高摻量廢輪胎膠粉改性瀝青路面碳排放經濟性分析

王雪英1    鄔建波2   薛永勤3  周海防4  

（1.湖北安捷路橋科技有限公司，鄂州436006；2.中建新疆建工（集團）有限公司國際總承包分公司，烏魯木齊830002；3.中鐵十二局集團國際工程有限公司，天津300308；4.山東高速路用新材料技術有限公司，濟南250003）

 [摘要]輪胎從生產到廢棄，都需要直接或間接消耗自然資源和能源，造成大量二氧化碳排放的問題，將廢舊輪胎制備成一定粒徑的粉料加入到瀝青中再鋪筑成道路，可以回收大量的物料和能源，將碳固定到產品中，達到節能減排的目的。本文將分析把廢輪胎通過機械破碎成膠粉后，生產高摻量橡膠復合改性瀝青（簡稱橡膠瀝青）用于路面攤鋪，通過物料利用、碳排放和經濟效益分析，以及與生產SBS改性瀝青產生的碳排放對比，探索輪胎資源化對能量利用、碳排放和經濟效益的影響。

[關鍵詞]廢輪胎 橡膠瀝青 碳排放

1、前言

據中國橡膠工業協會輪胎分會統計和調查，2018年全國汽車輪胎總產量約為6.48億條，其中子午胎6.09億條（其中全鋼胎1.33億條），斜交胎0.39億條，子午化率94%。中國的輪胎年生產量與輪胎年報廢量分別占全球總量的23%和19%，成為僅次于美國的輪胎生產和廢舊輪胎生成大國，因此，輪胎產業“大量生產、大量廢棄”的情況將日益加劇。廢舊輪胎是非常難降解的高分子彈性材料，有著較高的彈性和韌性，在 -50℃～150℃溫度范圍內幾乎不會發生物理或化學變化。因此，若任其自然在土壤中降解，直到不影響植物生長的程度，該過程可能需要約500年的時間。廢舊輪胎具有很高的低位熱值（LHV）,大約在40MJ/kg左右，在溫度較高的環境中大量堆積也容易自燃引發火災事故。輪胎生命周期的4個階段包括，生產階段、運輸階段、使用階段和資源化階段，每個階段都需要直接或間接消耗自然資源和化石燃料，導致大量的二氧化碳排放。

 本研究對象為40%高摻量橡膠復合改性瀝青，按大部分企業的生產統計，1噸膠塊約出膠粉800公斤，鋼絲200公斤。膠粉目數40目，橡膠復合改性瀝青中膠粉內摻40%，油石比按雄安新區實際使用的4.8%。與此相對應的SBS改性瀝青中SBS內摻4.5%，油石比按4.3%?；|瀝青的油石比按4.3%。

2、 橡膠復合改性瀝青生產和施工環節能量輸入和碳排放分析

輪胎的綜合利用還包括：原形利用、熱化學和再生，本文不對以上利用方式做碳排放計算，如有興趣可閱讀《輪胎生命周期的經濟、能量和碳排放分析》等相關論文或資料。本文針對輪胎生產成膠粉，然后用于橡膠瀝青做研究。

 下面我們以雙向4車道（瀝青路面寬度22米），結構層厚度共18cm（下中上面層分別為8cm、6cm、4cm），路面長度1公里為例來計算各環節碳排放。并按平均取值橡膠瀝青中膠粉摻量40%，油石比4.8%（精確計算應該為4.8÷（100+4.8）=4.58%）當成油含量簡化計算。

2.1 與橡膠瀝青相關的各能量輸入

（1） 膠粉生產時忽略設備磨損，能量輸入只有電能一項，按大部分企業多年生產40目膠粉耗電統計，200 kwh/噸，膠粉的能量輸入為：

182.5×200=36500 kwh，折合為1.314×10¹¹J。           

（2）按中燃油研究院提供的數據，煉制1噸稠油約耗能12kg標油（標油熱值為10⁴Kcal/kg），按瀝青占50%計，則生產1噸瀝青需耗油6kg，1噸瀝青的能量輸入為6×10⁴Kcal。則瀝青的總能量輸入為：

273.7×6×10⁴×1000×4.2=6.897×10¹⁰J

（3）橡膠瀝青生產時的能量輸入

據生產數據統計，生產一噸橡膠瀝青約需天然氣20NM³（熱值為10⁴Kcal/m³），耗電30kwh，兩項合計為：

20×10⁷×4.2+30×3.6×10⁶=9.48×10⁸J

橡膠瀝青的能量輸入為：

456.2×9.48×10⁸=4.325×10¹¹J

（4）混合料生產時的能量輸入

統計瀝青拌合站數據，生產一噸橡膠瀝青混合料約需天然氣10NM³，耗電6kwh，兩項合計為：

10×10⁷×4.2+6×3.6×10⁶=4.42×10⁸J

橡膠瀝青混合料的能量輸入為：

9504×4.42×10⁸=4.2×10¹²J

拌合后，橡膠瀝青混合料運輸、攤鋪和碾壓溫度要高于SBS改性瀝青混合料，但后續能量輸入相當，不予比對。

（5）能量輸入匯總：

1.314×10¹¹+6.897×10¹⁰+4.325×10¹¹+4.2×10¹²=48.3287×10¹¹J

折合標煤：48.3287×10¹¹÷29306÷1000÷1000=164.91噸

2.2  橡膠瀝青生產和施工中的碳排放

需要說明的是，各種能源/燃料折合成標煤時，各個地方或企業取折算系數時并不相同，使得計算出的碳排放量產生較大的差別，本文統一按以下方式計算，進行比較。至于折算系數取值的相關研究，本文不加以討論。

各地生產和施工使用的燃料不同，碳排放因子不同，查《綜合能耗計算通則》（GB/T2589-2008），能源/燃料生產過程的碳排放因子見下表：

能源/燃料生產的碳排放因子

燃料使用過程的碳排放因子：

CEF=CC×OF×44/12

式中：

CEF——燃料使用過程的碳排放量，kgCO2e/MJ

CC——單位熱值含碳量，kgCO2e/MJ，采用下表提供的參數值

OF——碳氧化率，%，采用下表提供的參數值

44/12——碳氧化成CO2分子量從12變成44

常見化石燃料的特定參數值見下表：

常見化石燃料特定參數值

(1)膠粉生產的碳排放

0.635×36500/1000=23.1775tCO2e

(2)生產基質瀝青的碳排放

燃料油密度按0.85kg/L，按上表其低位發熱值為40.19GJ/t

燃料油生產的碳排放因子近似按0.29kgCO2e/L，折合為：

1/0.85×0.29=0.3412kgCO2e/kg

1kg燃料油的碳排放：

1×40.19×（21.1/1000×98%×44/12）+0.3412=3.3884kgCO2e

基質瀝青碳排放：

273.7×6×3.3884/1000=5.5644tCO2e

(3)橡膠瀝青生產時的碳排放

據生產數據統計，生產一噸橡膠瀝青約需天然氣20NM3（熱值為104Kcal/m3），耗電30kwh。

用電產生的碳排放：456.2×30×0.635/1000=8.6906tCO2e

用天然氣產生的碳排放：

456.2×20/10000×389.31×（15.3/1000×99%×44/12）+456.2×20×0.07/1000

=20.366tCO2e

橡膠瀝青生產碳排放匯總：

8.6906+19.7273=29.0566tCO2e

(4)混合料生產時的碳排放

統計瀝青拌合站數據，生產一噸橡膠瀝青混合料約需天然氣10NM3，耗電6kwh。

用電產生的碳排放：9504×6×0.635/1000=36.2102tCO2e

用天然氣產生的碳排放：

9504×10/10000×389.31×（15.3/1000×99%×44/12）+9504×10×0.07/1000

=205.4944+6.6528=212.1472tCO2e

混合料生產碳排放匯總：

36.2102+212.1472=248.3574tCO2e

(5)橡膠瀝青生產和施工碳排放匯總

23.1775+5.5644+29.0566+248.3574=306.1559tCO2e

3   SBS改性瀝青生產和施工環節能量輸入和碳排放分析

3.1 計算方法

以雙向4車道（瀝青路面寬度22米），結構層厚度共18cm（下中上面層分別為8cm、6cm、4cm），路面長度1公里為例來計算各環節碳排放。按改性瀝青中SBS改性劑內摻4.5%，油石比4.3%（精確計算應該為4.3÷（100+4.3）=4.12%）當成油含量簡化計算。

實際道路鋪設中，下面層8cm一般會使用基質瀝青而不會使用SBS改性瀝青，為便于和橡膠瀝青路面下面層同等強度級別的路面比較，我們先假定下面層也使用SBS改性瀝青。包括油石比先統一按4.3%，也計算出基質瀝青的能量輸入和碳排放。再利用計算出的數據，折算出下面層為基質瀝青時的數值。

3.2  與SBS改性瀝青相關的各能量輸入

(1)改性瀝青路面中各種材料用量

混合料用量：

1000×22×0.18×2.4=9504噸

——式中2.4為壓實后混合料密度，噸/m3

改性瀝青用量：

9504×4.3%=408.672噸

改性瀝青中SBS：408.672×4.5%=18.39噸

改性瀝青中基質瀝青：408.672×95.5%=390.282噸

(2)各種材料生產時的能量輸入

①根據《2006年中國統計年鑒》中的數據計算，SBS的能量強度約為180MJ/kg，

SBS能量輸入為：18.39×1000×180=3.31×1012J

②按照常規單獨使用常減壓蒸餾生產道路瀝青市場計算，通常加工一噸重油約耗能12kg標油（標油熱值為104Kcal/kg），按瀝青蒸餾收率占50%計，則生產1噸瀝青需耗油6kg，1噸瀝青的能量輸入為6×104Kcal。則瀝青的總能量輸入為：

390.282×6×104×1000×4.2=9.835×1010J

③改性瀝青生產時的能量輸入

據生產數據統計，生產一噸SBS改性瀝青約需天然氣15NM3（熱值為104Kcal/m3），耗電25kwh，兩項合計為：

15×107×4.2+25×3.6×106=6.3×108+0.9×108=7.2×108J

改性瀝青生產的能量輸入為：

408.672×7.2×108=2.942×1011J

④混合料生產時的能量輸入

統計瀝青拌合站數據，生產一噸改性瀝青混合料約需天然氣9NM3，耗電5kwh，兩項合計為：

9×107×4.2+5×3.6×106=3.96×108J

改性瀝青混合料的能量輸入為：

9504×3.96×108=3.7636×1012J

⑤能量輸入匯總：

33.1×1011+0.9835×1011+2.942×1011+37.636×1011=74.6615×1011J

折合標煤：74.6615×1011÷29306÷1000÷1000=254.77噸

3.3  改性瀝青生產和施工中的碳排放

（1）SBS生產的碳排放

按上面計算，SBS能量輸入為：18.39×1000×180=3.31×1012J

先折算成標煤：3.31×1012÷29306÷1000÷1000=112.946噸

國家發改委能源研究所給出的標煤碳排放系數的推薦值為0.67tc/tce

生產SBS的碳排放量：

112.946×0.67×44÷12=277.47tCO2e

（2）生產基質瀝青的碳排放

燃料油密度按0.85kg/L，按上表其低位發熱值為40.19GJ/t

燃料油生產的碳排放因子近似按0.29kgCO2e/L，折合為：

1/0.85×0.29=0.3412kgCO2e/kg

1kg燃料油的碳排放：

1×40.19×（21.1/1000×98%×44/12）+0.3412=3.3884kgCO2e

基質瀝青碳排放：

390.282×6×3.3884/1000=7.9346tCO2e

（3）改性瀝青生產時的碳排放

據生產數據統計，生產一噸橡膠瀝青約需天然氣15NM3（熱值為104Kcal/m3），耗電25kwh。

用電產生的碳排放：408.672×25×0.635/1000=6.4877tCO2e

用天然氣產生的碳排放：

408.672×15/10000×389.31×（15.3/1000×99%×44/12）+408.672×15×0.07/1000

=13.2544+0.4291=13.6835tCO2e

改性瀝青生產碳排放匯總：

6.4877+13.6835=20.1712tCO2e

（4）混合料生產時的碳排放

統計瀝青拌合站數據，生產一噸改性瀝青混合料約需天然氣9NM3，耗電5kwh。

用電產生的碳排放：9504×5×0.635/1000=30.1752tCO2e

用天然氣產生的碳排放：

9504×9/10000×389.31×（15.3/1000×99%×44/12）+9504×9×0.07/1000=184.945

+5.9875=190.9325tCO2e

混合料生產碳排放匯總：

30.1752+190.9325=221.1077tCO2e

（5）改性瀝青生產和施工碳排放匯總

277.47+7.9346+20.1712+221.1077=526.6835tCO2e

4  基質瀝青生產和施工環節能量輸入和碳排放分析

4.1 計算方法

以雙向4車道（瀝青路面寬度22米），結構層厚度共18cm（下中上面層分別為8cm、6cm、4cm），路面長度1公里為例來計算各環節碳排放。油石比4.3%（精確計算應該為4.3÷（100+4.3）=4.12%當成油含量簡化計算。

實際道路鋪設中，中面層6cm和上面層4cm一般會使用SBS改性瀝青，為便于計算，我們先假定三個面層都使用基質瀝青。再利用計算出的數據進行折算。

4.2  和基質瀝青相關的各能量輸入

（1）基質瀝青路面中各種材料用量

混合料用量：

1000×22×0.18×2.4=9504噸

——式中2.4為壓實后混合料密度，噸/m3

基質瀝青用量：

9504×4.3%=408.672噸

（2）各種材料生產時的能量輸入

①基質瀝青生產時的總能量輸入為：

408.672×6×104×1000×4.2=1.0299×1011J

②混合料生產時的能量輸入

統計瀝青拌合站數據，生產一噸基質瀝青混合料約需天然氣8NM3，耗電4kwh，兩項合計為：

8×107×4.2+4×3.6×106=3.504×108J

基質瀝青混合料的能量輸入為：

9504×3.504×108=3.33×1012J

③能量輸入匯總：

1.0299×1011+33.3×1011=34.33×1011J

折合標煤：34.33×1011÷29306÷1000÷1000=117.14噸

4.3 基質瀝青生產和施工中的碳排放

（1）生產基質瀝青的碳排放

燃料油密度按0.85kg/L，按上表其低位發熱值為40.19GJ/t

燃料油生產的碳排放因子近似按0.29kgCO2e/L，折合為：

1/0.85×0.29=0.3412kgCO2e/kg

1kg燃料油的碳排放：

1×40.19×（21.1/1000×98%×44/12）+0.3412=3.3884kgCO2e

基質瀝青碳排放：

408.672×6×3.3884/1000=8.3085tCO2e

（2）混合料生產時的碳排放

統計瀝青拌合站數據，生產一噸改性瀝青混合料約需天然氣8NM3，耗電4kwh。

用電產生的碳排放：9504×4×0.635/1000=24.14tCO2e

用天然氣產生的碳排放：

9504×8/10000×389.31×（15.3/1000×99%×44/12）+9504×8×0.07/1000=164.396

+4.79=169.186tCO2e

混合料生產碳排放匯總：

24.14+169.186=193.326tCO2e

（3）基質瀝青生產和施工碳排放匯總

8.3085+193.326=201.6345tCO2e

5、能耗和碳排放對比

5.1能耗匯總、對比總結

（1）按三層全采用一種膠結料

1公里橡膠瀝青與改性瀝青、基質瀝青高速公路節能統計對比表（噸，標煤）

（2）下面層8cm基質瀝青，中面層6cm和上面層4cm為橡膠瀝青或改性瀝青可通過上表折算。

5.2碳排量匯總、對比

（1）按三層全采用一種膠結料

1公里橡膠瀝青與改性瀝青、基質瀝青高速公路碳排量統計對比表（單位，tCO2e）

（2）下面層8cm基質瀝青，中面層6cm和上面層4cm為橡膠瀝青或改性瀝青可通過上表折算。

6、橡膠瀝青和SBS改性瀝青經濟效益分析及對比

6.1混合料成本

橡膠瀝青、改性瀝青和基質瀝青油石比分別按4.8%、4.3%、4.3%，按《混合料成本核算》軟件輸入相關數據后自動計算，三種混合料每噸成本截圖如下：

6.2各種路面成本經濟效益分析

 仍然以上面所述1公里高速路面為例，列表比較如下：

單公里各種瀝青路面面層經濟性分析表

從上表可以看出，如果三層全采用橡膠瀝青或改性瀝青，兩者1公里工程造價相差33.56萬元。雙向6車道高速單公里工程造價相差45萬元。

傳統路面結構，中上面層采用橡膠瀝青或SBS改性瀝青，下面層采用基質瀝青，成本列表如下：

單公里兩種瀝青路面經濟性分析表

    從上表可以看出，如果僅中上面層采用橡膠瀝青或改性瀝青，下面層均采用基質瀝青，兩者1公里工程造價相差18.65萬元。雙向6車道高速單公里工程造價相差25萬元。如果考慮橡膠瀝青路面壽命是SBS改性瀝青路面的2倍，則兩者在當量全壽命周期1公里工程造價相差298.82萬元。雙向6車道高速單公里工程造價相差400.68萬元。

結語

1.在能耗方面，橡膠瀝青的能耗遠低于改性瀝青的能耗，與對比組基質瀝青相差不大，節能效果明顯好于改性瀝青；

2.在碳排量方面，橡膠瀝青在相同公里數的碳排量遠低于改性瀝青，與對比組基質瀝青相差不大，減碳效果明顯優于改性瀝青；

3.成本方面，橡膠復合的單價遠低于SBS，在其他配料都相同的情況下，橡膠瀝青成本比改性瀝青少35.31萬元/噸，優勢明顯。

通過物料利用、碳排放和經濟效益分析，以及與生產SBS改性瀝青產生的碳排放對比，橡膠瀝青從各個方面相較于改性瀝青都具有明顯的優勢。同時給輪胎資源化指出一條新的思路，對于環境、經濟效益等方面都具有很大優勢。

參考文獻

《輪胎生命周期的經濟、能量和碳排放分析》，楊蕾，2009年

《京德高速高摻量橡膠改性瀝青路面施工指南》，河北，2020年

Economic Analysis on Carbon Emission of Asphalt Pavement Modified with High Content of Waste Tire Rubber Powder

Wang Xueying1  Wu Jianbo2  Xue Yongqin3  Zhou Haifang4

(1.Hubei Anjie Road and Bridge Technology Co., Ltd, Ezhou 436006;2.CSCEC Xinjiang Construction Engineering (Group) Co., Ltd. International General Contracting Branch, Wulumuqi 830002;3.International Engineering Co., Ltd. Of CRCC 12, Tianjin 300308;4.Shandong Expressway New Material Technology Co., Ltd, Jinan 250003)

Abstract: From production to waste, tires need to consume natural resources and energy directly or indirectly, resulting in a large number of carbon dioxide emissions. By preparing waste tires into powder with a certain particle size and adding it to asphalt and then paving the road, a large number of materials and energy can be recovered, and carbon can be fixed into products to achieve the purpose of energy conservation and emission reduction. This paper will analyze the production of high content rubber composite modified asphalt (rubber asphalt for short) for pavement after mechanically crushing waste tires into rubber powder. Through the analysis of material utilization, carbon emission and economic benefit, and the comparison with the carbon emission produced by the production of SBS modified asphalt, this paper will explore the impact of tire recycling on energy utilization, carbon emission and economic benefit.

Keywords: waste tire; rubber asphalt; carbon emission