瀝青面層施工瀝青混合料拌和階段能耗和碳排放研究

于明策 李婷 陳冬梅

(濟寧醫學院 山東濟寧 272067)

全球變暖已成為當今最嚴峻的全球性問題之一，CO2的過量排放則是引起全球變暖的主要原因。在瀝青路面面層施工過程中會產生大量能耗與碳排放，而這些能耗與碳排放不僅會對我國經濟體系造成影響，也會造成溫室氣體增多、加劇全球變暖。2020 年，中國在第75 屆聯合國大會上提出“2030 年前碳達峰、2060年前碳中和”的目標，發展低碳生活、減少碳排放量已成為我國目前長期發展戰略，因此瀝青路面施工的節能減排研究重要性日益凸顯。

在瀝青路面施工過程中節能減排方面，國內外學者做了大量的研究：YUE H 等人在研究路面施工過程能源消耗和碳排放量等環保問題時，考慮道路交通能源與道路工程自身的CO2排放量[1]；彭波等人對多個地區在建瀝青路面項目進行了碳排放調查與檢測，并提出了相應碳減排措施[2]；沈藝奇從技術設備、能源消耗、氣體排放量等方面進行了定量計算，得出了瀝青混合料拌合階段的能耗和排放占瀝青路面施工過程總能耗和排放比例最高的結論[3]；李嬋運用AHP 與ABC 分類方法對瀝青路面施工中的主要碳源進行了研究，分析了主要影響因素[4]。張興宇等人運用LCA法構建了瀝青路面施工階段時的碳排放計量模型研究了瀝青面層施工過程中各階段碳排放量及特征規律[5]。其他學者則從橡膠改性瀝青路面研究能耗和碳排放問題[6-7]。

本文擬通過分析瀝青混合料拌合階段各影響因素，使用層次分析法（AHP）對排放源所涉及的各環節進行權重分析并建立由機械設備和加熱瀝青混合料的能耗和排放當量模型，最后結合實際工程并給出減少碳排放影響的相關措施。

1 瀝青混合料拌和階段能耗和碳排放影響因素

1.1 能耗和排放來源分析

瀝青混合料的拌和就是在一定溫度下按一定的設計配合比將集料和瀝青進行攪拌，在拌和階段使用的機械設備中主要消耗能源為柴油和電能，利用這些能源將產生大量CO2、CH4和N2O 等溫室氣體，且在高溫情況下，加熱瀝青混合料消耗的重油也會產生上述溫室氣體的排放。其中，CO2是全球溫室氣體排放總量的70%以上，CH4約占30%。在上述排放源中，拌和樓、裝載機占主導地位，而瀝青混合料本身產生的很少，各環節排放源與能耗類型具體如表1所示。

表1 瀝青混合料拌和階段各環節碳排放匯總表

1.2 各工藝過程能耗和排放影響因素分析

1.2.1 機械設備消耗柴油

攪拌過程中機械設備消耗柴油的影響因素主要與設備的使用時間和集料含水量有關。使用的時間越長，柴油消耗越多，磨損越嚴重，機械設備的生產能力越低，其耗能和碳排放量越高；集料含水量越高耗能和碳排放越高，研究表明：在攪拌站與骨料含水率的比較中，每提高1%的骨料含水率，則每噸混合料就會多消耗0.6 kg的柴油[8]。

1.2.2 電力

攪拌階段，機械設備需要消耗電能，在發電站利用化石燃料發電會產生碳排放，其主要影響因素為引擎額定功率、集料的重量、水加熱溫度。引擎額定功率越大耗電量越高，由化石燃料燃燒產生的有害氣體越多；集料越重電耗越大，瀝青混合料拌合站產生的碳排放量也越多；水加熱溫度越高能耗越高，瀝青攪拌設備的碳排放量就越大。

1.2.3 加熱瀝青混合料消耗的重油

從加熱材料角度考慮，影響攪拌階段耗能和碳排放量的主要因素體現在對集料的加熱和干燥所消耗的重油，其影響因素主要與集料的重量、集料的攪拌溫度等有關。集料質量越大，則單位時間內需要消耗的重油越低，反之，單位時間內的重油消耗量也較大；集料攪拌溫度與進料溫度等有關，進料溫度越高，排放溫度越低，溫度上升幅度越小，加熱瀝青混合料消耗的重油和碳排出量就越少。

1.3 拌和階段各排放源權重分析

在瀝青混合料拌和階段，由于瀝青混料拌和過程中存在著顯著的質量差異，故可運用AHP法對瀝青混合料拌和過程中能耗和排放來源進行了加權分析。對拌和階段的裝載機供料、集料加熱、瀝青加熱、混合料拌四大環節進行考慮，將搜集的原始數據根據相對重要性建立判斷矩陣詳見表2，代入SPSSAU 分析軟件，得到分析結果詳見表3。

表2 AHP數據

表3 AHP層次分析結果

AHP 層次分析法原始數據，其特征為：AHP 數據格式中的右下斜對角線是1，表明自身和自身的重要性相同；右上角和左下角數據呈互為倒數對稱格式；數字代表指標之間的相對重要性，數字越大代表相對重要性越強。

由矩陣一致性指標CI值查隨機一致性RI表得四階判斷矩陣的平均一致性指標RI值為0.89，進而得隨機一致性比率CR=CI/RI=0.070/0.89=0.079＜0.1，故而此種AHP 計算結果具有滿意的可信度。進而表明本判別矩陣符合一致性檢驗，計算得出的權重具有一致性。由此知，集料加熱環節的能耗和排放權重最大，瀝青加熱環節次之，而裝載機供料環節能源和排放量所占比重最小。

2 測算實例

2.1 工程概況

某高速公路路基寬度26 m，瀝青面層厚度0.18 m，整個標段消耗的瀝青總量約為66 900 t，瀝青混合料拌合站生產能力為400 t/h，額定功率N=950 kW；瀝青混合料油石比=5%，集料熱容比C1=0.92 kJ/kg·℃，集料含水率ω=4.1%；拌和過程中，集料出料溫度t2=170 ℃，集料進料溫度t1＝25 ℃，水的蒸發溫度t3=100 ℃；水的進料溫度t4=25 ℃，水的比熱容C2=4.2 kJ/kg·℃； CO2排放系數按IPCC第四次評估報告取值0.583 9 kN/kW·h。

2.2 機械設備碳排放量化

2.2.1 消耗柴油碳排放量

拌和階段第一環節是裝載機供料，在供料時裝載機需消耗柴油，根據現場經驗，每攪拌1 t 混合料需裝載機提供約1 t 的骨料，即每噸燃料的消耗為0.105 L，代入碳排放當量計算公式：

式（1）中：G為CO2當量（單位為kg）；Ei為i類能源的消耗量（單位為L/kg）；Ci為i類能源溫室氣體排放因子（CO2取2.73）；gi為各類溫室氣體的全球變暖潛值（CO2取1）。

根據式（1），得裝載機供給1 t 集料碳排放量為G=0.105×2.73×1=0.286 65 kg。

又因瀝青混合料油石比a=m瀝青/m集料=5%，故所需集料的質量m集料=m瀝青/a=66 900 t/5%=1 338 000 t，得該工程1 338 000 t集料供料時裝載機所產生的碳排放量為

0.286 65×1 338 000=383 537.7 kg。

2.2.2 化石燃料發電碳排放量

瀝青混合料拌合站生產能力為400 t/h，額定功率為N=950 kW，瀝青混合料總質量約m總=m瀝青+m集料=66 900+1 338 000=1 404 900 t，其總工作時間至少為t=1 404 900/240=3 512.25 h，則攪拌設備產生的用電量為950×3 512.25=3 336 637.5 kW·h，代入式（1）可得利用化石燃料發電產生的碳排放量為3 336 637.5×0.583 9×1=1 948 262.6 kg。

2.3 加熱瀝青混合料碳排放量化

液態瀝青一般在水平式瀝青罐中儲存，溫度約為130 ℃，需加熱到170 ℃，攪拌階段瀝青比熱容大約為1.34 kJ/kg·℃；集料初始溫度為25 ℃，需加熱到185 ℃，集料的比熱容Cp 為0.83 kJ/kg·℃；考慮到集料含水率約為4.1%，水蒸氣所消耗的熱能按該含水量在130 ℃時會全部揮發出去計算，水的比熱容為4.9 kJ/kg·℃；加熱時使用的燃料為柴油，燃燒率為90%，滾筒熱交換率為60%，導熱油爐熱效率為75%。

則1 t瀝青混合料攪拌產生的能耗中：

（1）Q瀝青=［1.34×（170-130）×103×5/105］/90%/75%=3 781 kJ；

（2）Q集料=［0.83×（185-25）×103×100/105+4.9×（130-25）×103×0.041×100/105］/90%/60%=271 419 kJ。

故每噸瀝青混合料攪拌產生的能耗為Q瀝青混合料=Q瀝青+Q集料= 3 781+271 419=275 200 kJ。

經由上述計算可得，集料加熱過程的能耗占比最大，與AHP層次分析結果一致。

由國家標準《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589-2020）得出1 kg標準煤釋放能量為29 271 kJ，因此生產1 t瀝青混合料需標準煤量為Q瀝青混合料/29 271=275 200/29 271=9.40 kg。而每消耗1 kg標煤平均產生約2.69 kg CO2，則生產1 404 900 t瀝青混合料CO2排放量為9.40×2.69×1 404 900= 35 524 301.4 kg。

3 瀝青路面拌和階段節能減排措施

3.1 改進加熱工藝

瀝青混合料節能減排的最基本途徑就是降低化學燃料的用量，從源頭上降低碳排放量，通過改進加熱工藝可提高能量的傳熱效率，利用無污染的熱源對瀝青進行加熱，從而降低溫室氣體的排放量。

3.1.1 利用紅外線輻射加熱

瀝青混合料對波長位于3.2～6.8 μm之間的紅外輻射吸收非常高，且紅外線輻射強度隨溫度升高而增大，可形成良性循環，迅速升高瀝青溫度，從而達到提高傳熱效率、降低溫室氣體排放的目的。由于紅外線輻射在升溫瀝青摻合料的處理過程中不需要再添加其他介質，所以利用該方法升溫瀝青的速率比利用導熱油法要快。

3.1.2 利用超導熱管加熱

傳統的瀝青混合料加熱方法導熱效率不足30%，會導致巨大的能源浪費，而超導熱管則通過超導材料傳遞熱量，其導熱系數與傳統方法相比大大提高了燃料燃燒利用率，目前國內該技術已相對成熟，在很大程度上可節約能源、減少碳排放。

3.1.3 利用太陽能加熱

隨著技術的發展，潔凈無污染的太陽能設備制造成本越來越小，運營費用越來越低，目前人們已經開發了直接利用太陽能加熱瀝青的方法，可大大降低對環境的污染與損害。此外，由于它的制造成本小，運營費用低，節能環保，有著很廣闊的使用前景，而且使用過程中不燃燒燃料，所以不會排放溫室氣體。

3.2 瀝青混合料拌合設備

瀝青攪拌設備在運行中會產生很多溫室氣體，消耗大量的能源，污染生態環境。其攪拌時間過長不僅會影響攪拌站的生產效率，而且還會在攪拌過程中產生部分能耗和排放。根據各種調查研究，瀝青攪拌設備可以從以下幾點改進。

3.2.1 選擇保溫和加熱材料

可在成品倉、干燥滾筒等部位采用加熱保溫等措施，將熱能的損失盡可能減至最低。另外，針對某些要求高溫長期作業的生產環節還可適時更新熱源裝置，不僅可以節約電力、減少碳排放，還可以有效地保證工人身心健康，保護環境。

3.2.2 引擎驅動

引擎作為瀝青混合設備的重要組成結構，應適當提高空氣系數，使燃燒器在運行過程中的空燃混合比處于最優數值，確保燃油燃燒充分。

3.2.3 機械設備

在實際應用中應盡可能選擇低能耗、低排放的環保型機械設備，攪拌機械盡量采用連續滾筒式瀝青混合料拌合設備。不同設備在生產率相同的前提下，連續滾筒式攪拌設備可降低約1/4左右的電力消耗，可節約1.0～1.5 kg/t燃料。

3.3 降低電力消耗

降低電力消耗對瀝青混合料拌和階段的節能降耗起著重要作用，具體可以通過以下方式實現節約用電量。

（1）攪拌瀝青時，認真選擇變壓器，盡可能選用低損耗的變壓器，使用過程中做好維護管理，定時進行保養，確保瀝青攪拌站變壓器能持續有效地進行工作，提高生產效率，減少用電量。

（2）確定具體配電電壓，確保設備和電動機在額定電壓和額定功率下運行，使其性能得到最大程度地發揮。

（3）工程機械設備的電力消耗應與生活電力消耗區分開來，實行臨時用電，統籌安排，實現節能減排。

（4）按計劃組織施工，提高機械設備的工作效率，降低損耗，從而減少電力的消耗[9]。在機械設備的運行過程中，可通過優化燃燒器噴管和進風口，有效地控制和降低耗電量，提高燃料效率。

4 結語

瀝青混合料攪拌過程能耗和碳排放主要來源于兩方面，即機械設備和瀝青混合料的加熱，具體包括裝載機供料、集料加熱、瀝青加熱、瀝青混合料拌合4 個環節。用層次分析法對各環節排放源進行權重分析，集料加熱環節權重最大，瀝青加熱環節次之，而裝載機供料環節能源和排放量所占比重最小；通過實際工程進行了能耗和碳排放的計算，驗證了各排放源權重分布，并給出了瀝青路面拌和階段節能減排措施。