基于风电行业废物的低碳沥青混合料：生命周期评估

《Clean Technologies》：Low-Carbon Asphalt Mixtures Using Wind-Industry Waste: A Life Cycle Assessment

　　

工业废物在沥青混合料中的增值利用可减少自然资源消耗和气候影响，但效益取决于被替代材料、预处理需求以及避免的废物管理路径。本研究评估了掺入来自风电塔制造过程的焊接渣（welding slag）和油漆污泥（paint sludge）的沥青混合料的“从摇篮到大门”环境绩效。研究人员针对工厂生产的1吨沥青混合料开展了比较性生命周期评价（LCA）。共评估四种情景：常规参考混合料、焊接渣完全替代石灰石填料、掺入经调理的油漆污泥并同时降低原生沥青含量、以及组合配方。模型在SimaPro中采用ecoinvent v3.8数据库的截断系统模型（cut-off system model）实现，并使用IPCC 2021 GWP 100a和ReCiPe 2016中点和终点方法。参考混合料的全球变暖潜势（GWP）为95.20 kg CO₂ eq/t。在基线避免处理信用方法下，焊接渣使GWP降低9.67%，油漆污泥降低28.28%，组合情景降低37.95%。终点结果总体表明改性情景影响较低，但各损害类别间的排序存在差异，尤其人类健康类别因避免填埋信用而受影响。总体而言，这些增值路径显示出环境效益，特别是当危险油漆污泥减少原生沥青使用并避免传统焚烧时。

工业废物产生量增加、自然资源枯竭和温室气体减排需求，推动基于废物再利用和回收的循环经济策略发展。道路基础设施部门因大量消耗资源，为废物掺入提供潜力。沥青混合料主要由矿物骨料（约95%）和沥青（约5%）组成，其中细填料和沥青是关键组分。风电行业作为能源转型相关产业，其塔架制造过程产生焊接渣（welding slag）和油漆污泥（paint sludge）等废物。焊接渣因矿物属性可替代石灰石填料，油漆污泥因含有机聚合物组分可经调理后部分替代沥青。但此前研究未在同一生命周期评价（LCA）框架下评估这两种废物的联合增值。为此，本研究旨在利用LCA评估焊接渣和油漆污泥单独及组合掺入沥青混合料的环境影响，为风电行业废物回收提供依据。

研究人员以西班牙阿斯图里亚斯阿维莱斯Windar Renovables S.A.工厂产生的焊接渣（EWL代码12 01 13）和油漆污泥（EWL代码08 01 13*）为对象，构建四种情景：参考常规混合料、焊接渣完全替代石灰石填料（占混合料2.85%）、掺入调理油漆污泥（相当于原沥青质量20%）同时将沥青含量从5%降至4%、以及上述两种策略组合。以1吨厂内生产的沥青混合料为功能单位，采用cradle-to-gate系统边界，在SimaPro 9.4.0.3软件中通过ecoinvent v3.8数据库的cut-off系统模型建模，使用IPCC 2021 GWP 100a和ReCiPe 2016中点/终点方法计算。结果显示，基线方法下焊接渣情景、油漆污泥情景和组合情景的GWP分别比参考混合料（95.20 kg CO₂ eq/t）降低9.67%、28.28%和37.95%。该研究填补了在同一LCA框架下评估两种来自同一风电塔制造过程的矿物与有机废物联合增值的空白，证明了组合回收的环境附加价值，并强调避免废物处理信用和沥青减量假设对结果的关键影响。

主要关键技术方法包括：比较性LCA框架，依据ISO 14040标准建立生命周期清单；利用SimaPro 9.4.0.3与ecoinvent v3.8（cut-off系统模型）建模，废物按零上游负担处理；采用IPCC 2021 GWP 100a和ReCiPe 2016中点/终点（H）进行影响评价；通过系统扩展引入避免的传统废物处理作为负流；开展多因素敏感性分析，包括西班牙2020-2025年电力结构、废物运输距离、油漆污泥调理能耗、沥青减量假设和避免处理信用。废物来源为西班牙Windar Renovables S.A.风电塔制造厂，焊接渣和油漆污泥分别经破碎/研磨和机械粉碎调理。

**3.1 全球变暖潜势（GWP）与贡献分析**

基于IPCC 2021 GWP 100a的计算表明，参考情景总影响为95.20 kg CO₂ eq/t；焊接渣情景为85.99 kg CO₂ eq/t（-9.67%），油漆污泥情景为68.27 kg CO₂ eq/t（-28.28%），组合情景为59.07 kg CO₂ eq/t（-37.95%）。贡献分析显示，油漆污泥情景的减排主要来自沥青用量从50 kg降至40 kg以及避免10 kg危险废物焚烧的信用；焊接渣情景的减排在基线方法下主要受避免填埋信用驱动，而非填料替代本身。

**3.2 其他环境影响类别**

采用ReCiPe 2016中点（H）和终点（H）方法。中点结果与GWP排序一致，即含油漆污泥的情景减排最显著。终点结果显示，人类健康类别中焊接渣和组合情景出现负净值，源于所选ecoinvent代理数据集带来的避免填埋信用，应解释为模型依赖的避免影响而非直接健康效益；生态系统质量和资源可用性类别中组合情景表现最佳。由于残留物加热可能产生的特定排放未被实验量化，相关毒性结果需要谨慎解读。

**3.3 敏感性分析**

为检验结果稳健性，研究人员开展了五项敏感性分析。

**3.3.1 西班牙电力结构**：利用REData 2020-2025年年度电力结构数据，GWP最大变化在组合情景为9.45%，参考情景仅0.34%，情景排序不变。

**3.3.2 运输距离**：将废物运输距离从20 km增至1000 km时，各改性情景GWP仍低于参考情景；盈亏平衡距离分别为焊接渣2428 km、油漆污泥20085 km、组合7012 km。

**3.3.3 油漆污泥调理**：将调理能耗提高2-4倍，或采用文献中干燥+研磨路线后，油漆污泥情景GWP仍较参考低26.78%，组合情景仍低36.44%。

**3.3.4 沥青减量假设**：在保持油漆污泥掺量10 kg/t不变的前提下，假设沥青减量0%、10%和20%时，GWP分别为72.94、70.62和68.27 kg CO₂ eq/t；即使不减沥青，仍比参考低23.38%。若同时排除避免焚烧信用，无沥青减量时GWP为95.10 kg CO₂ eq/t，与参考基本持平；10%和20%减量分别带来2.92%和5.27%减排。

**3.3.5 废物管理建模假设**：若不考虑任何避免处理信用，焊接渣情景GWP为95.22 kg CO₂ eq/t（与参考等效），油漆污泥情景为90.18 kg CO₂ eq/t（-5.27%），组合情景为90.20 kg CO₂ eq/t（-5.25%）；此时油漆污泥情景略优于组合情景。因此，组合情景作为最佳方案仅在基线避免处理信用方法下成立。

讨论部分指出，焊接渣情景的GWP下降主要由避免填埋信用贡献，这一点与钢渣再利用文献一致；油漆污泥情景的减排来自沥青减量（从50 kg降至40 kg）与避免危险废物焚烧的协同；组合情景的额外优势依赖于基线避免处理信用。研究局限包括：系统边界为cradle-to-gate，未包含施工、使用、维护和寿命末期；未对沥青生产过程中加热残留物可能释放的特定排放进行实验量化；调理能耗基于实验或中试条件；废物成分变异可能影响调理需求；假设废物供应充足。

研究结论可翻译为：本研究在cradle-to-gate LCA框架下评估了含焊接渣和油漆污泥两种风电行业废物的沥青混合料环境绩效。结果表明，在基线避免处理信用方法下，所有废物改性情景的全球变暖潜势均低于参考混合料（95.20 kg CO₂ eq/t）。环境排序为：组合情景最佳，其次油漆污泥情景、焊接渣情景，最后参考情景。焊接渣情景降低9.67%，但该降低主要受避免填埋信用驱动，无此信用时与参考混合料基本等效。油漆污泥情景降低28.28%，主要与原生沥青减少和避免危险废物焚烧有关。组合情景降低37.95%，展示了两条增值路径整合的附加价值。扩展敏感性分析显示，情景排序在西班牙电力结构、运输距离和油漆污泥调理要求变化下基本保持；而沥青减量假设和避免废物处理信用的影响较大。当排除避免处理信用后，油漆污泥和组合情景的减排约5.27%和5.25%，焊接渣情景与参考基本相当，且油漆污泥情景略优于组合情景。未来工作应集中长期性能验证、油漆污泥成分变异、工业规模调理优化、潜在环境风险（浸出与加热排放）及全生命周期边界扩展。