廠拌熱再生技術(shù)能耗與排放量化分析

張爭(zhēng)奇，張 苛，姚曉光，翟 佳

（1.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064；2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北武漢430051）

廠拌熱再生技術(shù)能耗與排放量化分析

張爭(zhēng)奇1，張 苛1，姚曉光1，翟 佳2

（1.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064；2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北武漢430051）

針對(duì)舊路處理、新料生產(chǎn)、再生混合料生產(chǎn)以及再生混合料施工等4個(gè)階段，從數(shù)據(jù)收集、計(jì)算等分析了瀝青路面熱再生技術(shù)的能源消耗及排放量化分析的方法與步驟，建立路面再生技術(shù)能源消耗與排放的量化分析模型，研究了瀝青路面再生過(guò)程中總的能源消耗和氣體排放量，計(jì)算了單位質(zhì)量廠拌熱再生瀝青混合料生產(chǎn)及施工過(guò)程的總能耗和環(huán)境排放總量以及各生命周期階段的能耗比和環(huán)境排放系數(shù).結(jié)果表明：1 t廠拌熱再生瀝青混合料在4個(gè)階段的總能耗較普通熱拌瀝青混合料降低19％，鋪筑1 km廠拌熱再生瀝青路面中面層可減少2 645 kg等效CO2、43 kg等效SO2、87 kg等效1，4-二氯苯和143 kg顆粒物質(zhì)的排放.

瀝青混合料；熱再生技術(shù)；能耗；排放；量化分析

瀝青路面再生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)變廢為寶，保護(hù)環(huán)境，有利于社會(huì)可持續(xù)發(fā)展［1］.國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在廠拌熱再生技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究.熊巍等［2］研究發(fā)現(xiàn)在合適比例的舊料摻配量范圍內(nèi)，再生瀝青混合料能達(dá)到新鮮瀝青混合料的指標(biāo)要求.陳靜云等［3］研究了高比例摻量熱再生混合料的低溫抗裂性能.張志祥等［4］建議表層再生混合料RAP材料的摻量不宜超過(guò)20％.J.D.Brock等［5］通過(guò)對(duì)舊瀝青路面采用廠拌熱再生技術(shù)的效益進(jìn)行分析.高旺生［6］針對(duì)原材料生產(chǎn)、混合料運(yùn)輸以及施工3個(gè)主要階段進(jìn)行工程實(shí)地調(diào)查，分析了熱再生技術(shù)不同階段的能耗與排放.目前，有關(guān)廠拌熱再生技術(shù)節(jié)能減排方面的研究深度較淺，系統(tǒng)的量化分析方法也較少，無(wú)法清楚地認(rèn)識(shí)各階段的效益［7］.

瀝青路面廠拌熱再生技術(shù)的能源消耗與排放量化分析，可簡(jiǎn)化為舊路處理、新料生產(chǎn)、再生混合料生產(chǎn)和再生瀝青混合料施工等4個(gè)階段的能耗與排放量之和.本研究在對(duì)4個(gè)階段的能耗與排放量化分析的基礎(chǔ)上，匯總相關(guān)量化分析結(jié)果，計(jì)算單位質(zhì)量廠拌熱再生瀝青混合料的能耗與排放，以期為廠拌熱再生技術(shù)能耗與排放的量化分析提供技術(shù)支撐.

1 量化分析方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

廠拌熱再生混合料在生產(chǎn)和施工中使用的各種機(jī)械設(shè)備消耗的能源主要有柴油、汽油、液化石油氣、重油、煤等燃料.本研究收集的氣體（煙霧）排放類型主要有溫室氣體（二氧化碳CO2、氧化亞氮N2O、甲烷CH4）、污染型氣體（硫化物SOx、一氧化碳CO、氮氧化物NOx）、顆粒性物質(zhì)（TSP，PM10，PM2.5）.

1.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

1.2.1 能耗通用計(jì)算方法

生命周期評(píng)價(jià)方法中多采用凈發(fā)熱值法計(jì)算能源消耗量.根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）提供的數(shù)據(jù)，柴油、重油和液化石油氣的凈發(fā)熱值分別為43.0，40.4和47.3 MJ·kg-1.凈發(fā)熱值法計(jì)算能耗的通用計(jì)算公式為

1.2.2 排放通用計(jì)算方法

IPCC根據(jù)燃料100％氧化的假設(shè)，計(jì)算得到不同工業(yè)部門常用燃料的排放因子（見表1）.

表1 排放因子mg·MJ-1

1.2.3 清單分析歸類

根據(jù)環(huán)境影響因子對(duì)環(huán)境造成的具體影響，以及環(huán)境影響因子的環(huán)境機(jī)制將不同的環(huán)境影響因子歸為一定的分類中.不同環(huán)境影響因子對(duì)該影響類別的貢獻(xiàn)率是不同的，需要選擇該影響類別的代表因子（特征因子），將其他影響因子的作用通過(guò)特征因子來(lái)進(jìn)行唯一表征.環(huán)境影響類別、影響因子以及各影響因子對(duì)應(yīng)的特征因子見表2.

表2 影響類別、影響因子及特征因子

1.3 量化分析模型

1.3.1 能 耗

廠拌熱再生技術(shù)能耗量化計(jì)算模型，包括各生命周期過(guò)程的能耗之和，即

另外，需要進(jìn)一步確定各過(guò)程在總能耗中的比例，采用能耗比例系數(shù)ER表示廠拌熱再生各階段的能耗構(gòu)成，即

1.3.2 環(huán)境排放

采用基于特征因子的特征化表示方法建立排放量化分析模型，如表3所示，其中Eij表示第i個(gè)生產(chǎn)階段、第j個(gè)影響類別的環(huán)境排放特征化結(jié)果.

表3 環(huán)境排放量化分析模型表

采用環(huán)境排放比例系數(shù)EER表示再生技術(shù)各階段環(huán)境排放構(gòu)成.第i個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境排放比例系數(shù)EERi的計(jì)算為

2 量化分析

2.1 舊路處理階段

2.1.1 能 耗

養(yǎng)護(hù)工程預(yù)算定額中確定了銑刨100 m2瀝青路面所需的機(jī)械臺(tái)班數(shù)量［8］，養(yǎng)護(hù)工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額規(guī)定了每一銑刨機(jī)臺(tái)班的耗油量（kg·臺(tái)班-1）［9］，則可核算得到銑刨100 m2瀝青路面所需的液體燃料消耗量，并且采用燃料的發(fā)熱值將消耗量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一般動(dòng)力單位（焦耳）.同理，計(jì)算可得舊料運(yùn)輸階段所耗能量.

本研究采用再生瀝青混合料鋪筑于中面層，故需將原路面銑刨至下面層頂部，銑刨深度10 cm，同時(shí)根據(jù)工程實(shí)際將平均運(yùn)距定為5 km.1 t熱再生瀝青混合料中需加入0.25 t舊料，計(jì)算可得舊路處理階段銑刨、運(yùn)輸0.25 t舊料所消耗的能量為19.52 MJ.

2.1.2 環(huán)境排放

該階段排放主要為銑刨機(jī)和自卸汽車的柴油消耗.根據(jù)表1中柴油排放因子，再由已算出的能耗，即可得到該階段排放量以及特征化結(jié)果，見表4.其中D=19.52×EF，CR=D×CF.

表4 環(huán)境排放量化及其特征化結(jié)果

2.2 新料生產(chǎn)階段

查閱相關(guān)資料［10］確定石油瀝青和集料生產(chǎn)過(guò)程單位產(chǎn)量能耗分別為11 222.371 MJ·t-1和10.800 MJ·t-1.瀝青生產(chǎn)過(guò)程中CO2，SO2，NOx，CO，CH4，NMVOC和顆粒物質(zhì)的排放因子分別為174 244，781，770，613，595，331和161.2 g·t-1；集料生產(chǎn)過(guò)程中TSP和PM的排放因子分別為190 g·t-1和50 g·t-1.

2.2.1 能耗量化計(jì)算

分別計(jì)算1 t廠拌熱再生混合料和普通瀝青混合料在新料生產(chǎn)階段的能源消耗，其對(duì)比如表5所示.由表5可知：摻加25％RAP的再生混合料在新料生產(chǎn)階段仍能節(jié)省能耗154.09 MJ，節(jié)能比例達(dá)到33.3％.

表5 能耗對(duì)比

2.2.2 環(huán)境排放量化計(jì)算

1）瀝青生產(chǎn)過(guò)程.根據(jù)瀝青生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境排放因子（g·t-1），以及1 t再生瀝青混合料和普通瀝青混合料中的瀝青用量，即可分別計(jì)算得到再生瀝青混合料和普通瀝青混合料在瀝青生產(chǎn)過(guò)程中各種環(huán)境排放物的排放量，并根據(jù)表2環(huán)境排放因子及其特征化因子，將瀝青生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境排放進(jìn)行歸類及特征化，如表6所示.其中，廠拌熱再生和普通熱拌瀝青混合料中新瀝青用量分別為2.68％和4.03％.

表6 瀝青生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境排放特征化結(jié)果g

2）集料生產(chǎn)過(guò)程.根據(jù)集料生產(chǎn)過(guò)程排放因子，將各種顆粒物質(zhì)排放量進(jìn)行匯總，見表7.其中D1=EF×t1，D2=EF×t2，CR1=D1，CR2=D2；1 t廠拌熱再生瀝青混合料中集料用量為t1=0.719 8 t，普通熱拌瀝青混合料的集料用量為t2=0.959 7 t.顆粒物質(zhì)的特征化因子為1 kg·kg-1.

表7 環(huán)境排放量化及其特征化結(jié)果

將表6，7中的各環(huán)境排放影響類別進(jìn)行疊加，即可得到新混合料生產(chǎn)階段環(huán)境排放總量（見表8）.

表8 環(huán)境排放總量g

2.3 再生混合料生產(chǎn)階段

2.3.1 能耗量化計(jì)算

預(yù)算定額［8］中規(guī)定生產(chǎn)1 000 m3中粒式再生瀝青混合料所需的機(jī)械臺(tái)班數(shù)量，機(jī)械臺(tái)班定額［9］規(guī)定了拌和設(shè)備每一臺(tái)班的液體燃料及電力消耗量，則計(jì)算得到生產(chǎn)1 000 m3中粒式再生瀝青混合料所需要的重油為12 638.2 kg，電力累計(jì)消耗量為7 875.3 kW·h.

按照不同燃料的發(fā)熱值，將定額中的計(jì)量單位轉(zhuǎn)化為單位質(zhì)量瀝青混合料的實(shí)際消耗，然后計(jì)算出總能耗.1 t再生瀝青混合料和普通瀝青混合料生產(chǎn)階段的能耗為215.57 MJ.

2.3.2 環(huán)境排放量化計(jì)算

將混合料生產(chǎn)階段的排放物進(jìn)行歸類和特征化，即可計(jì)算得到熱再生混合料生產(chǎn)階段的環(huán)境排放總量（表9），其中D=EF×t，CR=D×CF，t=1 000 kg.由表9可知該階段產(chǎn)生的全球變暖影響最為顯著，相當(dāng)于18.6 kg等效CO2.

表9 環(huán)境排放總量及其特征化結(jié)果

2.4 再生瀝青路面施工階段

2.4.1 能耗量化計(jì)算

預(yù)算定額中［8］規(guī)定了1 000 m3中粒式再生瀝青混合料施工需要的機(jī)械臺(tái)班數(shù)量（臺(tái)班），機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額［9］規(guī)定了機(jī)械設(shè)備每一臺(tái)班的液體燃料消耗量（kg·臺(tái)班-1），再乘以燃料發(fā)熱值（MJ·kg-1），即可得到1 000 m3中粒式熱再生瀝青混合料施工需要的能耗，見表10.

表10 再生瀝青路面施工階段能耗MJ·t-1

由表10可知再生瀝青路面施工階段的能耗為26.06 MJ·t-1.雖然該階段能耗并不顯著，但是由于瀝青路面施工階段是瀝青路面生命周期中的一個(gè)重要階段，該過(guò)程中的能源消耗問(wèn)題仍然需要給予足夠的重視.

2.4.2 環(huán)境排放量化計(jì)算

1）混合料運(yùn)輸階段.根據(jù)瀝青混合料運(yùn)輸過(guò)程中重型柴油車排放因子（g·kg-1），再由已算出混合料運(yùn)輸過(guò)程中柴油消耗量（kg），則可得到瀝青混合料運(yùn)輸過(guò)程中環(huán)境排放量化及其特征化結(jié)果，如表11所示.其中D=EF×T，CR=D× CF；混合料運(yùn)輸過(guò)程中柴油消耗量為t=16.15/ 43=0.38 kg.

表11 排放量化及其特征化結(jié)果

2）瀝青路面施工階段.通過(guò)瀝青路面施工機(jī)械柴油燃燒排放因子（mg·MJ-1），再根據(jù)已算出瀝青路面施工過(guò)程中的能耗（MJ），則可算得瀝青路面施工中環(huán)境排放量化及其特征化結(jié)果（表12）.其中D=EF×E/1 000，CR=D×CF；瀝青路面施工過(guò)程中能耗為E=26.06-16.15=9.91 MJ.

表12 瀝青路面施工過(guò)程環(huán)境排放量化及其特征化結(jié)果

2.5 廠拌熱再生技術(shù)的總能耗與總排放

2.5.1 能耗量化分析

將以上計(jì)算匯總得到生產(chǎn)1 t廠拌熱再生瀝青混合料的總能耗及各生命周期過(guò)程的能耗比，同理計(jì)算得到生產(chǎn)相同量的同一級(jí)配普通熱拌瀝青混合料的總能耗，如表13所示.

表13 再生瀝青路面和普通熱拌瀝青路面建設(shè)階段總能耗及能耗比較

從上表可知，再生瀝青路面與普通瀝青路面在混合料生產(chǎn)和施工中消耗的能源一樣，舊路處理階段多消耗能源19.52 MJ；但在新料生產(chǎn)階段，廠拌熱再生利用一部分舊料，降低了154.10 MJ能耗.最終再生瀝青路面建設(shè)階段的總能耗為569.68 MJ·t-1，較普通熱拌瀝青路面節(jié)省134.58 MJ，節(jié)約能耗比為19.0％.

2.5.2 環(huán)境排放量化分析

瀝青路面建設(shè)階段的環(huán)境排放總量如表14所示.

表14 瀝青路面建設(shè)階段環(huán)境排放總量g

若鋪筑1 km試驗(yàn)段中面層所需2 400 t瀝青混合料，則采用廠拌熱再生混合料可節(jié)省能耗3.2× 105MJ；減少2 645 kg等效CO2、43 kg等效SO2、87 kg等效1，4-二氯苯和143 kg顆粒物質(zhì)的排放.

3 結(jié) 論

1）以定額法為基礎(chǔ)，提出了廠拌熱再生舊路處理、新料生產(chǎn)、再生混合料生產(chǎn)以及再生瀝青路面施工等4個(gè)生命周期階段的能耗量化計(jì)算方法，通過(guò)分析可知1 t廠拌熱再生瀝青混合料在4個(gè)階段的總能耗較普通熱拌瀝青混合料降低19.0％.

2）結(jié)合廠拌熱再生混合料的施工工藝及機(jī)械設(shè)備組合，以生命周期環(huán)境排放因子法為基礎(chǔ)，確定了廠拌熱再生各生命周期階段的主要環(huán)境排放產(chǎn)物及其排放因子，通過(guò)分析可知鋪筑1 km廠拌熱再生瀝青路面中面層可減少2 645 kg等效CO2、43 kg等效SO2、87 kg等效1，4-二氯苯和143 kg顆粒物質(zhì)的排放.

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［1］甘新立，鄭南翔，紀(jì)小平.老化SBS改性瀝青再生性能預(yù)估分析［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，35（6）：715-718. Gan Xinli，Zheng Nanxiang，Ji Xiaoping.Prediction analysis of recycled performance for aged SBSmodofied asphalt［J］.Journal of Jiangsu University：Natural Science Edition，2014，35（6）：715-718.（in Chinese）

［2］熊 巍，盧 何.熱再生瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)研究［J］.公路，2006（10）：191-194. XiongWei，Lu He.Test study on road performance of hot-recycling asphalt mixture［J］.Highway，2006（10）：191-194.（in Chinese）

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［7］楊 博，張爭(zhēng)奇，張慧鮮.瀝青路面節(jié)能減排量化評(píng)價(jià)方法［J］.公路交通科技，2014，31（1）：32-38. Yang Bo，Zhang Zhengqi，Zhang Huixian.Quantitative evaluationmethod of energy saving and emission reduction for asphalt pavement［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2014，31（1）：32-38.（in Chinese）

［8］JTG/T B06-02—2007公路工程預(yù)算定額［S］.

［9］JTG/T B06-03—2007公路工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額［S］.

［10］楊 博.基于生命周期分析的瀝青路面節(jié)能減排量化分析方法及評(píng)價(jià)體系研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，2012.

（責(zé)任編輯 趙 鷗）

Quantitative analysis of energy consumption and emission of plant-mixed hot recycling technology

Zhang Zhengqi1，Zhang Ke1，Yao Xiaoguang1，Zhai Jia2
（1.Key Laboratory of Special Area Highway Engineering ofMinistry of Education，Chang′an University，Xi′an，Shaanxi710064，China；2. Hubei Provincial Communications Planning and Design Institute，Wuhan，Hubei430051，China）

In view of the processing of old pavement，the producing of raw materials，themanufacturing of recyclingmixture and the constructing of recycling pavement，the quantitative analysismethods and steps for energy consumption and emission of asphalt pavement hot recycling technology were analyzed based on data collection and calculation.The quantitative analysis model for energy consumption and emission of asphalt pavement hot recycling technology was established.The various steps and the total energy consumption and emission of asphalt pavement hot recycling technology were investigated in detail.The total energy consumption and emission of unit mass hot recycling mixture，the energy consumption ratio and environmental emission coefficient at different life cycle stages were calculated. The results show that compared with hot asphaltmixture，the total energy consumption of1 thot recycling mixture at four stages is declined by 19％，and paving 1 km asphaltmiddle course by hot recycling mixture can reduce the emissions of 2 645 kg CO2，43 kg SO2，87 kg 1，4-dichlorobenzene and 143 kg granularmatter equivalently.

asphaltmixture；hot recycling technology；energy consumption；emission；quantitative analysis

U416.26

A

1671-7775（2015）05-0615-06

張爭(zhēng)奇，張 苛，姚曉光，等.廠拌熱再生技術(shù)能耗與排放量化分析［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，36（5）：615-620.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.05.022

2015-03-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51008031）；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2014319812151）

張爭(zhēng)奇（1967—），男，陜西扶風(fēng)人，教授，博士生導(dǎo)師（z-zhengqi@126.com），主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料研究.

張 苛（1989—），男，安徽宿州人，博士研究生（通信作者，15114820709@126.com），主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料研究.