軌道車輛回收利用技術與應用研究

張建敏,郭會生,胡 震

(1.中車唐山機車車輛有限公司 產品研發中心,河北 唐山 063035;2.天津中車唐山軌道車輛有限公司 生產制造部,天津 300300)

近年來,鐵路運輸行業取得了舉世矚目的成就。相較于汽車行業成熟的回收利用管理,軌道車輛領域也在不斷探索著回收利用方面的技術與管控。根據最新的軌道車輛管理需求,企業在軌道車輛設計制造時,必須考慮車輛的整個生命周期的環境效益,包括生產(設計和建造)、操作(使用和維護)和壽命結束(車輛處置)。越來越多的歐盟成員國將軌道車輛回收利用率要求引入產品技術文件,例如在葡萄牙和波蘭等國家,要求軌道車輛生產商提供車輛關于材料組成、處置過程(包括拆解、回收利用及固廢填埋)和回收利用率計算結果的詳細信息。

目前在軌道車輛回收方面,越來越多的新設計車輛保證了高回收利用率。阿爾斯通供應給法國勒阿弗爾市的有軌電車,具有97%的可回收利用率;龐巴迪輕軌車輛Flexity Swift具有92%的可再利用率和97%的可回收利用率。

1 回收利用的必要性

軌道車輛材料的回收利用有益于減少資源的開發,降低材料的生產成本或提高產品環境友好性能等,因此,對報廢軌道交通車輛進行回收利用的必要性體現在以下幾方面:(1)能效問題;(2)原材料成本上升;(3)更嚴格的填埋立法和減少填埋固廢的需求;(4)其他與生產者責任相關的環境法規;(5)客戶日益增長的產品相關環境要求;(6)通過環保產品獲得的競爭優勢。

2 法律法規

在國際組織層面,與軌道車輛回收有關的標準有:

2006年,國際鐵路聯盟(UIC)發布了《新造鐵路車輛環境規范》[1],要求在設計鐵路車輛時必須考慮環保的要求,包括能源效益、噪聲、廢氣排放及循環再用。

2008年,歐洲鐵路工業協會(UNIFE)組織鐵路車輛制造商,根據ISO 14025的要求制定了統一的鐵路車輛回收指南——《軌道車輛產品分類規則(PCR)》[2],其目的是給設備制造商制定車輛環境產品聲明(EPD)提供參考,從而構成在歐盟使用的鐵路車輛準入的理由。

2012年,UIC提交了《可持續出行宣言》[3]作為國際鐵路部門的自愿承諾,要求合作伙伴將回收作為其可持續發展戰略的關鍵要素之一。

值得強調的是,上述標準是基于環境認證的需求,自愿性的鐵路車輛回收相關的要求及行動也在行業內不斷出現,但迄今為止世界各國及組織均未出臺明確的鐵路車輛的可再利用率、可回收利用率(以下稱“兩率”)限制指標。

在報廢產品回收利用率計算標準層面,在鐵路車輛領域,由于之前沒有相關標準,多參考汽車和電子電氣行業標準ISO 22628[4]和IEC/TR 62635[5]?；谶@些標準,UNIFE在2013年發布了《鐵路應用 軌道車輛的可再利用率和可回收利用率計算方法》[6],作為軌道車輛“兩率”的計算方法參考指南。國際標準化組織以此指南為基礎,并參考了IEC/TR 62635的部分例子,編制了ISO 21106[7]。

軌道車輛回收利用判定、計算參照表1標準的規定進行。

表1 軌道車輛回收利用計算參考標準

3 回收范圍及基本術語關系

軌道車輛回收利用技術適用于新車輛的設計或其壽命周期的任何階段?；厥绽寐实挠嬎惆ㄕ麄滠囕v的所有材料,但車站、電氣化、信號和控制單元等基礎設施不在計算范圍內。

按照回收利用計算原理,ISO 21106標準將產品的零部件及材料分為4個處理過程,即再使用(reuse)、再利用(recycle)、能量回收(recover)和殘余物(residue)處置(圖1)。其中在再利用、能量回收階段均會產生殘余物,殘余物不能回收,最終按照填埋方式處理。

圖1 報廢處理過程

關鍵術語關系如表2所示?？稍倮寐?Recyclability rate)指可再使用和再利用的零部件及材料質量占車輛設計整備質量的百分比,而可回收利用率(Recoverability rate)指可再使用、再利用和回收為能源的零部件及材料質量占車輛設計整備質量的百分比。

表2 關鍵術語關系列表

4 報廢處理工藝

軌道車輛的回收利用處理,通過預處理、拆解、破碎3個報廢處理工藝階段進行,在每個階段明確各種材料及零部件的再使用、再利用或能量回收利用及相應的質量等信息,進行“兩率”計算。在車輛的設計階段,也可以按照此方法計算,指導選擇材料,滿足新車型的“兩率”要求。

4.1 預處理

預處理階段的目的是在車輛詳細拆解之前,先拆除對人或環境有害的氣體、液體、電氣材料及部件,例如液壓氣、冷卻劑、蓄電池等。預處理階段結束后,車輛內部不應留有可能對回收利用過程產生負面影響的材料,以便詳細拆解階段不存在任何風險。而對于某些在預處理階段難以拆除的環境污染物和含有害物質的材料(如石棉),可以在拆解階段進行。

預處理階段再使用、再利用或再回收利用的材料分類、質量及回收利用屬性,分別對應填寫到表3中的相應單元格。

表3 材料數據收集匯總表示例

4.2 拆解

拆解階段的目標是盡可能地拆解零部件,直至原材料的程度。拆解階段處理越細致,再利用過程就越有效,可再利用率也就越高。

在拆解過程中,可再利用的部件和子組件可以被整體拆卸,例如轉向架構架、輪對、聯軸器、緩沖器、彈簧、控制閥、制動系統、車門等,有的可以直接用于其他車輛,有些則需要翻新,恢復功能要求后才能使用,再利用之前必須經過檢查及相關測試。其余的零部件詳細拆解,進一步進行材料回收利用,如座椅、玻璃、線纜、電子部件、地板、空調設備、復合高分子材料[8]等。

拆解階段再使用、再利用或再回收利用的材料分類、質量及回收利用屬性,分別對應填寫到表3中的相應單元格。

4.3 粉碎

經過預處理和拆解階段,剩余不易拆解的、微小的零件和材料進入粉碎階段。粉碎階段的目的是將材料粉碎,并歸類處理。粉碎后的材料可分成以下幾類:

黑色金屬:鋼和鐵;

有色金屬:主要有鋁、銅、鋅、鎂;

殘渣:不同材料和物質的混合物,如塑料(包括泡沫和紡織品),纖維(木材、紡織品),玻璃和陶瓷,彈性體,剩余的礦物質(土壤、沙子)和殘渣(銹、塵、涂料)。

黑色金屬和有色金屬幾乎被完全處理,成為回收材料。殘渣進行能量回收,不能能量回收的固廢進行填埋。

拆解階段再使用、再利用或再回收利用的材料分類、質量及回收利用屬性,分別對應填寫到表3中的相應單元格。

5 計算方法及應用案例

5.1 材料歸類

根據ISO 21106,將構成車輛的所有材料分為以下12種材料類別,來確定車輛的材料明細:

—金屬;

—彈性體;

—聚合物(熱固或熱塑性塑料);

—復合材料(如纖維增強聚合物或其他);

—電氣/電子設備;

—玻璃;

—安全玻璃;

—油、潤滑脂或類似物;

—酸、冷卻劑或類似物;

—其他無機材料(如陶瓷);

—礦物棉;

—改性有機天然材料(MONM),包括木材。

5.2 回收利用計算系數(FMR、FER)的引入

再利用系數FMR:材料在再利用工藝處理過程中最終被利用的比率。

能量回收系數FER:材料在能量回收工藝處理過程中最終得到能量的比率。能量回收指通過燃燒、氣化、熱解等過程,將材料轉化為可用的熱能、電能等。

FMR和FER的具體數值是由該類材料的回收處理工藝技術水平決定的,根據官方、專業機構或商用數據進行確定。

5.3 車輛“兩率”的計算方法

車輛的可再利用率Rcyc計算公式:

(1)

車輛的可回收利用率Rcov計算公式:

(2)

式中:mP,Reuse為在預處理階段可再使用的材料的質量;mP,R為考慮FMR,預處理階段可再利用的材料總質量的加權值;mP,E為考慮FER,在預處理階段可能量回收的材料總質量的加權值;mD,Reuse為在拆解階段可再使用的材料總質量的加權值;mD,R為考慮FMR,在拆解階段可再利用的材料總質量的加權值;mD,E為考慮FER,在拆解階段可能量回收的材料總質量的加權值;mS,R為考慮FMR,在粉碎階段可再利用的材料總質量的加權值;mS,E為考慮FER,在粉碎階段可能量回收的材料總質量的加權值;mV為車輛的整備質量。

5.4 某出口項目“兩率”的計算

根據上述材料分類、回收參數以及“兩率”計算方法,以某出口歐盟車輛的“兩率”計算過程和結果為例,分析軌道車輛“兩率”計算方法在應用方面的執行可行性以及可能出現的問題、解決措施。

5.4.1 材料數據的收集

根據項目要求,在詳細設計過程中實時匯總各系統材料的使用情況,材料數據(空調部分)收集如表3。

5.4.2 材料可再利用性及可回收利用性的判定

軌道車輛材料種類多種多樣,需要判定其可再利用和可回收利用性能。例如座椅拆解至均質材料,包括織布、聚氨酯墊材、鐵金屬或者非鐵金屬支架等,需判定出這些材料的可再利用和可回收利用性能。

判定工作的難點在于,ISO 21106沒有給出軌道車輛各種材料回收利用的判定依據,造成該標準應用執行困難。由于軌道車輛材料與汽車用材料有相似性,經過調研及分析對比,軌道車輛材料的可回收利用性能的判定可以參考汽車行業的材料回收利用判定規范MWG01—2020[9],并結合UNIFE文件附錄中的材料分類,同時考慮進行判定。

5.4.3 回收利用計算系數(FMR、FER)的確定

影響車輛材料“兩率”計算過程和結果的一個很重要的數據是回收利用計算系數的確定。在ISO 21106中,要求按照行業的生產和回收利用水平來確定某種材料的再利用系數和能量回收系數,但是沒有給出參考值,這就造成了各國家或各生產地區對該材料行業的回收利用計算系數各種各樣,即使同一行業內,由于生產水平不同對這些系數的估值也不同。

因此需要引入UNIFE《鐵路應用 軌道車輛的可再利用率和可回收利用率計算方法》,借鑒其附錄中的軌道車輛材料回收利用計算系數(表4)。

表4 各種材料回收利用計算系數表 %

5.4.4 計算結果

動車組采用3輛編組(Mc01+Tp02+Mc03),動拖轉向架配置比為1∶1。設置客室及多功能區(自行車和行李存放區)、通用衛生間等區域。

根據表3對各系統數據的匯總以及表4中的回收利用計算系數,可計算得到每個系統及整車材料的可再利用質量和能量回收質量,如表5所示。

表5 列車材料及“兩率”計算數據表

依據第5.3節的“兩率”計算公式,可計算出各系統或整列車的可再利用率Rcyc和可回收利用率Rcov,計算結果如表5所示。

由表5可知:列車的整備總質量是114 076.98 kg,可再利用率是94.46%,可回收利用率是97.47%。同理,各單車車型(頭車、中間車等)的“兩率”也可以根據需要計算得出。由于篇幅原因,本表中未體現具體車型的計算數據。

6 回收利用工作面臨的問題及措施

(1) 常用的某些材料回收利用性能差。

車輛所用材料中,金屬材質容易回收。復合材料雖然應用非常普遍,而且數量巨大,但復合材料的回收問題較大,特別是碳纖維或玻璃纖維增強聚合物等,回收利用計算系數比較低,目前還沒有簡單經濟有效的回收這些材料的技術。類似的還有熱塑性塑料,該材料用途廣泛,生產成本較低,加工簡單,但回收利用工藝水平較低。軌道車輛在材料選擇時應該積極尋找這些材料的替代品,或者提升其回收利用技術水平。

(2) 材料種類繁多,無相關標識,不易分辨,回收利用性能判定困難。

軌道車輛材料應該有標記以方便被識別,或者拆解人員應該有相關材料說明文件,以便確定材料成分并歸類。另外,可以建立材料信息數據庫,對材料信息詳細描述和管理。

(3) 連接方式多樣或者難以接近,拆解時間長。

零部件的拆解、材料判定及歸類的時間涉及到軌道車輛回收利用的成本效益。車輛設計時應考慮采用容易拆卸的連接結構,以減少拆卸工作耗時。

7 總結

通過循環利用對原材料的回收是一種可持續的價值創造。作為機車車輛設計制造企業,在設計新型車輛產品時應該做到:

(1) 最大限度地減少使用危險物質和材料;

(2) 考慮到材料回收利用性,盡量選用可回收利用的材料;

(3) 對材料的材質進行標識,報廢處理時可提高回收利用處理的準確率和效率;

(4) 保證功能的情況下,設計時盡量考慮結構易拆卸,材料易分離;

(5) 發展符合標準要求的拆解及材料回收利用企業。

綜上所述,在車輛設計時,應考慮車輛拆解和回收利用的安全性、經濟可行性(材料價值、拆解所需時間等)、部件可接近性、緊固技術和任何其他經證明的拆解工藝的可行性等,將有助于實現軌道車輛回收利用能力提升的目標。