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高掺量废轮胎胶粉改性沥青路面碳排放经济性分析

发布时间:2022-01-07


高掺量废轮胎胶粉改性沥青路面碳排放经济性分析

 

王雪英1    邬建波2   薛永勤3  周海防4  

(1.湖北正版全新娱乐场科技有限公司,鄂州436006;2.中建新疆建工(集团)有限公司国际总承包分公司,乌鲁木齐830002;3.中铁十二局集团国际工程有限公司,天津300308;4.山东高速路用新材料技术有限公司,济南250003

 [摘要]轮胎从生产到废弃都需要直接或间接消耗自然资源和能源,造成大量二氧化碳排放的问题,将废旧轮胎制备成一定粒径的粉料加入到沥青中再铺筑成道路,可以回收大量的物料和能源,将碳固定到产品中,达到节能减排的目的。本文将分析把废轮胎通过机械破碎成胶粉后,生产高掺量橡胶复合改性沥青(简称橡胶沥青)用于路面摊铺,通过物料利用、碳排放和经济效益分析,以及与生产SBS改性沥青产生的碳排放对比,探索轮胎资源化对能量利用、碳排放和经济效益的影响。

[关键词]废轮胎 橡胶沥青 碳排放

1、前言

据中国橡胶工业协会轮胎分会统计和调查,2018年全国汽车轮胎总产量约为6.48亿条,其中子午胎6.09亿条(其中全钢胎1.33亿条),斜交胎0.39亿条,子午化率94%。中国的轮胎年生产量与轮胎年报废量分别占全球总量的23%和19%,成为仅次于美国的轮胎生产和废旧轮胎生成大国,因此,轮胎产业“大量生产、大量废弃”的情况将日益加剧。废旧轮胎是非常难降解的高分子弹性材料,有着较高的弹性和韧性,在 -50~150℃温度范围内几乎不会发生物理或化学变化因此,若任其自然在土壤中降解,直到不影响植物生长的程度,该过程可能需要约500年的时间。废旧轮胎具有很高的低位热值(LHV),大约在40MJ/kg左右,在温度较高的环境中大量堆积也容易自燃引发火灾事故。轮胎生命周期的4个阶段包括,生产阶段、运输阶段、使用阶段和资源化阶段,每个阶段都需要直接或间接消耗自然资源和化石燃料,导致大量的二氧化碳排放。

 本研究对象为40%高掺量橡胶复合改性沥青,按大部分企业的生产统计,1吨胶块约出胶粉800公斤,钢丝200公斤。胶粉目数40目,橡胶复合改性沥青中胶粉内掺40%,油石比按雄安新区实际使用的4.8%。与此相对应的SBS改性沥青中SBS内掺4.5%,油石比按4.3%。基质沥青的油石比按4.3%。

2、 橡胶复合改性沥青生产和施工环节能量输入和碳排放分析

轮胎的综合利用还包括:原形利用、热化学和再生,本文不对以上利用方式做碳排放计算,如有兴趣可阅读《轮胎生命周期的经济、能量和碳排放分析》等相关论文或资料。本文针对轮胎生产成胶粉,然后用于橡胶沥青做研究。

 下面我们以双向4车道(沥青路面宽度22米),结构层厚度共18cm(下中上面层分别为8cm、6cm、4cm),路面长度1公里为例来计算各环节碳排放。并按平均取值橡胶沥青中胶粉掺量40%,油石比4.8%(精确计算应该为4.8÷(100+4.8)=4.58%)当成油含量简化计算。

2.1 与橡胶沥青相关的各能量输入


(1) 胶粉生产时忽略设备磨损,能量输入只有电能一项,按大部分企业多年生产40目胶粉耗电统计,200 kwh/吨,胶粉的能量输入为:

182.5×200=36500 kwh,折合为1.314×1011J。           

(2)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吨沥青需耗油6kg,1吨沥青的能量输入为6×104Kcal。则沥青的总能量输入为:

273.7×6×104×1000×4.2=6.897×1010J

(3)橡胶沥青生产时的能量输入

生产数据统计,生产一吨橡胶沥青约需天然气20NM3(热值为104Kcal/m3),耗电30kwh,两项合计为:

20×107×4.2+30×3.6×106=9.48×108J

橡胶沥青的能量输入为:

456.2×9.48×108=4.325×1011J

(4)混合料生产时的能量输入

统计沥青拌合站数据,生产一吨橡胶沥青混合料约需天然气10NM3,耗电6kwh,两项合计为:

10×107×4.2+6×3.6×106=4.42×108J

橡胶沥青混合料的能量输入为:

9504×4.42×108=4.2×1012J

拌合后,橡胶沥青混合料运输、摊铺和碾压温度要高于SBS改性沥青混合料,但后续能量输入相当,不予比对。

(5)能量输入汇总:

1.314×1011+6.897×1010+4.325×1011+4.2×1012=48.3287×1011J

折合标煤:48.3287×1011÷29306÷1000÷1000=164.91吨

 

2.2  橡胶沥青生产和施工中的碳排放

需要说明的是,各种能源/燃料折合成标煤时,各个地方或企业取折算系数时并不相同,使得计算出的碳排放量产生较大的差别,本文统一按以下方式计算,进行比较。至于折算系数取值的相关研究,本文不加以讨论。

各地生产和施工使用的燃料不同,碳排放因子不同,查《综合能耗计算通则》(GB/T2589-2008),能源/燃料生产过程的碳排放因子见下表:

 

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

 

燃料使用过程的碳排放因子:

 

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,采用下表提供的参数值

OF——碳氧化率,%,采用下表提供的参数值

44/12——碳氧化成CO2分子量从12变成44

 

常见化石燃料的特定参数值见下表:

常见化石燃料特定参数值

燃料品种

低位

发热量

热值单位

单位热值含碳量

(吨碳/GJ)

燃料碳

氧化率

 

无烟煤

24.515

GJ/t

27.4×10-3

94%

烟煤

23.204

GJ/t

26.18×10-3

93%

褐煤

14.449

GJ/t

28.00×10-3

96%

洗精煤

26.344

GJ/t

25.40×10-3

93%

其他洗煤

15.373

GJ/t

25.40×10-3

90%

型煤

17.460

GJ/t

33.60×10-3

90%

焦炭

28.446

GJ/t

29.40×10-3

93%

原油

42.620

GJ/t

20.10×10-3

98%

燃料油

40.190

GJ/t

21.10×10-3

98%

汽油

44.800

GJ/t

18.90×10-3

98%

柴油

43.330

GJ/t

20.20×10-3

98%

一般煤油

44.750

GJ/t

19.60×10-3

98%

石油焦

31.000

GJ/t

27.50×10-3

98%

其他石油制品

40.190

GJ/t

20.00×10-3

98%

焦油

33.453

GJ/t

22.00×10-3

98%

粗苯

41.816

GJ/t

22.70×10-3

98%

炼厂干气

46.050

GJ/t

18.20×10-3

99%

炼化石油气

47.310

GJ/t

17.20×10-3

99%

炼化天然气

41.868

GJ/t

17.20×10-3

99%

天然气

389.310

GJ/万Nm³

15.30×10-3

99%

焦炉煤气

173.854

GJ/万Nm³

14.00×10-3

99%

高炉煤气

33.000

GJ/万Nm³

70.80×10-3

99%

转炉煤气

84.000

GJ/万Nm³

49.60×10-3

99%

密闭电石炉炉气

111.190

GJ/万Nm³

39.51×10-3

99%

 

(1)胶粉生产的碳排放

0.635×36500/1000=23.1775tCO2e

(2)生产基质沥青的碳排放

燃料油密度按0.85kg/L,按上表其低位发热值为40.19GJ/t

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燃料油的碳排放:

1×40.19×(21.1/1000×98%×44/12)+0.3412=3.3884kgCO2e

基质沥青碳排放:

273.7×6×3.3884/1000=5.5644tCO2e

(3)橡胶沥青生产时的碳排放

生产数据统计,生产一吨橡胶沥青约需天然气20NM3(热值为104Kcal/m3),耗电30kwh。

用电产生的碳排放:456.2×30×0.635/1000=8.6906tCO2e

用天然气产生的碳排放:

456.2×20/10000×389.31×(15.3/1000×99%×44/12)+456.2×20×0.07/1000

=20.366tCO2e

橡胶沥青生产碳排放汇总:

8.6906+19.7273=29.0566tCO2e

(4)混合料生产时的碳排放

统计沥青拌合站数据,生产一吨橡胶沥青混合料约需天然气10NM3,耗电6kwh。

用电产生的碳排放:9504×6×0.635/1000=36.2102tCO2e

用天然气产生的碳排放:

9504×10/10000×389.31×(15.3/1000×99%×44/12)+9504×10×0.07/1000

=205.4944+6.6528=212.1472tCO2e

混合料生产碳排放汇总:

36.2102+212.1472=248.3574tCO2e

(5)橡胶沥青生产和施工碳排放汇总

23.1775+5.5644+29.0566+248.3574=306.1559tCO2e

3   SBS改性沥青生产和施工环节能量输入和碳排放分析

3.1 计算方法

以双向4车道(沥青路面宽度22米),结构层厚度共18cm(下中上面层分别为8cm、6cm、4cm),路面长度1公里为例来计算各环节碳排放。按改性沥青中SBS改性剂内掺4.5%,油石比4.3%精确计算应该为4.3÷(100+4.3)=4.12%)当成油含量简化计算。

实际道路铺设中,下面层8cm一般会使用基质沥青而不会使用SBS改性沥青,为便于和橡胶沥青路面下面层同等强度级别的路面比较,我们先假定下面层也使用SBS改性沥青。包括油石比先统一按4.3%,也计算出基质沥青的能量输入和碳排放。再利用计算出的数据,折算出下面层为基质沥青时的数值。

3.2  与SBS改性沥青相关的各能量输入

(1)改性沥青路面中各种材料用量

混合料用量:

1000×22×0.18×2.4=9504吨

——式中2.4为压实后混合料密度,吨/m3

改性沥青用量:

9504×4.3%=408.672吨

改性沥青中SBS:408.672×4.5%=18.39吨

改性沥青中基质沥青:408.672×95.5%=390.282吨

(2)各种材料生产时的能量输入

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,

SBS能量输入为:18.39×1000×180=3.31×1012J

按照常规单独使用常减压蒸馏生产道路沥青市场计算,通常加工一吨重油约耗能12kg标油(标油热值为104Kcal/kg),按沥青蒸馏收率占50%计,则生产1吨沥青需耗油6kg,1吨沥青的能量输入为6×104Kcal。则沥青的总能量输入为:

390.282×6×104×1000×4.2=9.835×1010J

改性沥青生产时的能量输入

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,两项合计为:

15×107×4.2+25×3.6×106=6.3×108+0.9×108=7.2×108J

改性沥青生产的能量输入为:

408.672×7.2×108=2.942×1011J

混合料生产时的能量输入

统计沥青拌合站数据,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:

9504×3.96×108=3.7636×1012J

能量输入汇总:

33.1×1011+0.9835×1011+2.942×1011+37.636×1011=74.6615×1011J

折合标煤:74.6615×1011÷29306÷1000÷1000=254.77吨

 

3.3  改性沥青生产和施工中的碳排放

1)SBS生产的碳排放

按上面计算,SBS能量输入为:18.39×1000×180=3.31×1012J

先折算成标煤:3.31×1012÷29306÷1000÷1000=112.946吨

国家发改委能源研究所给出的标煤碳排放系数的推荐值为0.67tc/tce

生产SBS的碳排放量:

112.946×0.67×44÷12=277.47tCO2e

2)生产基质沥青的碳排放

燃料油密度按0.85kg/L,按上表其低位发热值为40.19GJ/t

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燃料油的碳排放:

1×40.19×(21.1/1000×98%×44/12)+0.3412=3.3884kgCO2e

基质沥青碳排放:

390.282×6×3.3884/1000=7.9346tCO2e

3)改性沥青生产时的碳排放

生产数据统计,生产一吨橡胶沥青约需天然气15NM3(热值为104Kcal/m3),耗电25kwh。

用电产生的碳排放:408.672×25×0.635/1000=6.4877tCO2e

用天然气产生的碳排放:

408.672×15/10000×389.31×(15.3/1000×99%×44/12)+408.672×15×0.07/1000

=13.2544+0.4291=13.6835tCO2e

改性沥青生产碳排放汇总:

6.4877+13.6835=20.1712tCO2e

4)混合料生产时的碳排放

统计沥青拌合站数据,生产一吨改性沥青混合料约需天然气9NM3,耗电5kwh。

用电产生的碳排放:9504×5×0.635/1000=30.1752tCO2e

用天然气产生的碳排放:

9504×9/10000×389.31×(15.3/1000×99%×44/12)+9504×9×0.07/1000=184.945

+5.9875=190.9325tCO2e

混合料生产碳排放汇总:

30.1752+190.9325=221.1077tCO2e

5)改沥青生产和施工碳排放汇总

277.47+7.9346+20.1712+221.1077=526.6835tCO2e

 

基质沥青生产和施工环节能量输入和碳排放分析

 

4.1 计算方法

以双向4车道(沥青路面宽度22米),结构层厚度共18cm(下中上面层分别为8cm、6cm、4cm),路面长度1公里为例来计算各环节碳排放。油石比4.3%精确计算应该为4.3÷(100+4.3)=4.12%当成油含量简化计算。

实际道路铺设中,中面层6cm和上面层4cm一般会使用SBS改性沥青,为便于计算,我们先假定三个面层使用基质沥青。再利用计算出的数据进行

 

4.2  和基质沥青相关的各能量输入

 

1基质沥青路面中各种材料用量

混合料用量:

1000×22×0.18×2.4=9504吨

——式中2.4为压实后混合料密度,吨/m3

基质沥青用量:

9504×4.3%=408.672吨

2)各种材料生产时的能量输入

基质沥青生产时的总能量输入为:

408.672×6×104×1000×4.2=1.0299×1011J

混合料生产时的能量输入

统计沥青拌合站数据,生产一吨基质沥青混合料约需天然气8NM3,耗电4kwh,两项合计为:

8×107×4.2+4×3.6×106=3.504×108J

基质沥青混合料的能量输入为:

9504×3.504×108=3.33×1012J

能量输入汇总:

1.0299×1011+33.3×1011=34.33×1011J

折合标煤:34.33×1011÷29306÷1000÷1000=117.14

 

4.3 基质沥青生产和施工中的碳排放

1)生产基质沥青的碳排放

燃料油密度按0.85kg/L,按上表其低位发热值为40.19GJ/t

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燃料油的碳排放:

1×40.19×(21.1/1000×98%×44/12)+0.3412=3.3884kgCO2e

基质沥青碳排放:

408.672×6×3.3884/1000=8.3085tCO2e

2)混合料生产时的碳排放

统计沥青拌合站数据,生产一吨改性沥青混合料约需天然气8NM3,耗电4kwh。

用电产生的碳排放:9504×4×0.635/1000=24.14tCO2e

用天然气产生的碳排放:

9504×8/10000×389.31×(15.3/1000×99%×44/12)+9504×8×0.07/1000=164.396

+4.79=169.186tCO2e

混合料生产碳排放汇总:

24.14+169.186=193.326tCO2e

3基质沥青生产和施工碳排放汇总

8.3085+193.326=201.6345tCO2e

5、能耗和碳排放对比

5.1能耗汇总、对比总结

1按三层全采用一种胶结料

1公里橡胶沥青与改性沥青、基质沥青高速路节能统计对比表(吨,标煤)

项目

橡胶沥青

改性沥青

基质沥青

节能

备注

-

-

1

生产+施工

164.91

254.77

117.14

89.86

-47.77


2

替代SBS

0

112.946

0

112.946

0


3

基质沥青

0

1.002

1.161

1.002

1.161


4

钢纤维

-26.3713

0

0

26.3713

26.3713


5

当量寿命

0

254.77

234.28

254.77

234.28


6

合计

1+2+3+4

1+2+3+4

1+2+3+4

230.179

-20.2377

1+2+3+4

138.5387

368.718

118.301

395.089

261.8123

2+3+4+5

2下面层8cm基质沥青,中面层6cm和上面层4cm为橡胶沥青或改性沥青可通过上表折算。

5.2碳排量汇总、对比

1按三层全采用一种胶结料

1公里橡胶沥青与改性沥青、基质沥青高速公路碳排量统计对比表(单位,tCO2e)

序呈

项目

橡胶沥青

改性沥青

基质沥青

减碳

备注

-

-

1

生产+施工

306.1559

526.6835

201.6345

220.5276

-104.521


2

替代SBS

0

277.47

0

277.47

0


3

基质沥青

0

2.3702

2.7441

2.3702

2.744


4

钢纤维

-82.125

0

0

82.125

82.125


5

当量寿命

0

526.6835

403.269

526.6835

403.269


6

合计

1+2+3+4

1+2+3+4

1+2+3+4

582.4928

-19.652

1+2+3+4

224.031

806.524

204.379

888.6487

488.138

2+3+4+5

2下面层8cm基质沥青,中面层6cm和上面层4cm为橡胶沥青或改性沥青可通过上表折算。

6橡胶沥青和SBS改性沥青经济效益分析及对比

 

6.1混合料成本

橡胶沥青、改性沥青和基质沥青油石比分别按4.8%、4.3%、4.3%,按《混合料成本核算》软件输入相关数据后自动计算,三种混合料每吨成本截图如下:

ARHM-20

PMA-AC-20

AH70-AC-20

名称

单价

/吨

混合料配比

总价

/吨

备注

名称

单价

/吨

混合料配比

总价

/吨

备注

名称

单价

/吨

混合料配比

总价

/吨

备注

橡胶复合

¥2,932.82

4.80%

140.78

附件1

SBS改性

4,147.44

4.30%

178.37

附件1

70#

3,400.00

4.30%

146.20

附件1

骨料1

118.00

23%

27.14


骨料1

118.00

23%

27.14


骨料1

118.00

23%

27.14


骨料2

108.00

12%

12.96


骨料2

108.00

12%

12.96


骨料2

108.00

12%

12.96


骨料3

98.00

19%

18.62


骨料3

98.00

19%

18.62


骨料3

98.00

19%

18.62


骨料4

88.00

22%

19.36

石灰岩

骨料4

88.00

22%

19.36

石灰岩

骨料4

88.00

22%

19.36

石灰岩

骨料5

78.00

20%

15.60

石灰岩

骨料5

78.00

20%

15.60

石灰岩

骨料5

78.00

20%

15.60

石灰岩

骨料6

68.00

0

0.00


骨料6

68.00

0

0.00


骨料6

68.00

0

0.00


矿粉

220.00

4%

8.80


矿粉

220.00

4%

8.80


矿粉

220.00

4%

8.80


天然气

4,500.00

0.70%

31.50


天然气

4,500.00

0.65%

29.25


天然气

4,500.00

0.60%

27.00


合计



274.76


合计



310.07


合计



275.68


 

6.2各种路面成本经济效益分析

 仍然以上面所述1公里高速路面为例,列表比较如下:

单公里各种沥青路面面层经济性分析表

面层

结构

厚度

(cm)

混合料重量

(吨)

ARHM

PMB

AC

成本

(万元)

成本

(万元)

成本

(万元)

上面层

4

2112

58.03

65.49

58.22

中面层

6

3168

87.04

98.23

87.34

下面层

8

4224

116.06

130.97

116.45

合计

18

9504

261.13

294.69

262.01

 

从上表可以看出,如果三层全采用橡胶沥青或改性沥青,两者1公里工程造价相差33.56万元。双向6车道高速单公里工程造价相差45万元。

传统路面结构,中上面层采用橡胶沥青或SBS改性沥青,下面层采用基质沥青,成本列表如下:

单公里两种沥青路面经济性分析表

面层

结构

厚度

(cm)

混合料重量

(吨)

橡胶沥青路面

改性沥青

混合料类型

成本

(万元)

混合料类型

成本

(万元)

上面层

4

2112

ARHM

58.03

PMB

65.49

中面层

6

3168

ARHM

87.04

PMB

98.23

下面层

8

4224

AC

116.45

AC

116.45

合计

18

9504


261.52


280.17

 

    从上表可以看出,如果仅中上面层采用橡胶沥青或改性沥青,下面层均采用基质沥青,两者1公里工程造价相差18.65万元。双向6车道高速单公里工程造价相差25万元。如果考虑橡胶沥青路面寿命是SBS改性沥青路面的2倍,则两者在当量全寿命周期1公里工程造价相差298.82万元。双向6车道高速单公里工程造价相差400.68万元。

 

结语

1.在能耗方面,橡胶沥青的能耗远低于改性沥青的能耗,与对比组基质沥青相差不大,节能效果明显好于改性沥青;

2.在碳排量方面,橡胶沥青在相同公里数的碳排量远低于改性沥青,与对比组基质沥青相差不大,减碳效果明显优于改性沥青;

3.成本方面,橡胶复合的单价远低于SBS,在其他配料都相同的情况下,橡胶沥青成本比改性沥青少35.31万元/吨,优势明显。

通过物料利用、碳排放和经济效益分析,以及与生产SBS改性沥青产生的碳排放对比,橡胶沥青从各个方面相较于改性沥青都具有明显的优势。同时给轮胎资源化指出一条新的思路,对于环境、经济效益等方面都具有很大优势。

 

参考文献

《轮胎生命周期的经济、能量和碳排放分析》,杨蕾,2009年

《京德高速高掺量橡胶改性沥青路面施工指南》,河北,2020年

 

Economic Analysis on Carbon Emission of Asphalt Pavement Modified with High Content of Waste Tire Rubber Powder

Wang Xueying1  Wu Jianbo2  Xue Yongqin3  Zhou Haifang4

(1.Hubei Anjie Road and Bridge Technology Co., Ltd, Ezhou 436006;2.CSCEC Xinjiang Construction Engineering (Group) Co., Ltd. International General Contracting Branch, Wulumuqi 830002;3.International Engineering Co., Ltd. Of CRCC 12, Tianjin 300308;4.Shandong Expressway New Material Technology Co., Ltd, Jinan 250003)

Abstract: From production to waste, tires need to consume natural resources and energy directly or indirectly, resulting in a large number of carbon dioxide emissions. By preparing waste tires into powder with a certain particle size and adding it to asphalt and then paving the road, a large number of materials and energy can be recovered, and carbon can be fixed into products to achieve the purpose of energy conservation and emission reduction. This paper will analyze the production of high content rubber composite modified asphalt (rubber asphalt for short) for pavement after mechanically crushing waste tires into rubber powder. Through the analysis of material utilization, carbon emission and economic benefit, and the comparison with the carbon emission produced by the production of SBS modified asphalt, this paper will explore the impact of tire recycling on energy utilization, carbon emission and economic benefit.

Keywords: waste tire; rubber asphalt; carbon emission


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