2.4 废塑料和废橡胶的组成及能源化利用方法
近年来，随着各国经济水平的不断改善，人们对生活品质的要求也日益提高。为满足人民群众日益增长的对美好生活的需求，大棚蔬菜种植、通信、交通运输、快递、服务等行业得到了迅猛发展，塑料、橡胶制品的生产量和消费量大规模增加，但同时也产生了大量的废弃塑料与橡胶，如大棚蔬菜种植行业产生的废弃农用地膜、废弃手机、快递行业产生的废弃塑料袋与食品包装盒、交通行业产生的废弃轮胎等。
2.4.1 废塑料的组成
塑料因具有优异的化学稳定性、耐腐蚀性、电绝缘性、绝热性、优良的吸振和消声隔声性能，能很好地与金属、玻璃和木材等其他材料粘接，广泛用于各领域和各行业中，如大棚蔬菜种植用的农用地膜，家用电器和电脑的外壳，通信行业使用的手机外壳，居家生活用的塑料盆、塑料拖鞋、塑料桌椅、塑料门和塑料窗等。另外，随着近几年外卖、快递、电商等新业态的发展，塑料餐盒、塑料包装等的消耗量迅速上升。这些塑料制品在完成使用功能和达到使用寿命后，即成为废塑料。同时，这些塑料制品生产过程中产生的边角料和废品等，也是废塑料的来源之一。目前我国每年产生的废塑料量约为3500万吨。
不同地区和城市所产生废塑料的组成存在一定的差异，受城市化水平、当地经济水平、人口数量和政策等因素的影响。城镇化水平越高、经济越发达，塑料用品的消费量越大，废塑料的产生量也越大；人口数量对废塑料产生量的影响是内在的，一般来说人口数量越多，废塑料的产生量也越大；政策因素对废塑料产生量的影响较为复杂，如废物减量、回收和再收用及垃圾分类等政策和措施的推行可大幅减少废塑料的产生量。另外，城市居民消费方式的转变和升级也直接影响废塑料的产生量和组成。当前，我国城乡居民消费结构正在由生存型消费向发展型消费转变、由物质型消费向服务型消费转变、由传统消费向新型消费升级，废塑料的产生量也随之不断增加，最典型的就是快递行业产生的废塑料包装袋、升级淘汰的家用电器和电脑的外壳、更新换代产生的废手机的外壳。
根据受热后的性质不同，废塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。其中，热塑性塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯，这四种塑料在废塑料中占有较高的比例。热塑性塑料受热时会发生软化或熔化，冷却后又能变硬，而且这种过程能够反复进行多次，因此，热塑性塑料被广泛用于各种电子设备的器件中。热固性塑料在受热时也发生软化，但受热到一定程度或通过物理化学方法固化后，即使再加热也不会发生形状的改变，常用于制造电子线路板、电器开关箱、电动机组件和破碎机等。
根据成分，废塑料主要分为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚酯（PET）。聚乙烯分为高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE），高密度聚乙烯通常来源于洗剂容器、牛奶瓶、超市购物袋等，低密度聚乙烯来源于牙膏或洗面乳的软管包装；聚丙烯来源于饮料瓶盖、吸管、微波炉食物盒；聚苯乙烯常见于部分饮品容器、一次性保温胶杯、包装冻肉盛器、饭盒；聚氯乙烯来源于管道、户外家具、雨衣等；聚酯通常来自饮料瓶。
废塑料进入自然环境后难以降解，会带来较严重的环境问题。由于塑料为大分子物质，结构较为稳定，很难被微生物降解，丢弃于自然环境的废塑料在环境中会变成污染物并永久存在和不断累积，形成“白色污染”。废塑料在土壤中不断累积，会影响农作物吸收养分和水分，导致农作物减产。丢弃在水体中的废塑料制品会对水生动物的生存和繁衍构成威胁，造成水生态系统破坏，同时对渔业和旅游业造成不利影响。另外，废塑料随垃圾填埋不仅会占用大量土地，加剧土地资源的压力，而且被占用的土地长期得不到恢复，影响土地的可持续利用，同时，废塑料还易于携带细菌和传播疾病。因此，随着人们生活和生产过程中废塑料产生量的不断增多，对环境造成的污染也将日益严重，非常有必要对废塑料进行回收利用。
2.4.2 废塑料的能源化利用方法
废塑料能源化利用技术，是通过热化学氧化、热化学转换和物理转换技术，将废塑料中所含能量释放出来并加以利用技术的总称。在煤、石油等常规能源日益短缺的情况下，由废塑料制取能源是一个具有战略意义的举措。
目前开发、使用的废塑料能源化利用技术主要是热化学氧化（焚烧）、热化学液化（包括热解液化和水热液化）、热化学气化（包括热解气化、气化剂气化和水热气化）、热化学炭化（包括热解炭化和水热炭化）和物理转化（废塑料制衍生燃料）。
（1）热化学氧化
废塑料的热化学氧化处理是使废塑料在一定温度条件下与氧发生剧烈的反应而放出热量。常用的废塑料热化学氧化处理技术是焚烧。
废塑料具有较高的热值，而且水分和灰分含量较低，所以适合作为燃料通过焚烧回收热量而用于发电和供热等，具有处理量大、成本低、效率高等优点，近年来被国内外广泛应用。
但由于废塑料的热值较高，采用焚烧方法进行能源化利用，会在焚烧过程中造成炉膛局部过热，从而导致炉膛及耐火衬里的烧损。另外，焚烧过程中产生的轻质烃类、硫化物、氮氧化物和其他有害有毒物质处理困难，尤其是二
英问题，国内各地民众反对建设垃圾发电厂的事件时有发生。随着世界各国对焚烧过程中二
英排放限制的严格化，废塑料的焚烧处理越来越成为人们关注的焦点问题。许多国家相继制定了有关法律、法规，限制大量焚烧废塑料。
在此背景下，热化学液化、热化学气化成为废塑料能源化利用的重点。
（2）热化学液化
热化学液化是在一定的温度和压力条件下，将废塑料经过一系列化学加工过程，使其转化成衍生油的热化学过程。
根据热化学加工过程的不同技术路线，废塑料的液化可分为热解液化和水热液化。
1）热解液化
热解液化是将废塑料在隔绝空气（或少量空气）的情况下快速加热，通过热化学反应，热解产物有气体、衍生油及固体残渣，并以追求衍生油产率为目标。热解衍生油可作燃料，发热量在40MJ/kg左右，也可用于生产高质量的代用汽油。
塑料通常分为热固性塑料和热塑性塑料两大类，前者如酚醛树脂、脲醛树脂等，在日常生活中的应用相对要少些，而且此类塑料在使用后产生的废物也不适宜作为热解原料。相对而言，热塑性塑料种类多、应用广泛、产生废塑料的量也较多。此类废塑料主要有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚苯乙烯泡沫（PSF）、聚丙烯（PP）及聚四氟乙烯（PTEF）等。这类塑料的特性就是当加热到300～500℃时，大部分分解成低分子烃类，特别是PE、PP、PS，其分子构成中只包括碳和氢，热解过程中不会产生有害气体，是热解油化的主要原料。
近几年，针对废旧塑料能源化利用相关部门也出台了一些具体的优惠政策，如：财政部与国家税务总局2011年发布的《关于调整完善资源综合利用产品及劳务增值税政策的通知》（财税〔2011〕115号）规定，对“以废塑料、废旧聚氯乙烯、废橡胶制品及废铝塑复合纸包装材料为原料生产的汽油、柴油、废塑料（橡胶）油”实行增值税即征即退50%的政策；工信部2012年发布的《工业转型升级投资指南》也规定了要“推广先进适用的废旧轮胎、废塑料再生资源综合利用技术”。
2）水热液化
液化是在合适的催化剂、溶剂介质存在下，在一定的温度和压力条件下使废塑料液化，生产衍生油。由于水安全、环保、易得，因此常用水作溶剂，即为水热液化。尤其是超临界水液化技术具有起点高、效率高等优点。
目前，水热液化还处于实验室研究阶段，尽管反应条件相对温和，但对设备要求较为苛刻、成本较高等缺点限制了其工业应用。
（3）热化学气化
热化学气化是在一定的温度条件下，将废塑料经过一系列化学加工过程，使其转化成小分子气体的热化学过程。根据热化学加工过程的不同技术路线，废塑料的气化可分为热解气化、气化剂气化和水热气化。
1）热解气化
热解气化是在无氧或缺氧条件下将废塑料加热热解，产物有气体、衍生油、炭黑及固体残渣，但以气体产物产率为目标。热解气体产物主要包括CO、H2、N2及少量CH4、C2H6和H2S，热值与天然气相当，可以当燃料使用。
2）气化剂气化
气化剂气化简称气化，是采用某种气化剂，使废塑料在气化反应器中进行干燥、热解、燃烧和还原等热化学反应，生成含有CO、CH4、H2和CnHm等的可燃气体，除直接燃烧用于炊事等外，还可用于发电和热电冷多联产等。
3）水热气化
水热气化是以水为溶剂，在合适的催化剂和一定的工艺条件下，使废塑料中的大分子物质发生裂解生成小分子的可燃气。
（4）热化学炭化
热化学炭化是在一定的温度条件下，使废塑料经过一系列化学加工过程，将其中的挥发性物质脱除而生产焦炭的热化学过程。根据热化学加工过程的不同技术路线，废塑料的炭化可分为热解炭化和水热炭化。
1）热解炭化
热解炭化是在无氧或缺氧条件下将废塑料加热热解，产物有气体、衍生油、炭黑及固体残渣，但以固体炭的产率为目标。热解气体产物主要包括CO、H2、N2及少量CH4、C2H6和H2S，热值与天然气相当，可以当燃料使用。
2）水热炭化
水热炭化是以水为溶剂，在合适的催化剂和一定的工艺条件下，使废塑料中的大分子物质发生裂解生成小分子的气体，分离气体后得到固体炭。
（5）物理转化
一般说来，废塑料的热值较高，能量密度也较大，因此，可将其经粉碎后混入有机垃圾中制成衍生燃料，具有燃烧稳定、污染低等特点。
2.4.3 废橡胶的组成
橡胶是指具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大的形变，除去外力后能恢复原状。橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两种。天然橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提出胶质后加工制成的，合成橡胶则由各种单体经聚合反应制得。橡胶广泛用于制造轮胎、胶管、胶带、电缆及其他各种橡胶制品，大量应用于工业和生活各方面。如今全世界每年要耗用差不多1000万吨的合成橡胶，另外还有数百万吨的天然橡胶。橡胶中的1/2用来制造轮胎。
废橡胶是指失去使用价值或者使用价值降低的一类热固性高分子材料，其来源主要是废旧橡胶制品，包括废旧轮胎、废胶鞋、废胶管、废胶带和废密封材料以及橡胶制品生产过程中产生的边角料和废品等。目前，废橡胶制品的数量仅次于废塑料，在废旧高分子材料中位居第二，其中，又以废旧轮胎的数量最多，约占废橡胶制品的70%。尤其是最近几十年，随着我国汽车保有量的不断增加，废旧轮胎的产生量也日趋增多。据报道，2015年全国汽车保有量为1.6亿辆以上，废旧轮胎的产量达3.3亿个，约1200万吨。如今数量庞大的废旧轮胎已构成了严重的“黑色污染”问题，引起世界各国的广泛关注。
废旧轮胎主要由橡胶、炭黑、金属材料、纺织物，以及多种有机、无机助剂组成，其热值较高，能量密度也较大，是具有极高能源利用价值的一类工业固体废弃物。
2.4.4 废橡胶的能源化利用方法
废橡胶能源化利用技术，是通过热化学氧化、热化学转换和物理转换技术，将废橡胶中所含能量释放出来并加以利用技术的总称。在煤、石油等常规能源日益短缺的情况下，由废橡胶制取能源是一个具有战略意义的举措。
目前开发、使用的废橡胶能源化利用技术主要是热化学氧化（焚烧）、热化学液化（包括热解液化和水热液化）、热化学气化（包括热解气化、气化剂气化和水热气化）、热化学炭化（包括热解炭化和水热炭化）和物理转化（废橡胶制衍生燃料）。
（1）热化学氧化
废橡胶的热化学氧化处理是使废橡胶在一定温度条件下与氧发生剧烈的反应而放出热量。常用的废橡胶热化学氧化处理技术是焚烧。
废橡胶具有较高的热值，而且水分和灰分含量较低，所以适合作为燃料通过焚烧回收热量而用于发电和供热等，具有处理量大、成本低、效率高等优点，近年来被国内外广泛应用。
1）用作发电厂燃料
把废旧橡胶制品粉碎后与煤、石油、焦炭等混合可以作为发电用的燃料，世界第三大轮胎公司——桥石公司（BridgeStone）研制的用废旧轮胎作燃料的发电设备，成功解决了用废旧轮胎燃烧发电时，由于轮胎燃烧产生的温度高达1500℃，轮胎内的钢丝熔化粘在炉壁上，造成燃烧炉运行故障的问题。目前英国有多座以废旧轮胎为燃料的电厂，每年可处理英国20%左右的废轮胎，并且发电成本可与常规燃料相竞争。
2）作为替代燃料用于水泥、金属的冶炼生产
废旧轮胎经粉碎后与煤、石油混烧，可用于焙烧水泥、冶炼金属等。废旧轮胎用于烧制水泥时，生产过程中焙烧温度可在极短的时间内达2000℃，轮胎中的硫黄、钢丝在烧制过程中转变为石膏及氧化铁，与其他燃烧残渣一起成为水泥的原料，并不影响水泥的质量，不产生黑烟、臭气和二次公害。
（2）热化学液化
热化学液化是在一定的温度和压力条件下，将废橡胶经过一系列化学加工过程，使其转化成衍生油的热化学过程。
根据热化学加工过程的不同技术路线，废橡胶的液化可分为热解液化和水热液化。
1）热解液化
热解是将废橡胶在隔绝空气（或少量空气）的情况下快速加热，通过热化学反应，热解产物有气体、燃料油及固体残渣。根据追求的目标产物的不同，热解分为热解液化、热解气化和热解炭化。
热解液化是以追求燃料油产率为目标，可将生成的气态烃和炭残渣作为热解炉燃料使废胶块热解，并采用减压法将油气迅速分离。热解衍生油可作燃料，也可用于生产高质量的代用汽油。
橡胶分为天然橡胶与人工合成橡胶两类。可用于热解的废橡胶主要是指天然橡胶，例如废轮胎、工业部门的废皮带等；人工合成橡胶诸如氯丁橡胶等由于在热解过程中会产生HCl和HCN，一般不用热解法对其进行处理。在废橡胶中，废轮胎由于产生的量最大，分布最为广泛，因此对其热解技术的研究较多。
2）水热液化
液化是在合适的催化剂、溶剂介质存在下，在一定的温度和压力条件下使废橡胶液化，生产衍生油。由于水安全、环保、易得，因此常用水作溶剂，即为水热液化。
目前，水热液化还处于实验室研究阶段，尽管反应条件相对温和，但对设备要求较为苛刻、成本较高等缺点限制了其工业应用。
（3）热化学气化
热化学气化是在一定的温度条件下，将废橡胶经过一系列化学加工过程，使其转化成小分子气体的热化学过程。根据热化学加工过程的不同技术路线，废橡胶的气化可分为热解气化、气化剂气化和水热气化。
1）热解气化
废橡胶热解气化是以追求气体产物为目标的热解过程。废轮胎的热解气化产物主要包括CO、H2、N2及少量CH4、C2H6和H2S，热值与天然气相当，可以当燃料使用。
单纯制备燃料气的热解气化工艺比较少见，因为气体产生量只占总产量的4%～11%，而炭残渣占37%～41%，油品占55%。热解生成的气体经过冷凝后进一步加工可获得合成气。
2）气化剂气化
气化剂气化简称气化，是采用某种气化剂，使废橡胶在气化反应器中进行干燥、热解、燃烧和还原等热化学反应，生成含有CO、CH4、H2和CnHm等的可燃气体，除直接燃烧用于炊事等外，还可用于发电和热电冷多联产等。
3）水热气化
水热气化是以水为溶剂，在合适的催化剂和一定的工艺条件下，使废橡胶中的大分子物质发生裂解生成小分子的可燃气。
（4）热化学炭化
废橡胶热化学炭化是指在一定温度条件下将废橡胶中的有机组分进行热分解，使有机组分分离，从而得到固体炭黑。根据热化学加工过程的不同技术路线，废橡胶的炭化可分为热解炭化和水热炭化。
1）热解炭化
废橡胶热解炭化是以追求炭黑产率为目标的热解过程。由于废旧轮胎的热解产物中油和炭残渣的比重较大，可将油和炭黑作为产品考虑，此时应解决从炭残渣到炭黑的转变问题，即固体回收系统中的物质经磁选除去废钢渣后，再经细磨酸洗、过滤、烘干后得到炭黑产品。
2）水热炭化
废橡胶的水热炭化是在一定的温度和压力条件下，将废橡胶放入密闭的水溶液中反应一定时间以制取炭黑的过程。
（5）物理转化
一般说来，废橡胶的热值较高，能量密度也较大，因此，可将其经粉碎后混入有机垃圾中制成衍生燃料，具有燃烧稳定、污染低等特点。当焚烧低热值的城市生活垃圾时，添加废轮胎作为辅助燃料与煤混燃更加有效。