辛春林

1

，

2

  张月萌

1

*   姜博雯

1

   李岩

1

   刘士雄

1

   韩冬礼

3

   祁学智

4

摘

要：

为降低轮胎全生命周期所产生的环境影响，促进废旧轮胎再生利用，提升轮胎产业的环境效益与经济效益，针对白炭黑在乘用车用半钢子午线轮胎中的应用开展碳足迹研究。基于全生命周期理论并采用亿科eFootprint数据库，分别对全炭黑/白炭黑体系轮胎进行模型构建，对其生产阶段、运输、使用及废弃回收阶段进行全生命周期碳足迹开展对比分析。研究结果表明，轮胎使用阶段是碳足迹贡献最大的部分，其次是生产阶段；使用白炭黑替代炭黑作为补强剂可以在提高轮胎各项性能的同时，显著降低使用能耗，从而降低轮胎全生命周期的环境影响。

关键词：

半钢子午线轮胎；白炭黑；全生命周期；碳足迹；环境影响

中图分类号：

TQ33

随着经济的发展和科技的进步，汽车产量在不断增加，轮胎作为汽车的重要部件，其年产量与生产速度也在急剧攀升。根据最新统计资料，截至到2022年3月底，我国汽车保有量达到3.07亿辆，汽车驾驶人达4.50亿人

[1]

。随之带来的是废旧轮胎数量的激增及其由于处理不当而对环境造成的严重污染。2019年我国废旧轮胎达到约为3.3亿条，累计重量约为1380万吨，报废轮胎的数量以每年6%-8%的速度持续增长

[2]

。2020年我国废旧轮胎的产量约1420万吨，且在未来五年内有望增至2000万吨。国务院在一系列政策文件中多次提出要建设绿色制造体系，加强废旧轮胎再生资源的回收利用

[3]

，这也就为我国橡胶轮胎的未来提供了明确的发展方向。

随着“绿色轮胎”在我国的不断推进，白炭黑在轮胎中的应用和研究也更加广泛和深入。刘希春等人

[4]

介绍了绿色轮胎的含义及由来，根据白炭黑在普通轮胎和绿色轮胎中的应用，指出白炭黑所面临的发展机遇和挑战。Mokhnatkin等人

[5]

以三种比例在胎面胶中填充白炭黑与炭黑，使用松弛计测量三种橡胶共混物在30%伸长率下的应力松弛并进行比较。王银竹等人

[6]

研究白炭黑湿法混炼母胶在轮胎胎面胶中的应用，发现湿法混炼胶比干法混炼胶的生产能耗与胎面磨损均有不同程度地下降，成品胎性能也得到改善。Zheng等人

[7]

研究得出，通过两亲性聚氧乙烯脱水山梨糖醇单油酸酯等材料取代传统硅烷偶联剂，可以大大提高白炭黑的分散能力及其与橡胶基体的界面相互作用。

生命周期评价（LCA）方法系统化地评价了一类产品/设施全生命周期所消耗的各种资源、能源和环境排放及其对环境所产生的影响，包括原材料开采，产品生产、运输、使用和维护，直至废弃处置及回收再利用

[8]

。 “碳足迹”指某一产品或活动在生命周期内直接及间接产生的温室气体或二氧化碳排放，以二氧化碳当量（CO

2

 eq）为单位，通常用于衡量产品的生命周期环境影响。本研究基于生命周期理论，采用亿科eFootprint数据库构建了全炭黑和全白炭黑两种不同补强体系的轮胎模型，并从轮胎产品供应链的视角出发，将价值链排放纳入碳足迹核算范围。通过两模型全生命周期的对比分析，得到全白炭黑补强体系的应用对轮胎碳足迹所产生的影响，进而提出改进建议，为绿色轮胎的发展提供借鉴。

1研究方法与数据清单

1.1

研究方法

本文以乘用车用半钢子午线橡胶轮胎作为研究对象，从我国目前轮胎行业供应链的流通模式与实际情况出发，采用亿科eFootprint数据库，针对轮胎产品的原材料及不同阶段能源消耗，从全生命周期的角度进行环境影响评价。轮胎产品的供应链主要包括三个环节：上游原料、中游生产、下游应用及回收，其中涉及轮胎原料供应、轮胎生产、汽车生产和废旧轮胎回收等企业。各环节及企业所产生的碳足迹主要包括两种排放源和三项基本活动。两种排放源包括直接排放与间接排放；三项基本活动分别是轮胎生产（包括原材料生产、轮胎零部件生产和成品胎生产）、轮胎运输和使用、轮胎回收（包括轮胎废弃回收及再处理）。因此本文中轮胎产品生命周期碳足迹的核算范围除了包括温室气体范围1（直接排放）和范围2（间接排放），同时也创造性地纳入了排放范围3（价值链排放），有利于从供应链的角度促进企业上中下游协同降碳。由此绘制乘用车用半钢子午线轮胎的全生命周期环境影响评价边界如图1所示。

图1 轮胎全生命周期环境影响评价边界

Fig. 1 Boundary of tire life cycle environmental impact assessment

1.2

清单分析

1.2.1生产工艺分析

半钢子午线轮胎一般包括胎面、胎体、胎侧、带束层、胎圈、内衬层和胎体帘布七个主要的组成部分

[13]

。其生产过程可以划分为胶料密炼、胶部件准备、成型与硫化四个工序流程。轮胎在每个生产工序所投入的原材料、能源、设备及产物如表1所示。

表1 轮胎各生产工序投入与产出

Table 1 Input and output of each tire production process

1.2.2清单数据来源

1）生产阶段的清单数据来源于国内大型半钢子午线轮胎生产企业近五年的环境影响评价报告。对报告书中的物料平衡表进行分析，根据轮胎产量折算出1t轮胎生产的原材料（天然橡胶、合成橡胶等）和能源（电、水等）单耗；结合五篇以上同类型的环评报告，将产品单耗加权求取平均值，从而得到生产阶段原辅料及能源投入的消耗数据。1.2.2清单数据来源

2）运输和使用阶段的清单数据来源于相关文献及中国汽车技术研究中心等行业资料，具体研究和计算过程见2.3.2。

3）废弃回收阶段的数据来源于近五年废旧轮胎再利用项目的企业环境影响评价报告。输入数据来源于报告书中的原辅料和能源消耗表，输出数据来源于物料平衡表。根据废旧轮胎的消耗量折算出1t废旧轮胎再利用的能源（电、水等）单耗以及主要产品（再生胶、再生钢圈和钢丝）的输出情况。结合五篇以上同类型的环评报告，加权求取平均值。

4）基于等量替代的原则，白炭黑与炭黑的消耗量选用相同数值；全白炭黑体系需配合硅烷偶联剂应用，其添加量一般为白炭黑用量的8%。因数据皆来源于行业或企业资料，因此本研究可以代表行业平均水平。

1.2.3数据收集与整理

轮胎全生命周期的数据分为轮胎生产、轮胎运输和使用以及轮胎废弃回收三个过程单元，本研究对其中的原材料、能源消耗以及环境排放进行了原始数据的收集，主要分为实景过程数据和背景过程

数据两部分。表2为全炭黑/白炭黑体系两种轮胎原材料投入的清单数据。

（1）实景过程数据。本研究实景过程包括天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶以及炭黑/白炭黑等原材料的生产过程，其上游数据来源于近五年相关原材料建设项目的环境影响评价报告及其他行业资料，清单数据的整理方式与生产阶段相同，因此可以代表行业平均水平。忽略了如三异丁基铝、氢氧化钠等重量比在1%以下的物料的上游数据收集，忽略比重共计2.21%，符合CLCD取舍原则要求。

（2）背景过程数据。硫磺、氧化锌等原材料生产过程以及能源消耗，采用了CLCD-China-ECER 0.8中国生命周期基础数据库进行了上游数据的连接。

表2 轮胎原材料消耗清单数据

Table 2 Tire raw material consumption list data

2

轮胎全生命周期建模

2.1

轮胎全生命周期结果分析

采用eFootprint软件对使用不同补强体系的子午线轮胎进行模型构建，模型1为全炭黑体系子午线轮胎，模型2为全白炭黑体系子午线轮胎。通过模型计算可以得到两种轮胎全生命周期对于环境的影响，贡献值如表3。表3 轮胎全生命周期环境影响贡献值

Table 3 Contribution of tire life cycle environmental impact 

2.2

轮胎单元过程结果分析

总体分析可得，GWP 、PED和WU三项指标对轮胎全生命周期的环境影响最为关键，因此对这三项指标进行着重分析。从GWP指标来看，全炭黑体系轮胎为12166.14kg，而全白炭黑体系轮胎为11639.36kg，减少约526.78kg，以每人每月产生约132kg二氧化碳排放进行估算，相当于一个普通居民近四个月所产生的排放量。从PED指标来看，全炭黑体系轮胎为532951.93MJ，全白炭黑体系为500450.54MJ，减少32501.39MJ，以全球人均一次能源消费量75700MJ

[14]

进行估算，相当于一个普通居民约157天所消耗的能源。对于WU指标，全炭黑体系轮胎为79486.02kg，全白炭黑体系为85361.43kg，增加了5875.41kg的水资源消耗。

两种模型在生产、运输使用和废弃回收三个阶段的环境影响累计贡献如表4所示。总体分析可得，轮胎生产和运输使用阶段是对GWP、PED以及WU三项指标贡献最大的部分，说明这两个阶段是轮胎二氧化碳排放及能源、水资源消耗的主要来源；而轮胎废弃阶段对于指标的贡献占比均为负值，说明通过废旧轮胎回收利用有效产生了环境效益，可以抵消掉一部分的二氧化碳排放，同时显著降低能源和水资源消耗。因此为了降低轮胎全生命周期环境影响，生产和使用过程理应是我们重点改进的部分，这也与目前相关研究保持一致。

表4 轮胎各阶段累计贡献占比

Table 4 Cumulative contribution proportion of tire at each stage

通过对比分析可得，模型2相比模型1在生产阶段分别降低约190.03kg的二氧化碳排放和14133.25MJ的能源消耗，但增加了7504.79kg的水资源消耗；在运输使用阶段，分别降低336.75kg二氧化碳排放、18368.15MJ能源和1629.38kg水资源消耗；在轮胎废弃回收阶段，由于两模型采用了相同的再利用方式，因此对于环境影响的贡献值基本保持不变。表5为两模型各阶段环境影响累计贡献值。

表5 轮胎各阶段累计贡献值

Table 5 Cumulative contribution value of tire at each stage

2.3

过程累计贡献分析

2.3.1轮胎生产阶段累计贡献分析

总体可以看出，在轮胎的生产过程，对于环境影响较大的原材料包括炭黑、丁苯橡胶、顺丁橡胶以及钢丝帘线，主要能源为电力和蒸汽，累计占到整个生产过程贡献的80%以上，是轮胎生产阶段环境影响的关键因素。图2、图3和图4分别为模型1、2在轮胎生产过程所投入原料或能源消耗的GWP、PED和WU指标的贡献占比。

对于GWP和PED指标来说，白炭黑的贡献占比要显著低于炭黑。根据模型测算，每生产1kg炭黑，产生约3.21kg二氧化碳排放和118.42MJ的能源消耗；而生产1kg白炭黑，所产生的二氧化碳排放及能源消耗分别为1.81kg和49.35MJ。从炭黑的上游生产过程来看，其主要原料油（蒽油、洗油）皆来源于石油、煤焦油等烃类物质。根据实景过程调研，每生产1kg的炭黑，大概需要1.6kg左右的原料油。在炭黑的制造过程中，会产生大量的二氧化碳、氮和硫氧化物的排放，造成严重....