再生汽车塑料.docx

再生汽车塑料研究报告序论1.1课题背景随着我国社会经济的迅速发展，汽车作为一种交通工具，将会在社会生活中发挥越来越重要的作用，我国汽车社会保有量将会有大幅度的增长，预计到2010年，我国汽车社会保有量将达到3200万辆。汽车购买、使用和报废是汽车消费的三部曲，随着保有量的增加，汽车报废量也在不断增加，目前，我国每年的废旧汽车约为145万辆左右，预计到2010年，将有超过350万辆的废旧汽车需要报废。同时，相关资料显示1，我国汽车塑料用量在逐年增大，轿车平均使用量为70 kg，汽车塑料年用量在2005年时就已达到40万吨，预计到2010年，我国的汽车塑料总用量将达到80万吨左右。采用塑料制造汽车部件的最大好处是减轻了汽车重量，但是随着汽车报废量的增加，汽车塑料的回收成为社会关注的重点。一方面，汽车塑料种类繁多，使得塑料分类困难；另一方面，由于塑料存在老化问题，使得回收的汽车塑料零部件再使用和再制造的可能性很小，也降低了塑料的回收利用价值。废旧塑料不能有效回收利用，是制约汽车可回收利用率提高的主要因素。因此，研究汽车塑料的回收利用技术，对于节能环保和促进汽车工业的可持续发展，具有重要的意义。1.2国内外研究现状1.2.1汽车塑料回收利用相关法规欧盟成员国、日本、韩国及中国等汽车生产和消费大国，在历经多年的汽车工业发展道路之后已充分意识到，报废汽车的处理问题已不容忽视，做好回收利用工作势在必行。为此，这些国家已陆续出台报废汽车处理的相关法规，对汽车回收利用1出了一系列的要求。2000年9月18日，欧盟发布了代号为2000/53/EC的报废汽车回收指令，及2002年6月27日发布补充文件2002/523/EEC，提出了一系列报废汽车回收利用的目标，包括到2005年报废汽车中回收利用率按重量计算要达到85%，到2015年达到95%2,3。2002年9月，日本国际贸易与工业部制订了汽车回收利用法，并于2005年1月1日正式实施4。该法案提出日本报废车再生利用的中长期目标，即2005年日本汽车实际回收利用率为88%，2010年为92%，2015年为95%。韩国的汽车回收法是作为“电气电子产品及汽车的资源循环法”的一部分，制定于2007年4月，2008年1月1日开始被正式实施5。该法规规定了报废汽车的回收利用率，从2008年开始，提高报废汽车的回收利用率到85%以上，2015年1月1日开始，努力达到95%以上，并要求相关行业者必须遵守此规定。2006年2月6日，我国颁布了汽车产品回收利用技术政策，提出了废旧汽车回收率的三个阶段的目标6。第一阶段目标：2010年起，所有国产及进口的M2类和M3类、N2类和N3类车辆的可回收利用率要达到85%左右，其中材料的再利用率不低于80%；所有国产及进口的M1类N1类车辆的可回收利用率要达到80%，其中材料的再利用率不低于75%。第二阶段目标：2012年起，所有国产及进口汽车的可回收利用率要达到90%左右，其中材料的再利用率不低于80%。第三阶段目标：2017年起，所有国产及进口汽车的可回收利用率要达到95%左右，其中材料的再利用率不低于85%。在现代汽车中，塑料比重为达10%-15%7，是比较难回收的汽车材料。而从上述法规可知，各国对汽车材料回收率都提出了很高的要求。因此，需要加大汽车塑料的有效回收利用，才能满足这些法规的回收利用率的要求。1.2.2汽车塑料回收利用关键技术（1）汽车塑料的可回收性设计技术（2）汽车塑料的识别技术（3）汽车塑料的分离技术（4）汽车塑料的高效拆解技术（5）汽车塑料的回收利用技术1.2.3典型汽车塑料件的回收利用技术（1）保险杠的回收利用技术（2）仪表盘的回收利用技术（3）燃油箱的回收利用技术（4）座椅的回收利用技术（5）地毯的回收利用技术（6）散热器水室的回收利用技术（7）照明灯罩的回收利用技术第二章汽车塑料LCA分析与回收利用实证技术清单研究2.1常用汽车塑料简介(1)聚丙烯（PP）(2)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）(3)聚乙烯（PE）(4)尼龙（PA）(5)聚碳酸酯（PC）(6)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）2.2汽车塑料LCA分析2.2.1产品生命周期分析方法2.2.2汽车保险杠的生命周期建模2.2.3汽车保险杠全生命周期单元过程清单分析2.2.4产品生命周期评估分析结论本研究通过详细的清单分析，计算了汽车保险杠产品生命周期的能源消耗和环境排放，结论如下：（1）生产单元消耗的总能量主要为电能，共为50.8472千瓦时，占整个汽车保险杠生命周期能耗74.43千瓦时中的很大一部分。而在每7.46kg报废保险杠（2个）中，整个的回收再利用单元所耗费的能量只占到了生产单元的1/6，因此，可以间接看出保险杠回收再利用的巨大价值。（2）汽车保险杠的原材料是原油。每生产2个使用回用料的保险杠（7.46kg），就可以用1kg的回用料代替原油，省下4.5kwh的能量。在当今石油消耗巨大，作为一个世界上比较主要的石油进口国，任何能够节省石油和能源的方式都有其重要的意义。（3）整个汽车保险杠生命周期的废气排放量为CO2为15830.66g，SO2为164.63g，CO为2.46g，NOx为73.16g，主要来自于电能的生产。2.3汽车塑料回收利用实证技术清单研究2.3.1探讨车用材料回收利用实证技术2.3.2探讨汽车塑料回收利用实证技术2.4本章小结本研究首先开展了汽车保险杠的产品全生命周期评估，研究结果表明：保险杠的生产是能源消耗的主要环节，而回收再利用环节的直接能源消耗不多；保险杠的原材料是石油，通过回收再利用，每生产2个使用回用料的保险杠（7.46kg），就可以用1kg回用料代替石油；保险杠的环境排放则主要来自所消耗的电能生产。因此，通过汽车保险杠的回收再利用，可以获得可观的节能减排效果。其次，在对汽车塑料回收利用技术进行文献综述和开展汽车保险杠产品生命周期评估研究的基础上，按物理再利用、化学再利用和能量回收三个层次，建立了225张汽车塑料回收利用实证技术清单，为我国车用材料回收利用实证技术的标准化提供科学依据和理论指导。第三章汽车塑料中红外识别技术研究3.1汽车塑料识别技术(1)外观识别法(2)燃烧识别法(3)密度识别法(4)浮选识别法(5)热分析识别法(6 )X射线荧光识别法（XRF）(7)中红外光谱识别法(MIR)(8)近红外光谱识别法(NIR)(9)摩擦静电识别法3.2汽车塑料中红外识别法3.2.1傅立叶变换红外光谱仪工作原理3.2.2仪器简介（IR200傅立叶变换红外光谱仪识别系统）3.2.3试验步骤3.2.4开发汽车塑料中红外识别数据库3.3本章小结报废汽车非金属零部件回收再利用的最大困难是其识别和分离，从而限制了报废汽车再利用率的提高。本研究在参照9种汽车塑料塑料技术的基础上，建立了由中红外光谱仪、衰减全反射（ATR）附件和自行开发的“汽车塑料中红外谱图库”构成的“汽车塑料中红外识别系统”。该谱图库包含了200多种汽车塑料中红外谱图，为后续开发实用、有效的报废汽车塑料识别技术和方法提供了识别基准。第四章汽车塑料近红外识别技术研究4.1近红外光谱技术4.1.1近红外光谱技术原理4.1.2近红外光谱仪的基本构成4.1.3近红外光谱技术在塑料识别中的应用4.2近红外光谱仪识别系统硬件开发4.2.1光谱仪的选型4.2.2测样器件的选型4.2.3测试台架的设计与开发4.3近红外光谱仪识别系统软件开发4.3.1汽车塑料近红外光谱的采集4.3.2建立数学模型的方法4.3.3功能模块设计4.4近红外光谱仪识别系统的使用与结果分析4.4.1近红外光谱仪识别系统的使用4.4.2结果分析4.5本章小结为适应报废汽车拆解现场识别的要求，本课题以PP、PE、ABS、PA、PC、PMMA等六种汽车塑料为识别对象，研究和开发了光栅色散型“报废汽车塑料近红外识别系统”。该系统采用BTC261型InGaAs阵列近红外光谱仪、积分球测样器件、钨丝灯光源、光纤反射探头、测试台架和电源组件构成，化学计量学软件系统由样品采集模块、模型建立和校正模块、样品检测模块等三部分组成。样品采集模块的功能是采集样品光谱，形成样品集文件用于建立定性校正模型以及未知样品的检测。模型建立和校正模块的功能是针对样品集，通过采用光谱预处理算法和建模模型算法，建立定性校正模型。其中，光谱预处理算法采用Savizky-Golay平滑、Norris微分和中心化处理等三种算法，建模模型算法采用主成分分析结合马氏距离的模式识别算法。样品检测模块则针对未知样品的光谱，通过模型预测，给出定性结果。测试结果表明，系统识别准确率超过95%，满足现场识别的要求。但由于光谱仪波段的限制（9001700nm），该系统在识别黑色塑料时，识别正确率较低。第五章摩擦电序法识别技术研究5.1摩擦电序识别和静电分离法及其在汽车塑料回收利用中的应用5.1.1摩擦电序法原理5.1.2摩擦电序法识别汽车塑料5.1.3摩擦筒分离汽车塑料5.1.4电晕充电带分离汽车塑料5.2摩擦电序法识别技术的基础研究5.2.1摩擦电序实验基础研究5.2.2摩擦电序识别电路的开发5.3本章小结本章首先针对课题开发的近红外识别系统的不足，探讨了摩擦电序识别和静电分离方法的基本原理及其在汽车塑料分离中的应用，并认为这是提高报废汽车塑料识别准确率和进行大规模分离的重要技术手段。其次，开展了汽车塑料摩擦电序法识别技术的基础实验研究。一是通过利用法拉第筒检测摩擦静电的大小和极性，得出各种塑料在摩擦电序表中的位置：(+)PAPMMAPC+ABSABS铜PPPE(-)，该摩擦电序不受塑料样品颜色和添加剂的影响。二是利用摩擦电序法原理，开发了可识别PP和ABS两种汽车塑料的摩擦电序识别电路。第六章总结与展望6.1总结汽车轻量化技术使汽车塑料的用量越来越大，在报废阶段，由于种类繁多、识别分离困难，导致不能有效回收再利用，制约了汽车产品实际回收利用率的提高。因此，研究报废汽车塑料的识别技术，对于汽车行业推行循环经济、促进可持续发展具有重要的意义。本文在对汽车塑料回收利用技术进行文献综述和开展汽车保险杠产品生命周期评估研究的基础上，按物理再利用、化学再利用和能量回收三个层次，建立了汽车塑料回收利用实证技术清单，为我国车用材料回收利用实证技术的标准化提供科学依据和理论指导。其次，建立了汽车塑料中红外识别系统，开发了汽车塑料中红外谱图库，为后续开发实用、有效的报废汽车塑料识别技术和方法提供了识别基准。第三，为适应报废汽车拆解现场识别的要求，以PP、PE、ABS、PA、PC、PMMA等六种汽车塑料为识别对象，研究和开发了报废汽车塑料近红外识别系统，测试结果表明，系统识别准确率超过95%，满足现场识别的要求。最后，针对汽车塑料中的碳黑严重影响近红外识别准确率之不足，开展了汽车塑料摩擦电序法识别技术的基础实验研究，探讨了摩擦电序识别和静电分离方法在汽车塑料分离中的应用前景，并认为这是提高报废汽车塑料识别准确率和进行大规模分离的重要技术手段，为报废汽车塑料的大规模识别分离提供了新思路。6.2主要研究结论（1）汽车保险杠的产品生命周期评估研究表明：保险杠的生产是能源消耗的主要环节，而回收再利用环节的直接能源消耗不多；保险杠的原材料是石油，通过回收再利用，每生产2个使用回用料的保险杠（7.46kg），就可以用1kg回用料代替石油；保险杠的环境排放则主要来自所消耗的电能生产。因此，通过汽车保险杠的回收再利用，可以获得可观的节能减排效果。（2）汽车塑料中红外识别系统由Nicolet IR200型傅立叶变换红外光谱仪、衰减全反射（ATR）附件和自行开发的“SJTU汽车塑料中红外谱图库”构成。该谱图库包含了200多种汽车塑料中红外谱图，为后续开发实用、有效的报废汽车塑料识别技术和方法提供了识别基准。（3）光栅色散型“报废汽车塑料近红外识别系统”的硬件系统采用BTC261型InGaAs阵列近红外光谱仪、积分球测样器件、钨丝灯光源、光纤反射探头、测试台76架和电源组件构成，化学计量学软件系统由样品采集模块、模型建立和校正模块、样品检测模块等三部分组成。样品采集模块的功能是采集样品光谱，形成样品集文件用于建立定性校正模型以及未知样品的检测。模型建立和校正模块的功能是针对样品集，通过采用光谱预处理算法和建模模型算法，建立定性校正模型。其中，光谱预处理算法采用Savizky-Golay平滑、Norris微分和中心化处理等三种算法，建模模型算法采用主成分分析结合马氏距离的模式识别算法。样品检测模块则针对未知样品的光谱，通过模型预测，给出定性结果。测试结果表明，系统识别准确率超过95%，满足现场识别的要求。但由于光谱仪波段的限制（9001700nm），该系统在识别黑色塑料时，识别正确率较低。（4）针对近红外识别系统的不足，研究了报废汽车塑料的摩擦电序识别技术基础。利用法拉第筒法建立的汽车常用塑料摩擦电序为：(+)PAPMMAPC+ABSABS铜PPPE(-)并且不受样品颜色和添加剂的影响。利用摩擦电序法原理，开发了可识别PP和ABS的摩擦电序识别电路，根据被测塑料在摩擦电序中的位置，选择适当的摩擦基准材料，通过静电极性的逻辑判