生物沥青碳排放量与经济效益

　　生物沥青作为一种可再生的生物资源，近年来逐渐应用于道路建设中，但目前尚缺乏生物沥青的环境与经济效益定量分析。该文结合碳排放因子，开展碳排放量计算，量化分析生物沥青环境效益，开展生物沥青混合料路用性能试验，分析其路用性能，并基于性价比指标，研究生物沥青混合料经济效益，从而量化对比生物沥青混合料与基质沥青混合料的环境和经济效益。

　　关键词：生物沥青；碳排放量；路用性能；效益－费用比

　　１引言

　　基质沥青在施工与使用过程中消耗能源较多，产生较多废气，对环境影响较大。生物沥青是一种可持续的较为环保的能源，可用于道路建设中。制备生物沥青所用的生物油来源于不同生物资源，环保效能高。有研究表明生物沥青施工温度较基质沥青相对较低，能有效控制施工过程中温室气体排放量。同时与基质沥青相比，生物沥青材料成本较低，可节约沥青材料成本费用，节省大量公路建设成本。因此，生物沥青较传统基质沥青具有良好的环境与经济效益，虽然该结论已达成共识，但目前尚缺乏针对生物沥青碳排放量与经济分析的定量描述，尚不明确生物沥青混合料与基质沥青相比其碳排放水平与经济效益的定量优势。该文通过碳排放分析开展生物沥青环境效益分析，基于生物沥青混合料路用性能试验，结合性价比指标，进行生物沥青混合料经济效益分析，对比分析生物沥青混合料与基质沥青混合料的碳排放量、路用性能以及成本效益，定量研究生物沥青的环境和经济效益。

　　２生物沥青混合料碳排放定量研究

　　碳排放又称温室气体排放，包括二氧化碳等其他温室气体的排放量。沥青路面碳排放主要涉及沥青和集料加热过程中以及沥青摊铺碾压过程中消耗燃料产生的ＣＯ２和少量氮氧化物等，其中以加热、机械油耗产生的ＣＯ２为主。

　　２．１生物沥青混合料碳排放计算方法

　　沥青混合料碳排放主要是由于煤炭、柴油、天然气等能源消耗所导致，由于各类能源中的化学成分并不相同，其碳排放量也有一定差异。为了解决不同温室气体的温室效应不同所导致的无法累积的问题，将温室气体统一为可以累加的单一指标，成为当量碳排放，即将不同温室气体根据温室效应的不同转化成等效的二氧化碳排放量，进而累计得出精确值。国家温室气体碳排放指南规定了与温室气体转化为二氧化碳排放量相关的排放系数，通过全球变暖潜在值（ＧＷＰ）转化为等效ＣＯ２排放量，即当量二氧化碳排放量，记为ＣＯ２ｅ，其折算系数如表１所示。根据现有研究将温室气体分为３类，主要包括ＣＯ２、ＣＨ４、Ｎ２Ｏ。计算时可通过碳排放因子计算不同环节的温室气体排放量，再通过ＣＯ２等效当量值排放量折算系数，得到ＣＯ２ｅ，然后开展累计计算总碳排放量，其计算如式（１）所示：ＧＨＧ＝∑ｉ∑ｊ∑ＫｍｉｊＱｊＰｊＧＷＰｋ（１）式中：ＧＨＧ为碳排放总量（ｍｇ）；ｍｉｊ为第ｉ环节第ｊ种能源的消耗量（ｔ或ｍ３或ｋＷ·ｈ）；Ｑｊ为第ｊ种能源的单位发热量［ＭＪ／ｔ或ＭＪ／ｍ３或ＭＪ／（ｋＷ·ｈ）］；Ｐｊ为第ｊ种能源的排放因子（ｍｇ／ＭＪ）；ＧＷＰｋ为第ｊ种能源产生的第ｋ种气体的全球变暖潜在值。

　　２．２生物沥青与基质沥青碳排放量对比分析

　　采用公路沥青路面建设过程中所需的１ｔ沥青混合料的碳排放量作为研究对象，量化分析沥青路面建设中的能源消耗与碳排放状况。该文拟对１ｔ木屑类生物沥青混合料和热拌沥青混合料在施工过程中的碳排放量开展对比研究。沥青混合料拌和过程中涉及的因素较多，有研究表明：沥青加热和集料加热环节为施工过程中碳排放的关键环节。该文假设两种沥青混合料拌和过程中的碳排放量相同，计算时仅考虑施工过程中碳排放的关键环节。假设采用ＡＣ－２０沥青混合料，沥青用量为５％。（１）沥青加热环节根据施工工艺，木屑类生物沥青的加热温度设为１４０℃，基质沥青的加热温度设为１６０℃，所以其能耗存在一定差异。设两种沥青的比热容均为１５０６．２ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ），假定沥青的初始温度为１００℃，采用天然气进行加热，燃烧效率为９５％，查得天然气的发热量为３５５８８ｋＪ／ｍ３。加热沥青混合料所需的能量Ｑ计算如式（２）所示：Ｑ＝ΔＴ×Ｃ×ｍ（２）式中：ΔＴ为材料的温度变化量；Ｃ为材料的比热容；ｍ为材料的质量。根据能量守恒定律，生产１ｔ沥青混合料在沥青加热环节所需要的天然气量Ｍ天然气计算如下：Ｍ天然气＝ΔＴ×Ｃ×ｍＱｉ＝（１４０－１００）×１５０６．２×１０００×５％３５５８８×０．９５＝４４．６ｍ３所以在此环节中加热生物沥青所消耗的天然气量为４４．６ｍ３。同理计算得到加热基质沥青所消耗的天然气量为８９．２ｍ３。（２）集料加热环节沥青混合料集料加热过程中的能耗量与集料相关参数息息相关。集料相关参数主要包括比热容、含水量等。假设加热前集料温度为２５℃，含水量为４％，集料的比热容取为９２０Ｊ／（ｋｇ·Ｋ），假设当温度升高到１３０℃时，水分从集料中全部蒸发，设水的比热容为４１９０Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）。拌和料在加热过程中所消耗的燃料为柴油，有研究表明，柴油燃烧效率为９０％，设柴油的发热量为４２５００ｋＪ／ｋｇ，假设滚筒热交换率为６０％。假设集料加热过程中所消耗的能量主要包括集料加热过程和水分蒸发过程中所消耗的能量，基于能量守恒定律，计算１ｔ生物沥青混合料在集料加热过程中所需的柴油消耗量Ｍ柴油，结果如下：通过计算得到在混合料施工中生产１ｔ生物沥青，加热集料所需柴油量为４．７ｋｇ，柴油密度为８５０ｋｇ／ｍ３，则所需柴油体积为５．５３×１０－３ｍ３。同理计算在施工中生产１ｔ基质沥青混合料，加热集料所需柴油量为６．６３ｋｇ，则柴油消耗的体积为７．８０×１０－３ｍ３。中国针对沥青路面建设过程中碳排放研究相对较少，尚无温室气体排放因子计算所需相关指标。该文采用联合国政府间气候变化专门委员会推荐的碳排放因子作为中国高速公路能源碳排放因子。运用全球变暖潜在值将各种温室气体转换成二氧化碳当量，进而开展生物沥青与基质沥青路面在建设过程中的碳排放计算研究。该文所采用的各种能源排放因子指标及各类能源平均低位发热量如表２所示。根据表２相关系数，计算得到生产１ｔ生物沥青混合料的碳排放量为８．９１×１０８ｍｇ，生产１ｔ基质沥青混合料的碳排放量为１７．８３×１０８ｍｇ，见表３。因此，生物沥青混合料相对于基质沥青混合料而言，其碳排放量减少４９．９７％，其环境效益较为显著。

　　３生物沥青经济效益分析

　　新型路面材料的优良路用性能以及经济效益对于其应用起着较为关键的作用。该文针对生物沥青的经济性开展分析，为生物沥青在实际工程中的应用提供参考。

　　３．１沥青混合料路用性能分析

　　（１）生物沥青混合料路用性能试验研究所用生物质重油的原料为木屑，常温下为黑褐色膏状，其元素组成见表４。基质沥青采用７０＃Ａ级道路石油沥青，各项技术要求和测试结果如表５所示，均满足规范要求。基质沥青与生物沥青混合料的常规路用性能试验，主要包括高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性试验，结果如表６所示。从表６可知：①沥青混合料的动稳定度随着生物油掺量的增大而逐渐减小。生物油掺量为５％、１０％、１５％的生物沥青混合料的动稳定度与基质沥青混合料相比分别减少８．３％、５０．９％、７１．７％。说明生物沥青的掺入降低了混合料抵抗车辙的能力，当生物油掺量小于１３．９％时所制的生物沥青动稳定度均大于基质沥青要求的１０００次／ｍｍ；②掺加生物油后，生物油掺量为５％、１０％、１５％的生物沥青混合料最大拉应变随着生物油掺量的增加而逐渐增大，与基质沥青混合料相比，其最大拉应变分别增大２．３％、１３．１％、１６．７％。因此，生物沥青改性沥青混合料的低温抗裂性能随生物油掺量增加而加大，在一定程度上有所改善；③生物油掺量为５％、１０％、１５％的沥青混合料的冻融劈裂残留强度比从基质沥青混合料的８６．２％分别降低到８３．６％、７５．９％、６０．５％。说明生物油的掺入降低了混合料水稳定性能，当生物油掺量小于１０．３％时所制的生物沥青均大于基质沥青要求的７５％，满足广西夏季潮湿区的相应要求。（２）路用性能综合评价指标采用路用性能综合评价指标对沥青混合料ｉ的路用性能ｊ占所有混合料的优势率进行计算，计算方法如式（３）所示：（３）式中：ａｉｊ为沥青混合料ｉ的路用性能ｊ占所有混合料的综合性能评价指标；ｊｉ１为混合料ｉ路用性能ｊ的实测值；ｊ１ｍａｘ为路用性能ｊ的最大实测值。采用沥青混合料路用性能优势定量评价道路所在地区混合料的综合性能，记为Ｔｉ，如式（４）所示基于基质沥青与生物沥青混合料的常规路用性能试验结果，结合计算式（３）、（４），分项路用性能所占权重均取１／３，得到基质沥青与生物沥青混合料路用性能综合评价指标，如表７所示。由表７可知：基质沥青混合料的路用性能优势为０．９５２，生物油掺量５％、１０％、１５％的生物沥青混合料的路用性能优势分别为０．９３３、０．７９５、０．７５９。因此，基质沥青混合料与生物油掺量为５％的生物沥青混合料具有较好的路用性能。

　　３．２生物沥青混合料成本分析

　　该文暂不考虑拌和时间、拌和方式、拌和能源消耗等因素，仅考虑原材料成本价格的影响。假设两种不同的沥青混合料均采用ＡＣ－２０，其所采用的矿料成本均相同，则仅需对比不同种类沥青混合料所需沥青的材料成本费用。假设生物油为１５００元／ｔ，基质沥青为５０００元／ｔ。计算得到５％、１０％、１５％生物沥青混合料成本费用，并以基质沥青为基数，进一步计算其相对成本，见表８。

　　３．３生物沥青混合料经济效益分析

　　采用沥青混合料的性价比为路用性能相对优势指标与相对成本的比值，通过计算得到基质沥青与生物沥青混合料性价比，如表９所示。由表９可知：针对生物沥青改性沥青而言，５％生物沥青混合料的性价比最高为０．９６７，说明生物沥青具有良好的经济效益，为生物沥青的推广应用提供了依据。

　　４结论

　　通过碳排放分析与经济效益分析，研究了生物沥青与基质沥青的环境和经济效益。得到以下主要结论：（１）考虑沥青混合料碳排放关键环节，对比生物沥青混合料与基质沥青混合料的碳排放量状况。与基质沥青混合料相比，生物沥青混合料的碳排放量减少４９．９７％。（２）基于路用性能综合评价指标，分析了不同种类沥青混合料的性价比，得到５％生物沥青混合料的性价比最高为０．９６７。

　　参考文献：

　　［１］汪海年，高俊锋，赵欣，等．基于ＤＳＲ和ＲＶ的生物沥青结合料流变特性研究［Ｊ］．湖南大学学报（自然科学版），２０１５（６）．

　　［２］高雪池，曹卫东，韩冰，等．沥青再生剂配制的试验研究［Ｊ］．中外公路，２０１９（４）．

　　［３］曾梦澜，李君峰，夏颖林，等．生物沥青再生沥青结合料使用性能［Ｊ］．北京工业大学学报，２０１９（１）．

　　［４］张金喜，张晗．餐饮废油生物沥青路用性能的试验研究［Ｊ］．北京工业大学学报，２０１８（６）．

　　［５］何敏，曹东伟，张海燕，等．改性生物沥青常规性能研究［Ｊ］．公路交通科技，２０１５（２）．

　　［６］曾梦澜，夏颖林，祝文强，等．生物沥青、岩沥青及复合改性沥青常规性能与流变性能的相关性［Ｊ］．湖南大学学报（自然科学版），２０１９（１１）．

　　［７］郭嘉，刘珞．生物油热解条件对生物沥青性能影响的研究［Ｊ］．北京化工大学学报（自然科学版），２０１９（６）．

　　［８］彭波，蔡春丽，胡如安．高速公路沥青路面能耗与碳排放评价［Ｊ］．长安大学学报（自然科学版），２０１６（５）．

　　［９］胡如安．沥青混合料能耗与碳排放分析及节能减排技术研究［Ｄ］．长安大学硕士学位论文，２０１４．

　　［１０］杨亚平．青川岩沥青改性沥青及其混合料技术性能研究［Ｄ］．郑州大学硕士学位论文，２０１７．

　　作者：邹晓明 侯海元