基于LCA的干法湿法SBS改性沥青工艺技术评估分析

李世华， 白玉铎， 唐国奇

(1.山东高速科技发展集团有限公司, 山东 济南 250100； 2.山东高速路用新材料技术有限公司, 山东 济南 250100;3. 国路高科(北京)工程技术研究院有限公司, 北京市 100089)

1 干法湿法改性工艺介绍

随着社会经济的发展，人们对交通品质的要求日益提高，道路面层作为车辆直接接触的结构层，修筑质量对行车体验有决定性影响。随着交通量和车辆载重的增加，使用基质沥青作为黏结材料修筑的路面面层在服役过程中容易出现车辙、开裂、松散等病害，逐渐被具有更高性能的改性沥青所替代，SBS改性沥青因其优异且均衡的高低温性能和抗老化性，成为高等级路面的主要黏结材料。

作为重要的沥青改性工艺，干法改性工艺无需制备成品改性沥青，而是将干法改性剂、基质沥青和矿料一同加入拌和楼中，在高温和嵌压作用下达到沥青改性的效果，使用方式简单灵活，具有较强的机动性[1]。

沥青的干法、湿法改性工艺流程图见图1、2[2]。

图1 SBS改性沥青干法改性工艺

图2 SBS改性沥青湿法改性工艺

长期以来，中国SBS改性沥青的应用主要依赖于湿法工艺进行，随着技术的发展，干法工艺已经能够达到与湿法类似的技术水平，具有巨大的发展潜力[3-5]。由于施工工艺不同，不同的改性工艺在环境影响特性方面表现不同，但中国国内尚无相关研究报道。

生命周期评价(LCA)是一种常用的环境影响评价方法，它对材料的获取、制造、使用等过程产生的环境影响进行系统分析，综合考虑能源消耗和温室气体排放等环境影响，可以定量评价产品、服务、系统或技术的环境可持续发展特性。LCA的详细规范由ISO 14040和ISO 14044进行规定，其技术框架如图3所示[6-8]。

图3 LCA技术框架图

为了给沥青改性工艺的发展提供建议，该文参考生命周期评价(LCA)的方法对比了干法、湿法改性工艺的环境影响特性差异。

2 目标及调查范围的确定

参考LCA方法，该文以高等级公路修筑常用的SBS改性沥青混合料为研究对象，对采用干法、湿法两种改性工艺生产的沥青混合料分别编制生命周期清单，并进行对比分析。

为方便对比，规定修筑长度为1 km、宽度为37.5 m、厚度为9 cm的AC面层所消耗的沥青的量为1个功能单位，其中混合料密度按照2.35 g/cm3、沥青用量按照5%计算。进行环境影响测算时，研究对象为1个功能单位的能源消耗和污染物排放。

众所周知，无论采用何种沥青改性工艺，所采用的混合料的拌和、运输、摊铺及碾压方法均保持一致，使用和废弃过程也相似，为方便对比，该文将研究范围确定为从原材料生产、运输到储存为止，不考虑后续环节。图4、5分别为干法、湿法SBS改性沥青混凝土生命周期评价的边界条件，其中，系统边界内以实线实现标注，系统边界外以虚线标注。

图4 干法改性工艺边界条件

图5 湿法改性工艺边界条件

由于炼油厂、改性沥青工厂分布较为分散，与公路施工地点的距离不一，为了方便对比，作如下假设：沥青及干法改性剂材料的平均运输距离均为300 km，运输时间为8 h，沥青材料在施工现场的储存平均时间为4 d。

3 清单分析

3.1 沥青储罐保温环境影响模型

为了保持流动性以便于拌和操作，沥青自生产出厂后通常以液态形式高温储存，这种高温储存是一个复杂的热传递过程。针对该过程，目前尚无可供参考的能耗及排放计算方法，为了对沥青在运输和储存过程中的环境影响进行评估，该文根据散热量平衡关系建立了沥青储罐保温能耗及排放量计算模型。

假设沥青在高温储存过程中，在输入热量与环境散热情况保持平衡的情况下，可以维持在一个恒定的温度，根据沥青储罐尺寸、环境温度、沥青储存温度、保温材料及热效率等参数，可计算能耗及排放情况。

沥青储罐按照卧式计算，长度为D，半径为r。

沥青储罐外敷保温材料，根据保温材料的厚度d和材质的热导率λ计算得到热阻R(m2· ℃/W)：

(1)

根据热阻R和储罐内外温差可以计算得到单位接触面积的传热速率q(W/m2)。

(2)

式中：t2为沥青温度(℃)；t1为环境温度(℃)。

根据单位接触面积的热流量q和总面积计算得到储罐总传热速率Q(W)。

Q=q×(D×2×π×r+2×π×r2)

(3)

假设储罐中装满沥青，平均每吨沥青的散热速率为Qt(W)。

(4)

式中：ρ为沥青密度。

计算得到沥青在单位时间内热量损失Qtperh(J)：

Qtperh=Qt×3 600

(5)

当外界补充的热量与散热量达到平衡时，沥青可实现温度恒定，但通常情况下，热效率难以达到100%，假设热效率为γ，当γ为1时，热效率为100%。

得到对每吨沥青保温1 h所消耗的能耗Qinput(J)。

(6)

综合得到：

(7)

参照实际工程，设沥青储罐使用的保温材料为厚度1.25 cm的岩棉板，热导率λ为0.04 W/(m·℃)。沥青储罐的长度D为3.5 m，半径r为1.8 m。

为方便计算，假设所使用的能源为火力发电产生的电能，以此推算得到对每吨沥青保温1 h造成的污染物排放量Pout(kg)：

Pout=Qinput×ω

(8)

式中：ω为排放系数，是生产输送每焦耳电能带来的污染物排放量，根据相关资料估算，ω取7.89 kg/MJ。

3.2 基于干法改性工艺的清单分析

(1) 基质沥青运输

基质沥青在运输时，对环境产生的影响主要由车辆运行、沥青保温两部分组成。

根据CLCD基础数据库，中国常见的载重30 t柴油车在运输过程中的能源消耗及排放如表1所示。

表1 30 t柴油货车运行能耗及温室气体排放

以表1为基础进行计算，得到将1 t基质沥青运输300 km，因为车辆运行而产生的能耗见表2。

表2 基质沥青运输过程车辆运行能耗及温室气体排放

假设环境温度为20 ℃，基质沥青储存温度为140 ℃，参照式(7)、(8)，对基质沥青运输过程因保温造成的能耗及温室气体排放计算结果列于表3。

表3 基质沥青运输过程沥青保温能耗及温室气体排放

(2) 基质沥青储存

假设施工工地环境温度为20 ℃，基质沥青储存温度为140 ℃，储存时间为4 d，参照式(7)、(8)，基质沥青储存过程的能耗及温室气体排放计算结果见表4。

表4 基质沥青储存过程能耗及温室气体排放

(3) 干法改性剂的生产、运输及储存

根据实际生产情况统计，并参考CLCD，得到干法改性剂的生产、运输能耗及排放情况见表5。

表5 改性剂生产、运输过程能耗及温室气体排放

另外，干法改性剂可以在常温下存放，无需进行额外处理，根据cut-off原则，该部分能耗很少，对干法改性剂的储存能耗及排放忽略不计。

综合上述计算结果，并根据干法改性剂掺量6%计算，使用干法工艺1个功能单位的能耗及排放计算结果如表6所示。

表6 干法改性1个功能单位能耗及温室气体排放

为方便对比各环节环境影响特征，将干法改性工艺各环节能耗及排放情况绘制成饼状图，如图6所示。

图6 干法改性工艺各环节环境影响对比

由图6可以看到：在干法改性工艺中，各环节能耗及排放影响占比基本一致，对环境影响最为显著的环节是沥青的储存过程，其次是沥青运输过程，而干法改性剂的生产和运输影响较小，基本可以忽略。

3.3 基于湿法改性工艺的清单分析

(1) 改性沥青生产

根据欧洲沥青协会发布的Life Cycle Inventory:Bitumen提供的基础数据[9]，以基质沥青为原料加工改性沥青过程的能耗及排放数据如表7所示。

表7 改性沥青加工能耗及温室气体排放

(2) 改性沥青运输

与干法改性工艺类似，成品改性沥青在运输时，对环境产生的影响主要由车辆运行、改性沥青保温两部分组成。根据CLCD数据，计算得到1 t改性沥青运输300 km过程因车辆运行造成的能耗及温室气体排放量如表8所示。

表8 改性沥青运输过程车辆运行能耗及温室气体排放

假设环境温度为20 ℃，成品改性沥青储存温度为180 ℃，参照式(7)、(8)，对成品改性沥青运输过程因保温造成的能耗及温室气体排放如表9所示。

表9 改性沥青运输过程沥青保温能耗及温室气体排放

(3) 改性沥青储存

假设施工工地环境温度为20 ℃，成品改性沥青储存温度为180 ℃，储存时间为4 d，参照式(7)、(8)，改性沥青储存过程的能耗及温室气体排放计算结果如表10所示。

表10 改性沥青储存过程能耗及温室气体排放

为了方便对比各环节环境影响特征，将湿法改性工艺各环节能耗及排放情况绘制饼状图，如图7所示。

图7 湿法改性工艺各环节环境影响对比

由图7可以看到：当使用湿法改性工艺时，改性沥青的生产环节能耗和排放分别占比80%和65%，其次是改性沥青储存和运输环节,说明改性沥青生产环节对于环境的影响较为显著，是过程优化的关键环节。

4 环境影响评价

以1个功能单位为研究对象，分别对干法、湿法改性工艺能耗及温室气体排放情况进行汇总，结果如表11所示。

表11 不同工艺条件下1个功能单位能耗及温室气体排放

由表11可以看到：采用干法工艺可以显著降低公路建设过程中的能源消耗和污染物排放，在改性沥青的生产、运输和储存环节，干法工艺可降低能耗83.2%，减少污染物排放71.33%。分析其原因主要有：① 干法工艺省略了对环境影响最为显著的改性沥青生产环节；② 干法工艺将运输至施工现场并存放的改性沥青替换为基质沥青，大幅降低了沥青材料在运输和存放过程的储存温度，达到节能减排的作用。

按照中国年增加公路里程7.3万km、其中30%路面采用改性沥青修筑来计算，采用干法工艺替代湿法减少的能耗为23 350 597 421 MJ，减少污染物排放1 283 071 669 kg。

据此测算，以干法代替湿法每年可节省能耗23 350 597 421 MJ，按照原油热值为41.8 MJ/kg计算，年节约能量约等于原油55.8万t；可减少污染物排放128万t，相当于中国机动车污染物排放量的3%。由此可见，干法改性工艺环保优势显著，具有较高的推广价值和广阔的应用前景。

5 结论

基于干法、湿法改性工艺差异，借鉴LCA方法对两种工艺的环境影响特征进行对比研究，主要结论如下：

(1) 通过热量平衡关系，结合实际工程应用情况，建立了沥青在高温下储存过程中的能耗及排放定量计算模型。

(2) 采用常规湿法工艺时，改性沥青生产环节对于环境影响最为显著，能耗和排放分别占比80%和65%，是应当重点关注的环节。

(3) 经测算，在改性沥青的生产、运输和储存环节，采用干法工艺代替湿法可降低能耗83.2%，减少污染物排放71.33%。可节约能源消耗23 350 GJ/年，可减少污染物排放128万t/年。

(4) 与湿法改性工艺相比，干法改性环保优势显著，具有较高的推广价值和广阔的应用前景。