OGFC 生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算和碳減排技術(shù)研究

凌宏偉，鄭曉光，閆國杰，陸文亮

[1.上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 201206；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；3.上海浦東路橋（集團(tuán)）有限公司，上海市 201206]

0 引言

當(dāng)前關(guān)于碳排放計(jì)算已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題。建筑行業(yè)中的公路和城市道路瀝青混凝土路面在原材料準(zhǔn)備和運(yùn)輸、混合料拌和生產(chǎn)、瀝青混凝土成品運(yùn)輸和現(xiàn)場施工、后期運(yùn)維過程中會(huì)消耗石油、礦石等自然、非再生的資源以及天然氣、汽柴油等能源，并產(chǎn)生一定量的碳排放。近年來，由于各地逐步控制鐵礦石的采掘、砂石料的產(chǎn)出，公路和城市道路建設(shè)所需的相關(guān)原材料采購地越來越遠(yuǎn)，成本也越來越高，因此優(yōu)化整體原材料供應(yīng)、施工工藝，節(jié)約過程中各環(huán)節(jié)的資源和能源消耗，實(shí)現(xiàn)綠色、高效、低碳發(fā)展勢在必行。

近年來，為落實(shí)響應(yīng)海綿城市建設(shè)理念，排水性瀝青面層OGFC 瀝青混合料（以下簡稱OGFC）得到逐步推廣應(yīng)用。其同時(shí)具有路面降噪、雨天行車安全等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中發(fā)揮了較好的社會(huì)效益和環(huán)境效益。

為積極響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)理念，推進(jìn)新技術(shù)、新材料、新工藝的研究和實(shí)施，降低道路瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、管養(yǎng)過程的碳排放，確保加快行業(yè)“碳達(dá)峰”，開展對OGFC 包括原材料準(zhǔn)備、原材料運(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)基地、混合料生產(chǎn)拌和階段在內(nèi)的生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算方法研究，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行計(jì)算、對比分析和總結(jié)，并提出對應(yīng)的碳減排措施，以期為今后相關(guān)工作提供一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 碳排放計(jì)算方法

1.1 核算理論方法

一般參考聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC）提出的基于領(lǐng)土邊界的碳排放計(jì)算方法和計(jì)算內(nèi)容，其碳排放量計(jì)算主要有3 種方式：排放因子法、質(zhì)量平衡法和實(shí)測法。排放因子法主要是根據(jù)IPCC提供的碳排放計(jì)算基本方程，溫室氣體排放量= 活動(dòng)數(shù)據(jù)（AD）×排放因子（EF），該方法簡單、便捷，得到最為廣泛的運(yùn)用，因此OGFC 生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算方法建議采用排放因子法。

1.2 系統(tǒng)邊界的確定

建筑碳排放的計(jì)算邊界是指與建筑物建材生產(chǎn)及運(yùn)輸、建造與拆除、運(yùn)行等活動(dòng)相關(guān)的溫室氣體排放的計(jì)算范圍[1]。按此原則，瀝青混凝土生命周期可劃分為混合料生產(chǎn)、現(xiàn)場施工、后期運(yùn)維、拆除處置4個(gè)階段。

將OGFC 生產(chǎn)過程的碳排放分為材料準(zhǔn)備和混合料生產(chǎn)拌和兩個(gè)階段。其中材料準(zhǔn)備又分為原材料準(zhǔn)備和原材料運(yùn)輸兩個(gè)階段。

（1）材料準(zhǔn)備階段

材料準(zhǔn)備階段是指材料被開采并運(yùn)輸?shù)綖r青混凝土生產(chǎn)拌和基地的過程。在這一階段中，包括了原材料的準(zhǔn)備和運(yùn)輸?shù)饶茉醇胺?wù)使用。

在全社會(huì)碳排放計(jì)算中，瀝青、粗細(xì)集料等原材料生產(chǎn)的碳排放在相應(yīng)的生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸環(huán)節(jié)中產(chǎn)生，并不在工程施工現(xiàn)場產(chǎn)生。這是由于消耗的材料間接計(jì)入了這些材料的生產(chǎn)及運(yùn)輸碳排放。因此，從消費(fèi)者角度看，生產(chǎn)階段的碳排放對于道路工程來說屬于間接碳排放。為了更清晰地掌握和分析瀝青混凝土全過程碳排放的情況，我們將原材料準(zhǔn)備階段的碳排放計(jì)入生命周期碳排放。

（2）混合料生產(chǎn)拌和階段

混合料生產(chǎn)拌和階段指在混合料生產(chǎn)基地內(nèi)進(jìn)行混合料的生產(chǎn)和加工的過程。這一階段包括了混合料加熱、拌和等能源及服務(wù)使用。

1.3 碳排放因子的取值

理論上，各類能源、材料等的碳排放因子具有顯著的地域性差異，并受到技術(shù)、管理等多方面因素的影響。因此，不同地區(qū)、不同企業(yè)、不同生產(chǎn)批次的能源或材料的碳排放因子也不盡相同。

一般情況下，可采用《2006 年IPCC 國家溫室氣體清單指南》、IPCC 在線排放因子數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)等國際機(jī)構(gòu)發(fā)布的報(bào)告及數(shù)據(jù)庫，國家統(tǒng)計(jì)局每年發(fā)布的《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》所給出的常用能源生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)，國家發(fā)改委或各省市地方政府發(fā)改委公布的區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子數(shù)據(jù)，《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》中主要工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的直接碳排放因子推薦值，《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366—2019）等相關(guān)規(guī)范、國家和地方標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)性數(shù)據(jù)，以及企業(yè)自行核算并經(jīng)認(rèn)證的碳排放因子數(shù)據(jù)、國內(nèi)科研單位研究成果等。

1.4 碳排放計(jì)算公式

為統(tǒng)一單位、計(jì)算方便，采用單位混合料重量作為計(jì)算功能單位。

將重量為1 t 的OGFC 生產(chǎn)過程分為材料準(zhǔn)備階段A、生產(chǎn)拌和階段B 兩個(gè)階段。

（1）材料準(zhǔn)備階段碳排放計(jì)算

將材料準(zhǔn)備階段A 劃分為原材料準(zhǔn)備階段A1和原材料運(yùn)輸?shù)綇S階段A2兩個(gè)階段。

確定第i 種原材料的用量Gi，分項(xiàng)分別為原材料中的瀝青用量G1，碎石集料用量G2，礦粉用量G3、添加劑用量G4及其他材料Gi，并確定第i 種原材料的碳排放因子Cfi，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算原材料準(zhǔn)備階段A1的碳排放量EA1：

確定第i 種原材料的平均運(yùn)輸距離DAi，第i 種原材料運(yùn)輸?shù)綇S的單位重量和運(yùn)輸距離所消耗能源的碳排放因子QAi，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算原材料運(yùn)輸?shù)綇S階段A2的碳排放量EA2：

將原材料準(zhǔn)備階段A1的碳排放EA1和原材料運(yùn)輸?shù)綇S階段A2的碳排放EA2相加，計(jì)算材料準(zhǔn)備階段A 的碳排放EA：

（2）混合料生產(chǎn)拌和階段碳排放計(jì)算

確定瀝青、碎石集料、礦粉、添加劑等原材料送入拌和設(shè)備進(jìn)行加熱和拌和過程中的能源消耗量MBi，混合料在加熱和拌和過程中消耗能源的碳排放因子PBi，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算混合料生產(chǎn)拌和階段B的碳排放EB：

（3）總碳排放計(jì)算

計(jì)算生產(chǎn)過程總碳排放E：

2 項(xiàng)目應(yīng)用分析

2.1 混合料配合比設(shè)計(jì)

以上海市浦東新區(qū)高等級道路金海路改建工程建設(shè)等項(xiàng)目為例，主路的路面面層采用4 cm 厚度的OGFC，在瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中，碎石集料用量為88.92%，礦粉用量為6.18%，瀝青用量為4.31%,添加劑為0.59%。具體混合料配合比見表1。

表1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.2 碳排放計(jì)算

以1 t 為計(jì)算功能單位，根據(jù)前述碳排放計(jì)算公式進(jìn)行瀝青混合料生產(chǎn)過程各階段碳排放和總碳排放的計(jì)算。

（1）原材料準(zhǔn)備階段碳排放計(jì)算

根據(jù)材料分類和地區(qū)特點(diǎn)，確定瀝青材料的碳排放因子為248 kgCO2e/t，碎石集料和礦粉的碳排放因子為2.18 kgCO2e/t，RST 添加劑材料的碳排放因子為3360 kgCO2e/t。根據(jù)瀝青、碎石集料、礦粉和RST 添加劑材料的用量和碳排放因子，計(jì)算原材料準(zhǔn)備階段A1的碳排放EA1：

（2）原材料運(yùn)輸階段碳排放計(jì)算

根據(jù)原料地和項(xiàng)目位置，確定原材料中瀝青和RST 添加劑采用本地采購、公路運(yùn)輸方式，碎石集料、礦粉采用外省市采購、船運(yùn)方式。瀝青、碎石集料、礦粉和RST 添加劑運(yùn)輸?shù)綇S的運(yùn)輸距離分別為50 km、600 km、600 km 和50 km，確定每噸瀝青、碎石集料、礦粉和RST 添加劑以單位運(yùn)距計(jì)，相對應(yīng)運(yùn)輸方式的碳排放因子分別為0.129 kgCO2e/（t·km）、0.015 kgCO2e/（t·km）、0.129 kgCO2e/（t·km）和0.129 kgCO2e/（t·km），根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算材料運(yùn)輸階段A2的碳排放EA2：

則材料準(zhǔn)備階段A 的碳排放為：

（3）混合料生產(chǎn)拌和階段碳排放計(jì)算

根據(jù)本項(xiàng)目瀝青生產(chǎn)基地的設(shè)備、工藝條件，確定混合料拌和生產(chǎn)過程中加熱拌和系統(tǒng)電力能源消耗量為2 kWh，瀝青保溫所需天然氣消耗量為0.0192 kJ，冷料加熱系統(tǒng)主燃燒器所需天然氣消耗量為0.336 kJ，電力能源碳排放因子為0.7035 kgCO2/kWh，天然氣燃燒碳排放因子為55.54 tCO2/TJ，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算生產(chǎn)拌和階段B 的碳排放EB：

（4）碳排放總量計(jì)算

計(jì)算生產(chǎn)1 t 的瀝青混合料的生產(chǎn)過程包括材料準(zhǔn)備階段A 和混合料生產(chǎn)拌和階段B 的碳排放E：

3 碳減排措施分析

3.1 碳減排措施

根據(jù)各階段和分項(xiàng)的碳排放，計(jì)算各階段碳排放占比。原材料準(zhǔn)備階段的碳排放為32.59 kgCO2e，占比48.76%；原材料運(yùn)輸階段的碳排放為19.61 kgCO2e，占比19.61%；混合料生產(chǎn)拌和階段的碳排放為21.13 kgCO2e，占比31.63%。各分項(xiàng)的碳排放和占比見表2。

表2 混合料生產(chǎn)各分項(xiàng)碳排放單位：kgCO2e

其中：各分項(xiàng)中添加劑材料準(zhǔn)備階段的碳排放為19.82 kgCO2e，占比29.67%，為最大；其次是主燃燒器天然氣消耗的碳排放為18.66 kgCO2e，占比27.93%；碎石集料和礦粉運(yùn)輸?shù)奶寂欧艦?2.78 kgCO2e，占比19.14%；瀝青材料準(zhǔn)備階段的碳排放為10.69 kgCO2e，占比16%。

對表2 進(jìn)行分析，提出碳減排的主要措施。

（1）原材料準(zhǔn)備階段：針對瀝青材料碳排放，采取優(yōu)化材料配合比、減少瀝青用油量等碳減排措施；針對碎石集料碳排放，采取瀝青混凝土舊料再生利用等碳減排措施；針對礦粉材料碳排放，采取舊料再生利用和環(huán)保材料替代等碳減排措施。

（2）原材料運(yùn)輸階段：針對瀝青材料運(yùn)輸碳排放，采取原材料就近采購和短距離運(yùn)輸?shù)忍紲p排措施；針對碎石集料材料運(yùn)輸碳排放，采取原材料長距離水路船運(yùn)，或原材料就近采購和運(yùn)輸，或本地舊料再生利用等碳減排措施；針對礦粉材料運(yùn)輸碳排放，采取原材料就近采購和運(yùn)輸?shù)忍紲p排措施。

（3）混合料生產(chǎn)拌和階段：采取優(yōu)化改進(jìn)拌和廠的混合料拌和工藝，或使用清潔能源燃燒供能，減少瀝青保溫、主燃燒器能源消耗等碳減排措施。

3.2 碳減排對比分析

（1）舊料再生利用

由于本地區(qū)道路設(shè)施量大，每年翻建老路產(chǎn)生的瀝青混凝土舊料較多，因此可考慮舊料再生利用，減少新購材料量以及長距離運(yùn)輸油料能耗所產(chǎn)生的碳排放。

若碎石集料中的新舊料比為1∶1，采取減排措施后，碎石集料準(zhǔn)備階段的碳排放可降低約0.97 kgCO2e，碎石集料材料運(yùn)輸階段的碳排放可降低約4 kgCO2e，總碳排放可降低約4.97 kgCO2e。

（2）環(huán)保型添加劑材料

添加劑材料的碳排放為19.82 kgCO2e，占比較大，約占29.67%，主要是由于RST 添加劑材料采用化學(xué)加工產(chǎn)品，因此若添加劑采用生態(tài)環(huán)保型材料或使用其他低碳排放的材料替代，可以較大幅度地降低總碳排放。若能在添加劑原材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)降低碳排放30%左右，則總碳排放可減少約5.95 kgCO2e。

（3）拌和基地的節(jié)能技術(shù)

混合料生產(chǎn)基地在生產(chǎn)拌和階段的主燃燒器天然氣消耗部分的碳排放為18.66 kgCO2e，占比27.93%，因此生產(chǎn)工藝的節(jié)能措施也尤為重要。若生產(chǎn)拌和過程降低15%左右的設(shè)備能耗，則總碳排放可減少約2.80 kgCO2e。

（4）碳排放總量對比

采取上述三項(xiàng)碳減排措施后，計(jì)算得到生產(chǎn)1 t的排水性瀝青面層OGFC-13 瀝青混合料生產(chǎn)過程的總碳排放為53.16 kgCO2e，其中原材料準(zhǔn)備階段碳排放為25.67 kgCO2e，原材料運(yùn)輸階段碳排放為9.16 kgCO2e，混合料生產(chǎn)拌和階段碳排放為18.34 kgCO2e。

碳減排措施前、后各階段碳排放對比見圖1，各分項(xiàng)碳減排對比分析見表3。從圖1 和表3 中的對比看出，采取碳減排措施后，總碳排放由碳減排措施前的66.82 kgCO2e 降低為53.16 kgCO2e，下降約20.4%，碳減排效果顯著。

圖1 碳減排措施前、后碳排放對比圖

表3 各分項(xiàng)碳減排 單位：kgCO2e

4 結(jié)語

以排水性瀝青面層OGFC 瀝青混合料為例，公路和城市道路瀝青混凝土路面混合料的生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算可采用IPCC 提出的排放因子法，計(jì)算的系統(tǒng)邊界可分為材料準(zhǔn)備和混合料生產(chǎn)拌和兩個(gè)階段，其中材料準(zhǔn)備又分為原材料準(zhǔn)備和原材料運(yùn)輸兩個(gè)階段。按照混合料的配合比設(shè)計(jì)、原材料的準(zhǔn)備情況、生產(chǎn)拌和基地的工藝流程和能源消耗等確定參數(shù)，計(jì)算各階段的碳排放，最終得到生產(chǎn)過程總碳排放。

建議工作中可結(jié)合地區(qū)特點(diǎn)，采取瀝青路面廢舊料再生利用、生態(tài)環(huán)保型添加劑應(yīng)用和替代、瀝青拌和基地生產(chǎn)工藝改進(jìn)和節(jié)能、優(yōu)化混合料配合比設(shè)計(jì)等碳減排措施。通過項(xiàng)目分析，基于各階段、各分項(xiàng)的碳排放和占比數(shù)據(jù)，采取一些碳減排措施后，顯示碳減排效果比較顯著。

由于我國地域遼闊，各地區(qū)存在較為明顯的地域性材料、技術(shù)、管理等差異，因此在相關(guān)工作中要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行碳排放計(jì)算和碳減排措施的研究。