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瀝青混合料低碳減排技術效果評價現(xiàn)狀與展望
引言
當前，發(fā)展低碳經濟、建設低碳社會已經成為中國乃至世界的戰(zhàn)略重點。促進交通行業(yè)向節(jié)能、環(huán)保和更加安全的方向發(fā)展，建設以低碳減排為核心的綠色道路，是我們面臨的新使命。然而，瀝青路面建設過程中不但能源消耗量巨大，而且會排放大量CO2、SO2、CO和NOx等污染氣體，這與低碳減排的綠色交通理念不相符。為實現(xiàn)瀝青路面建設的低碳減排，國內外已經針對瀝青混合料低碳減排技術展開了研究，溫拌、冷拌冷鋪技術及瀝青混合料拌和設備改進等低碳減排技術相繼應用于瀝青路面的建設過程中。但是，相關研究多注重瀝青混合料的路用性能，而缺少對低碳減排效果的大量調查及系統(tǒng)分析；同時，國內也未有專業(yè)的瀝青混合料低碳減排效果評價標準和規(guī)范，對其評價指標、效果分級標準等也未作相關規(guī)定。雖然關于瀝青混合料拌和能耗量及污染氣體排放量的測試評價也在逐漸增多，然而多為定性評價；有部分學者基于定額對能耗量及碳排放量進行量化分析，但針對瀝青混合料低碳減排效果的評價也僅停留在量化分析和單階段評價階段，而未見相應的低碳減排效果等級劃分標準，針對瀝青混合料低碳減排效果評價指標體系及評價方法也鮮有報道。
為此，本文全面調查分析了國內外溫拌、冷拌冷鋪技術和拌和設備改進等三種低碳減排技術的效果，同時針對瀝青混合料低碳減排效果評價方法進行了大量調查及系統(tǒng)分析，確定瀝青混合料污染氣體室內測試方法，提出瀝青混合料低碳減排效果分級思路及其評價方法，最后對瀝青混合料低碳減排效果評價方法的未來研究及發(fā)展方向作出展望，以期合理有效地指導低碳減排瀝青混合料技術的推廣應用。
瀝青混合料低碳減排技術效果調查及評價
日本的相關研究表明，瀝青混合料拌和階段所消耗的能源量約占整個瀝青路面建設總能耗量的44.1%，同時污染氣體排放量也占據(jù)相當高的比例。因此，本文對瀝青混合料拌和階段的低碳減排技術進行大量調查，重點分析評價溫拌、冷拌冷鋪技術及拌和設備改進等對瀝青混合料拌和階段的低碳減排效果。
溫拌瀝青混合料低碳減排效果
溫拌技術是通過摻加溫拌劑或其他技術手段，降低瀝青粘度，使混合料在較低溫度下具有良好的流動性，從而實現(xiàn)拌和與攤鋪。目前，溫拌技術主要采用摻加溫拌劑來實現(xiàn)瀝青混合料高溫粘度的降低。相對較為成熟的溫拌劑有Evotherm、Sasobit和Aspha-min等。本文全面調查了國內外溫拌瀝青混合料低碳減排技術。
可知，溫拌瀝青混合料的拌和溫度主要集中在110℃~140℃之間，相較于熱拌瀝青混合料可降低30℃~50℃，這使得拌和過程中的能耗量大幅下降，節(jié)約能耗20%~30%，甚至30%以上。同時，溫拌技術也大大減少了NOx、SO2、CO和CO2等污染氣體的排放量，其中NOx的減排率超過了50%，CO2的最大減排率可達78%，SO2的減排率在60%~90%之間；隨著拌和溫度的升高，污染氣體減排率逐漸降低，其中NOx在145℃時的減排率分別比120℃、130℃減少了18.34%、38.10%，說明拌和溫度是影響污染氣體排放的重要因素。
冷拌冷鋪瀝青混合料低碳減排效果
瀝青混合料在拌和過程中的能耗主要是用于集料加熱，而冷拌冷鋪瀝青混合料幾乎可以在任何氣候條件下使用，無需像普通熱拌瀝青混合料那樣必須具有較高的拌和、攤鋪溫度。集料加熱能耗量主要與集料加熱溫度及集料含水量等因素有關，如果假定集料的比熱容不變，則集料加熱過程中能耗量與溫度成正比。
一般石料的比熱容為0.8~1.0kJ·(kg·℃)1，假定集料和瀝青的初始溫度為25℃，普通熱拌瀝青混合料拌和溫度為150℃~170℃，進行計算，每噸瀝青混合料可節(jié)約熱量1.25×105~1.45×105kJ。瀝青混合料拌和設備加熱系統(tǒng)常用的燃料類型為重油、柴油、渣油、混合類燃油、煤粉以及可燃性氣體等，將每噸瀝青混合料節(jié)約熱量換算為不同能源的消耗量。
可知，冷拌冷鋪瀝青混合料的應用，能夠很大程度上減少各種能源的消耗，緩解中國部分能源短缺的問題。同溫拌瀝青混合料一樣，由于拌和過程中加熱時間縮短，輻射損失的熱量減少，實際節(jié)約能耗量要比理論值更大。
拌和設備改進低碳減排效果
除與瀝青混合料直接相關的低碳減排技術外，拌和設備也間接影響著其低碳減排效果。針對傳統(tǒng)拌和設備能源消耗量大、污染物排放控制不嚴格等缺陷，國內外對拌和設備進行了大量的優(yōu)化改進。本文全面調查國內外拌和設備低碳減排技術。
可以得出以下結論。
(1)拌和樓燃燒部分通過改進燃料噴出方式，提高了燃料利用率，降低了能耗量；拌和站燃料方面則通過改變傳統(tǒng)燃料類型，推廣利用新能源，采用天然氣及煤改氣技術替代傳統(tǒng)燃料，緩解了中國部分能源短缺的現(xiàn)狀，降低了污染氣體的排放量。
(2)針對攪拌系統(tǒng)的改進措施較少，多是采用變頻技術降低能耗量；提倡使用連續(xù)式瀝青拌和設備，減少能源消耗，節(jié)約投資及維修費用。
(3)烘干加熱部分主要進行了葉片優(yōu)化，使混合料的加熱均勻、迅速，可在一定程度上降低能耗量；少數(shù)單位改進了除塵器，減少了廢氣排放量；除此之外，為烘干加熱系統(tǒng)提供保溫措施也十分必要。
(4)改進除塵部分可減少污染氣體排放和粉塵的外溢，主要措施是改進除塵袋，采用新型過濾材料將粉塵濕化后排放。
(5)針對物料存儲輸送設備，使用變頻技術、增設巖棉保溫層可降低能耗量，實現(xiàn)節(jié)能；減排則是通過增設卷簾門、溢料倉、排氣管道等措施實現(xiàn)。
瀝青路面低碳減排效果評價方法調查及分析
目前，國內外對瀝青路面低碳減排效果的評價主要采用生命周期評價模型(LCA)進行量化評價。生命周期評價模型是對一個產品生命周期中輸入、輸出及潛在環(huán)境影響的匯編和評價，可分為基于輸入-輸出、基于流程和綜合性三大類。本文全面調查了國內外瀝青路面低碳減排效果評價方法。
可知，瀝青路面在生命周期評價模型中一般可劃分為原材料生產、運輸、施工、運營和養(yǎng)護維修等階段。原材料生產階段包括礦料、瀝青等的生產能耗與污染氣體排放量；運輸階段和運營階段主要考慮車輛運行能耗及其污染氣體排放；施工階段主要可分為拌和、攤鋪、碾壓環(huán)節(jié)，涉及拌和設備、攤鋪機、碾壓機的能耗量和煙塵排放、尾氣排放等，以及瀝青混合料自身污染氣體排放；養(yǎng)護維修階段與施工階段類似，但需考慮瀝青路面拆舊回收階段的能耗和污染氣體排放。所以，原材料生產、運輸和運營階段的能耗量和污染氣體排放量更適合采用基于輸入-輸出的評價模型進行量化評價，而施工和養(yǎng)護維修階段的效果評價則適合采用基于流程的評價模型。
基于生命周期分析法，國外已開發(fā)出能夠實際運用于瀝青路面建設過程中的道路節(jié)能減排評價體系，如PALATE路面生命周期分析評價系統(tǒng)、BE2ST道路節(jié)能減排評價系統(tǒng)和Greenroads評價系統(tǒng)等。然而，生命周期評價模型的分析過程需要有大量本土數(shù)據(jù)作為支持，受限于此，國外的評價系統(tǒng)不能直接用于國內道路環(huán)境影響分析中。同時，國內雖然也對瀝青路面生命周期評價模型進行了部分探索，但并未建立完整的評價系統(tǒng)，而是參照其主體思路對各階段或某一階段的瀝青混合料低碳減排效果進行簡單的定額、賦權量化評價，如針對瀝青混合料施工階段進行施工機械能耗量及CO2、SO2、CO和NOx等污染氣體排放量的定額量化分析，再根據(jù)量化分析結果提出節(jié)能減排建議。因此，中國未來的研究方向仍主要圍繞瀝青混合料展開直接或間接的低碳減排效果評價。
瀝青混合料低碳減排效果定量評價方法研究
瀝青混合料的拌和環(huán)節(jié)是瀝青路面全生命周期內耗能量與污染氣體排放量最為集中的階段，故對瀝青混合料拌和階段低碳減排效果的評價顯得尤為重要。國內外對此也進行了部分研究工作，如譚昆華檢測了EC120溫拌改性瀝青混合料施工過程中瀝青煙、二氧化碳、二氧化硫和煙塵等的排放量，并測試了燃油和電力消耗量；胡如安采用等效熱值法和碳排放因子法，對瀝青混合料施工階段的能耗量和碳排放量進了分析評價；和慶研究了集料加熱過程的碳排放，提出了瀝青混合料碳排放效果單一評價指標——AMCE；秦永春重點監(jiān)測了溫拌瀝青混合料施工拌和、攤鋪過程中CO2、SO2以及NOx等氣體的排放量。
然而，對瀝青混合料拌和過程低碳減排效果的評價多是從單方面評價施工機械能耗量，依據(jù)燃料類型計算碳排放量，且主要集中于溫拌與熱拌瀝青混合料的對比評價，而缺乏對NOx、COx、SO2等污染氣體排放量的定量檢測。同時，關于瀝青混合料污染氣體排放量測試手段，多集中于瀝青混合料現(xiàn)場拌和、施工過程污染氣體排放測試，缺少瀝青混合料室內污染氣體排放量的檢測評價方法。為此，長安大學王朝輝課題組開發(fā)了一種室內瀝青混合料污染氣體排放量測試裝置，它能夠快速、準確地測試NOx、COx、SO2等污染氣體的排放量，定量研究改性劑、瀝青種類、級配類型及溫度等對瀝青混合料污染氣體排放量的影響規(guī)律。
為實現(xiàn)瀝青混合料低碳減排效果的等級量化評定，課題組建立了基于系統(tǒng)聚類及BAYES判別分析的低碳減排效果分級方法，先采用系統(tǒng)聚類對大量數(shù)據(jù)進行分類，再利用BAYES法則對聚類結果進行驗證，將瀝青混合料低碳減排效果分為優(yōu)、良、中、次、差5個等級。例如，課題組基于大量調查及試驗數(shù)據(jù)，采用減排率即污染氣體排放量的降低程度，對NOx和CO2進行了低碳減排效果分級。NOx減排率分級標準為：[58，100)為優(yōu)級，[52，58)為良級，[50，52)為中級，[19，50)為次級，(0，19)則為差；CO2減排率分級標準為：[68，100)為優(yōu)級，[52，68)為良級，[49，52)為中級，[40，49)為次級，(0，40)則為差。同樣，在對不同拌和、攤鋪、碾壓技術的能源消耗量和施工機械尾氣排放量進行大量調查和測試后，按此方法皆可實現(xiàn)低碳減排效果量化分級。
此外，課題組在各指標分級標準建立的基礎上，從能源消耗、施工機械尾氣排放、瀝青混合料污染氣體排放三方面，建立了包括一級指標、二級指標乃至三級指標的瀝青混合料低碳減排評價指標體系，采用層次分析法(AHP)與區(qū)間逼近法對瀝青混合料節(jié)能減排效果進行整體系統(tǒng)評價。
結語
現(xiàn)有瀝青混合料低碳減排技術研究已從溫拌、冷拌冷鋪技術和拌和設備改進等方面進行了相關探索，并在低碳減排效果評價方面積累了部分經驗，但遠未形成瀝青混合料低碳減排效果綜合評價體系。結合本文分析，對未來中國瀝青混合料的低碳減排效果評價作如下展望。
(1)規(guī)范瀝青混合料低碳減排效果評價指標。針對瀝青混合料全生命周期明確相應評價指標，具體應包括各階段能源消耗量、噪聲污染、煙氣黑度以及PM10、PM2.5、NOx、SO2、COx等煙氣排放量，對各評價指標進行大量現(xiàn)場或實驗室測試，積累相關數(shù)據(jù)，以期盡早建立完善的基礎數(shù)據(jù)庫。
(2)制定瀝青混合料低碳減排效果等級劃分標準，建立低碳減排評價指標體系及其評價方法。針對瀝青混合料全生命周期進行低碳減排效果評價，從能源消耗、煙塵排放、瀝青混合料污染氣體排放、施工設備尾氣排放等方面建立各指標分級標準，形成瀝青混合料直接、間接綜合的低碳減排效果評價體系。
(3)熱拌減排瀝青混合料研發(fā)應用。長安大學王朝輝課題組優(yōu)選了幾種功能材料，研發(fā)了具有熱拌減排功效的瀝青混合料，在路用性能滿足規(guī)范要求的前提下，實現(xiàn)了瀝青混合料的熱拌減排，為瀝青混合料的低碳減排提供了新思路。
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