生物瀝青碳排放量與經濟效益定量分析

鄒曉明，侯海元

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

1 引言

基質瀝青在施工與使用過程中消耗能源較多，產生較多廢氣，對環境影響較大。生物瀝青是一種可持續的較為環保的能源，可用于道路建設中。制備生物瀝青所用的生物油來源于不同生物資源，環保效能高。有研究表明生物瀝青施工溫度較基質瀝青相對較低，能有效控制施工過程中溫室氣體排放量。同時與基質瀝青相比，生物瀝青材料成本較低，可節約瀝青材料成本費用，節省大量公路建設成本。因此，生物瀝青較傳統基質瀝青具有良好的環境與經濟效益，雖然該結論已達成共識，但目前尚缺乏針對生物瀝青碳排放量與經濟分析的定量描述，尚不明確生物瀝青混合料與基質瀝青相比其碳排放水平與經濟效益的定量優勢。

該文通過碳排放分析開展生物瀝青環境效益分析，基于生物瀝青混合料路用性能試驗，結合性價比指標，進行生物瀝青混合料經濟效益分析，對比分析生物瀝青混合料與基質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境和經濟效益。

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程中以及瀝青攤鋪碾壓過程中消耗燃料產生的CO2和少量氮氧化物等，其中以加熱、機械油耗產生的CO2為主。

2.1 生物瀝青混合料碳排放計算方法

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致，由于各類能源中的化學成分并不相同，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不同所導致的無法累積的問題，將溫室氣體統一為可以累加的單一指標，成為當量碳排放，即將不同溫室氣體根據溫室效應的不同轉化成等效的二氧化碳排放量，進而累計得出精確值。

國家溫室氣體碳排放指南規定了與溫室氣體轉化為二氧化碳排放量相關的排放系數，通過全球變暖潛在值(GWP)轉化為等效CO2排放量，即當量二氧化碳排放量，記為CO2e，其折算系數如表1所示。

表1 當量碳排放折算系數

根據現有研究將溫室氣體分為3類，主要包括CO2、CH4、N2O。計算時可通過碳排放因子計算不同環節的溫室氣體排放量，再通過CO2等效當量值排放量折算系數，得到CO2e，然后開展累計計算總碳排放量，其計算如式(1)所示：

(1)

式中：GHG為碳排放總量(mg)；mij為第i環節第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種能源產生的第k種氣體的全球變暖潛在值。

2.2 生物瀝青與基質瀝青碳排放量對比分析

采用公路瀝青路面建設過程中所需的1 t瀝青混合料的碳排放量作為研究對象，量化分析瀝青路面建設中的能源消耗與碳排放狀況。該文擬對1 t木屑類生物瀝青混合料和熱拌瀝青混合料在施工過程中的碳排放量開展對比研究。瀝青混合料拌和過程中涉及的因素較多，有研究表明：瀝青加熱和集料加熱環節為施工過程中碳排放的關鍵環節。該文假設兩種瀝青混合料拌和過程中的碳排放量相同，計算時僅考慮施工過程中碳排放的關鍵環節。假設采用AC-20瀝青混合料，瀝青用量為5%。

(1) 瀝青加熱環節

根據施工工藝，木屑類生物瀝青的加熱溫度設為140 ℃，基質瀝青的加熱溫度設為160 ℃，所以其能耗存在一定差異。設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 ℃，采用天然氣進行加熱，燃燒效率為95%，查得天然氣的發熱量為35 588 kJ/m3。

加熱瀝青混合料所需的能量Q計算如式(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為材料的質量。

根據能量守恒定律，生產1 t瀝青混合料在瀝青加熱環節所需要的天然氣量M天然氣計算如下：

所以在此環節中加熱生物瀝青所消耗的天然氣量為44.6 m3。同理計算得到加熱基質瀝青所消耗的天然氣量為89.2 m3。

(2) 集料加熱環節

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

m集料=1 000×(1-5%)=950 kg

m水=m集料×4%=950×0.04=38 kg

通過計算得到在混合料施工中生產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。同理計算在施工中生產1 t基質瀝青混合料，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。

中國針對瀝青路面建設過程中碳排放研究相對較少，尚無溫室氣體排放因子計算所需相關指標。該文采用聯合國政府間氣候變化專門委員會推薦的碳排放因子作為中國高速公路能源碳排放因子。運用全球變暖潛在值將各種溫室氣體轉換成二氧化碳當量，進而開展生物瀝青與基質瀝青路面在建設過程中的碳排放計算研究。該文所采用的各種能源排放因子指標及各類能源平均低位發熱量如表2所示。

表2 各種能源碳排放因子及發熱量

根據表2相關系數，計算得到生產1 t生物瀝青混合料的碳排放量為 8.91×108mg，生產1 t基質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于基質瀝青混合料而言，其碳排放量減少49.97%，其環境效益較為顯著。

表3 生物瀝青與基質瀝青混合料碳排放量對比

3 生物瀝青經濟效益分析

新型路面材料的優良路用性能以及經濟效益對于其應用起著較為關鍵的作用。該文針對生物瀝青的經濟性開展分析，為生物瀝青在實際工程中的應用提供參考。

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研究

所用生物質重油的原料為木屑，常溫下為黑褐色膏狀，其元素組成見表4。

表4 生物質重油理化特性和元素組成(木屑重油)

基質瀝青采用70#A級道路石油瀝青，各項技術要求和測試結果如表5所示，均滿足規范要求。

表5 瀝青三大指標測試結果

基質瀝青與生物瀝青混合料的常規路用性能試驗，主要包括高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性試驗，結果如表6所示。

從表6可知：① 瀝青混合料的動穩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穩定度與基質瀝青混合料相比分別減少8.3%、50.9%、71.7%。說明生物瀝青的摻入降低了混合料抵抗車轍的能力，當生物油摻量小于13.9%時所制的生物瀝青動穩定度均大于基質瀝青要求的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變隨著生物油摻量的增加而逐漸增大，與基質瀝青混合料相比，其最大拉應變分別增大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度比從基質瀝青混合料的86.2%分別降低到83.6%、75.9%、60.5%。說明生物油的摻入降低了混合料水穩定性能，當生物油摻量小于10.3%時所制的生物瀝青均大于基質瀝青要求的75%，滿足廣西夏季潮濕區的相應要求。

表6 基質瀝青與生物瀝青混合料路用性能試驗結果

(2) 路用性能綜合評價指標

采用路用性能綜合評價指標對瀝青混合料i的路用性能j占所有混合料的優勢率進行計算，計算方法如式(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價指標；ji1為混合料i路用性能j的實測值；j1max為路用性能j的最大實測值。

采用瀝青混合料路用性能優勢定量評價道路所在地區混合料的綜合性能，記為Ti，如式(4)所示：

Ti=∑aij×ck

(4)

式中：ck為分項路用性能所占權重。

基于基質瀝青與生物瀝青混合料的常規路用性能試驗結果，結合計算式(3)、(4)，分項路用性能所占權重均取1/3，得到基質瀝青與生物瀝青混合料路用性能綜合評價指標，如表7所示。

由表7可知：基質瀝青混合料的路用性能優勢為0.952，生物油摻量5%、10%、15%的生物瀝青混合料的路用性能優勢分別為0.933、0.795、0.759。因此，基質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 基質瀝青與生物瀝青混合料路用性能綜合評價指標

3.2 生物瀝青混合料成本分析

該文暫不考慮拌和時間、拌和方式、拌和能源消耗等因素，僅考慮原材料成本價格的影響。假設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，則僅需對比不同種類瀝青混合料所需瀝青的材料成本費用。假設生物油為1 500元/t，基質瀝青為5 000元/t。計算得到5%、10%、15%生物瀝青混合料成本費用，并以基質瀝青為基數，進一步計算其相對成本，見表8。

表8 不同種類瀝青的成本費用對比分析

3.3 生物瀝青混合料經濟效益分析

采用瀝青混合料的性價比為路用性能相對優勢指標與相對成本的比值，通過計算得到基質瀝青與生物瀝青混合料性價比，如表9所示。

表9 基質瀝青與生物瀝青混合料性價比

由表9可知：針對生物瀝青改性瀝青而言，5%生物瀝青混合料的性價比最高為0.967，說明生物瀝青具有良好的經濟效益，為生物瀝青的推廣應用提供了依據。

4 結論

通過碳排放分析與經濟效益分析，研究了生物瀝青與基質瀝青的環境和經濟效益。得到以下主要結論：

(1) 考慮瀝青混合料碳排放關鍵環節，對比生物瀝青混合料與基質瀝青混合料的碳排放量狀況。與基質瀝青混合料相比，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價指標，分析了不同種類瀝青混合料的性價比，得到5%生物瀝青混合料的性價比最高為0.967。