基于生命周期的中國道路材料能耗量化研究

蒯海東，薛金順，唐 皓，陳 芳

(1.新疆交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830001； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引 言

目前，中國道路行業(yè)常用材料的能耗研究沒有系統(tǒng)、公認(rèn)的成果，導(dǎo)致中國學(xué)者在研究道路工程全生命周期能耗時(shí)，材料生產(chǎn)階段的參數(shù)多采用歐美等發(fā)達(dá)國家的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是基于發(fā)達(dá)國家的行業(yè)平均水平建立的，并不符合中國國情；同時(shí)，國內(nèi)外多項(xiàng)研究表明，道路工程中各類材料的生產(chǎn)能耗占總能耗的40%[1]。因此，有必要從生命周期的角度量化中國道路工程常用材料的能耗。

本文基于生命周期分析法，研究中國道路行業(yè)材料生產(chǎn)過程，分析能耗分布，推導(dǎo)相關(guān)公式，建立能耗模型。依據(jù)中國已有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、大數(shù)據(jù)資料與現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，確定各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗參數(shù)，并結(jié)合模型，得到中國道路材料能耗數(shù)據(jù)庫，之后與西方研究成果進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型和數(shù)據(jù)庫的正確性并得出普遍結(jié)論。

1 研究方法

1.1 道路材料概念

道路材料是指中國各級公路和城市道路路面結(jié)構(gòu)(面層和基層)中用到的各類基礎(chǔ)材料，包括道路用瀝青類材料(普通瀝青、改性瀝青、乳化瀝青等)、水泥、集料、鋼材、石灰和工業(yè)用水等[2-4]。

1.2 生命周期分析法

對于產(chǎn)品的能耗研究，最全面、準(zhǔn)確的方法是生命周期分析法(LCA)[5]。生命周期分析是對一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中的輸入、輸出及潛在環(huán)境影響的綜合分析和評價(jià)。生命周期的清單分析是對系統(tǒng)整個(gè)生命周期的輸入和輸出進(jìn)行匯編的過程，也是生命周期分析的基礎(chǔ)。生命周期分析方法按清單分析主要分為3類：基于流程的生命周期分析、基于投入-產(chǎn)出的生命周期分析、復(fù)合生命周期分析[6]。

本研究以基于流程的生命周期分析為主，以基于投入-產(chǎn)出的生命周期分析為輔，對道路材料能耗進(jìn)行清單分析。其優(yōu)越性體現(xiàn)在：可以通過流程分析對材料的生產(chǎn)過程不斷進(jìn)行細(xì)化，從而保證結(jié)果更為詳細(xì)、準(zhǔn)確；在數(shù)據(jù)不易搜集或數(shù)據(jù)量過大的子流程中，通過投入-產(chǎn)出的分析法控制分析規(guī)模，消除邊界條件誤差[7]。

1.3 能源生命周期分析

1.3.1 能源生命周期邊界

能源的生命周期分析是道路材料能耗量化的基礎(chǔ)。能源生命周期的能耗分析不僅包括體現(xiàn)能源自身價(jià)值的直接能耗，還包括生產(chǎn)所需的開采、生產(chǎn)以及運(yùn)輸?shù)乳g接能耗，這就出現(xiàn)了能源之間的相互引用問題。

在能源生命周期分析方面，由于中國統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不全，不同的研究者在研究中又借鑒了不同國家的研究數(shù)據(jù)，導(dǎo)致研究結(jié)果存在差異，并且這些差異毫無規(guī)律可循[8]。因此，本文不計(jì)化石燃料上游的間接能耗，并結(jié)合能耗國標(biāo)的規(guī)定，將能源的生命周期邊界界定為自化石燃料的使用開始，如圖1所示。

圖1 能源生命周期邊界

1.3.2 能源折算方式

目前，世界上各國的能源折算方式主要有3種：當(dāng)量熱值法、等價(jià)熱值法、等效電法。國際上一般采用當(dāng)量熱值法，中國通常綜合應(yīng)用當(dāng)量熱值法和等價(jià)熱值法。

當(dāng)量熱值法把能源換算成以焦耳或卡為單位的能耗數(shù)據(jù)，忽略了不同能源品味和做功能力的差別；而等價(jià)熱值法在某種二次能源消耗時(shí)，通過統(tǒng)計(jì)獲得一個(gè)度量單位的該種二次能源所消耗的、以熱值表示的一次能源量。等效電法應(yīng)用很少，且并不適用中國國情[9]。

綜合考慮3種能源折算方式的優(yōu)缺點(diǎn)，兼顧能耗模型的通用性和實(shí)用性，本研究采用的能源折算方式為：以單位質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)煤作為能源度量單位；電力按照發(fā)電平均煤耗，即采用等價(jià)熱值法折算；熱力和其他能源按照當(dāng)量熱值法折算。

1.3.3 能源生命周期清單

根據(jù)本研究中能源生命周期邊界和能源折算方式，引用《綜合能耗計(jì)算通則》中的數(shù)據(jù)，分析原材料生產(chǎn)所用能源的平均低位發(fā)熱量，并統(tǒng)一折算成標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，如表1所示。

表1 能源清單分析結(jié)果 kgce·t-1

2 道路材料生命周期能耗分析

2.1 道路材料生命周期邊界

對道路材料全生命周期能耗的研究應(yīng)考察人類從自然界中開采礦產(chǎn)后，對一種或多種礦產(chǎn)進(jìn)行加工處理形成道路材料的整個(gè)過程。由于道路材料只是半成品，所以該生命周期并不考慮材料壽命完全終結(jié)。因此，道路材料的生命周期邊界定義為：以自然界的礦物開采為起始，以形成道路要求的原材料為終止。

2.2 瀝青類材料

由于中國道路工程主要采用的是石油瀝青，故本文的瀝青類材料均指石油瀝青及其衍生物。

2.2.1 普通瀝青

普通瀝青壽命周期主要分為2個(gè)階段，一是石油的生產(chǎn)階段，二是石油提煉瀝青階段。

(1)石油生產(chǎn)階段。中國石油來源非常廣泛，有一半以上的石油來自于沙特阿拉伯等數(shù)十個(gè)國家[10]，難以詳細(xì)統(tǒng)計(jì)。為了能獲取便捷實(shí)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)反映中國的石油生產(chǎn)技術(shù)水平，本文主要分析中國出產(chǎn)石油的能耗情況。

石油和天然氣一般是共生的。因此，在統(tǒng)計(jì)石油生產(chǎn)能耗時(shí)一般統(tǒng)計(jì)石油和天然氣的總生產(chǎn)能耗。應(yīng)用《工業(yè)企業(yè)單位產(chǎn)品能耗指標(biāo)計(jì)算方法》推薦的熱值等量轉(zhuǎn)換法，推導(dǎo)出式(1)。

Eu=Ef/(Po+Pgζg)

(1)

式中：Eu為中國石油生產(chǎn)綜合能耗；Ef為統(tǒng)計(jì)期(年)內(nèi)，中國油氣田綜合能源消費(fèi)量；Po為統(tǒng)計(jì)期(年)內(nèi)，中國石油產(chǎn)量；Pg為統(tǒng)計(jì)期(年)內(nèi)，中國天然氣產(chǎn)量；ζg為天然氣折原油系數(shù)，一般可直接取推薦值1/125 5 kgce·t-1。

2011年中國的石油產(chǎn)量為20 287.55萬t，天然氣產(chǎn)量為1 026.89億m3。石油和天然氣生產(chǎn)需要原煤、原油、電力、天然氣等多種能源，采用本文的能源折算方式，中國油氣田生產(chǎn)綜合能源消費(fèi)總量為3 645.74萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。將以上數(shù)據(jù)代入式(1)，可得中國石油單位產(chǎn)量綜合能耗為128.10 kgce·t-1。

(2)石油提煉瀝青階段。普通瀝青的提煉過程包括物理分離和化學(xué)反應(yīng)[11]，具體生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 瀝青生產(chǎn)流程

常減壓渣油是石油煉油廠常減壓塔底抽出的殘?jiān)汀Ｒ虼耍p壓渣油本質(zhì)上是石油提煉產(chǎn)生的廢料，其生產(chǎn)過程并不需要消耗特定的能源。所以，瀝青的生產(chǎn)提煉能耗僅考慮常減壓渣油提煉瀝青的化學(xué)反應(yīng)過程能耗。

該過程的能耗折算可用基于投入-產(chǎn)出的生命周期分析法，通過輸入和輸出瀝青生產(chǎn)裝置的能源量推導(dǎo)出能耗表達(dá)式為

(2)

式中：Er為瀝青提煉階段綜合能耗，以標(biāo)油計(jì)；M為某種能源或耗能工質(zhì)的實(shí)物年消耗量或輸出量；R為對應(yīng)某種能源或耗能工質(zhì)的能量折算系數(shù)；Q為每年與外界交換的有效能量折合為標(biāo)油的代數(shù)和；C為裝置的年原料加工量。其中，向?yàn)r青生產(chǎn)裝置輸入的實(shí)物消耗量和有效熱量計(jì)為正值，輸出時(shí)為負(fù)值。

中國對瀝青的化學(xué)提煉過程能耗制定了相關(guān)國家限額標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)中2種生產(chǎn)工藝的綜合能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，見表2。

表2 普通瀝青化學(xué)提煉綜合能耗限額

注：綜合能耗以標(biāo)油質(zhì)量為單位。

盡管各油田原油品質(zhì)不同，但相關(guān)研究表明，幾乎所有的原油通過溶劑脫瀝青法都可以生產(chǎn)出合格的道路瀝青[12]。本研究對國內(nèi)多家道路瀝青生產(chǎn)廠家進(jìn)行了調(diào)研，大部分瀝青生產(chǎn)廠均采用溶劑脫瀝青生產(chǎn)裝置，所用溶劑一般為丙烷混摻丁烷。根據(jù)式(2)和調(diào)研統(tǒng)計(jì)資料，測算出中國瀝青煉制業(yè)平均指標(biāo)水平接近丁烷二級。

(3)普通瀝青綜合能耗。對石油的生產(chǎn)能耗進(jìn)行各子產(chǎn)物分配后，采用基于過程的生命周期分析法，得到普通道路瀝青的生命周期能耗計(jì)算公式為

Ea=EuAa+Erζp

(3)

式中：Ea為普通瀝青綜合能耗；Aa為子產(chǎn)物分配系數(shù)，經(jīng)過約分運(yùn)算和考慮原油加工損失率后一般可取1.0～1.25；ζp為標(biāo)油折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，即可得中國普通道路瀝青的綜合生產(chǎn)能耗。

2.2.2 改性瀝青

從過程生命周期角度出發(fā)，改性瀝青全壽命周期分為3個(gè)階段：普通瀝青生產(chǎn)階段、改性劑生產(chǎn)階段、改性瀝青生產(chǎn)階段。

由于大部分改性劑是基于原油等化石燃料生產(chǎn)的，不僅在生產(chǎn)加工過程消耗了一定的能源，其材料自身還消耗了一定的潛在能源。為了控制生命周期分析規(guī)模，對于改性劑的生命周期能耗清單分析，采用基于投入-產(chǎn)出生命周期分析法，得到改性劑生產(chǎn)綜合能耗公式為

(4)

式中：Ecz為改性劑綜合能耗；eic為產(chǎn)品加工消耗的某種能源實(shí)物量；eiff為產(chǎn)品加工消耗或損失的潛在能源量；K1i為某種實(shí)物能源折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；K2i為某種潛在能源折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；Ei為輸入改性劑生產(chǎn)系統(tǒng)的某種原料的生產(chǎn)能耗；Pi為輸入改性劑生產(chǎn)系統(tǒng)的某種原料的質(zhì)量百分比數(shù)值。

建立改性瀝青能耗模型，計(jì)算公式為

(5)

式中：Ema為改性瀝青綜合能耗；Ea為普通瀝青綜合能耗；A為改性劑添加百分比數(shù)值；Ecz為單位改性劑綜合能耗；P為單位改性瀝青加熱生產(chǎn)能耗，根據(jù)實(shí)際加熱溫度和設(shè)備具體取值；μ為工藝系數(shù)，“濕法”工藝取值為1，“干法”工藝取值為0，一般取μ=0；Q為單位改性瀝青加工生產(chǎn)綜合能耗，一般為耗電設(shè)備耗能。

本文應(yīng)用該計(jì)算模型對中國道路行業(yè)應(yīng)用最廣泛的SBS改性瀝青進(jìn)行測算。設(shè)SBS改性劑添加量為常規(guī)的3.5%，得到單位改性瀝青生產(chǎn)綜合能耗Ema為272.55 kgce·t-1。

2.2.3 乳化瀝青

乳化瀝青的生命周期分為3個(gè)階段：普通瀝青生產(chǎn)階段、添加劑生產(chǎn)階段、乳化加工階段。乳化加工階段包括高速剪切、加熱等過程。乳化瀝青和改性瀝青的生產(chǎn)原理相似，可用改性瀝青的能耗公式計(jì)算。由于乳化劑種類繁多，生產(chǎn)工藝各異，為了更加便捷地得到乳化瀝青的綜合能耗，本研究提出了乳化瀝青綜合能耗簡化公式，即

Eea=EaS(1+E)

(6)

式中：Eea為乳化瀝青綜合能耗；Ea為普通瀝青綜合能耗；S為固含量，一般取60%～65%；E為乳化加工能耗比。

本研究對常用的胺鹽類乳化瀝青進(jìn)行測算，得到S-E的擬合曲線如圖3所示，由此可得到不同固含量乳化瀝青的能耗值。

圖3 胺鹽類乳化瀝青的S-E擬合曲線

2.3 水泥

道路水泥生命周期主要分為2個(gè)階段：熟料生產(chǎn)階段、水泥生產(chǎn)階段。依據(jù)本文定義的材料生命周期邊界，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)，分別建立熟料和水泥綜合能耗模型為

式中：ECL為熟料綜合能耗；er為生產(chǎn)所用原料(石灰石和黏土)的生產(chǎn)能耗；ecl為烘干和燒成熟料的單位熟料標(biāo)準(zhǔn)煤量(kgce·t-1)；ehe為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)余熱發(fā)電折算的單位熟料標(biāo)準(zhǔn)煤量(kgce·t-1)；ehu為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)余熱利用的熱量折算單位熟料標(biāo)準(zhǔn)煤量(kgce·t-1)；efc為處理廢棄物消耗的燃料折算到每噸熟料的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，若沒有處理廢棄物，按0取值；ζee為電能折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；QCL為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)熟料綜合電耗(kWh·t-1)；Ecem為水泥綜合能耗；g為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)水泥企業(yè)水泥中熟料平均配比；Edr為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)烘干水泥混合材所耗燃料折算標(biāo)準(zhǔn)煤量(kgce·t-1)；ζee為電能折算標(biāo)準(zhǔn)煤量(kgce·t-1)；QS為水泥綜合電耗(kWh·t-1)。

通過對中國多家水泥廠的現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)收集得知，新建的水泥廠相比原有水泥廠單位產(chǎn)品能耗平均降低約5 kgce·t-1。水泥產(chǎn)量越大，熟料單位綜合能耗越低。應(yīng)用新型干法水泥和余熱發(fā)電等節(jié)能技術(shù)的水泥廠家單位，產(chǎn)品的綜合能耗亦明顯下降。

將本研究所得成果與《國家能源統(tǒng)計(jì)年鑒》中水泥單位產(chǎn)品綜合能耗進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：兩者能源折算方式和生命周期邊界定義相同，4 000 t以上窯型的水泥單位產(chǎn)品綜合能耗結(jié)果接近。為了能全面反映中國水泥廠家的總體節(jié)能水準(zhǔn)，此處采用年鑒(2012年)中數(shù)值，取水泥單位產(chǎn)品綜合能耗為136 kgce·t-1。

2.4 集料

對采石場及石料生產(chǎn)線進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，并對各類集料的生產(chǎn)能耗進(jìn)行清單分析。結(jié)果表明，不同粒徑、生產(chǎn)方式和類型的集料，綜合生產(chǎn)能耗存在較大差異，波動范圍在0.85～4.10 kgce·t-1。國內(nèi)外研究表明，進(jìn)行集料的能耗分析時(shí)，過于細(xì)化是沒有意義的，因此通常把集料分為粗、細(xì)2種類型。本研究以4.75 mm作為粗細(xì)集料的分界線，并以中國道路工程常用的玄武巖作為典型代表。限于篇幅，本文僅將粗集料的能耗清單列于表3中，以顯示集料生產(chǎn)全過程能耗分布情況。

表3 粗集料能耗清單

2.5 鋼材

本文參考了中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，調(diào)研了中國大中型鋼鐵企業(yè)，采用可比能耗的方式，得到了2012年中國每噸鋼的綜合生產(chǎn)能耗為673 kgce·t-1。

2.6 二灰材料

二灰材料是指粉煤灰和石灰，其中粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，屬于燃煤電廠排出的主要固體廢棄物。本研究認(rèn)為，粉煤灰的生產(chǎn)并不需要消耗特定的能量。為了鼓勵(lì)在道路工程中適當(dāng)?shù)貞?yīng)用這類廢棄材料，將其綜合能耗取為0。

中國石灰生產(chǎn)分散于冶金、化工、建材等行業(yè)中，無法對石灰生產(chǎn)進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)、核算和分析[13]。本研究對中國數(shù)十家石灰生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了調(diào)研，并基于投入-產(chǎn)出的生命周期法分別對石灰生產(chǎn)前3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行能耗分析，結(jié)果表明：大部分建材石灰生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)量較小，而單位石灰綜合能耗值離散較大，95%置信區(qū)間為110～190 kgce·t-1；石灰企業(yè)能耗主要受生產(chǎn)技術(shù)、燃料品質(zhì)的影響，與產(chǎn)量存在較弱的負(fù)相關(guān)性；入窯煅燒是石灰生產(chǎn)主要的能耗環(huán)節(jié)，占石灰生產(chǎn)總能耗的90%以上，其主要消耗煤等燃料。通過對調(diào)研結(jié)果的綜合考量，提出石灰單位產(chǎn)品綜合能耗值，傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯建議值為170 kgce·t-1，新型豎窯建議值為138 kgce·t-1。

3 結(jié)果和討論

應(yīng)用前述模型對中國道路材料能耗進(jìn)行了量化，得到了中國常用道路材料綜合能耗數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)將該數(shù)據(jù)庫與歐美日的研究成果進(jìn)行對比，見表4。

表4 道路材料綜合能耗數(shù)據(jù)庫對比

(1)總體來看，中國和發(fā)達(dá)國家各類道路材料的綜合能耗數(shù)值均在一個(gè)數(shù)量級上，且比較接近。此外，本文比較了各類材料的能耗清單分析結(jié)果，可知材料的能耗分布相似，從側(cè)面驗(yàn)證了本文模型和數(shù)據(jù)庫的正確性和實(shí)用性。

(2)對于同一種材料，中國道路材料的能耗數(shù)值均超過發(fā)達(dá)國家，這表明在道路建材領(lǐng)域，中國工業(yè)水平相對落后，節(jié)能水平有待提升。

(3)比較不同材料的綜合能耗可以發(fā)現(xiàn)：集料的能耗值最低，鋼材的能耗值最高，其他材料能耗值在一個(gè)數(shù)量級上；瀝青的綜合能耗值均超過水泥；改性瀝青的能耗值遠(yuǎn)高于普通瀝青，可見改性瀝青雖然能夠很大程度地提升瀝青混凝土的性能，但是環(huán)境友好度并不佳。

4 結(jié) 語

(1)本研究針對中國國情，應(yīng)用復(fù)合生命周期法構(gòu)建了中國道路材料的綜合能耗模型和數(shù)據(jù)庫。研究方法和成果均能為國內(nèi)外學(xué)者研究道路工程全生命周期能耗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的參考。

(2)后續(xù)可以在能耗模型和清單分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)各類材料生命周期的具體情況，構(gòu)建中國道路材料排放物計(jì)算模型和數(shù)據(jù)庫。