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乳化沥青与改性沥青在路面施工中能耗与碳排放的对比

发布时间:2022-01-07


乳化沥青与改性沥青路面施工中能耗与碳排放的对比

王雪英1     邬建波2

1.正版全新娱乐场(中国)官方网站(湖北鄂州 436000

 2.中建新疆建工(集团)有限公司国际总承包分公司 (新疆乌鲁木齐 830002

 

  要:通过对不同路面施工材料乳化沥青和SBS改性沥青进行能耗和碳排放对比,经定量分析方法计算得到两段路面施工用材料的能量消耗总量和碳排放量值。通过计算,同样是1公里的高速公路,SBS改性沥青路面耗能为14.157吨标煤,而乳化沥青只有7.498吨标煤;1公里SBS改性沥青路面的碳排放为29.27tCO2e,乳化沥青只有20.061tCO2e。结果表明,乳化沥青从能耗和碳排放均优秀于SBS改性沥青。

 

关键词:乳化沥青、SBS改性沥青、碳排放、能耗

 

0.    引言

随着中国公路建设的发展,2020年公路通车总里程已达510万公里,交通运输部统计数据显示,2019年我国公路养护里程就已经达到495.31万公里,占公路总里程的98.8%。由于沥青中国路面和养护使用的主要材料,沥青的生产和使用都需要消耗大量电力和化石能源,不仅破坏资源环境,还会产生大量的碳排放。但是沥青在不同存储状态使用不同施工方式其排放量和能耗有较大的差异。张旭通过计算得出温拌沥青混合料比热拌沥青混合料碳排放量减少46.8%,环境效益显著[1]。彭勃等研究认为沥青面层施工碳排放评价达到Ⅰ级,Ⅱ级,Ⅲ级和Ⅳ级的比率分别为15%31%46%8%;碳减排关键工序为集料加热沥青加热和沥青混合料碾压,集料加热和沥青加热工序的碳排放主要受原材料加热能源类型影响,沥青混合料碾压工序的碳排放主要受沥青类型影响[2]

本文将研究目前应用比较广泛、具有代表性的SBS改性沥青,对比SBS改性沥青和乳化后的SBS改性沥青(以下简称为乳化改性沥青或乳化沥青)之间的能耗和碳排放量,从量的角度分析对比它们之间的整个生命周期的数据,验证乳化沥青更优于SBS改性沥青。目前国内的研究中,基本没有出现这方面的研究,本文将对此做一些尝试。

 

1.    沥青存储状态和施工方式

沥青的生产和使用都会消耗大量电力和化石能源,产生碳排放。通常情况下,根据沥青的形态将沥青分为:稀释沥青(液体沥青)、固体沥青乳化沥青等在这些沥青中除稀释沥青和乳化沥青外的其他种类的沥青,在常温状态下均为固体,为能达到使用状态需要对其进行加热,以使其变成液体,通常这类沥青称为热沥青在热沥青的存储和使用过程中,需要加热保温使沥青保持长期流动的状态而乳化沥青和稀释沥青则是常温储存,不需要对其进行加热。在日常施工操作过程中,沥青的存储方式和施工方式都会影响碳排放和耗能。沥青的几种存储方式如下1


1-1.png

    热沥青在加热过程中,需要耗能产生碳排放。而乳化沥青即使是常温状态下仍然是液态,直接可以用于摊铺或喷洒,省去了保持温度或者达到液态的耗能,也减少了这部分的碳排放。

京德高速是北京大兴机场至山东德州的新建高速公路我们在该高速公路的京冀界至津石高速段,截取其中不同用料的两段路面进行研究,根据《京德高速永久路面实施指南》,两段道路胶结料一种为SBS改性沥青一种为乳化SBS改性沥青,分别计算它们在生产、拌合和摊铺等环节中的碳排放SBS改性沥青存储方式采用热储存,施工方式采用热拌合摊铺,而乳化沥青的存储方式为常温储存,施工方式采用冷拌。混合料运输、摊铺和压实环节,热沥青和乳化沥青基本相同,这部分的能量输入和碳排放忽略,不予比较。

 

2.    两种沥青及其混合料的能耗和碳排放量

本文采用的路面结构以双向4车道(沥青路面宽度22米),结构层厚度共18cm(下上面层分别为8cm、6cm、4cm)为主。为便于比较,本文均以路面长度1公里,摊铺厚度1cm改性沥青中SBS改性剂内掺4.5%,油石比4.3%来进行后续能耗和碳排放的计算

 

2.1 SBS改性沥青

2.1.1 SBS改性沥青及其混合料的能耗

1公里、宽度为22米、厚度为1cm的高速公路,我们根据“m=ρ*v”的公式,可以计算出混合料的重量为:1000m×22m×0.01m×2.4=528吨

------式中2.4为压实后混合料密度,吨/m3

根据SBS改性剂的内掺比和油石比,可以计算得出各个用料的重量分别为:

改性沥青用量:528×4.3%=22.704吨

改性沥青中SBS:22.704×4.5%=1.022吨

改性沥青中基质沥青:22.704×95.5%=21.682吨

    首先根据上式中计算得出的1公里高速路面的各个用料的重量,分别计算改性沥青、SBS和基质沥青及在拌合过程中所耗用的能量,再把这些数据相加即可得出SBS改性沥青的能耗。

(1)SBS改性沥青的能耗

SBS改性剂的能耗:根据《2006年中国统计年鉴》中的数据计算,SBS的能量强度约为180MJ/kg,

1公里路面中SBS的重量为1.022吨,则SBS能量输入为:1.022×1000×180×106=1.84×1011J

基质沥青的能耗:按中燃油研究院提供的数据,炼制1吨稠油约耗能12kg标油(标油热值为104Kcal/kg),按沥青占50%计,则生产1吨基质沥青需耗油6kg,1吨基质沥青的能量输入为6×104Kcal1Kcal=4.2×103J1公里高速路面含有21.682吨基质沥青,则基质沥青总能量输入为:

21.682×6×104×4.2×103=5.46×109J

生产SBS改性沥青的能耗:按正版全新娱乐场(中国)官方网站提供的生产数据统计,生产一吨SBS改性沥青约需天然气15NM3(热值为104Kcal/m31Kcal=4.2×103J,耗电25kwh1kwh=3.6×106J通过计算生产1吨SBS改性沥青需耗能:15×107×4.2+25×3.6×106=7.2×108JSBS改性沥青生产时的能量输入为:22.704×7.2×108=1.635×1010J

SBS改性沥青的能量输入汇总:1.84×1011J+5.46×109J+1.635×1010J=2.058×1011J

2)拌合混合料时的能耗

沥青拌合站统计数据,生产一吨改性沥青混合料约需天然气9NM3,耗电5kwh,两项合计为:

9×107×4.2+5×3.6×106=3.96×108J

改性沥青混合料的能量输入为:528×3.96×108=2.091×1011J

(3)SBS改性沥青及其混合料整个生产过程中能量输入汇总

2.058×1011+2.091×1011=4.149×1011J

折合标煤1kg标煤能量为29307.6J:4.149×1011÷29307.6÷106=14.157标煤

 

2.1.2 SBS改性沥青及其混合料的碳排放

根据《综合能耗计算通则》(GB/T2589-2008),本文中计算碳排放的公式如下:

CEF=CC×OF×44/12

式中:

CEF-----燃料使用过程的碳排放量,kgCO2e/MJ

CC------单位热值含碳量,kgCO2e/MJ,采用2提供的参数值

OF------碳氧化率,%,采用2提供的参数值

44/12------碳氧化成CO2分子量从12变成44

表1 能源/燃料生产的碳排放因子

能源/燃料名称

生产的碳排放因子

单位

0.635

KgC02e/kwh

天然气

0.07

KgC02e/m³

汽油

0.25

KgC02e/L

柴油

0.29

KgC02e/L

0.08

KgC02e/kg

低压蒸汽(0.3MPa)

0.31

KgC02e/kg

中压蒸汽(1MPa)

0.38

KgC02e/kg

 

表2 各种能源碳排放参考系数

能源名称

平均低位发热量

单位热值含碳量

碳氧化率

二氧化碳排放系数

原煤

20.908 GJ/t

26.37吨碳/TJ

0.94

1.9003 kgCO2/kg

焦炭

28.435 GJ/t

29.5吨碳/TJ

0.93

2.8604 kgCO2/kg

原油

41.816 GJ/t

20.1吨碳/TJ

0.98

3.0202 kgCO2/kg

燃料油

41.816 GJ/t

21.1吨碳/TJ

0.98

3.1705 kgCO2/kg

汽油

43.07 GJ/t

18.9吨碳/TJ

0.98

2.9251 kgCO2/kg

煤油

43.07 GJ/t

19.5吨碳/TJ

0.98

3.0179 kgCO2/kg

柴油

42.652 GJ/t

20.2吨碳/TJ

0.98

3.0959 kgCO2/kg

油田天然气

38.931 MJ/m³

15.3吨碳/TJ

0.99

2.1622 kgCO2/m³

说明:

1. 低(位)发热量等于29307kJ的燃料,成为1 kgce(千克标准煤);

        2. 上表前两列来源于《综合能耗计算通则》(GB/T 2589-2008);

        3. 上表后两列来源于《省级温室气体清单编制指南》(发改办气候[2011]1041号)

 

(1)SBS改性沥青进入拌合站前的碳排放

    SBS的碳排放:将前面SBS耗能折算成标煤1.84×1011÷29307.6÷106=6.278吨标煤,根据公式计算出SBS的碳排放量6.278×0.67×44÷12=15.423tCO2e0.67tc/tce国家发改委能源研究所给出的标煤碳排放系数的推荐值

基质沥青的碳排放

燃料油密度按0.85kg/L,表2中燃料油的二氧化碳排放系数为3.1705kgCO2/kg

燃料油生产的碳排放因子近似按0.29kgCO2e/L,折合为:1/0.85×0.29=0.3412kgCO2e/kg

1kg燃料油使用过程的碳排放:3.1705+0.3412=3.5117kgCO2e/kg

基质沥青碳排放:21.682×6×3.3884×10-3=0.441tCO2e

改性沥青生产时的碳排放

按正版全新娱乐场(中国)官方网站提供的生产数据统计,生产一吨SBS改性沥青约需天然气15NM3(热值为104Kcal/m3),耗电25kwh。根据公式将天然气和耗电产生的碳排放量加起来:22.704×25×0.635×10-3+22.704×15×10-4×389.31×(15.3×10-3×99%×44/12)+22.704×15×0.07×10-3=1.12tCO2e

改性沥青碳排放汇总:15.425+0.441+1.12=16.986tCO2e

(2)拌合混合料时的碳排放

统计沥青拌合站数据,生产1吨改性沥青混合料约需天然气9NM3,耗电5kwh,根据公式将天然气和耗电产生的碳排放量加起来:528×5×0.635×10-3+528×9×10-4×389.31×(15.3×10-3×99%×44/12)+528×9×0.07×10-3=10.608tCO2e

混合料生产碳排放汇总:1.676+10.608=12.284tCO2e

(3)SBS改性沥青及其混合料整个生产过程碳排放汇总

将上述(1)(2)得到的计算结果加总起来:16.986+12.284=29.27tCO2e

 

2.2 乳化SBS改性沥青

SBS改性沥青生产完成后,再进行乳化。乳化过程中需要水和乳化剂,还需消耗电力和热能。乳化SBS改性沥青拌合时相较于热沥青拌合减少热能消耗,本文将乳化SBS改性沥青生产过程中的耗能进行了系统计算。

成型后的路面混合料油石比与改性沥青同,乳化沥青固含量按65%,则冷拌时混合料中乳化沥青用量为:22.704÷65%=34.93吨。同时冷拌过程还需添加约3.5%水,因此,冷拌混合料约为559.8吨,摊铺破乳后,水分蒸发,路面混合料为528吨。由此,可计算得到乳化SBS改性沥青中各种材料的用量如下:65%固含量的乳化SBS改性沥青34.93吨乳化剂含量按1.5%计,34.93×1.5%=0.52吨水33.5%,34.93×33.5%=11.7吨SBS改性沥青22.704吨冷拌过程中外加水19.59吨。以此为据,进行后面的研究计算。

2.2.1 乳化SBS改性沥青及其混合料的能耗

1乳化SBS改性沥青的能量消耗:

同样的计算方法,可以分别得出乳化SBS改性沥青混合料的能耗分别为:

SBS改性沥青能量输入为:2.113×1011J

乳化剂能量输入4.31×108J(生产1吨乳化剂约消耗电能为230Kwh/t

水的能量输入1.352×108J(生产1吨水约消耗电能为1.2Kwh/t

生产乳化沥青时的能量输入0.56×1010J

乳化SBS改性沥青总的能量消耗是将上述数据加总为212.124×109J

2)拌合混合料时的能量输入7.613×109J生产1吨冷拌混合料约耗电4kwh

拌合后,乳化沥青混合料运输、摊铺和碾压温度要远远低于SBS改性沥青混合料,但后续能量输入相当,不予比对。

3)能量输入汇总:212.124×109+7.613×109=219.737×109J

折合标煤:219.737×109÷29306÷1000÷1000=7.498吨

2.2.2 乳化SBS改性沥青及其混合料的碳排放

(1)乳化SBS改性沥青的碳排放

改性沥青的碳排放17.427tCO2e

乳化剂的碳排放

按乳化剂厂家圣泉提供的数据,每生产1t乳化剂产生的碳排放包括:乳化剂原材料、原材料的运输和生产、乳化剂的生产、乳化剂运输等4个方面,分别计算碳排放量然后加总计算得到乳化剂的碳排放量为:0.8615+0.1561+0.528+0.2439=1.7897tCO2e

乳化剂的碳排放为:0.52×1.2617=0.656tCO2e

乳化沥青中水的碳排放11.71×0.91=10.66kgCO2e水的碳排放系数为0.91kgCO2e/t

乳化沥青总的碳排放17.427+0.656+0.01+0.528=18.621tCO2e

(2)混合料生产时的碳排放

统计沥青拌合站数据,生产一吨冷拌沥青混合料约需耗电4kwh,产生的碳排放:

559.8×4×0.635/103=1.422tCO2e

外加水19.59吨:19.59×0.91=17.83kgCO2e

(3)乳化沥青生产和施工碳排放汇总

18.621+1.422+0.01783=20.061tCO2e

 

3.    能耗碳排放对比

3.1 能耗对比

SBS改性沥青和乳化SBS改性沥青从原材料生产到路面施工,1公里双向4车道高速,按1cm厚度,改性沥青能耗为14.157吨标煤,乳化SBS改性沥青能耗为7.498吨标煤,能耗相差:14.157-7.498=6.659吨标煤。另外,在拌合过程中,SBS改性沥青能耗为2.091×1011J,折合标煤为7.135吨,乳化SBS改性沥青能耗为7.613×109J,折合标煤为0.26吨,SBS改性沥青为乳化SBS改性沥青的27倍多。

如果按双向8车道(路面宽37米),100公里10cm厚度计算,则可节约能耗1.152万吨标煤。

1   一公里高速路面能耗汇总表


SBS改性沥青(J)

乳化SBS改性沥青(J)

胶结料生产过程中能耗

205.8×109

212.124×109

混合料拌合过程中能耗

209.1×109

7.613×109

合计

414.9×109

219.737×109

 

 

3.2 碳排放对比

SBS改性沥青和乳化SBS改性沥青从原材料生产到路面施工,1公里双向4车道高速,按1cm厚度,热拌改性沥青与冷拌乳化改性沥青碳排放增加:29.27-20.061=9.209tCO2e

如果按双向8车道(路面宽37米),100公里10cm厚度计算,如果用冷拌乳化沥青替代传统热沥青则可减少CO2排放1.623万吨。

2  一公里高速路面碳排放汇总表


SBS改性沥青(tCO2e)

乳化SBS改性沥青(tCO2e)

胶结料生产过程中碳排放

16.986

18.621

混合料拌合过程中碳排放

12.284

1.44

合计

29.27

20.061

 

 

4.    结语

通过上文的计算,能得出如下结论:

1.   能量消耗方面,1公里高速公路的SBS改性沥青能量消耗为14.157吨标煤,而乳化SBS改性沥青的能量消耗为7.498吨标煤,乳化SBS改性沥青的能量消耗为SBS改性沥青能量消耗的一半。根据计算的数据,对比在拌合过程中,两者的能耗,SBS改性沥青的能耗为乳化SBS改性沥青的27.47倍,且SBS改性沥青混合料拌合过程中的能耗几乎占整个生产过程中能耗的一半;

2.   碳排放方面,1公里高速公路的SBS改性沥青产生的碳排放为29.27tCO2e,乳化SBS改性沥青的碳排放为20.061tCO2e,乳化SBS改性沥青的碳排放少于SBS改性沥青。混合料拌合过程中,SBS改性沥青的碳排放量为乳化SBS改性沥青的8.53倍,且SBS改性沥青在拌合过程中所产生的碳排放量占整个生产过程的41.97%。

无论是从能耗方面,还是从碳排放方面,乳化SBS改性沥青都优于SBS改性沥青,由此乳化SBS改性沥青更能够节能减排,虽然乳化SBS改性沥青比SBS改性沥青多了一个乳化的过程,但是在此过程中的能耗和碳排放都不高,且在拌合过程中,乳化SBS改性沥青的能耗和碳排放量远低于SBS改性量。在日常操作过程中,乳化SBS改性沥青由于技术的不断提高,减少了扬尘和施工过程中的再加热,从环境保护和安全施工方面,乳化SBS改性沥青也更加优秀。

 

 

 

[1]张旭. 温拌与热拌沥青混合料碳排放量对比实例研究[J]. 中国市政工程, 2018, 200(05):100-102+121-122.

[2]彭波, 何娟, 蔡春丽,等. 沥青面层施工碳排放量化评价方法及其应用[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2018, 046(011):102-109.

[3]《公路沥青路面再生技术规范》,中华人民共和国交通部,2008

[4]《公路沥青路面施工技术规范》,中华人民共和国交通部,2004

[5]《综合能耗计算通则》(GBT 2589—2008)

[6]《中国统计年鉴》2020

 

Comparison of energy consumption and carbon emission between emulsified asphalt and hot asphalt in pavement construction

Wang xueying   Wu jianbo

Hubei Anjie Road and Bridge Technology Co., Ltd Hubei, Ezhou 436006

CSCEC Xinjiang Construction Engineering (Group) Co., Ltd. International General Contracting Branch  Xinjiang, Wulumuqi 830002

Abstract:By comparing the energy consumption and carbon emission of emulsified asphalt and SBS modified asphalt, the total energy consumption and carbon emission of two sections of pavement maintenance materials are calculated by quantitative analysis method. Through calculation, the energy consumption of SBS modified asphalt pavement is 14.157 tons of standard coal, while emulsified asphalt is only 7.498 tons of standard coal; The carbon emission of 1km SBS modified asphalt pavement is 29.27tco2e, and that of emulsified asphalt is only 20.061tco2e. The results show that emulsified asphalt is superior to SBS modified asphalt in energy consumption and carbon emission.

Keywords: Emulsified asphalt; SBS modified asphalt; Carbon emission; Energy consumption

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