基于生命周期的中国道路材料能耗量化研究

蒯海东，薛金顺，唐 皓，陈 芳

(1.新疆交通建设集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830001； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096)

0 引 言

目前，中国道路行业常用材料的能耗研究没有系统、公认的成果，导致中国学者在研究道路工程全生命周期能耗时，材料生产阶段的参数多采用欧美等发达国家的数据。这些数据是基于发达国家的行业平均水平建立的，并不符合中国国情；同时，国内外多项研究表明，道路工程中各类材料的生产能耗占总能耗的40%[1]。因此，有必要从生命周期的角度量化中国道路工程常用材料的能耗。

本文基于生命周期分析法，研究中国道路行业材料生产过程，分析能耗分布，推导相关公式，建立能耗模型。依据中国已有的相关标准、大数据资料与现场调研数据，确定各个环节的能耗参数，并结合模型，得到中国道路材料能耗数据库，之后与西方研究成果进行比较，验证模型和数据库的正确性并得出普遍结论。

1 研究方法

1.1 道路材料概念

道路材料是指中国各级公路和城市道路路面结构(面层和基层)中用到的各类基础材料，包括道路用沥青类材料(普通沥青、改性沥青、乳化沥青等)、水泥、集料、钢材、石灰和工业用水等[2-4]。

1.2 生命周期分析法

对于产品的能耗研究，最全面、准确的方法是生命周期分析法(LCA)[5]。生命周期分析是对一个产品系统的生命周期中的输入、输出及潜在环境影响的综合分析和评价。生命周期的清单分析是对系统整个生命周期的输入和输出进行汇编的过程，也是生命周期分析的基础。生命周期分析方法按清单分析主要分为3类：基于流程的生命周期分析、基于投入-产出的生命周期分析、复合生命周期分析[6]。

本研究以基于流程的生命周期分析为主，以基于投入-产出的生命周期分析为辅，对道路材料能耗进行清单分析。其优越性体现在：可以通过流程分析对材料的生产过程不断进行细化，从而保证结果更为详细、准确；在数据不易搜集或数据量过大的子流程中，通过投入-产出的分析法控制分析规模，消除边界条件误差[7]。

1.3 能源生命周期分析

1.3.1 能源生命周期边界

能源的生命周期分析是道路材料能耗量化的基础。能源生命周期的能耗分析不仅包括体现能源自身价值的直接能耗，还包括生产所需的开采、生产以及运输等间接能耗，这就出现了能源之间的相互引用问题。

在能源生命周期分析方面，由于中国统计数据不全，不同的研究者在研究中又借鉴了不同国家的研究数据，导致研究结果存在差异，并且这些差异毫无规律可循[8]。因此，本文不计化石燃料上游的间接能耗，并结合能耗国标的规定，将能源的生命周期边界界定为自化石燃料的使用开始，如图1所示。

图1 能源生命周期边界

1.3.2 能源折算方式

目前，世界上各国的能源折算方式主要有3种：当量热值法、等价热值法、等效电法。国际上一般采用当量热值法，中国通常综合应用当量热值法和等价热值法。

当量热值法把能源换算成以焦耳或卡为单位的能耗数据，忽略了不同能源品味和做功能力的差别；而等价热值法在某种二次能源消耗时，通过统计获得一个度量单位的该种二次能源所消耗的、以热值表示的一次能源量。等效电法应用很少，且并不适用中国国情[9]。

综合考虑3种能源折算方式的优缺点，兼顾能耗模型的通用性和实用性，本研究采用的能源折算方式为：以单位质量标准煤作为能源度量单位；电力按照发电平均煤耗，即采用等价热值法折算；热力和其他能源按照当量热值法折算。

1.3.3 能源生命周期清单

根据本研究中能源生命周期边界和能源折算方式，引用《综合能耗计算通则》中的数据，分析原材料生产所用能源的平均低位发热量，并统一折算成标准煤系数，如表1所示。

表1 能源清单分析结果 kgce·t-1

2 道路材料生命周期能耗分析

2.1 道路材料生命周期边界

对道路材料全生命周期能耗的研究应考察人类从自然界中开采矿产后，对一种或多种矿产进行加工处理形成道路材料的整个过程。由于道路材料只是半成品，所以该生命周期并不考虑材料寿命完全终结。因此，道路材料的生命周期边界定义为：以自然界的矿物开采为起始，以形成道路要求的原材料为终止。

2.2 沥青类材料

由于中国道路工程主要采用的是石油沥青，故本文的沥青类材料均指石油沥青及其衍生物。

2.2.1 普通沥青

普通沥青寿命周期主要分为2个阶段，一是石油的生产阶段，二是石油提炼沥青阶段。

(1)石油生产阶段。中国石油来源非常广泛，有一半以上的石油来自于沙特阿拉伯等数十个国家[10]，难以详细统计。为了能获取便捷实用的基础数据，同时反映中国的石油生产技术水平，本文主要分析中国出产石油的能耗情况。

石油和天然气一般是共生的。因此，在统计石油生产能耗时一般统计石油和天然气的总生产能耗。应用《工业企业单位产品能耗指标计算方法》推荐的热值等量转换法，推导出式(1)。

Eu=Ef/(Po+Pgζg)

(1)

式中：Eu为中国石油生产综合能耗；Ef为统计期(年)内，中国油气田综合能源消费量；Po为统计期(年)内，中国石油产量；Pg为统计期(年)内，中国天然气产量；ζg为天然气折原油系数，一般可直接取推荐值1/125 5 kgce·t-1。

2011年中国的石油产量为20 287.55万t，天然气产量为1 026.89亿m3。石油和天然气生产需要原煤、原油、电力、天然气等多种能源，采用本文的能源折算方式，中国油气田生产综合能源消费总量为3 645.74万t标准煤。将以上数据代入式(1)，可得中国石油单位产量综合能耗为128.10 kgce·t-1。

(2)石油提炼沥青阶段。普通沥青的提炼过程包括物理分离和化学反应[11]，具体生产工艺流程如图2所示。

图2 沥青生产流程

常减压渣油是石油炼油厂常减压塔底抽出的残渣油。因此，常减压渣油本质上是石油提炼产生的废料，其生产过程并不需要消耗特定的能源。所以，沥青的生产提炼能耗仅考虑常减压渣油提炼沥青的化学反应过程能耗。

该过程的能耗折算可用基于投入-产出的生命周期分析法，通过输入和输出沥青生产装置的能源量推导出能耗表达式为

(2)

式中：Er为沥青提炼阶段综合能耗，以标油计；M为某种能源或耗能工质的实物年消耗量或输出量；R为对应某种能源或耗能工质的能量折算系数；Q为每年与外界交换的有效能量折合为标油的代数和；C为装置的年原料加工量。其中，向沥青生产装置输入的实物消耗量和有效热量计为正值，输出时为负值。

中国对沥青的化学提炼过程能耗制定了相关国家限额标准，现将标准中2种生产工艺的综合能耗数据进行总结，见表2。

表2 普通沥青化学提炼综合能耗限额

注：综合能耗以标油质量为单位。

尽管各油田原油品质不同，但相关研究表明，几乎所有的原油通过溶剂脱沥青法都可以生产出合格的道路沥青[12]。本研究对国内多家道路沥青生产厂家进行了调研，大部分沥青生产厂均采用溶剂脱沥青生产装置，所用溶剂一般为丙烷混掺丁烷。根据式(2)和调研统计资料，测算出中国沥青炼制业平均指标水平接近丁烷二级。

(3)普通沥青综合能耗。对石油的生产能耗进行各子产物分配后，采用基于过程的生命周期分析法，得到普通道路沥青的生命周期能耗计算公式为

Ea=EuAa+Erζp

(3)

式中：Ea为普通沥青综合能耗；Aa为子产物分配系数，经过约分运算和考虑原油加工损失率后一般可取1.0～1.25；ζp为标油折算标准煤系数。代入相关数据，即可得中国普通道路沥青的综合生产能耗。

2.2.2 改性沥青

从过程生命周期角度出发，改性沥青全寿命周期分为3个阶段：普通沥青生产阶段、改性剂生产阶段、改性沥青生产阶段。

由于大部分改性剂是基于原油等化石燃料生产的，不仅在生产加工过程消耗了一定的能源，其材料自身还消耗了一定的潜在能源。为了控制生命周期分析规模，对于改性剂的生命周期能耗清单分析，采用基于投入-产出生命周期分析法，得到改性剂生产综合能耗公式为

(4)

式中：Ecz为改性剂综合能耗；eic为产品加工消耗的某种能源实物量；eiff为产品加工消耗或损失的潜在能源量；K1i为某种实物能源折标准煤系数；K2i为某种潜在能源折标准煤系数；Ei为输入改性剂生产系统的某种原料的生产能耗；Pi为输入改性剂生产系统的某种原料的质量百分比数值。

建立改性沥青能耗模型，计算公式为

(5)

式中：Ema为改性沥青综合能耗；Ea为普通沥青综合能耗；A为改性剂添加百分比数值；Ecz为单位改性剂综合能耗；P为单位改性沥青加热生产能耗，根据实际加热温度和设备具体取值；μ为工艺系数，“湿法”工艺取值为1，“干法”工艺取值为0，一般取μ=0；Q为单位改性沥青加工生产综合能耗，一般为耗电设备耗能。

本文应用该计算模型对中国道路行业应用最广泛的SBS改性沥青进行测算。设SBS改性剂添加量为常规的3.5%，得到单位改性沥青生产综合能耗Ema为272.55 kgce·t-1。

2.2.3 乳化沥青

乳化沥青的生命周期分为3个阶段：普通沥青生产阶段、添加剂生产阶段、乳化加工阶段。乳化加工阶段包括高速剪切、加热等过程。乳化沥青和改性沥青的生产原理相似，可用改性沥青的能耗公式计算。由于乳化剂种类繁多，生产工艺各异，为了更加便捷地得到乳化沥青的综合能耗，本研究提出了乳化沥青综合能耗简化公式，即

Eea=EaS(1+E)

(6)

式中：Eea为乳化沥青综合能耗；Ea为普通沥青综合能耗；S为固含量，一般取60%～65%；E为乳化加工能耗比。

本研究对常用的胺盐类乳化沥青进行测算，得到S-E的拟合曲线如图3所示，由此可得到不同固含量乳化沥青的能耗值。

图3 胺盐类乳化沥青的S-E拟合曲线

2.3 水泥

道路水泥生命周期主要分为2个阶段：熟料生产阶段、水泥生产阶段。依据本文定义的材料生命周期边界，结合国家标准，分别建立熟料和水泥综合能耗模型为

式中：ECL为熟料综合能耗；er为生产所用原料(石灰石和黏土)的生产能耗；ecl为烘干和烧成熟料的单位熟料标准煤量(kgce·t-1)；ehe为统计期内余热发电折算的单位熟料标准煤量(kgce·t-1)；ehu为统计期内余热利用的热量折算单位熟料标准煤量(kgce·t-1)；efc为处理废弃物消耗的燃料折算到每吨熟料的标准煤耗量，若没有处理废弃物，按0取值；ζee为电能折算标准煤系数；QCL为统计期内熟料综合电耗(kWh·t-1)；Ecem为水泥综合能耗；g为统计期内水泥企业水泥中熟料平均配比；Edr为统计期内烘干水泥混合材所耗燃料折算标准煤量(kgce·t-1)；ζee为电能折算标准煤量(kgce·t-1)；QS为水泥综合电耗(kWh·t-1)。

通过对中国多家水泥厂的现场调研和数据收集得知，新建的水泥厂相比原有水泥厂单位产品能耗平均降低约5 kgce·t-1。水泥产量越大，熟料单位综合能耗越低。应用新型干法水泥和余热发电等节能技术的水泥厂家单位，产品的综合能耗亦明显下降。

将本研究所得成果与《国家能源统计年鉴》中水泥单位产品综合能耗进行对比分析，结果表明：两者能源折算方式和生命周期边界定义相同，4 000 t以上窑型的水泥单位产品综合能耗结果接近。为了能全面反映中国水泥厂家的总体节能水准，此处采用年鉴(2012年)中数值，取水泥单位产品综合能耗为136 kgce·t-1。

2.4 集料

对采石场及石料生产线进行现场调研，并对各类集料的生产能耗进行清单分析。结果表明，不同粒径、生产方式和类型的集料，综合生产能耗存在较大差异，波动范围在0.85～4.10 kgce·t-1。国内外研究表明，进行集料的能耗分析时，过于细化是没有意义的，因此通常把集料分为粗、细2种类型。本研究以4.75 mm作为粗细集料的分界线，并以中国道路工程常用的玄武岩作为典型代表。限于篇幅，本文仅将粗集料的能耗清单列于表3中，以显示集料生产全过程能耗分布情况。

表3 粗集料能耗清单

2.5 钢材

本文参考了中国钢铁工业协会的数据，调研了中国大中型钢铁企业，采用可比能耗的方式，得到了2012年中国每吨钢的综合生产能耗为673 kgce·t-1。

2.6 二灰材料

二灰材料是指粉煤灰和石灰，其中粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，属于燃煤电厂排出的主要固体废弃物。本研究认为，粉煤灰的生产并不需要消耗特定的能量。为了鼓励在道路工程中适当地应用这类废弃材料，将其综合能耗取为0。

中国石灰生产分散于冶金、化工、建材等行业中，无法对石灰生产进行全面统计、核算和分析[13]。本研究对中国数十家石灰生产企业进行了调研，并基于投入-产出的生命周期法分别对石灰生产前3个环节进行能耗分析，结果表明：大部分建材石灰生产企业的产量较小，而单位石灰综合能耗值离散较大，95%置信区间为110～190 kgce·t-1；石灰企业能耗主要受生产技术、燃料品质的影响，与产量存在较弱的负相关性；入窑煅烧是石灰生产主要的能耗环节，占石灰生产总能耗的90%以上，其主要消耗煤等燃料。通过对调研结果的综合考量，提出石灰单位产品综合能耗值，传统回转窑建议值为170 kgce·t-1，新型竖窑建议值为138 kgce·t-1。

3 结果和讨论

应用前述模型对中国道路材料能耗进行了量化，得到了中国常用道路材料综合能耗数据库。现将该数据库与欧美日的研究成果进行对比，见表4。

表4 道路材料综合能耗数据库对比

(1)总体来看，中国和发达国家各类道路材料的综合能耗数值均在一个数量级上，且比较接近。此外，本文比较了各类材料的能耗清单分析结果，可知材料的能耗分布相似，从侧面验证了本文模型和数据库的正确性和实用性。

(2)对于同一种材料，中国道路材料的能耗数值均超过发达国家，这表明在道路建材领域，中国工业水平相对落后，节能水平有待提升。

(3)比较不同材料的综合能耗可以发现：集料的能耗值最低，钢材的能耗值最高，其他材料能耗值在一个数量级上；沥青的综合能耗值均超过水泥；改性沥青的能耗值远高于普通沥青，可见改性沥青虽然能够很大程度地提升沥青混凝土的性能，但是环境友好度并不佳。

4 结 语

(1)本研究针对中国国情，应用复合生命周期法构建了中国道路材料的综合能耗模型和数据库。研究方法和成果均能为国内外学者研究道路工程全生命周期能耗提供基础数据的参考。

(2)后续可以在能耗模型和清单分析的基础上，依据各类材料生命周期的具体情况，构建中国道路材料排放物计算模型和数据库。