瀝青混合料生產(chǎn)骨料加溫新技術(shù)

周世鑫

中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050011

瀝青混合料生產(chǎn)骨料加溫新技術(shù)

New Heating Technology for Aggregate During Asphalt Mixture Production

周世鑫

中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050011

0 引言

瀝青拌和站是瀝青路面施工中的關(guān)鍵設(shè)備，對燃料的選擇、瀝青拌和站的生產(chǎn)穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本的高低有著至關(guān)重要的影響。

建國初期到20世紀80年代，中國公路建設(shè)用的瀝青混合料一直是以人工炒盤方式生產(chǎn)，燃料主要是木柴和煤炭，生產(chǎn)效率低，混合料的質(zhì)量不穩(wěn)定；引進瀝青拌和設(shè)備后，主要是以柴油作為燃料；到了20世紀90年代，為了降低瀝青混合料生產(chǎn)的燃料成本，部分施工企業(yè)開始以180號重油作為燃料生產(chǎn)瀝青混合料；但是2002年后，部分個體經(jīng)營者開始以中溫煤焦油提煉精醋酸，冒充重油提供給施工企業(yè)。由于供應問題、貨源及生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定、供應商不誠信等原因造成了中溫煤焦油含雜質(zhì)多、熱值不穩(wěn)，同時易損害燃燒器、油泵、油嘴、布袋除塵等部件，增加了設(shè)備的故障率，不過由于石油價格的不斷走高，采用中溫煤焦油生產(chǎn)瀝青混合料是施工企業(yè)不得不接受的選擇。

另一方面，隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴重，特別是京津冀地區(qū)的環(huán)境污染問題更為突出。2013年9月17日，國家環(huán)境保護部、國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部、財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家能源局聯(lián)合下發(fā)“環(huán)發(fā)[2013]104號”文件《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細則》。2014年5月16日，國家環(huán)境保護部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗總局聯(lián)合下發(fā)了新的《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271—2014）。國家日益嚴格的環(huán)境保護政策對公路施工企業(yè)瀝青混合料生產(chǎn)的排放也提出了更高的要求，在這種情況下，瀝青拌和站“油改氣”開始大范圍實施。

1 瀝青混合料生產(chǎn)骨料加溫新技術(shù)的產(chǎn)生原因

瀝青拌和站采用天然氣作燃料生產(chǎn)瀝青混合料，簡單易控，綠色環(huán)保，減輕了設(shè)備除塵系統(tǒng)的負擔，降低了瀝青拌和設(shè)備的故障率，節(jié)約了維修成本，低溫點火容易，對環(huán)境溫度適應性好，能延長瀝青拌和站的有效工作時間。但是隨著天然氣價格的不斷上漲，采用天然氣作燃料生產(chǎn)瀝青混合料也增加了公路施工企業(yè)的生產(chǎn)成本。使用天然氣作燃料與使用重油、煤焦油作燃料生產(chǎn)瀝青混合料的生產(chǎn)成本對比見表1。

由表1可以看出：采用煤焦油作燃料生產(chǎn)成本最低，采用天然氣生產(chǎn)成本最高，采用180號重油的生產(chǎn)成本在兩者之間。

面對國家日益提高的環(huán)境排放標準和日益嚴格的環(huán)境保護政策，公路施工企業(yè)必須尋找既能滿足國家環(huán)境保護政策又能降低瀝青混合料生產(chǎn)燃料成本的新途徑。

表1 油改氣生產(chǎn)成本對比

2 瀝青混合料生產(chǎn)骨料加溫新技術(shù)

傳統(tǒng)方式燃煤會產(chǎn)生污染、破壞環(huán)境，這是事實；但是中國富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)迫使能源工作者不得不將研究發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)作為解決污染的首選途徑。

因此，為了在不對環(huán)境造成污染的前提下降低瀝青混合料生產(chǎn)的成本，公路施工企業(yè)和筑路機械生產(chǎn)廠家開始研究將潔凈煤技術(shù)應用到公路施工行業(yè)。比較有代表性的技術(shù)應用是瀝青拌和站現(xiàn)場煤轉(zhuǎn)氣技術(shù)和微煤霧化技術(shù)。

2.1 現(xiàn)場煤轉(zhuǎn)氣技術(shù)在瀝青拌和站上的應用

煤氣化制成的合成氣可以直接作為燃料使用，稱為人工燃氣，相對于燃料油、天然氣而言，具有價格低廉、清潔環(huán)保的特點。人工燃氣的成本僅僅為天然氣的50%，因此在冶金、重機鍛造、玻璃、陶瓷、瀝青道路建筑等行業(yè)具有廣泛的市場空間。

作為潔凈煤技術(shù)中最為重要的煤氣化技術(shù)，煤粉氣流床常壓空氣氣化技術(shù)是以干煤粉為原料，以常壓空氣為氣化劑，采用氣流床反應器，在貧氧、高溫（大于1 500℃）、常壓或低壓（0.5 MPa以下）、非催化條件下進行還原反應，生成以一氧化碳和氫氣為有效成分的合成氣[1]。由于反應溫度高，反應速度很快，在爐內(nèi)停留時間很短（3～10 s），很快就能達到反應平衡，碳轉(zhuǎn)化率高達96%以上。其發(fā)生的化學反應式如下。

浙江赤道筑養(yǎng)路機械有限公司于2007年在實驗室探索了多重煤種氣流床空氣氣化的可行性，采用CFD軟件進行多次仿真、計算，于2008年確定了中試裝置的反應器。結(jié)合2008～2010年對國內(nèi)十幾種煤種進行的不同試驗，對反應器進行了多次改造，并分別使用了純氧、富氧、空氣作為氣化劑進行各種試驗，成功開發(fā)了具備自主知識產(chǎn)權(quán)的氣化反應器。

2013年8月，河北路橋集團有限公司與浙江赤道筑養(yǎng)路機械有限公司針對煤粉氣流床技術(shù)在瀝青攪拌站上的應用簽訂項目研發(fā)合作協(xié)議，以浙江赤道筑養(yǎng)路機械有限公司生產(chǎn)的G3000型煤粉汽化爐為基礎(chǔ)，應用于河北路橋集團有限公司ASTEC3000瀝青混凝土拌和站瀝青混合料生產(chǎn)現(xiàn)場煤轉(zhuǎn)氣燃料供應。經(jīng)過近2年的研究改進，成功地解決了煤粉穩(wěn)定輸送、煤氣定量供給、點火啟動、負荷調(diào)節(jié)、熱待機、氣化反應速度控制等多方面的問題，實現(xiàn)了操控簡單、快速，完全滿足了瀝青拌和站的工況要求。

2.1.1 煤粉氣流床加溫系統(tǒng)

用于瀝青拌和站的煤粉氣流床加溫系統(tǒng)主要由氣化爐系統(tǒng)、柴油點火系統(tǒng)、煤粉輸送系統(tǒng)、導熱油循環(huán)系統(tǒng)、燃燒器系統(tǒng)、高溫脫硫等六部分組成，其工地現(xiàn)場照片如圖1所示。

2.1.2 煤粉氣流床加溫裝置的經(jīng)濟技術(shù)性能

煤粉氣流床骨料加溫裝置具備開機啟動快、關(guān)閉簡單、一鍵操作、煤氣負荷可以在30%～120%范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)等優(yōu)勢，完全能夠滿足瀝青拌和站的工況要求；采用油氣兩用的燃燒器，便于各種工況下操作，特別是在節(jié)約燃料成本方面效果顯著[2]。

煤粉氣流床骨料加溫裝置利用煤粉在施工現(xiàn)場制備熱煤氣，用于瀝青混合料生產(chǎn)，省去了集中煤制氣后所需的冷卻、加壓、運輸過程，提高碳轉(zhuǎn)化率和熱利用率。根據(jù)正在運行的項目統(tǒng)計，采用煤制氣加溫骨料生產(chǎn)瀝青混合料的燃料成本比采用煤焦油作燃料節(jié)約燃料成本50%以上，見表2。

2.1.3 煤粉氣化爐加溫系統(tǒng)的環(huán)保性能

煤粉氣化爐加溫系統(tǒng)在還原條件下運行，產(chǎn)生的氮氧化物非常低，完全達到環(huán)保要求，所生成的合成氣為氫氣、一氧化碳及少量甲烷，不含焦油等成分。

煤粉氣化爐加溫系統(tǒng)的尾氣排放高于2014年最新發(fā)布的《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271—2001）[3]中的新建燃氣鍋爐的排放標準，如表3、圖2所示。

2.2 微煤霧化技術(shù)在瀝青拌和站的應用

微煤霧化技術(shù)已經(jīng)成為煤炭清潔高效利用的首選技術(shù)之一。 微煤霧化技術(shù)的核心在于微煤配制加工，引進飛機渦流技術(shù)改造傳統(tǒng)鍋爐，通過多次渦流霧化，實現(xiàn)鍋爐煤氣兩用，達到天然氣排放標準。利用該技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)燃煤鍋爐，可將燃燒效率提高到98%，熱效率提高到90%以上。與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，該項技術(shù)節(jié)煤30%、節(jié)電20%、節(jié)水10%、節(jié)地50%、節(jié)約人力50%，既清潔環(huán)保，又經(jīng)濟高效。

之前，采用微煤霧化技術(shù)的煤粉燃燒器是德國政府廣泛推廣的新技術(shù)，在德國已經(jīng)有超過400套瀝青拌和設(shè)備使用煤粉燃燒機直接使用BCD作為燃料生產(chǎn)瀝青混合料。但是由于德國的煤炭絕大部分為優(yōu)質(zhì)褐煤，與國內(nèi)的煤炭存在差異，直接引入德國生產(chǎn)的煤粉燃燒器會因為煤炭的品質(zhì)問題產(chǎn)生“水土不服”，所以該項技術(shù)很長時間內(nèi)沒有引入中國。

現(xiàn)在，由擁有三十多年燃燒器設(shè)計經(jīng)驗的歐洲資深燃燒器專家Mr.Max Hauswirth和Mr.Gilbert Scheling組成研發(fā)團隊，并與德國藍姆泰克公司結(jié)成瀝青攪拌設(shè)備燃燒器系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)合作伙伴，引進國外先進技術(shù)，并結(jié)合中國的氣候環(huán)境、海拔高度、煤炭性能等實際情況，對煤粉控制系統(tǒng)、煤粉計量系統(tǒng)、煤粉輸送系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)及控制系統(tǒng)加以改進創(chuàng)新、功能升級，成功研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GreenFire系列燃燒器，且已在歐洲通過了CE認證。

表2 煤制氣、煤焦油、天然氣燃料成本對比

表3 新建鍋爐大氣污染物排放極限 mg·m－3

邯鄲光泰工程有限公司、河北路橋集團有限公司首先開展了GreenFire系列煤粉燃燒器在瀝青拌和站上的應用推廣工作。

2.2.1 煤粉燃燒器骨料加溫系統(tǒng)

GreenFire燃燒器骨料加溫系統(tǒng)分為三個部分：燃油系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)、燃煤系統(tǒng)，其組成下。

（1）燃油系統(tǒng)包括供油系統(tǒng)、燃燒器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

（2）燃氣系統(tǒng)包括供氣系統(tǒng)、燃燒器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

（3）燃煤系統(tǒng)包括煤粉計量系統(tǒng)、煤粉輸送系統(tǒng)、霧化燃燒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

GreenFire煤粉燃燒器加溫系統(tǒng)組成見圖3，燃煤系統(tǒng)組成見圖4。

2.2.2 GreenFire煤粉燃燒器骨料加溫系統(tǒng)的經(jīng)濟技術(shù)性能

GreenFire煤粉燃燒系統(tǒng)的燃料是采用潔凈煤技術(shù)，經(jīng)過精選、烘干、破碎研磨多道工序加工而成的200目的細煤粉；風機采用混流式風機，通過變頻技術(shù)調(diào)節(jié)風量和風壓；燃燒器的特殊設(shè)計使煤粉噴射后充分霧化，形成空氣-煤粉霧化風流，熱效率達到90%以上[4-5]。煤粉計量采用德國申克集團SchenckProcess煤粉流量計（圖5），控制煤粉供應的均勻、穩(wěn)定，保證了燃燒的穩(wěn)定性。

試驗表明，在使用煤粉作為燃料加溫骨料的過程中，所產(chǎn)生的灰分和硫酸鈣等并不妨礙瀝青混凝土的性能，反而增強了瀝青混凝土的性能指標。

煤粉燃燒器骨料加溫系統(tǒng)生產(chǎn)瀝青混合料的生產(chǎn)成本只有使用中溫煤焦油成本的40%，詳見表4。煤粉消耗量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的來源是邯鄲光泰工程有限公司在新疆三莎高速公路項中目用于加隆5000型瀝青拌和站的實際消耗量。

2.2.3 煤粉燃燒器骨料加溫系統(tǒng)的環(huán)保性能

由于煤粉燃燒器骨料加溫系統(tǒng)采用了經(jīng)過潔凈煤技術(shù)加工而成的煤粉，燃燒充分，熱效率高，燃燒后的煙氣經(jīng)過滾筒、除塵箱內(nèi)過量粉狀碳酸鈣脫硫，所以其尾氣排放基本滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271—2001）中的新建燃氣鍋爐的排放標準。具體排放指標見圖6。

作為微煤霧化技術(shù)應用的煤粉燃燒器加溫系統(tǒng)和現(xiàn)場煤制氣骨料加溫系統(tǒng)的生產(chǎn)成本基本相同，每噸瀝青混合料的燃料成本均在10元以內(nèi)，但從結(jié)構(gòu)上比較，現(xiàn)場煤轉(zhuǎn)氣骨料加溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復雜，溫度調(diào)節(jié)反應速度稍慢；從現(xiàn)場實測的尾氣排放檢測數(shù)據(jù)看，現(xiàn)場煤轉(zhuǎn)氣骨料加溫系統(tǒng)比煤粉燃燒器骨料加溫系統(tǒng)要好一些。環(huán)保部門的現(xiàn)場檢測結(jié)果如表5所示。

表4 煤粉、煤制氣、煤焦油、天然氣燃料成本對比

表5 煤轉(zhuǎn)氣、煤粉燃燒器尾氣排放與標準極限值對比 mg·m－3

兩種加溫系統(tǒng)尾氣排放的二氧化硫指標均能滿足新建燃氣鍋爐的排放標準；煤粉燃燒器系統(tǒng)尾氣中的氮氧化物含量明顯高于煤轉(zhuǎn)氣加溫系統(tǒng)，且高于新建燃煤鍋爐的排放標準；現(xiàn)場實測的顆粒物含量取決于測試時瀝青拌和站的除塵情況，與骨料加溫系統(tǒng)的燃料選擇無太大關(guān)聯(lián)。

煤粉燃燒器骨料加溫系統(tǒng)的尾氣排放中氮氧化物含量雖然能夠滿足現(xiàn)行工業(yè)鍋爐的排放標準，但與即將實施的新標準還有一定差距，應繼續(xù)采取措施降低尾氣中氮氧化物的含量。由于煤粉燃燒器沒有脫硝設(shè)備，只能采用低氮燃燒技術(shù)來減少NOx的生成機會。煤粉燃燒器采用的煤粉是揮發(fā)性較高的褐煤，燃料型NOx含量較多，快速型NOx極少。燃料型NOx是空氣中的氧與煤中氮元素熱解產(chǎn)物發(fā)生反應而生成的，但燃料中的氮并非全部轉(zhuǎn)變?yōu)镹Ox，其中存在一個轉(zhuǎn)換率，而降低這個轉(zhuǎn)換率，就可以控制NOx排放總量，可采取的措施有以下幾種。

（1）選取最合理的空氣系數(shù)，盡量降低煤粉燃燒的過量空氣系數(shù)。

（2）進一步改善煤粉霧化及燃燒過程，正確組織空氣分級燃燒過程，切實實現(xiàn)燃料分級燃燒。具體做法是：將主要燃料送入第一級燃燒區(qū)，稱為一次燃料，在α＞1的條件下，燃燒并生成NOx；其余15%～20%的燃料則在主燃燒器的上部送入二級燃燒區(qū)，在α＜1的條件下形成很強的還原性氣氛，使得在一級燃燒區(qū)中生成的NOx在二級燃燒區(qū)（再燃區(qū)）內(nèi)被還原成氮分子，送入二級燃燒區(qū)的燃料又稱為二次燃料，或稱再燃燃料；在再燃區(qū)中不僅使得已生成的NOx得到還原，還抑制了新NOx的生成，可使NOx的排放濃度進一步降低。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)場煤轉(zhuǎn)氣骨料加溫系統(tǒng)和煤粉燃燒器骨料加溫系統(tǒng)均能大幅度降低瀝青混合料生產(chǎn)的燃料成本，煤粉燃燒器系統(tǒng)主要優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單、溫度調(diào)節(jié)反應靈敏，缺陷是需采取措施降低尾氣中的氮氧化物含量；現(xiàn)場煤轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)的尾氣排放能夠滿足排放要求，但是控制程序較復雜，溫度調(diào)節(jié)的反應速度與煤粉燃燒器系統(tǒng)和天然氣燃燒器相比稍慢，需進一步采取措施提高溫度調(diào)節(jié)的反應速度，簡化控制程序。

[1] 馬兆芳,徐厚斌,單顏聞,等.氣流床氣化技術(shù)的現(xiàn)狀及對比[J].中氮肥,2005(6):7-11.

[2] 吳國祥.Shell粉煤氣化工藝運行問題探討及改進思路[J].廣州化工,2010,38(8):254-256.

[3] 索傳勝.改造NOx燃燒器降低煙氣中氮氧化物含量的試驗總結(jié)[J].中國機械,2014 (23):215-216.

[4] GB 13271—2014,鍋爐大氣污染物排放標準[S].

[5] 王振濤,董 星.煤粉燃燒器在瀝青混合料攪拌設(shè)備上的應用[J].筑路機械與施工機械化,2007, 24(9):7-9.