道路瀝青碳足跡研究
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魯嬌，方向晨，黎元生，張喜文，尹澤群
（中國石化撫順石油化工研究院，遼寧大連113001）
摘要：本文在道路瀝青碳足跡研究概述的基礎(chǔ)上，分析了道路瀝青碳足跡研究的過程，最后以EBA數(shù)據(jù)為準，通過搖籃一大門生命周期評價方法，調(diào)查研究了直餾瀝青、聚合物改性瀝青和乳化瀝青3種道路瀝青的碳足跡。結(jié)果表明，3種道路瀝青中，直餾瀝青的溫室氣體排放最低，乳化瀝青次之，聚合物改性瀝青的排放最高。從減少碳排放的角度考慮，建議優(yōu)選直餾瀝青和乳化瀝青產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：道路瀝青；碳足跡；碳排放；生命周期
道路瀝青作為石油瀝青產(chǎn)品系列中用量最大的一類產(chǎn)品，在公路建設(shè)方面得到應(yīng)用。道路瀝青碳足跡是指瀝青從搖籃到大門的生命周期中所產(chǎn)生的C02排放量（或C02當量排放量）。通過對道路瀝青產(chǎn)品生命周期內(nèi)的溫室氣體( GHG)排放的量化，計算道路瀝青產(chǎn)品對全球變暖的潛在貢獻，表述為C02e。本文在道路瀝青碳足跡研究概述的基礎(chǔ)上，分析了道路瀝青碳足跡研究的過程，最后以EBA（歐洲瀝青協(xié)會）數(shù)據(jù)為準，對直餾瀝青、聚合物改性瀝青和乳化瀝青3種道路瀝青產(chǎn)品的碳足跡進行了評估。
1 瀝青碳足跡研究概述
瀝青碳足跡的研究有助于了解瀝青產(chǎn)品對氣候變化的影響，尋找在瀝青生產(chǎn)和供應(yīng)等過程中降低溫室氣體排放的機會，最終開發(fā)出碳足跡較小的瀝青新產(chǎn)品和瀝青使用新途徑，以能有目的地采取減少排放和提高價值創(chuàng)造鏈效率的方法。一些學者對瀝青碳足跡進行了研究。
Kuang -Yi Wej基于產(chǎn)品種類規(guī)則(PCR)，通過搖籃一大門的生命周期評價( LCA)方法調(diào)查研究了瀝青混凝土和水泥混凝土的碳足跡。結(jié)果表明，基于國外生命周期評價的瀝青混凝土碳排放值為170~ 550 kg（C02一e）／t；瀝青混凝土在英國的生命周期評價是最為完整的，其單元碳排放值為430~550 kg( C02一e)／t。澳大利亞數(shù)據(jù)庫RMIT中瀝青的排放因子為666 kg(C02 -e)/t，Whyte( 2011)中熱拌瀝青中瀝青組分的排放因子為280 kg( C02一e)／t。
Yue Huang[5]等采用PAS2050對道路生命周期評價和碳足跡評價相關(guān)方法學選擇進行了驗證，回顧了路面LCA的分配方法。通過英國道路建設(shè)的案例研究，說明了產(chǎn)品間分配的影響，模擬了英國典型瀝青生產(chǎn)（搖籃一大門）來表明分配對于EOL回收
的影響。結(jié)果表明，基于質(zhì)量的分配導致了建筑材料所有影響類別中的高數(shù)字。從工業(yè)上選擇的分配方法到100 %質(zhì)量或經(jīng)濟分配的轉(zhuǎn)變導致了結(jié)果的變化。敏感度分析能夠幫助理解所選擇的分配方法和邊界設(shè)定對于LCA結(jié)果的影響。對于用作副產(chǎn)品的二次鋪路材料來說，經(jīng)濟分配比質(zhì)量分配更為合適。
Wahidul K．Biswas采用流線型的生命周期評價方法測定了100 m路基段相關(guān)的碳足跡和內(nèi)涵能。結(jié)果表明，與100 m路段建設(shè)相關(guān)的GHG排放和內(nèi)涵能分別為180.6 t（C02 -e）（初始建設(shè)階段28.0，建設(shè)階段9.2，使用階段143.4）和10.7 TJ。
2瀝青碳足跡研究過程
道路瀝青碳足跡的研究主要為圖1中框圖部分所示。其中框圖1由相關(guān)裝置能耗數(shù)據(jù)得到，框圖2由拌合廠的相關(guān)數(shù)據(jù)得到，框圖3是施工過程中產(chǎn)生的排放。通過相關(guān)資料可知，道路瀝青在混合料生產(chǎn)、鋪筑以及使用過程中的碳排放極少，這里僅考慮原油萃取、運輸及在煉廠內(nèi)產(chǎn)生的排放。
在本PCFP(搖籃一大門)中，所要評估的是1 t道路瀝青產(chǎn)品在其生產(chǎn)階段的C02排放或C02當量排放，計算原油萃取、原油運輸、瀝青生產(chǎn)及儲存4個生命周期階段的溫室氣體排放。
2.1原油萃取
油井生產(chǎn)的產(chǎn)物，經(jīng)集中并初步分離為油氣水3種流體。含油污水經(jīng)水處理后，由注水井回注地層，以保持地層的能量。原油經(jīng)脫鹽降低鹽含量后，進行穩(wěn)定或拔頂（從塔器頂部抽出輕質(zhì)油蒸汽），穩(wěn)定后的原油作為油田產(chǎn)品送往煉廠。我國所產(chǎn)原油鹽含量很少，在礦場一般不進行脫鹽．脫鹽工作放在煉廠�？捎蓢H油氣生產(chǎn)商協(xié)會(0GP)獲取原油萃取分離數(shù)據(jù)。
對于原油萃取過程，基于原油類型及地點的不同，能源消耗值不同。OGP報告中給出的能源消耗范圍為490~1580 MJ/t。多數(shù)能源是在當?shù)禺a(chǎn)生的。汽柴油的分配比例取決于原油的類型，并已在相關(guān)數(shù)據(jù)庫中給出。報道的能源值轉(zhuǎn)變成質(zhì)量，用卡值表示為柴油40.0 MJ/kg、汽油49.4 MJ/kg。
氣體排放主要來源于燃燒、泄露和處理。原油萃取中，排放量最大的氣體是C02。C02排放來源于用于產(chǎn)生能量的燃料的燃燒過程。甲烷排放主要來源于上述過程和排氣孔。非甲烷揮發(fā)性有機物( NMVOC)的主要釋放源是燃燒和泄露。NMVOCs主要是C2~C6的烴類。S02排放源于含S烴類燃料和天然氣的燃燒氧化過程。氮氧化物的排放，主要是一氧化氮和二氧化氮，表述為NO。，幾乎都來源于燃料的燃燒。通過所用燃料及其排放因子可計算原油萃取階段的溫室氣體排放。
2.2原油運輸
原油運輸存在2種方式：一是管道運輸，通過管道運輸用電量及電力排放因子可計算溫室氣體排放；二是船運，通過所耗燃料量及燃料的溫室氣體排放因子可計算此過程溫室氣體排放。
2.3瀝青生產(chǎn)
以直餾瀝青的生產(chǎn)為例，分析此過程的溫室氣體排放。直餾瀝青的生產(chǎn)過程見圖2。在上述過程中，經(jīng)常壓蒸餾的減壓渣油在真空塔中進一步蒸餾，實現(xiàn)道路等級瀝青的生產(chǎn)。對于鋪路等級的瀝青和直餾瀝青的生產(chǎn)工藝，不加入任何化合物。在復雜的煉油廠內(nèi)，能夠生產(chǎn)出很多石油產(chǎn)品，與更具價值的燃燒產(chǎn)品相比，瀝青僅是一小部分，如從歐洲瀝青原油混合物中得到的瀝青產(chǎn)量為22.3%（質(zhì)量分數(shù)）。采用減壓渣油作為原料，通過其他過程也可以生產(chǎn)瀝青，如半氧化法、丙烷脫瀝青和減粘裂化法。
根據(jù)歐洲內(nèi)部問卷調(diào)查，對直餾過程的能耗進行估計�；谥别s過程產(chǎn)品產(chǎn)量和它們的相對值[ 2002-2008西北歐(NEW)獲取地平均標準煉廠值]進行直餾瀝青生產(chǎn)的能源分配。直餾瀝青生產(chǎn)所需要的能量值為510 MJ/t。詳見表1。
生產(chǎn)中所需98.3%的能量（蒸汽熱／內(nèi)部電）由煉廠內(nèi)的煉廠氣(79. 20%)和重燃油(19.1%)產(chǎn)生，剩余的1.7 %由電網(wǎng)用電產(chǎn)生。詳見表2。
通過重燃油(40.0MJ/kg)和煉廠氣(49.4 MJ/kg)的卡值可計算出直餾瀝青生產(chǎn)的能量消耗。詳見表3。
2.4瀝青存儲
在煉油廠直接生產(chǎn)后，通過管道將瀝青轉(zhuǎn)移到熱儲罐中，并維持在所需要的溫度。在下一步轉(zhuǎn)移前，瀝青均儲存在這些儲罐中。儲罐的平均大小為6 200 m3，典型的儲存溫度為175℃。在生產(chǎn)過程中，瀝青也以這個溫度轉(zhuǎn)移。使用電力馬達泵使儲罐內(nèi)的瀝青不斷循環(huán)，瀝青轉(zhuǎn)移裝貨也采用此泵。一個儲罐的瀝青年生產(chǎn)能力固定在40 000 t。
瀝青存儲的能源消耗主要在3個方面：維持儲罐內(nèi)的溫度，維持管道內(nèi)的溫度，循環(huán)和裝載瀝青；采用煉廠燃料加熱儲罐和管道；煉廠氣和重燃油的分配與煉油廠內(nèi)一致。循環(huán)轉(zhuǎn)載泵使用來自電網(wǎng)用電。通過用電量及燃料量同樣可計算出瀝青存儲階段的碳排放。
由原油萃取、原油運輸、瀝青生產(chǎn)及存儲四階段可知，道路瀝青的實效清單分析需考慮瀝青生命周期過程能耗和少量的溫室氣體排放。
3各種瀝青碳足跡計算
3.1 直餾瀝青生命周期清單
表4列出了直餾瀝青的生命周期清單。運用表4數(shù)據(jù)，計算道路瀝青各階段的溫室氣體排放，見表5�？梢钥闯觯缆窞r青在原油萃取階段的排放量最大，為324. 804 kg（C02一e）／t，其次是運輸階段、生產(chǎn)階段以及儲存階段，分別為178. 57 kg( C02一e)／t、53. 88 kg（C02一e）／t、11.27 kg（C02一e）／t。上述過程排放合計為586. 52 kg（COz一e）／t。
3.2聚合物改性瀝青生命周期清單
在道路建設(shè)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，聚合物改性瀝青(PMB)被廣泛使用。瀝青中聚合物類型和聚合物含量的范圍隨應(yīng)用對技術(shù)的需求而有所不同，這里僅考慮一種聚合物類型和含量。目前，使用最為普遍的聚合物類型是顆粒狀的SBS。鋪路等級的瀝青用作基層瀝青。歐洲一份聚合物改性產(chǎn)品工業(yè)綜述認為，最終產(chǎn)品中，典型SBS聚合物質(zhì)量分數(shù)大約為3.5 %。本研究中PMB廠設(shè)在煉廠內(nèi)，生產(chǎn)過程所需的所有熱能都來自175℃的熱瀝青和高剪切工廠的摩擦熱。表6列出了聚合物改性瀝青的生命周期清單。
運用表6數(shù)據(jù)，計算聚合物改性瀝青各階段的溫室氣體排放，見表7�？梢钥闯�，聚合物改性瀝青在瀝青生產(chǎn)階段的排放量最大，為566. 01 kg（C02一e）/t;其次是SBS的生產(chǎn)和運輸產(chǎn)生的排放，為313. 17 kg( C02一e)／t；最后是在PMB研磨廠產(chǎn)生的排放，為15. 87 kg（C02 -e）／t。上述過程排放合計為895. 05 kg（C02一e）／t。
3.3 乳化瀝青生命周期清單
表8列出了乳化瀝青(EB)過程和設(shè)施的生命周期清單，它包括生產(chǎn)、運輸、原油精制所需設(shè)施建設(shè)相關(guān)的流程。運用上述數(shù)據(jù)，計算乳化瀝青各階段的溫室氣體排放，見表9�？梢钥闯觯榛癁r青在瀝青生產(chǎn)階段的排放量最大，為586. 54 kg（C02一e）／t；與上述過程相比，乳化瀝青在乳化劑的生產(chǎn)及運輸、HC1的生產(chǎn)及運輸、使用的熱水及乳化瀝青研磨廠產(chǎn)生的排放很小，分別為10. 72、7.17、7. 85、24. 21 kg（C02一e）／t。上述過程排放合計為636. 49 kg( C02一e)／t。
3.4瀝青碳足跡對比分析
通過表4—表9數(shù)據(jù)，計算直餾道路瀝青、聚合物改性瀝青、乳化瀝青在生產(chǎn)階段的溫室氣體排放，詳見表10�？梢钥闯觯瑢τ�3種道路瀝青，直餾瀝青的溫室氣體排放最低，為586. 52 kg（C02 -e）／t，乳化瀝青次之，為895. 05 kg（C02 -e）／t，聚合物改性瀝青的排放最高，為636. 49 kg( C02一e)／t。
4結(jié)論
(1)道路瀝青的實效清單分析需考慮瀝青生命周期過程能耗和少量的溫室氣體排放。
(2)直餾道路瀝青在原油萃取階段的溫室氣體排放為342. 80 kg（C02一e）／t；運輸階段的溫室氣體排放為178. 57 kg（C02一e）／t；在煉廠內(nèi)的溫室氣體排放為53. 88 kg（C02一e）／t；儲存階段的溫室氣體排放為11. 27 kg（C02 -e）／t，共計總排放586. 52 kg（C02一e）／t。
(3)聚合物改性瀝青在原油萃取、運輸、生產(chǎn)、儲存階段的排放合計為895.05 kg（C02一e）／t；乳化瀝青在上述過程的排放合計為636. 49 kg( C02一e)／t。
(4)對于直餾瀝青、聚合物改性瀝青、乳化瀝青，直餾瀝青的溫室氣體排放最低，乳化瀝青次之，聚合物改性瀝青的排放最高。從減少碳排放的角度考慮，建議優(yōu)選直餾瀝青和乳化瀝青產(chǎn)品。
(5)可在道路瀝青生產(chǎn)及供應(yīng)等過程中尋求減少溫室氣體排放的機會；可采用相關(guān)分析方法開展并實施碳中和項目。
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