生物瀝青碳排放量與經(jīng)濟(jì)效益定量分析

鄒曉明，侯海元

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧 530022； 2.廣西交投科技有限公司)

1 引言

基質(zhì)瀝青在施工與使用過(guò)程中消耗能源較多，產(chǎn)生較多廢氣，對(duì)環(huán)境影響較大。生物瀝青是一種可持續(xù)的較為環(huán)保的能源，可用于道路建設(shè)中。制備生物瀝青所用的生物油來(lái)源于不同生物資源，環(huán)保效能高。有研究表明生物瀝青施工溫度較基質(zhì)瀝青相對(duì)較低，能有效控制施工過(guò)程中溫室氣體排放量。同時(shí)與基質(zhì)瀝青相比，生物瀝青材料成本較低，可節(jié)約瀝青材料成本費(fèi)用，節(jié)省大量公路建設(shè)成本。因此，生物瀝青較傳統(tǒng)基質(zhì)瀝青具有良好的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益，雖然該結(jié)論已達(dá)成共識(shí)，但目前尚缺乏針對(duì)生物瀝青碳排放量與經(jīng)濟(jì)分析的定量描述，尚不明確生物瀝青混合料與基質(zhì)瀝青相比其碳排放水平與經(jīng)濟(jì)效益的定量?jī)?yōu)勢(shì)。

該文通過(guò)碳排放分析開展生物瀝青環(huán)境效益分析，基于生物瀝青混合料路用性能試驗(yàn)，結(jié)合性價(jià)比指標(biāo)，進(jìn)行生物瀝青混合料經(jīng)濟(jì)效益分析，對(duì)比分析生物瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料的碳排放量、路用性能以及成本效益，定量研究生物瀝青的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

2 生物瀝青混合料碳排放定量研究

碳排放又稱溫室氣體排放，包括二氧化碳等其他溫室氣體的排放量。瀝青路面碳排放主要涉及瀝青和集料加熱過(guò)程中以及瀝青攤鋪碾壓過(guò)程中消耗燃料產(chǎn)生的CO2和少量氮氧化物等，其中以加熱、機(jī)械油耗產(chǎn)生的CO2為主。

2.1 生物瀝青混合料碳排放計(jì)算方法

瀝青混合料碳排放主要是由于煤炭、柴油、天然氣等能源消耗所導(dǎo)致，由于各類能源中的化學(xué)成分并不相同，其碳排放量也有一定差異。

為了解決不同溫室氣體的溫室效應(yīng)不同所導(dǎo)致的無(wú)法累積的問(wèn)題，將溫室氣體統(tǒng)一為可以累加的單一指標(biāo)，成為當(dāng)量碳排放，即將不同溫室氣體根據(jù)溫室效應(yīng)的不同轉(zhuǎn)化成等效的二氧化碳排放量，進(jìn)而累計(jì)得出精確值。

國(guó)家溫室氣體碳排放指南規(guī)定了與溫室氣體轉(zhuǎn)化為二氧化碳排放量相關(guān)的排放系數(shù)，通過(guò)全球變暖潛在值(GWP)轉(zhuǎn)化為等效CO2排放量，即當(dāng)量二氧化碳排放量，記為CO2e，其折算系數(shù)如表1所示。

表1 當(dāng)量碳排放折算系數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有研究將溫室氣體分為3類，主要包括CO2、CH4、N2O。計(jì)算時(shí)可通過(guò)碳排放因子計(jì)算不同環(huán)節(jié)的溫室氣體排放量，再通過(guò)CO2等效當(dāng)量值排放量折算系數(shù)，得到CO2e，然后開展累計(jì)計(jì)算總碳排放量，其計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：GHG為碳排放總量(mg)；mij為第i環(huán)節(jié)第j種能源的消耗量(t或m3或kW·h)；Qj為第j種能源的單位發(fā)熱量[MJ/t或MJ/m3或MJ/(kW·h)]；Pj為第j種能源的排放因子(mg/MJ)；GWPk為第j種能源產(chǎn)生的第k種氣體的全球變暖潛在值。

2.2 生物瀝青與基質(zhì)瀝青碳排放量對(duì)比分析

采用公路瀝青路面建設(shè)過(guò)程中所需的1 t瀝青混合料的碳排放量作為研究對(duì)象，量化分析瀝青路面建設(shè)中的能源消耗與碳排放狀況。該文擬對(duì)1 t木屑類生物瀝青混合料和熱拌瀝青混合料在施工過(guò)程中的碳排放量開展對(duì)比研究。瀝青混合料拌和過(guò)程中涉及的因素較多，有研究表明：瀝青加熱和集料加熱環(huán)節(jié)為施工過(guò)程中碳排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該文假設(shè)兩種瀝青混合料拌和過(guò)程中的碳排放量相同，計(jì)算時(shí)僅考慮施工過(guò)程中碳排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。假設(shè)采用AC-20瀝青混合料，瀝青用量為5%。

(1) 瀝青加熱環(huán)節(jié)

根據(jù)施工工藝，木屑類生物瀝青的加熱溫度設(shè)為140 ℃，基質(zhì)瀝青的加熱溫度設(shè)為160 ℃，所以其能耗存在一定差異。設(shè)兩種瀝青的比熱容均為1 506.2 kJ/(kg·K)，假定瀝青的初始溫度為100 ℃，采用天然氣進(jìn)行加熱，燃燒效率為95%，查得天然氣的發(fā)熱量為35 588 kJ/m3。

加熱瀝青混合料所需的能量Q計(jì)算如式(2)所示：

Q=ΔT×C×m

(2)

式中：ΔT為材料的溫度變化量；C為材料的比熱容；m為材料的質(zhì)量。

根據(jù)能量守恒定律，生產(chǎn)1 t瀝青混合料在瀝青加熱環(huán)節(jié)所需要的天然氣量M天然氣計(jì)算如下：

所以在此環(huán)節(jié)中加熱生物瀝青所消耗的天然氣量為44.6 m3。同理計(jì)算得到加熱基質(zhì)瀝青所消耗的天然氣量為89.2 m3。

(2) 集料加熱環(huán)節(jié)

瀝青混合料集料加熱過(guò)程中的能耗量與集料相關(guān)參數(shù)息息相關(guān)。集料相關(guān)參數(shù)主要包括比熱容、含水量等。假設(shè)加熱前集料溫度為25 ℃，含水量為4%，集料的比熱容取為920 J/(kg·K)，假設(shè)當(dāng)溫度升高到130 ℃時(shí)，水分從集料中全部蒸發(fā)，設(shè)水的比熱容為4 190 J/(kg·K)。拌和料在加熱過(guò)程中所消耗的燃料為柴油，有研究表明，柴油燃燒效率為90%，設(shè)柴油的發(fā)熱量為42 500 kJ/kg，假設(shè)滾筒熱交換率為60%。假設(shè)集料加熱過(guò)程中所消耗的能量主要包括集料加熱過(guò)程和水分蒸發(fā)過(guò)程中所消耗的能量，基于能量守恒定律，計(jì)算1 t生物瀝青混合料在集料加熱過(guò)程中所需的柴油消耗量M柴油，結(jié)果如下：

m集料=1 000×(1-5%)=950 kg

m水=m集料×4%=950×0.04=38 kg

通過(guò)計(jì)算得到在混合料施工中生產(chǎn)1 t生物瀝青，加熱集料所需柴油量為4.7 kg，柴油密度為850 kg/m3，則所需柴油體積為5.53×10-3m3。同理計(jì)算在施工中生產(chǎn)1 t基質(zhì)瀝青混合料，加熱集料所需柴油量為6.63 kg，則柴油消耗的體積為7.80×10-3m3。

中國(guó)針對(duì)瀝青路面建設(shè)過(guò)程中碳排放研究相對(duì)較少，尚無(wú)溫室氣體排放因子計(jì)算所需相關(guān)指標(biāo)。該文采用聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)推薦的碳排放因子作為中國(guó)高速公路能源碳排放因子。運(yùn)用全球變暖潛在值將各種溫室氣體轉(zhuǎn)換成二氧化碳當(dāng)量，進(jìn)而開展生物瀝青與基質(zhì)瀝青路面在建設(shè)過(guò)程中的碳排放計(jì)算研究。該文所采用的各種能源排放因子指標(biāo)及各類能源平均低位發(fā)熱量如表2所示。

表2 各種能源碳排放因子及發(fā)熱量

根據(jù)表2相關(guān)系數(shù)，計(jì)算得到生產(chǎn)1 t生物瀝青混合料的碳排放量為 8.91×108mg，生產(chǎn)1 t基質(zhì)瀝青混合料的碳排放量為17.83×108mg，見表3。因此，生物瀝青混合料相對(duì)于基質(zhì)瀝青混合料而言，其碳排放量減少49.97%，其環(huán)境效益較為顯著。

表3 生物瀝青與基質(zhì)瀝青混合料碳排放量對(duì)比

3 生物瀝青經(jīng)濟(jì)效益分析

新型路面材料的優(yōu)良路用性能以及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)于其應(yīng)用起著較為關(guān)鍵的作用。該文針對(duì)生物瀝青的經(jīng)濟(jì)性開展分析，為生物瀝青在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

3.1 瀝青混合料路用性能分析

(1) 生物瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

所用生物質(zhì)重油的原料為木屑，常溫下為黑褐色膏狀，其元素組成見表4。

表4 生物質(zhì)重油理化特性和元素組成(木屑重油)

基質(zhì)瀝青采用70#A級(jí)道路石油瀝青，各項(xiàng)技術(shù)要求和測(cè)試結(jié)果如表5所示，均滿足規(guī)范要求。

表5 瀝青三大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

基質(zhì)瀝青與生物瀝青混合料的常規(guī)路用性能試驗(yàn)，主要包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

從表6可知：① 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著生物油摻量的增大而逐漸減小。生物油摻量為5%、10%、15%的生物瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與基質(zhì)瀝青混合料相比分別減少8.3%、50.9%、71.7%。說(shuō)明生物瀝青的摻入降低了混合料抵抗車轍的能力，當(dāng)生物油摻量小于13.9%時(shí)所制的生物瀝青動(dòng)穩(wěn)定度均大于基質(zhì)瀝青要求的1 000次/mm；② 摻加生物油后，生物油摻量為5%、10%、15%的生物瀝青混合料最大拉應(yīng)變隨著生物油摻量的增加而逐漸增大，與基質(zhì)瀝青混合料相比，其最大拉應(yīng)變分別增大2.3%、13.1%、16.7%。因此，生物瀝青改性瀝青混合料的低溫抗裂性能隨生物油摻量增加而加大，在一定程度上有所改善；③ 生物油摻量為5%、10%、15%的瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比從基質(zhì)瀝青混合料的86.2%分別降低到83.6%、75.9%、60.5%。說(shuō)明生物油的摻入降低了混合料水穩(wěn)定性能，當(dāng)生物油摻量小于10.3%時(shí)所制的生物瀝青均大于基質(zhì)瀝青要求的75%，滿足廣西夏季潮濕區(qū)的相應(yīng)要求。

表6 基質(zhì)瀝青與生物瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

(2) 路用性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用路用性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)瀝青混合料i的路用性能j占所有混合料的優(yōu)勢(shì)率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如式(3)所示：

(3)

式中：aij為瀝青混合料i的路用性能j占所有混合料的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；ji1為混合料i路用性能j的實(shí)測(cè)值；j1max為路用性能j的最大實(shí)測(cè)值。

采用瀝青混合料路用性能優(yōu)勢(shì)定量評(píng)價(jià)道路所在地區(qū)混合料的綜合性能，記為Ti，如式(4)所示：

Ti=∑aij×ck

(4)

式中：ck為分項(xiàng)路用性能所占權(quán)重。

基于基質(zhì)瀝青與生物瀝青混合料的常規(guī)路用性能試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合計(jì)算式(3)、(4)，分項(xiàng)路用性能所占權(quán)重均取1/3，得到基質(zhì)瀝青與生物瀝青混合料路用性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表7所示。

由表7可知：基質(zhì)瀝青混合料的路用性能優(yōu)勢(shì)為0.952，生物油摻量5%、10%、15%的生物瀝青混合料的路用性能優(yōu)勢(shì)分別為0.933、0.795、0.759。因此，基質(zhì)瀝青混合料與生物油摻量為5%的生物瀝青混合料具有較好的路用性能。

表7 基質(zhì)瀝青與生物瀝青混合料路用性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2 生物瀝青混合料成本分析

該文暫不考慮拌和時(shí)間、拌和方式、拌和能源消耗等因素，僅考慮原材料成本價(jià)格的影響。假設(shè)兩種不同的瀝青混合料均采用AC-20，其所采用的礦料成本均相同，則僅需對(duì)比不同種類瀝青混合料所需瀝青的材料成本費(fèi)用。假設(shè)生物油為1 500元/t，基質(zhì)瀝青為5 000元/t。計(jì)算得到5%、10%、15%生物瀝青混合料成本費(fèi)用，并以基質(zhì)瀝青為基數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算其相對(duì)成本，見表8。

表8 不同種類瀝青的成本費(fèi)用對(duì)比分析

3.3 生物瀝青混合料經(jīng)濟(jì)效益分析

采用瀝青混合料的性價(jià)比為路用性能相對(duì)優(yōu)勢(shì)指標(biāo)與相對(duì)成本的比值，通過(guò)計(jì)算得到基質(zhì)瀝青與生物瀝青混合料性價(jià)比，如表9所示。

表9 基質(zhì)瀝青與生物瀝青混合料性價(jià)比

由表9可知：針對(duì)生物瀝青改性瀝青而言，5%生物瀝青混合料的性價(jià)比最高為0.967，說(shuō)明生物瀝青具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，為生物瀝青的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

通過(guò)碳排放分析與經(jīng)濟(jì)效益分析，研究了生物瀝青與基質(zhì)瀝青的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。得到以下主要結(jié)論：

(1) 考慮瀝青混合料碳排放關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)比生物瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料的碳排放量狀況。與基質(zhì)瀝青混合料相比，生物瀝青混合料的碳排放量減少49.97%。

(2) 基于路用性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了不同種類瀝青混合料的性價(jià)比，得到5%生物瀝青混合料的性價(jià)比最高為0.967。