和螺杆（或

螺旋）质量较大，有较大的热容量，温度滞后现象严重，不容易控制脱硫温度，影响脱硫质量 ；③这

些加热方式在加热过程中只能升温加热，但没有强制的冷却降温功能，当脱硫物料在内摩擦和设备摩

擦产生的热量升温时没有冷却功能，产生脱硫温度波动，影响脱硫质量。前期的脱硫再生是采用蒸汽

加热的，此方式能节省生产成本，但将为淘汰 ；如果采用恒温热油循环加热方式，可以解决由电或电

引伸加热方式存在的问题，对产品质量的提高和质量稳定性很有帮助，但使用导热油会带来产生的油

气影响环境，这需增加环保装置。因此，如果考虑脱硫再生产品质量的稳定性则恒温热油循环加热是

发展趋势 ；如果考虑油气的环保问题则电加热和电引伸的加热方式是发展趋势。

在脱硫再生过程中，恒温加热冷却是必不可少的，恒温热水封闭循环冷却式是发展趋势。

2.4 再生胶产品性状的发展趋势

目前再生胶产品是以片状为主，这有它的历史原因。在动态脱硫罐脱硫出来的物料是颗粒状，虽

然脱硫了，但尚未获得稳定的脱硫产品，则必须通过多机一线精炼这种方式的加工，这必然是片状的。

由于传统习惯，大家认为再生胶应该是片状的，其实片状在下一个工序混炼加工时存在与其他组分物

料不易分散，同时在定量时给定量细分增加了困难。还有就是在经过多机一线高强度剪切打断了过多

的 C-C 键而影响了产品的性能，更重要的是多机一线增加了太多的设备，消耗了太多的电能和污染环

境，因此，目前的片状再生胶不是发展方向。在放弃片状再生胶后，其形态只有粒状、絮状和粉状再

生胶等。在加工中，粒状产品需造粒装置，同时给冷却带来困难 ；絮状再生胶虽然达到了主要物理性

能，但门尼较高 ML100℃（1+4）80 ～ 110，对后续加工有较高要求，不过有利于终端产品性能的提

高，同时对节能降碳和环保要求有积极意义，絮状再生胶若取得应用共识，有望成为行业的发展方向；

粉状再生胶是在絮状再生胶的基础上，增加一台连续封闭式高精炼设备，在 20 ～ 40 目胶粉脱硫后经

其连续精炼可获得精细 60 目左右的再生胶粉末，同时其物理性能达到了《GBT 13460-2008 再生橡胶

通用规范》再生胶标准要求，其在通过空气循环冷却后，经抽真空定量打包即成再生胶产品。这对再

生胶物理性能的提高，稳定性提高，方便用户使用，节能降碳，用途的扩展以及运输方便均有潜在的

吕晓龙 等·废旧轮胎循环再生利用脱硫工艺与设备的技术进步与发展趋势

275

积极意义。粉末状抽真空打包再生胶将是最有潜能力的发展趋势。

2.5 配料系统的发展趋势

按照目前脱硫再生技术与工艺配料的原理如图 4 所示。

图 4 脱硫再生技术工艺配料系统原理图

从原理图可以看到，原材料包括软化剂，一般软化剂在室温下是固体，加热到一定温度变成液体，

在配合过程中软化剂需加热到一定温度变成流体以便输送和定量，这就必须注意管道中保证一定温度，

如果温度变化，则影响软化剂流动性能，甚至凝固，因此软化剂保持恒温加热和整个系统的恒温，这

对系统的恒温配置（含全部输送管道）都有较高的要求，不然会影响生产效率，影响产品的物理性能

以及加大维护保养工作量。在较大规模化的生产中，采用软化剂供应商由恒温油罐（或共享油罐）直

接与用户对接，这样能极大节约能量和简化软化剂系统，这将是软化剂供料的一种发展趋势。胶料在

配置中采用拆包人工供料的方法，不但劳动繁重，而且需配备足够的人工，为了解决这一问题，胶粉

供应商需与用户对接，供应商胶粉在生产中直接输送到胶粉储藏罐（或吨装包）中，然后提供给用户，

并直接输送进用户的储罐中，这既解决供应商的包装工序和包装费用，也解决了用户的解包和上料花

费的人工，也同时解决了供应商和用户在生产中的粉尘污染问题。如果脱硫生产再生胶用户延伸到上

游而生产胶粉，可将胶粉用输送装置直接输送到配料系统。据此，软化剂与胶粉单独配料向供应商与

用户共享配料是配料技术的发展趋势。

综上所述再生胶循环利用技术有以下的发展趋势 ：

（1）废旧轮胎脱硫再生循环利用的单螺杆连续复合降键能、降门尼与物料连续封闭强制冷却的一

体化核心技术与相应的装备是发展趋势 ；

（2）连续精炼技术代替多机一线技术是发展趋势 ；

（3）粉末再生胶的真空定量打包代替多机一线片状打包是发展趋势 ；

（4）配料系统技术的发展趋势将是供应商与用户共享相关技术代替个体技术。

废旧轮胎脱硫再生循环利用技术发展趋势组合示意如图 5 所示。

图 5 再生胶循环利用技术发展趋势组合示意图