通过热能和废气分析量化沥青工厂的燃烧相关排放

《Sustainability》：Quantifying Combustion-Related Emissions from Asphalt Plants Through Thermal Energy and Exhaust-Gas Analysis

　　

热拌沥青（HMA）的生产是能源密集型的，导致二氧化碳（CO₂）和温室气体（GHG）排放。主要能源来源（占97%以上）和排放源是用于干燥和加热骨料的旋转滚筒。量化与燃烧相关的CO₂排放对于更深入地理解HMA生产的环境影响至关重要。本研究的目标是开发一个方法框架，用于量化沥青生产背景下与燃烧相关的二氧化碳排放。该框架探讨了三种互补方法：（i）基于能量平衡的热能（TE）模型，（ii）燃料消耗记录，以及（iii）废气组成的直接测量。通过并行应用这些方法并逐批次交叉比较其结果，该框架能够可靠地验证来自模块A3——沥青制造生产阶段的实际CO₂排放。在该阶段，温室气体的主要来源是骨料干燥和加热过程中的燃料燃烧。从两个HMA批式工厂收集了全面的数据集，每个工厂在各自不同的条件下运行。考虑的参数包括燃料类型、沥青混合料类型、沥青生产时间、骨料含水率、拌和温度和生产速率。TE模型显示出与实测能耗的强线性相关性（R² = 0.97），基于燃料的CO₂估算与直接废气测量相比平均差异很小（平均差异1.0%；t检验p = 0.674）。然而，在两个工厂之间观察到系统性差异（一个工厂（AP1）高估高达20%，另一个工厂（AP2）低估高达12%）。这表明，基于能量的CO₂估算方法在可靠地应用于生命周期评估（LCA）和环境产品声明（EPD）实践之前，需要针对具体工厂进行直接测量校准。实测CO₂排放强度在AP1为17.39至21.76 kg/t，在AP2为16.05至18.44 kg/t；TE模型的外壳损失因子针对所研究的柴油燃烧工厂校准为CL = 23%（与实测能量的平均偏差+0.4%）；骨料含水率解释了实测能耗中方差的74%（R² = 0.743）。

**论文解读：通过热能和废气分析量化沥青工厂的燃烧相关排放**

**研究背景、问题与研究意义**
道路建设行业在全球能源消耗和温室气体（GHG）排放中占据重要地位，其中热拌沥青（HMA）生产是路面基础设施开发中最耗能的过程之一。每年欧盟生产超过2.12亿吨沥青，制造业总排放量中沥青生产贡献显著。HMA生产被公认为能源密集型过程，其最大环境影响来自骨料干燥和加热阶段燃料燃烧。旋转干燥滚筒中的骨料干燥和加热占沥青工厂总能耗的近97%。因此，聚焦干燥系统能量平衡的研究对于评估效率和环境影响至关重要。沥青工厂的燃烧过程是排放的主要来源，骨料含水率、燃料类型、燃烧器设计和空气-燃料比是决定燃烧效率的主要因素。这些燃烧器所用燃料占沥青工厂总CO₂排放的约80%。由于燃料燃烧产生的CO₂排放主导了沥青生产的全球变暖潜势（GWP），因此迫切需要改进HMA制造过程中实际CO₂排放的确定方法。实际CO₂排放通常通过直接测量生产设施中的温室气体流量或根据燃料消耗和标准排放因子计算得出，对于评估特定生产过程的效率至关重要。然而，现有研究在同时跨批次比较三种方法（热能模型、燃料消耗记录、直接废气测量）方面存在空白，尤其是在柴油驱动的工厂中。本研究旨在填补这一方法学空白，通过开发一个系统框架来量化沥青生产中的燃烧相关CO₂排放，为生命周期评估（LCA）和环境产品声明（EPD）提供可靠数据。该研究发表在《Sustainability》期刊上。

**主要关键技术方法**
研究人员采用了三种互补方法并行应用于两个立陶宛的柴油燃煤批式沥青工厂（AP1和AP2）。关键技术包括：（1）热能（TE）模型，基于能量平衡方程（式4）计算加热和干燥骨料所需的理论热能，并引入外壳损失因子（CL）进行校准；（2）燃料消耗记录，通过工厂仪表连续监测每批次柴油用量，并采用IPCC Tier 1默认排放因子（74.1 g CO₂/MJ）转换为CO₂排放；（3）废气直接测量，使用Testo 350和Testo 480仪器每隔5–10分钟测量O₂、CO₂、CO、SO₂、NO_x浓度及废气流量，并通过式(1)–(3)转换为每吨沥青混合料的CO₂排放量。样本队列来源于两个工厂生产的8种沥青混合料，共18个批次观测数据（AP1 n=7，AP2 n=11）。

**研究结果**
**3.1 沥青混合料生产温度分析**
通过测量发现，AP1骨料干燥温度范围为150–232°C，AP2为143–218°C。AP2生产温拌沥青时拌和温度较低（99–130°C），但温拌混合料（SAb 16 d）因使用冷喂料再生沥青（RA）而需将骨料加热至200°C以上，导致温拌并未带来燃料节约优势。

**3.2 废气排放分析**
将废气浓度归一化至参考氧含量17%后，CO₂浓度范围缩小至2.83–2.86 vol.%，表明稀释效应被校正。O₂浓度显示AP2过量空气比更高（16.2–17.5% vs. 12.5–14.8%）。SO₂在AP1接近检测限，AP2则较高（1–17 ppm），差异源于燃料硫含量及矿物粉尘相互作用。CO浓度在AP2显著更高（300–500 ppm vs. <60 ppm），表明燃烧条件差异，但采样位置不同（AP1在烟囱，AP2在二级除尘器出口）可能影响CO氧化。NO_x浓度在归一化后两厂重叠（10–14.5 ppm），表明燃烧温度、氧浓度和停留时间等因素相互补偿。

**3.3 能耗分析与TE模型应用**
TE模型估算的热能需求与实测能耗呈强线性关系（R² = 0.97），回归斜率接近1（0.905），表明模型有效捕捉了主导物理过程。骨料含水率与实测能耗的相关系数R²=0.743，表明含水率解释了74%的能耗变异，是燃料需求的主要可控驱动因素。校准后，CL=23%使TE模型平均偏差仅+0.4%，RMSE为8.7，MAPE为2.9%。

**3.4 二氧化碳排放测定方法比较**
两样本t检验表明，基于燃料消耗的CO₂估算（均值19.06 kg/t）与直接测量（18.66 kg/t）无显著差异（p=0.674），TE模型估算（19.08 kg/t）亦然（p=0.588）。但Pearson相关系数较低（r=0.359和0.318），表明逐批次一致性差。AP1燃料估算值高估2–5 kg/t（约10–20%），AP2低估0.9–1.1 kg/t（约0–12%）。AP1的RMSE达17.9 kg/t，MAPE 20.3%；AP2的RMSE为6.88 kg/t，MAPE约11%。实测CO₂排放强度：AP1为17.39–21.76 kg/t，AP2为16.05–18.44 kg/t，与美国EPA参考值（约18.5 kg/t）一致。

**3.5 建议的排放验证框架**
提出了一个四阶段方法框架：准备阶段（记录骨料含水率、燃料类型、初始仪表读数）、生产监测阶段（测量废气浓度和流量、干燥和拌和温度）、生产后平衡阶段（最终仪表读数、总产量）、数据分析阶段（通过TE模型、燃料记录、直接测量交叉比较，计算CO₂排放）。测量不确定度分析表明，低CO₂浓度时（AP2）组合标准不确定度可达±18–19%，主要受分析仪精度限制。建议EPD/LCA优先采用直接废气测量，否则需应用工厂特定校准因子并报告±15–20%的不确定度带。

**讨论与结论**
讨论部分强调，工厂间系统性偏差表明不可直接使用通用排放因子，需进行工厂特定校准。骨料含水率控制是降低燃料消耗和排放的实用低成本措施。研究局限性包括：未测量颗粒物（PM）、甲烷（CH₄）和挥发性有机化合物（VOCs）；数据集规模有限（n=18），统计结果仅为指示性；所有结果仅适用于柴油燃烧批式工厂，其他燃料类型需重新校准。

**研究结论**（翻译自原文）
本研究旨在开发一个方法框架，以量化沥青混合料生产中与燃烧相关的二氧化碳（CO₂）排放。研究期间，对两个沥青拌和站在自然生产过程中进行了废气浓度测量，并记录了每批沥青混合料的燃料消耗。针对研究目标与任务，得出以下结论：
1. 对运营沥青拌和站废气组成的直接测量表明，CO₂排放有效反映了总燃料消耗，而CO、O₂、SO₂和NO_x浓度则提供了燃烧动力学和操作条件的见解。工厂间差异表明，燃料硫含量、空气分布、材料含水率和燃烧器设计的差异显著影响污染物形成和燃烧效率。
2. 在沥青混合料生产过程中直接监测燃料消耗，使得在实际操作条件下确定单个混合料批次的实际能耗成为可能。将实测燃料量与特定生产批次相关联，为评估工厂级能源性能和验证用于生命周期评估（LCA）的方法提供了可靠基础。
3. 热能（TE）模型的应用显示，模型化热能需求与实测能耗之间存在强线性关系（R² = 0.97）。这表明TE模型有效代表了沥青混合料生产中骨料加热和水分蒸发的基本热过程。将外壳损失因子校准为CL = 23%后，TE模型再现了实测能耗，平均偏差为+0.4%，而骨料含水率单独解释了实测能耗中方差的74%（R² = 0.743），确认含水率是燃料需求的主要可控驱动因素。
4. 两样本t检验（p = 0.674）发现，基于燃料的CO₂估算与直接废气方法之间的平均CO₂估计值无统计学显著差异。然而，鉴于样本量有限（n = 18）以及基于燃料估算的方差显著更大（σ² = 13.18 vs. 2.95），该结果应视为关于实际等价性的不确定结论，而非确认两种方法在单个工厂或批次水平上可互换。批次水平上高达15%的系统性、工厂特定偏差确认，在基于能量需求的CO₂计算可可靠地用于LCA或EPD应用之前，必须进行工厂特定校准。实测燃烧相关CO₂排放强度在AP1为17.39至21.76 kg/t，在AP2为16.05至18.44 kg/t；基于燃料的估算在AP1超过实测值约2–5 kg/t，在AP2低估最多2 kg/t。

本研究对更可持续沥青生产的贡献有两方面。首先，来自两个运营工厂的经过验证的批次级燃料消耗和直接实测CO₂排放数据，提供了基于生产的初级值，可支持在类似条件下生产的沥青混合料环境声明的开发。其次，结果用初级生产数据证实了能耗对骨料含水率的强依赖性，指出堆存骨料的水分控制是减少燃料消耗和燃烧相关排放的实用操作措施。