熱拌瀝青混合料生產(chǎn)和施工全過程能耗與排放評價

丁智勇+謝永平+王寶金+宋靜靜

摘要：憑借對熱拌瀝青混合料（HMA）從原料生產(chǎn)階段、混合料的拌和生產(chǎn)到運(yùn)輸和施工全過程的能耗和排放計算評價方法，引入碳排放因子，建立熱拌瀝青混合料生產(chǎn)和施工各階段的能耗計算模型和全過程的CO2排放總量計算模型。通過實(shí)例計算出熱拌瀝青混合料在生產(chǎn)和施工全過程的能耗及碳排放量，從能量消耗和碳排放角度對比得出結(jié)論：原料生產(chǎn)占主要部分，其次是混合料的生產(chǎn)拌和階段。

關(guān)鍵詞：熱拌瀝青混合料；能量消耗；CO2排放；計算模型

中圖分類號：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： With the introduction of carbon emission factor， calculation models for energy consumption and CO2 emission of hot mix asphalt in production and construction process were established by means of the calculation and evaluation covering the phases of raw materials production， mixing， transit and construction， and total numbers for the whole production and construction process were calculated in combination with practical cases. A conclusion was drawn， stating that raw materials production contributes to the main part of energy consumption and emission， with mixing phase being the next.

Key words： hot mix asphalt； energy consumption； CO2 emission； calculation model

0引言

目前，熱拌瀝青混合料（HMA）在路面建設(shè)中的使用量最大，而且HMA路面在建設(shè)過程中資源和能源消耗量大、污染嚴(yán)重[1]。以往HMA節(jié)能減排的研究，大都集中在采用溫拌劑等措施減少施工過程中能耗和氣體排放，以瀝青混合料生產(chǎn)和施工全過程分析計算其能耗和排放的研究很少[2]。本文對HMA的原料生產(chǎn)、混合料拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓施工的全過程能耗與排放進(jìn)行分析并建立計算模型。由于內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)是HMA整個生產(chǎn)和施工過程中能耗和氣體排放的源頭，因此，研究中以內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)

能耗計算為基礎(chǔ)，分析HMA生產(chǎn)和施工全過程中燃料化學(xué)能和電能的消耗，然后引入碳排放因子概念計算CO2氣體的排放量。

1能耗計算模型的建立

1.1原料生產(chǎn)階段能耗

HMA的主要原料為瀝青和石料，將它們的生產(chǎn)能耗分別以Em和En表示，兩者之和E1為原料生產(chǎn)總能耗，即E1=Em+En。

（1） 瀝青生產(chǎn)能耗。目前HMA所采用瀝青都是石化企業(yè)生產(chǎn)的成品，其生產(chǎn)過程主要依靠各種燃料和電力提供動力能源。本文中以內(nèi)燃發(fā)動機(jī)功率計算燃料能耗，并將1 kW·h電力能耗按等效熱值36 MJ計算轉(zhuǎn)化為燃料能耗，建立瀝青生產(chǎn)階段能耗模型

式中： k1為燃料損耗系數(shù)，取1.03；N為內(nèi)燃機(jī)額定功率（kW）； k2為能力利用系數(shù)； CNCV為燃料凈發(fā)熱值系數(shù)，見表1；G為比油耗（g·（kW·h）-1），汽油機(jī)取值為34014 g·（kW·h）-1，柴油機(jī)見表2；k′[KG-25x]1為電動機(jī)的時間利用系數(shù)；k′[KG-25x]2為線路損耗系數(shù)，取1.05； k′[KG-25x]3為電動機(jī)有效功率利用系數(shù)，見表3； N′為電動機(jī)額定功率（kW）；H為原料生產(chǎn)時間（h）。

研究中選取代表性瀝青進(jìn)行調(diào)查，并參考?xì)W洲瀝青協(xié)會對瀝青生命周期清單分析的研究成果，得到瀝青生產(chǎn)能耗，見表4。

（2） 石料生產(chǎn)能耗。根據(jù)對石料生產(chǎn)的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)碎石生產(chǎn)過程的能耗與其生產(chǎn)率及碎石設(shè)備功率有關(guān)。石料的生產(chǎn)能耗來源主要為電力，建立能耗計算模型

國內(nèi)石料生產(chǎn)線常用技術(shù)參數(shù)見表5，結(jié)合式（2）可以計算出石料生產(chǎn)過程所需的能耗。

1.2混合料生產(chǎn)階段能耗

HMA生產(chǎn)拌和設(shè)備的能耗主要分為2部分，一部分是用于加熱集料和瀝青，其來源主要為柴油和重油等燃料；另外一部分是維持瀝青拌和站其他設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，主要來源為電力。研究中考慮瀝青混合料生產(chǎn)階段的能耗（E2）高低與拌和站的生產(chǎn)率、集料的含水率、拌和站進(jìn)出料溫度等有關(guān)，建立能耗計算模型

式中：M為需要加熱的集料質(zhì)量（kg）；m為加熱瀝青的質(zhì)量（kg）；ω為集料含水率（%）； c1為骨料的比熱（MJ·（kg·℃）-1）；c2為水的比熱容，一般取4.2×10-3 MJ·（kg·℃）-1；c3為瀝青從t4加熱到t5過程中的平均比熱（MJ·（kg·℃）-1）；t1為集料的進(jìn)料溫度（℃）；t2為集料的加熱溫度（℃）；t3為水蒸發(fā)的溫度（℃）；t4為瀝青初始溫度（℃）；t5為瀝青加熱后溫度（℃）；η為燃料的熱利用率。

1.3混合料運(yùn)輸階段能耗

施工時熱拌瀝青混合料的運(yùn)輸距離、車輛型號和車輛臺數(shù)是其運(yùn)輸階段能耗的主要影響因素。運(yùn)輸中HMA的熱量損失在混合料生產(chǎn)階段能耗中已經(jīng)包括，所以忽略運(yùn)輸過程中熱量散失。由運(yùn)輸車輛發(fā)動機(jī)功率、油耗和運(yùn)輸距離為主要參數(shù)，建立能耗計算模型

式中：E3為瀝青混合料運(yùn)輸階段能耗（MJ）；L為運(yùn)輸距離（km）；V為運(yùn)輸車輛平均速度（km·h-1）。

1.4HMA施工階段能耗

HMA施工階段中攤鋪機(jī)與壓路機(jī)都是通過內(nèi)燃機(jī)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，僅在內(nèi)燃機(jī)的功率上存在差異。因此，該階段的能耗可以用攤鋪和壓實(shí)能耗之和建立施工階段能耗計算模型

式中：E4為施工過程的能耗（MJ）；EP為攤鋪機(jī)在路面攤鋪過程消耗的能量（MJ）；EQ為壓路機(jī)在路面壓實(shí)過程中消耗的能量（MJ）。

2碳排放計算模型的建立

2.1碳排放因子

碳排放因子（Carbon Emission Factor）是指消耗某種能源產(chǎn)生熱量而伴隨的溫室氣體的生成量，可與生產(chǎn)活動的數(shù)量和溫室氣體排放相聯(lián)系，是統(tǒng)計觀測得到的數(shù)據(jù)。國際組織 IPCC 通過大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫和碳追蹤試驗(yàn)，得到不同燃料消耗時排放出的缺省碳排放因子，見表6。

2.2HMA路面建設(shè)中碳排放模型建立

由于在HMA路面建設(shè)中氣體排放種類多，其中CO2是占主要部分的溫室氣體，所以本文中碳排放計算主要指的就是CO2的排放量。依據(jù)上述4個階段的能耗計算模型，并結(jié)合碳排放因子FC就可以計算4個階段的碳排放量

Ci=EiFC（6）

式中：Ci為4個階段碳排放總量；Ei為根據(jù)能量模型計算出的HMA在4個階段的能耗（MJi=1，2，3，4）。

3計算實(shí)例

為便于說明能耗和碳排放計算模型的應(yīng)用，本文以 1 000 m3 HMA生產(chǎn)和施工為例進(jìn)行計算。假設(shè)中粒式HMA壓實(shí)體積為1 000 m3，采用改性瀝青，油石比為4.5%，集料含水率為6%，生產(chǎn)1 000 m3瀝青混合料的原材料質(zhì)量與拌和設(shè)備臺班數(shù)量見表7[3]。

HMA的原料是改性瀝青及石料，由于設(shè)備類型的不同需要分別進(jìn)行計算。

3.1瀝青生產(chǎn)階段

瀝青生產(chǎn)階段能耗可通過調(diào)查瀝青生產(chǎn)企業(yè)能源用量平均水平并根據(jù)式（1）計算得到。但是瀝青生產(chǎn)企業(yè)的差異性很大，且國內(nèi)缺乏此類行業(yè)的國民經(jīng)濟(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)，因此本研究采用表3中改性瀝青生產(chǎn)能耗 22 160.72 MJ·t-1作為瀝青生產(chǎn)階段能耗的計算依據(jù)[46]。由表8可知瀝青量為1012 t，則生產(chǎn)能耗Em=2.24×106 MJ 。

根據(jù)表4中瀝青生產(chǎn)階段的能耗組成，由各種燃料的能耗與其對應(yīng)的碳排放因子計算出CO2排放量，然后加權(quán)計算出瀝青生產(chǎn)的碳排放總量Cm=1.770×105 kg。

3.2石料生產(chǎn)階段

以最大進(jìn)料尺寸為480 mm的石料生產(chǎn)線為例進(jìn)行計算，其裝機(jī)功率為280 kW，每小時產(chǎn)量為100 t，則生產(chǎn)2 3488 t石料需要工作235 h[7]。選取電動機(jī)載荷類型為3/4，可依據(jù)式（2）計算出石料生產(chǎn)階段能耗En=23 459 MJ。假設(shè)石料生產(chǎn)的能耗來源全為電力，則其生產(chǎn)過程中的CO2排放量Cn=EnFc=1 940 kg。所以，HMA原料生產(chǎn)階段的能耗E1=Em+En=2263×106 MJ，CO2排放量C1=Cm+Cn=1789×105 kg。

3.3瀝青混合料生產(chǎn)階段

假定采用生產(chǎn)率為160 t·h-1的拌和設(shè)備來拌和生產(chǎn)這1 000 m3的改性瀝青混合料，集料進(jìn)料溫度t1=25 ℃，集料加熱后溫度t2=190 ℃，水的蒸發(fā)溫度t3 =100 ℃，改性瀝青原始溫度t4=30 ℃，改性瀝青加熱后溫度t5=170 ℃，并選取拌和站的熱利用率η=70%。將集料比熱容c1=149×10-3 MJ·（kg·℃）-1，水的比熱容c2=42×10-3 MJ·（kg·℃）-1，改性瀝青比熱容c3=175×10-3 MJ·（kg·℃）-1帶入式（3）的中可得混合料加熱過程的能耗為826×105 MJ。

如果拌和站的加熱過程都是以重油為燃料，則此過程產(chǎn)生的CO2量為639×104 kg。

在沒有拌和站實(shí)際耗電統(tǒng)計數(shù)據(jù)的情況下，可以由拌和站工作臺班數(shù)與設(shè)備型號，結(jié)合規(guī)范確定耗電量[8]。由表7中知160 t·h-1拌和設(shè)備臺班數(shù)為264，由規(guī)范可知每臺班的耗電量為3 05246 kW·h，則電能消耗為27×104 MJ，產(chǎn)生的CO2量為2 2329 kg。

所以，瀝青混合料拌和階段總能耗E2=8.53×105 MJ，CO2排放總量C2=6.613×104 kg。

3.4瀝青混合料運(yùn)輸和施工階段

在沒有混合料運(yùn)輸和施工實(shí)際統(tǒng)計數(shù)據(jù)的情況下，可以憑混合料運(yùn)輸和施工設(shè)備數(shù)量、類型等為依據(jù)查規(guī)范確定臺班數(shù)和油耗，得到運(yùn)輸1 000 m3瀝青混合料的運(yùn)輸車輛臺班數(shù)及每臺班油耗，見表8。

假設(shè)HMA拌和站和施工現(xiàn)場間的運(yùn)輸距離為10 km，使用15 t以內(nèi)的自卸車臺班數(shù)依據(jù)表8計算為19.69臺班，其余機(jī)械臺班數(shù)可參考公路預(yù)算定額規(guī)范[9]。運(yùn)輸車輛和施工機(jī)械一般使用柴油為燃料，柴油發(fā)熱值為42.649 MJ·kg-1，據(jù)表6得柴油燃燒的碳排放因子為74.1 g·MJ-1。綜上，可計算鋪筑1 000 m3中粒式HMA路面的運(yùn)輸和施工過程工程機(jī)械設(shè)備的能耗和碳排放量，見表9。

所以，運(yùn)輸階段能耗E3=57 011 MJ，碳排放量C3=4 224.52 kg；施工階段能耗E4=47 150 MJ，碳排放量C4=3 493.82 kg。

3.5結(jié)果分析

對實(shí)例結(jié)果進(jìn)行分析，圖1表示各階段能耗與排放的比例。

圖1HMA各階段能耗與排放的比例

依據(jù)計算結(jié)果，原料生產(chǎn)階段的能耗占整體能耗的7028%，碳排放量占整體排放的7078%，為主要能耗和排放階段。

4結(jié)語

本文對HMA從生產(chǎn)到施工各階段進(jìn)行能耗與排放量化評價，得出如下結(jié)論。

（1） HMA生產(chǎn)和施工各環(huán)節(jié)能量來源不同，可分為內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)兩大類。本文在內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)能耗基礎(chǔ)上建立了HMA不同階段的能耗模型；并通過引入碳排放因子，建立相應(yīng)能耗產(chǎn)生的CO2排放計算模型。

（2） 應(yīng)用所建模型對HMA生產(chǎn)施工全過程的能耗和CO2排放進(jìn)行了計算，結(jié)果可知：無論是能耗還是CO2排放量，HMA的原料生產(chǎn)階段都占主要部分，超過了70%；其次是HMA的生產(chǎn)拌和階段，占到了26%以上；運(yùn)輸和施工階段所占比例最少，僅為3%多。

（3） 通過研究可知，如果要在熱拌瀝青混合料路面建設(shè)上進(jìn)行節(jié)能減排措施研究，主要的研究方向應(yīng)在瀝青混合料的原料方面。研究利用再生材料或者采用其他環(huán)保節(jié)能的路面材料，另外也可通過提高瀝青拌和站的熱利用率、降低出料溫度上提高瀝青拌和站的節(jié)能水平等措施減少HMA的能耗排放總量。

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[責(zé)任編輯：高甜]