热拌沥青混合料生产和施工全过程能耗与排放评价

丁智勇+谢永平+王宝金+宋静静

摘要：凭借对热拌沥青混合料（HMA）从原料生产阶段、混合料的拌和生产到运输和施工全过程的能耗和排放计算评价方法，引入碳排放因子，建立热拌沥青混合料生产和施工各阶段的能耗计算模型和全过程的CO2排放总量计算模型。通过实例计算出热拌沥青混合料在生产和施工全过程的能耗及碳排放量，从能量消耗和碳排放角度对比得出结论：原料生产占主要部分，其次是混合料的生产拌和阶段。

关键词：热拌沥青混合料；能量消耗；CO2排放；计算模型

中图分类号：U416.217文献标志码：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，热拌沥青混合料（HMA）在路面建设中的使用量最大，而且HMA路面在建设过程中资源和能源消耗量大、污染严重[1]。以往HMA节能减排的研究，大都集中在采用温拌剂等措施减少施工过程中能耗和气体排放，以沥青混合料生产和施工全过程分析计算其能耗和排放的研究很少[2]。本文对HMA的原料生产、混合料拌和、运输、摊铺、碾压施工的全过程能耗与排放进行分析并建立计算模型。由于内燃机和电机是HMA整个生产和施工过程中能耗和气体排放的源头，因此，研究中以内燃机和电动机

能耗计算为基础，分析HMA生产和施工全过程中燃料化学能和电能的消耗，然后引入碳排放因子概念计算CO2气体的排放量。

1能耗计算模型的建立

1.1原料生产阶段能耗

HMA的主要原料为沥青和石料，将它们的生产能耗分别以Em和En表示，两者之和E1为原料生产总能耗，即E1=Em+En。

（1） 沥青生产能耗。目前HMA所采用沥青都是石化企业生产的成品，其生产过程主要依靠各种燃料和电力提供动力能源。本文中以内燃发动机功率计算燃料能耗，并将1 kW·h电力能耗按等效热值36 MJ计算转化为燃料能耗，建立沥青生产阶段能耗模型

式中： k1为燃料损耗系数，取1.03；N为内燃机额定功率（kW）； k2为能力利用系数； CNCV为燃料净发热值系数，见表1；G为比油耗（g·（kW·h）-1），汽油机取值为34014 g·（kW·h）-1，柴油机见表2；k′[KG-25x]1为电动机的时间利用系数；k′[KG-25x]2为线路损耗系数，取1.05； k′[KG-25x]3为电动机有效功率利用系数，见表3； N′为电动机额定功率（kW）；H为原料生产时间（h）。

研究中选取代表性沥青进行调查，并参考欧洲沥青协会对沥青生命周期清单分析的研究成果，得到沥青生产能耗，见表4。

（2） 石料生产能耗。根据对石料生产的调查研究，发现碎石生产过程的能耗与其生产率及碎石设备功率有关。石料的生产能耗来源主要为电力，建立能耗计算模型

国内石料生产线常用技术参数见表5，结合式（2）可以计算出石料生产过程所需的能耗。

1.2混合料生产阶段能耗

HMA生产拌和设备的能耗主要分为2部分，一部分是用于加热集料和沥青，其来源主要为柴油和重油等燃料；另外一部分是维持沥青拌和站其他设备的运转，主要来源为电力。研究中考虑沥青混合料生产阶段的能耗（E2）高低与拌和站的生产率、集料的含水率、拌和站进出料温度等有关，建立能耗计算模型

式中：M为需要加热的集料质量（kg）；m为加热沥青的质量（kg）；ω为集料含水率（%）； c1为骨料的比热（MJ·（kg·℃）-1）；c2为水的比热容，一般取4.2×10-3 MJ·（kg·℃）-1；c3为沥青从t4加热到t5过程中的平均比热（MJ·（kg·℃）-1）；t1为集料的进料温度（℃）；t2为集料的加热温度（℃）；t3为水蒸发的温度（℃）；t4为沥青初始温度（℃）；t5为沥青加热后温度（℃）；η为燃料的热利用率。

1.3混合料运输阶段能耗

施工时热拌沥青混合料的运输距离、车辆型号和车辆台数是其运输阶段能耗的主要影响因素。运输中HMA的热量损失在混合料生产阶段能耗中已经包括，所以忽略运输过程中热量散失。由运输车辆发动机功率、油耗和运输距离为主要参数，建立能耗计算模型

式中：E3为沥青混合料运输阶段能耗（MJ）；L为运输距离（km）；V为运输车辆平均速度（km·h-1）。

1.4HMA施工阶段能耗

HMA施工阶段中摊铺机与压路机都是通过内燃机把化学能转化为机械能，仅在内燃机的功率上存在差异。因此，该阶段的能耗可以用摊铺和压实能耗之和建立施工阶段能耗计算模型

式中：E4为施工过程的能耗（MJ）；EP为摊铺机在路面摊铺过程消耗的能量（MJ）；EQ为压路机在路面压实过程中消耗的能量（MJ）。

2碳排放计算模型的建立

2.1碳排放因子

碳排放因子（Carbon Emission Factor）是指消耗某种能源产生热量而伴随的温室气体的生成量，可与生产活动的数量和温室气体排放相联系，是统计观测得到的数据。国际组织 IPCC 通过大量的统计数据库和碳追踪试验，得到不同燃料消耗时排放出的缺省碳排放因子，见表6。

2.2HMA路面建设中碳排放模型建立

由于在HMA路面建设中气体排放种类多，其中CO2是占主要部分的温室气体，所以本文中碳排放计算主要指的就是CO2的排放量。依据上述4个阶段的能耗计算模型，并结合碳排放因子FC就可以计算4个阶段的碳排放量

Ci=EiFC（6）

式中：Ci为4个阶段碳排放总量；Ei为根据能量模型计算出的HMA在4个阶段的能耗（MJi=1，2，3，4）。

3计算实例

为便于说明能耗和碳排放计算模型的应用，本文以 1 000 m3 HMA生产和施工为例进行计算。假设中粒式HMA压实体积为1 000 m3，采用改性沥青，油石比为4.5%，集料含水率为6%，生产1 000 m3沥青混合料的原材料质量与拌和设备台班数量见表7[3]。

HMA的原料是改性沥青及石料，由于设备类型的不同需要分别进行计算。

3.1沥青生产阶段

沥青生产阶段能耗可通过调查沥青生产企业能源用量平均水平并根据式（1）计算得到。但是沥青生产企业的差异性很大，且国内缺乏此类行业的国民经济调查数据，因此本研究采用表3中改性沥青生产能耗 22 160.72 MJ·t-1作为沥青生产阶段能耗的计算依据[46]。由表8可知沥青量为1012 t，则生产能耗Em=2.24×106 MJ 。

根据表4中沥青生产阶段的能耗组成，由各种燃料的能耗与其对应的碳排放因子计算出CO2排放量，然后加权计算出沥青生产的碳排放总量Cm=1.770×105 kg。

3.2石料生产阶段

以最大进料尺寸为480 mm的石料生产线为例进行计算，其装机功率为280 kW，每小时产量为100 t，则生产2 3488 t石料需要工作235 h[7]。选取电动机载荷类型为3/4，可依据式（2）计算出石料生产阶段能耗En=23 459 MJ。假设石料生产的能耗来源全为电力，则其生产过程中的CO2排放量Cn=EnFc=1 940 kg。所以，HMA原料生产阶段的能耗E1=Em+En=2263×106 MJ，CO2排放量C1=Cm+Cn=1789×105 kg。

3.3沥青混合料生产阶段

假定采用生产率为160 t·h-1的拌和设备来拌和生产这1 000 m3的改性沥青混合料，集料进料温度t1=25 ℃，集料加热后温度t2=190 ℃，水的蒸发温度t3 =100 ℃，改性沥青原始温度t4=30 ℃，改性沥青加热后温度t5=170 ℃，并选取拌和站的热利用率η=70%。将集料比热容c1=149×10-3 MJ·（kg·℃）-1，水的比热容c2=42×10-3 MJ·（kg·℃）-1，改性沥青比热容c3=175×10-3 MJ·（kg·℃）-1带入式（3）的中可得混合料加热过程的能耗为826×105 MJ。

如果拌和站的加热过程都是以重油为燃料，则此过程产生的CO2量为639×104 kg。

在没有拌和站实际耗电统计数据的情况下，可以由拌和站工作台班数与设备型号，结合规范确定耗电量[8]。由表7中知160 t·h-1拌和设备台班数为264，由规范可知每台班的耗电量为3 05246 kW·h，则电能消耗为27×104 MJ，产生的CO2量为2 2329 kg。

所以，沥青混合料拌和阶段总能耗E2=8.53×105 MJ，CO2排放总量C2=6.613×104 kg。

3.4沥青混合料运输和施工阶段

在没有混合料运输和施工实际统计数据的情况下，可以凭混合料运输和施工设备数量、类型等为依据查规范确定台班数和油耗，得到运输1 000 m3沥青混合料的运输车辆台班数及每台班油耗，见表8。

假设HMA拌和站和施工现场间的运输距离为10 km，使用15 t以内的自卸车台班数依据表8计算为19.69台班，其余机械台班数可参考公路预算定额规范[9]。运输车辆和施工机械一般使用柴油为燃料，柴油发热值为42.649 MJ·kg-1，据表6得柴油燃烧的碳排放因子为74.1 g·MJ-1。综上，可计算铺筑1 000 m3中粒式HMA路面的运输和施工过程工程机械设备的能耗和碳排放量，见表9。

所以，运输阶段能耗E3=57 011 MJ，碳排放量C3=4 224.52 kg；施工阶段能耗E4=47 150 MJ，碳排放量C4=3 493.82 kg。

3.5结果分析

对实例结果进行分析，图1表示各阶段能耗与排放的比例。

图1HMA各阶段能耗与排放的比例

依据计算结果，原料生产阶段的能耗占整体能耗的7028%，碳排放量占整体排放的7078%，为主要能耗和排放阶段。

4结语

本文对HMA从生产到施工各阶段进行能耗与排放量化评价，得出如下结论。

（1） HMA生产和施工各环节能量来源不同，可分为内燃机和电动机两大类。本文在内燃机和电动机能耗基础上建立了HMA不同阶段的能耗模型；并通过引入碳排放因子，建立相应能耗产生的CO2排放计算模型。

（2） 应用所建模型对HMA生产施工全过程的能耗和CO2排放进行了计算，结果可知：无论是能耗还是CO2排放量，HMA的原料生产阶段都占主要部分，超过了70%；其次是HMA的生产拌和阶段，占到了26%以上；运输和施工阶段所占比例最少，仅为3%多。

（3） 通过研究可知，如果要在热拌沥青混合料路面建设上进行节能减排措施研究，主要的研究方向应在沥青混合料的原料方面。研究利用再生材料或者采用其他环保节能的路面材料，另外也可通过提高沥青拌和站的热利用率、降低出料温度上提高沥青拌和站的节能水平等措施减少HMA的能耗排放总量。

参考文献：

[1]任征，康敬东，郭小宏.公路机械化施工与管理[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]杨博.沥青路面节能减排量化分析方法及评价体系研究[D].西安：长安大学，2012.

[3]JTG/T B0603—2007，公路工程机械台班费用定额[S].

[4]徐永杰.热拌沥青混合料拌和质量的控制[J].筑路机械与施工机械化，2006，23（6）：2022.

[5]王爱明.浅谈热拌沥青混凝土路面的压实[J].筑路机械与施工机械化，2006，23（2）：5558.

[6]王朝辉，李彦伟，葛娟，等.Tourmaline改性沥青及其混合料热拌减排性能[J].中国公路学报，2014，27（11）：1724.

[7]PENG B，CAI C L，YIN G K，et al.Evaluation System for CO2 Emission of Hot Asphalt Mixture[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering：English Edition，2015，2（2）：116124.

[8]JTG/T B0602—2007，公路工程预算定额[S].

[9]和庆.沥青混合料碳排放计算模型与评价体系研究[D].西安：长安大学，2013.

[责任编辑：高甜]