基于生命周期評價的大摻量廠拌熱再生效益分析

林育萍

(浙江省交通投資集團有限公司， 浙江 杭州 310020)

生命周期評價(LCA)是利用物質不滅定律、能量守恒原理計算產品生產及使用時能量消耗的方法。近年來，隨著對資源節約和環境保護的重視，人們開始利用LCA研究瀝青路面建設過程中的能耗及碳排放問題。王小鳳等采用LCA計算了不同時間方案下路面全壽命周期內費用，建立了選擇最優養護時機的效果費用比模型。張童童等基于LCA建立能耗和碳排放評價體系，對溫拌再生技術的能耗及碳排放影響因素進行了敏感性分析。李冠男等采用LCA分析高速公路瀝青路面的能耗與排放，認為將交通延誤的環境影響計入養護維修階段具有重要意義。張海濤等對3種瀝青路面結構類型的LCA碳排放進行評估，分析了不同瀝青結構層設計參數對碳排放特征化結果的影響。隨著大摻量廠拌熱再生瀝青混合料應用的不斷深入，其在整個生產和應用過程中的能耗、排放及經濟效益亟待研究。該文選用廢舊瀝青混合料(RAP)摻量分別為20%、30%、30%(機械發泡)的廠拌瀝青混合料與常規瀝青混合料進行對比，測算瀝青路面養護過程中各環節的溫室氣體排放和能耗，并運用LCA理念對路面養護過程進行分解，分別考慮銑刨、原材料生產運輸、混合料拌合、路面攤鋪和壓實等施工環節，對廠拌熱再生各環節進行能耗、排放和經濟效益評價，研究環境及經濟效益最優的養護方案。

1 效益評價指標

結合中國環境污染治理的節能減排和宏觀政策，以能耗及CO2排放為主要測算指標，綜合考慮自然資源消耗和廢棄物循環利用等，確定效益評價指標如下：1) 標準能耗(MJ/t)；2) CO2排放當量(kg/t)，用于評價溫室氣體的排放情況。采用上述2個指標進行量化評價，為循環利用和節能減排評價提供依據。

2 效益評價模型的邊界條件

研究范圍應盡量保證研究的廣度、深度以實現研究目標，主要包括系統功能、系統邊界和功能單位等。考慮集料、瀝青等材料的生產過程，以瀝青路面建設養護的能耗為調查對象。由于瀝青的加工工藝較復雜，相關數據以引用為主。

根據國際標準化組織的建議，對環境影響小于1%的因素可忽略，但總共忽略的部分不應超過5%。取舍規則如下：1) 根據LCA相關研究成果分析環境排放的影響，決定該數據是否忽略。2) 如果是原料消耗，收集其生產過程數據后才能對其環境影響進行判斷，較為耗時。實際操作中，一般先從可得數據庫中選用一個類似的原料數據估算其環境影響，如果影響較小，則可忽略；如果影響明顯，則需收集相應生產數據。3) 只有在差異顯著和較為粗略的情況下，才可直接忽略摻量較小的原料。

根據上述原則測算的上面層廠拌熱再生瀝青路面施工能耗系統的邊界條件見圖1。瀝青路面建設和使用的全壽命周期包括施工能源的生產，施工機械設備的生產和運輸，基礎設施的建設，原材料的生產和運輸，瀝青混合料的拌合、運輸、攤鋪、碾壓等，路面服役期的運營管理，路面養護維修。考慮到分析完整全壽命周期的工作量較大，僅分析全壽命周期中的部分環節。因采用的測算方法原理相同，后期對路面全壽命周期過程的分析中采用同樣的方法對其他環節能耗及碳排放進行測算。

圖1 瀝青路面施工能耗的系統邊界

3 能耗及溫室氣體計算方法

3.1 能耗計算方法

瀝青路面施工包括原路面銑刨、原材料運輸和混合料拌合、運輸、攤鋪、碾壓等環節，所消耗的能源包括電力、汽油、柴油、重油等。為便于分析工藝的能耗水平，根據標準煤、熱量值換算系數對各種能源類型進行換算。假設在鋪筑某段瀝青路面時拌合、運輸、攤鋪、碾壓等過程消耗表1所示能源，根據各種能源折合標準煤的轉換系數，施工過程中消耗的標準煤當量為：

表1 施工過程中能源消耗量

EM拌合=61.61×1.471 4+339.69×1.457 1+

15 031.81×1.428 6+9 290.65×0.122 9=

23 201.88 kg

ET運輸=843.08×1.457 1=1 228.45 kg

EL攤鋪、碾壓=929.43×1.457 1=1 354.27 kg

根據各種能源折合發熱量的轉換系數，采用同樣的方法可計算得到施工過程中消耗的總熱量。按照上述方法將消耗的能源類型及用量折算為標準能耗，評價各施工工藝的能耗水平。

3.2 溫室氣體計算方法

溫室氣體主要包括CO2、HFCs、N2O等。為統一溫室氣體計算結果，采用CO2排放當量為度量單位，CO2排放當量=質量×全球變暖潛能(GWP)。根據政府氣候變化專門委員會(IPCC)的評估報告，溫室氣體的GWP值見表2。

每日優鮮的前置倉基本在100平米左右，在SKU的選擇上采取精選模式，每日優鮮只精選不到1000個商品，大型超市的SKU數量在2萬左右，天貓、京東的生鮮數量也能在4000個左右，所以每日優鮮SKU的數量還不足超市的1/20。因為分散的小面積前置倉容納不下太多的商品數量，超過數量的SKU在小倉中是分揀不出來的，這樣一來顧客可供選擇的余地太小了。縮減SKU，在短期內可以提高流通效率，但從長期來看，其實是將用戶推向擁有更豐富選擇的競爭對手。

表2 溫室氣體全球變暖潛能值

消耗能源釋放的溫室氣體主要有CO2、CH4、N2O。為便于統一能源質量度量，將發熱量排放系數換算為相應質量排放系數。以原油為例，CO2排放數據為73 300 kg/TJ，平均低位發熱量系數為41 816 kJ/kg，計算得發熱1 TJ原油的質量為23 914.291 kg。將其代入IPCC官方數據得到單位質量原油CO2排放系數為73 300/23 914.291=3.065。如果是碳排放，則要乘以原子量系數12/44，為0.836。依據該方法得到的單位質量CO2、CH4、N2O排放系數見表3。電力排放系數從LCA基礎數據庫中選取。

表3 各種能源單位質量溫室氣體排放系數

根據排放系數，可分別計算得到新鋪筑200 m2瀝青路面時瀝青混合料拌合、運輸、攤鋪、碾壓等施工過程中各種溫室氣體排放量。其中CO2排放為：

CM拌合=61.61×2.984 8+339.69×3.160 5+

1 5031.81×3.236 6+9 290.65×0.927=

58 521.87 kg

CT運輸=843.08×3.160 5=2 664.55 kg

CL攤鋪、碾壓=929.43×3.160 5=2 937.46 kg

采用相同的方法計算甲烷和N2O的排放量并將各種溫室氣體排放量按GWP轉換為溫室氣體排放總量(CO2排放當量)：

GM拌合=∑Gi×gi=58 521.87×1+27.30×

GT運輸=∑Gi×gi=2 664.55×1+

0.107 9×25+0.021 58×298=2 673.68 kg

GL攤鋪、碾壓=∑Gi×gi=2 937.46×1+

0.118 9×25+0.023 79×298=2 947.52 kg

式中：Gi為某種溫室氣體的排放量(kg)；gi為某種溫室氣體的GWP值。

根據溫室效應GWP值、氣體排放系數，將各環節施工消耗的能源類型和用量折算成CO2排放當量，評價各施工工藝的碳排放水平。

4 效益計算過程與分析

4.1 研究對象

廠拌熱再生是將舊瀝青路面經過翻挖后運回拌和廠再集中破碎，根據路面質量要求進行配合比設計，確定RAP添加比例，將再生劑、新瀝青材料、新集料等在拌合機中按一定比例重新拌合成新的混合料，鋪筑形成再生瀝青路面。常規罩面是在原路面滿足結構強度要求的情況下，為修復路面病害，改善路面使用性能，鋪筑一定厚度加鋪層的養護措施。常規罩面的各施工環節與新建瀝青路面一致，而廠拌熱再生相較于新建瀝青路面增加了原路面銑刨、銑刨料運輸等環節。針對廠拌熱再生各施工環節作如下規定：

(1) 銑刨過程。根據調查，如采用典型的銑刨寬度為2 m的銑刨機對舊瀝青路面進行銑刨，發動機滿負荷油耗為124 L/h(柴油密度為0.84 kg/L)。假設銑刨機功率為80%，在銑刨深度為12 cm時，銑刨速度約4 m/min。

(2) 運輸過程。將舊路面的銑刨料從施工現場運輸至混合料拌合場(即RAP運輸)，運輸距離與新料運輸距離相同，為80 km。

(3) 再生混合料生產過程。采用意大利進口博納帝單滾筒再生設備，RAP與新集料共同加熱，故生產再生混合料與常規混合料的能耗基本無差別，以相同能耗計算。

(4) 混合料生產、攤鋪、碾壓。瀝青路面常規罩面施工中，瀝青混合料的生產、攤鋪、碾壓與新建路面相同。

4.2 環境效益分析

環境效益的原始數據為筑路過程中各環節(包括原材料生產、原材料運輸、混合料拌合、新舊料運輸、攤鋪、碾壓、銑刨等環節)消耗的能源和產生的排放。根據試驗路情況作如下假設：廠拌熱再生混合料應用于4 cm上面層，混合料類型為改性瀝青AC-13，油石比為4.8%，RAP料運距為80 km，原材料運距為150 km，混合料運距為80 km。對20%、30%、30%(機械發泡)RAP摻量的廠拌熱再生和常規罩面的能源、溫室氣體排放進行計算。

原材料包括改性瀝青、粗集料、細集料和銑刨料，其中原材料數據從歐洲瀝青協會的瀝青數據庫、中國CLCD數據庫等獲得。混合料拌合、運輸、攤鋪和碾壓等環節中的能源消耗采用中國CLCD數據庫中的數據；設備的能耗數據通過調研獲得；施工過程的能耗參照相關資料計算得到。原材料及施工過程中燃料、設備的能耗和CO2排放當量分別見表4、表5。

表4 原材料的能耗和CO2排放當量

表5 施工設備及燃料的能耗和CO2排放當量

根據原材料及施工各環節的能耗和CO2排放當量原始數據，采用能耗和CO2排放當量計算方法得到常規罩面、不同RAP摻量廠拌熱再生的能耗及CO2排放當量(見表6、圖2、圖3)。

由表6可知：能耗、排放降低主要發生在原材料的生產和運輸環節。此外，使用機械發泡溫拌技術時，除原材料生產和運輸環節外，混合料拌合過程的能耗和CO2排放也有所降低。從LCA評估環境效益來看，相比常規罩面技術，廠拌熱再生技術具有更好的節能減排效益；在同等RAP摻量條件下，機械發泡溫拌技術的節能減排效益更明顯。

表6 各養護措施的能耗及溫室氣體排放

由圖2、圖3可知：相較常規罩面技術，廠拌熱再生技術的能耗及CO2排放當量都有所降低；RAP料摻量為20%、30%時，其能耗分別降低7.21%、10.65%，CO2排放分別降低6.46%、9.48%。

圖2 不同養護措施所產生的能耗對比

圖3 不同養護措施所產生的CO2排放當量對比

4.3 經濟效益計算分析

為綜合評價不同RAP摻量廠拌熱再生技術的效益，對不同摻量廠拌熱再生技術進行費用測算分析。進行費用分析的基礎是各種原材料、人力資源的單價。通過養護施工定額確定資源、臺班消耗，從而測算單位面積路面的成本費用。測算費用的基礎價格數據來源于浙江省交通工程管理中心發布的交通建設材料指導價格(見表7)。

表7 浙江省交通建設材料指導價格(2021年10月)

針對采用廠拌熱再生技術的AC-13瀝青路面，根據各施工工序的臺班及單價定額、JTG/T B06-02—2018《公路工程預算定額》定額數據庫計算費用組成。采用前述假設條件，根據常規施工工藝條件，計算不同RAP摻量下廠拌熱再生混合料的費用(不包括人工費用)，分析其經濟性(見表8、圖4)。

表8 瀝青路面費用分析 元/t

圖4 不同養護措施下瀝青路面費用

由圖4可知：不同養護手段的養護成本費用有一定差距，同時不同RAP摻量對成本費用有一定影響。在合理RAP摻配范圍內，廠拌熱再生相對于常規罩面具有較明顯的經濟效益，RAP摻量為20%、30%時，其費用成本分別降低1.20%、5.53%。

5 結論

基于LCA理念，結合廠拌熱再生技術的RAP摻量、混合料性能及試驗路實體工程，從各施工環節分析不同RAP摻量廠拌熱再生技術的環境效益和經濟效益。通過廠拌熱再生技術邊界條件、能量消耗及溫室氣體排放量的統計分析，論證該養護技術的環境效益；通過對常規罩面、不同RAP摻量(分別為20%和30%)廠拌熱再生及機械發泡(RAP摻量為30%)廠拌熱再生的能耗和溫室氣體排放的計算，對廠拌熱再生技術的節能減排效益進行分析；通過測算單位面積路面的成本費用，分析其經濟效益。主要結論如下：

(1) 從LCA評估，廠拌熱再生技術相比常規罩面技術具有更好的節能減排效益和經濟效益。

(2) RAP摻量從20%增加到30%時，廠拌熱再生的節能減排效益和經濟效益更明顯。

(3) 同等RAP摻量條件下，機械發泡廠拌熱再生技術的節能減排效益明顯。