基于生命周期評價的爐渣瀝青路面生產(chǎn)階段的能耗與排放

孫瑜 薛夢陽 廖劍

摘要：以生活垃圾焚燒爐渣瀝青路面為研究對象，采用生命周期評價法，對原材料生產(chǎn)階段的能耗與環(huán)境排放進(jìn)行量化分析，并與普通瀝青路面進(jìn)行對比。其中，能耗計算采用定額法，環(huán)境排放計算采用排放因子法。結(jié)果表明：原材料生產(chǎn)階段，爐渣瀝青路面與普通瀝青路面相比，總體能耗增加17.4%，其中，基質(zhì)瀝青與 SBS 改性瀝青能耗分別增加33%、5.6%，但是天然集料能耗減少20.8%，同時新增爐渣集料能耗，約占爐渣瀝青路面總能耗的3.15%;在未計入減排效率的前提下，CO2、N2O、CH4總排放分別增加30.3%、48.3%、47.2%。

關(guān)鍵詞：道路工程;生活垃圾焚燒爐渣;生命周期評價;能耗與排放;瀝青混合料

中圖分類號：U414? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）04-0155-03

隨著垃圾分類在全國普遍推行，對回收的生活垃圾經(jīng)過焚燒產(chǎn)生的爐渣進(jìn)行資源化處理與利用是當(dāng)前的焦點。生活垃圾焚燒爐渣[1]（以下簡稱“爐渣”）是生活垃圾焚燒后的主要固態(tài)產(chǎn)物，組成成分有燒結(jié)熔渣、玻璃、陶瓷、金屬、磚石及未燃燒物等，屬于輕集料的范疇。爐渣經(jīng)過濕法或干法工藝[2]處理后得到爐渣集料和爐渣粉料兩種產(chǎn)物，可以投入資源化再利用[3]。

目前爐渣集料可摻入到水泥碎石或瀝青混合料中。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石養(yǎng)生齡期越長、水泥用量越大、養(yǎng)生溫度越高，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度越高[4]。爐渣集料摻入到瀝青混合料中，馬歇爾試驗參數(shù)滿足規(guī)范要求[5];AC-20中爐渣集料替代天然集料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、SMA-13中為5%～10%時可降低老化對低溫抗裂性能的不利影響，并且瀝青混合料疲勞壽命較高[6]。凍融循環(huán)劈裂強(qiáng)度試驗結(jié)果表明，在凍融循環(huán)過程中，爐渣的特性有利于增大混合料的內(nèi)摩阻角，使得爐渣瀝青混合料具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[5]。

毋庸置疑，爐渣的資源化再利用在固廢處置和節(jié)約自然資源方面都是有利的。從低碳環(huán)保的角度來看，在大規(guī)模推廣爐渣應(yīng)用到道路工程之前，對其能耗與環(huán)境排放進(jìn)行定量分析與評價也是十分必要的。國內(nèi)外主要采用生命周期評價法[7，8]（Life-Cycle Assessment， LCA）對工程能耗與環(huán)境排放進(jìn)行分析。1996年芬蘭學(xué)者等[9]首次將生命周期評價法應(yīng)用到道路方面。潘美萍[10]、李肖燕[11]基于 LCA 對瀝青路面和水泥混凝土路面的能耗及碳排放做了相關(guān)研究;吳廣文等[12]應(yīng)用 LCA 對瀝青路面地?zé)嵩偕┕ぜ夹g(shù)的能耗及排放進(jìn)行了計算;吳爽[13]基于 LCA 對熱拌瀝青路面與溫拌瀝青路面進(jìn)行全生命周期環(huán)境影響評價研究。

綜上，國內(nèi)外對于爐渣瀝青路面的研究仍處于初級階段，尤其是缺乏爐渣瀝青路面生命周期內(nèi)能耗、環(huán)境排放的相關(guān)研究。本文以爐渣瀝青路面面層為研究對象，通過生命周期評價法進(jìn)行對其原材料的生產(chǎn)階段進(jìn)行能耗與環(huán)境排放的計算分析，并以普通瀝青路面面層作為對照組進(jìn)行對比分析，為爐渣集料在瀝青路面的使用提供參考。

1系統(tǒng)模型

1.1生命周期評價

LCA 是對產(chǎn)品系統(tǒng)整個生命周期的輸入、輸出及潛在環(huán)境影響的匯集和評價。根據(jù) ISO14040標(biāo)準(zhǔn)[14]定義的技術(shù)框架，LCA評價過程包括定義目標(biāo)與確定范圍、清單分析、影響評價和生命周期解釋4部分。

爐渣瀝青路面進(jìn)行 LCA 評價具體步驟：①明確產(chǎn)品系統(tǒng)。本文的研究對象為爐渣瀝青路面面層，對照組為普通瀝青路面;②確定原材料消耗量;③確定系統(tǒng)邊界。整個爐渣瀝青路面生命周期可劃分為原材料生產(chǎn)、施工建設(shè)、運營養(yǎng)護(hù)和結(jié)構(gòu)拆除4個階段，研究邊界選取原材料生產(chǎn)階段;④確定路面 LCA 能耗與排放模型以及計算方法;⑤進(jìn)行 LCA 清單分析;⑥ LCA 清單結(jié)果解釋。

1.2模型假設(shè)

擬建公路為雙向四車道的一級公路，設(shè)計速度為80km/h，路基寬27m，路面寬24m，其中包括：2×0.5m 土路肩+2×3m 硬路肩+4×3.75m 行車道+2m 中央分隔帶，瀝青路面設(shè)計使用年限為15年。研究對象為瀝青路面面層。瀝青路面上、中、下面層選取的 SMA-13、AC-16、AC-20等3種瀝青混合料類型，且厚度分別為4cm、6cm、8cm。如圖1所示。

2瀝青混合料配合比設(shè)計

根據(jù)已有研究結(jié)論，擬定爐渣瀝青路面中摻加爐渣的粒徑范圍和摻量如下： SMA-13中摻入爐渣集料的粒徑范圍為0～2.36mm，摻量為10%（礦料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）;AC-16、AC-20中摻入爐渣集料的粒徑范圍為0～9.5mm，摻量為20%。

AC 瀝青混合料采用中海70#基質(zhì)瀝青， SMA 瀝青混合料采用韓國 SK 公司的 I-D 型 SBS 改性瀝青。 SMA-13、AC-16、AC-20等3種瀝青混合料的配合比設(shè)計均采用馬歇爾設(shè)計方法，各種瀝青混合料的油石比及毛體積相對密度如表1所示。

3能耗與排放

能耗計算采用定額法，環(huán)境排放計算采用排放因子

法。計算公式如式（1）所示。

（1）

式中：E—排放量，kg;a—活動數(shù)量，kg;EF—排放因子，g·kg-1;ER—減排效率。

在原材料生產(chǎn)階段與路面建設(shè)階段，同一種類原材料的不同生產(chǎn)廠商采取的減排效率不同，不同型號的生產(chǎn)機(jī)械減排效率也不同，所以在計算中不計入減排效率。瀝青路面工程中原材料能耗及排放因子如表2所示。

按照1.2節(jié)的模型假設(shè)，1km 瀝青路面面層建設(shè)需要的混合料總體積為4320m3，其中包括 AC-20瀝青混合料1920m ，AC-16瀝青混合料1440m ，SMA-13瀝33青混合料960m3。原材料具體消耗量如表3所示。能耗與排放結(jié)果如表4所示。

通過表4可以看出，在原材料生產(chǎn)階段，爐渣瀝青路面能耗較普通瀝青路面增加17.4%。其中，爐渣瀝青路面基質(zhì)瀝青能耗增加33%， SBS 改性瀝青能耗增加5.6%，天然集料能耗減少20.8%，同時新增爐渣集料能耗131294.16MJ，約占爐渣瀝青路面總能耗的3.15%。環(huán)境排放方面，爐渣瀝青路面 CO2、N2O 與 CH4排放分別增加30.3%、48.3%、47.2%。這是由于爐渣集料的加入，使得基質(zhì)瀝青與 SBS 改性瀝青用量增加，雖然天然集料的用量有所減少，但是爐渣集料用量遠(yuǎn)高于兩種路面中天然集料的差量，且其單位能耗與排放均高于天然集料。

4結(jié)論

本文采用生命周期評價法，對爐渣瀝青路面的原材料生產(chǎn)階段進(jìn)行能耗與排放的計算與分析，并以普通瀝青混合料作為對照組進(jìn)行對比。根據(jù)計算分析結(jié)果可知，在未計入減排效率的前提下，爐渣瀝青路面較普通瀝青路面 CO2、N2O、CH4排放分別增加30.3%、48.3%、47.2%。由于生活垃圾焚燒爐渣的資源化利用能夠大量消耗生活垃圾焚燒爐渣，有效解決固體廢棄物再利用問題，同時還能夠緩解天然集料的資源緊張問題，因此應(yīng)考慮降低爐渣瀝青路面的能耗與排放，從而實現(xiàn)大規(guī)模推廣爐渣瀝青路面的建設(shè)。由于爐渣集料的加入，各種原材料用量都有不同程度的變化，作為爐渣瀝青路面與普通瀝青路面之間能耗與排放變量，可通過調(diào)整原材料的減排效率，使得爐渣瀝青路面排放量減少，提高其綠色度。

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基金項目：上海市青年科技英才揚帆計劃資助項目（20YF1431900）