瀝青拌和站煤制氣技術(shù)在公路瀝青路面施工中的應(yīng)用與效益分析

張登峰，楊迎春，任志強，魏 歡

(1.武漢工大土木工程檢測有限公司，武漢 430070； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，呼和浩特 010051；3.錫林浩特市養(yǎng)路工區(qū)，錫林浩特 026000； 4.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

傳統(tǒng)的瀝青混合料拌和生產(chǎn)多以破碎煤粉、重渣油或柴油為燃料，在瀝青拌和站燃燒器中與空氣流按一定比例混合，經(jīng)燃燒器高壓腔室霧化加速從噴口射出，經(jīng)點火燃燒形成一定長度的燃燒火焰在旋轉(zhuǎn)的干燥筒中對骨料反復(fù)加熱，使骨料達到瀝青混合料生產(chǎn)所需的溫度。破碎煤粉、重渣油在骨料加熱過程中存在燃燒效率低(燃燒殘留物多)，對燃燒器腐蝕性強，堵塞和污染除塵布袋，影響除塵效率，排放的尾氣粉塵濃度高，且尾氣中含有SO2、CO等有毒有害物質(zhì)，近年來逐漸被液化天然氣等新型燃料所替代[1]。

煤制氣是繼液化天然氣之后，一種新興的專利技術(shù)產(chǎn)品，煤制氣技術(shù)是將高熱值磨細煤粉通過專門的煤粉氣化爐轉(zhuǎn)化為可燃氣體(CO、H2等)的工藝，具有碳轉(zhuǎn)化率高、熱值穩(wěn)定、燃燒速度快、效率高，有害氣體近乎“零”排放等特點。另外，煤制氣具有對關(guān)鍵設(shè)備及部件基本無腐蝕，故障率低，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點。采用煤制氣為燃料生產(chǎn)瀝青混合料能耗更低，降低生產(chǎn)成本，減少有毒有害物質(zhì)排放量，避免使用破碎煤粉、重渣油為燃料產(chǎn)生的污染[2]，保護生態(tài)環(huán)境。

1 項目概況

建設(shè)中的國道306線烏里雅斯太至珠恩嘎達布其口岸一級公路是內(nèi)蒙古自治區(qū)重點公路建設(shè)項目。路線起于錫林郭勒盟東烏旗烏里雅斯太鎮(zhèn)，止于珠恩嘎達布其口岸中蒙國界中國側(cè)，主線長59.02 km，按照雙幅一級公路標準建設(shè)，設(shè)計時速100 km/h。全線采用瀝青混凝土路面。項目主線橫穿東烏旗大草原西北部，兩側(cè)均是天然優(yōu)質(zhì)牧場，且與蒙古國牧場相連，對環(huán)境保護和施工安全要求相當嚴格。為降低瀝青混合料生產(chǎn)過程中的能耗和污染排放，推進節(jié)能低碳技術(shù)的應(yīng)用推廣，為此，項目建設(shè)單位、施工承包單位以及技術(shù)咨詢單位通過論證，引進了具有專利技術(shù)的江西榮恩粉煤氣化及燃燒裝置作為該項目的瀝青拌和站燃燒加熱系統(tǒng)，應(yīng)用于該項目的瀝青混合料生產(chǎn)過程。

2 技術(shù)簡介及項目應(yīng)用情況

2.1 煤制氣技術(shù)簡介

煤制氣是潔凈煤技術(shù)最為重要的煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)，其核心設(shè)備是煤粉氣化爐。氣化爐以高熱值精細煤粉為原料，以壓縮空氣為氣化劑，在高溫中低壓催化反應(yīng)爐中經(jīng)過系列物理、化學(xué)反應(yīng)，生成合成燃氣，其主要成分為CO和H2。合成燃氣經(jīng)專門管道送入瀝青拌和站油氣兩用型燃燒器主腔室中，在腔室內(nèi)與空壓機送入的空氣按一定比例混合并加壓加速，形成旋流風(fēng)從燃燒器槍頭噴口射出，經(jīng)點火裝置自動點火燃燒，在集料烘干筒內(nèi)形成一定長度的火焰流燃燒并釋放熱量，加熱碎石骨料。拌和站中控室根據(jù)滾筒骨料溜槽溫度傳感器顯示溫度，可隨時監(jiān)控并調(diào)整燃氣壓力，控制火焰大小，使骨料加熱效果按照預(yù)設(shè)的溫度和時間進行，保證瀝青混合料的拌和質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

煤制氣生產(chǎn)過程是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)的反應(yīng)過程，氣化反應(yīng)區(qū)分為一次反應(yīng)區(qū)、二次反應(yīng)區(qū)和一次二次反應(yīng)共存區(qū)[2-4]。

1)一次反應(yīng)區(qū)(氧化層)：反應(yīng)物主要有空氣(氧氣)、煤粉及少量回流氣體(主要為CO、H2等)。煤粉進入氣化爐后受到燃油火焰、爐內(nèi)壁、高溫回流氣體等的輻射熱，發(fā)生熱裂解并釋放出揮發(fā)酚、裂解產(chǎn)物及其他易燃組分，在高溫高壓有氧環(huán)境下迅速完全燃燒，釋放出大量的熱量。該過程相當短促，反應(yīng)方程式如下

2)二次反應(yīng)區(qū)(還原層)：二次反應(yīng)區(qū)的成分主要有煤焦、CO2、CH4、H2O、CO、H2等。該過程主要參與成分是煤焦、CH4與H2O、CO2發(fā)生的氣化—還原反應(yīng)，主要產(chǎn)物為CO和H2，該反應(yīng)過程是燃氣有效成分的重要來源，主要反應(yīng)方程式如下

3)一次二次反應(yīng)共存區(qū)：氣化爐中一次、二次反應(yīng)共存區(qū)氣流場反應(yīng)較為復(fù)雜，一次反應(yīng)以放熱為主，二次反應(yīng)以吸熱為主，四噴嘴氣化致使發(fā)生二次反應(yīng)的區(qū)域溫度降低，形成局部負壓，有利于生產(chǎn)的可燃氣體往燃燒器管道口的匯集和輸送[2-4]。

2.2 煤制氣技術(shù)在項目中的應(yīng)用

錫林郭勒盟國道306線烏珠一級公路施工二分部段落總長35 km，設(shè)計瀝青路面結(jié)構(gòu)層為：4 cm SBS改性瀝青AC-16上面層+ 6 cm SBS改性瀝青AC-20下面層，瀝青混合料總量約19萬t，采用江蘇路通4000型瀝青拌和站。

1)瀝青拌和站技術(shù)改造情況

拌和站建設(shè)過程中將重油燃燒器更換為德國班尼霍夫燃燒器和相匹配的燃氣槍，增加了燃氣程序控制及變頻風(fēng)壓機，在燃燒器前方安裝了煤制氣反應(yīng)爐、柴油點火系統(tǒng)，煤粉儲存罐及配套輸送管道、聯(lián)動空氣壓縮系統(tǒng)。在拌和站控制室專門安裝了煤制氣系統(tǒng)反應(yīng)操作系統(tǒng)，同時還對拌和站供料系統(tǒng)、瀝青混合料卸料口、布袋集塵器排塵出口等污染源進行了全封閉降塵措施，達到了混凝土拌和站建設(shè)環(huán)保技術(shù)要求。

2)煤制氣系統(tǒng)操作要點

煤制氣反應(yīng)系統(tǒng)操作簡單，氣化爐開、關(guān)機設(shè)置了自動化系統(tǒng)，電子點火，無需預(yù)熱，點火源可用普通罐裝乙炔，燃著后乙炔即可關(guān)閉，耗費極低。燃氣反應(yīng)系統(tǒng)從點火開始到燃氣生成只需6～8 min。產(chǎn)生的高溫混合燃氣經(jīng)專用管道送入燃燒器腔室，與聯(lián)動空壓系統(tǒng)送入的壓縮空氣流在燃燒器腔室內(nèi)按照一定比例混合，形成具有一定壓力和速度的旋流風(fēng)，在燃燒器噴口經(jīng)點火后形成火焰流吹進滾筒內(nèi)，火焰的長度和強度可根據(jù)控制室骨料加熱溫度監(jiān)控顯示手動控制，全過程監(jiān)控，隨時調(diào)節(jié)。

生產(chǎn)過程中遇到特殊情況需臨時停機，系統(tǒng)設(shè)置有“熱待機”程序，反應(yīng)爐可及時限制煤粉供給量(約30～50 kg/h)，維持反應(yīng)爐待機狀態(tài)，需要重新開盤生產(chǎn)時，按下“恢復(fù)工作”程序，即可在1 min內(nèi)恢復(fù)正常的制氣狀態(tài)。采用煤制氣燃料時，拌和站生產(chǎn)過程的各個流程的工作時間不延長、拌和溫度與傳統(tǒng)燃料一致，引風(fēng)機開度及骨料流量相匹配。拌和站生產(chǎn)結(jié)束時，只需關(guān)閉煤制氣反應(yīng)程序，系統(tǒng)會自動完成關(guān)閉延時處置程序，確保安全穩(wěn)定。

3)系統(tǒng)安全性

煤制氣反應(yīng)系統(tǒng)正常工作壓力在0.5～5.0 MPa之間，屬于中、低壓，隨機啟動隨時關(guān)機，安全可靠。氣化爐采用導(dǎo)熱油循環(huán)，按照鍋爐相關(guān)標準設(shè)計、安裝。煤粉投送采用深100 cm地埋密封管道氣流風(fēng)吹送供給，安裝了管道氣壓表監(jiān)控及報警措施，隨時監(jiān)控管道氣壓，防止煤粉泄露。煤制氣產(chǎn)生的尾渣直接流入冷卻水池，每個生產(chǎn)臺班結(jié)束后及時除塵棄物集中清理，滿足環(huán)保要求。在烏珠公路瀝青路面施工期間，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，生產(chǎn)19萬余t混合料無故障發(fā)生，加溫效果良好，拌和的瀝青混合料溫度均勻穩(wěn)定，油膜裹覆飽滿、色澤鮮亮，黏聚性良好(見圖1)，為優(yōu)質(zhì)高效地完成項目瀝青路面施工任務(wù)發(fā)揮了重要的作用。

2.3 經(jīng)濟效益分析

1)直接經(jīng)濟效益 根據(jù)項目路面瀝青混合料生產(chǎn)記錄統(tǒng)計，施工二分部實際生產(chǎn)瀝青混合料19.452萬t，消耗磨細煤粉1 764.5 t，計算得生產(chǎn)1 t瀝青混合料平均消耗煤粉質(zhì)量為

M煤=(1 764.5×1 000)/(19.452×10 000)=9.071 kg/t

(1)

磨細煤粉到場價為1 350元/t，計算得生產(chǎn)1 t瀝青混合料消耗的燃料費為

Q燃=9.071×(1 350/1 000)=12.25元/t

(2)

以重渣油為燃料和以液化天然氣為燃料的瀝青拌和站，每生產(chǎn)1 t混合料所需的燃料費在筆者前期的研究成果中[1]已經(jīng)有過分析結(jié)論(見表1)。

表1 重渣油與液化天然氣生產(chǎn)成本對比

由表1可以看出：以重渣油和天然氣為燃料，生產(chǎn)1 t瀝青混合料消耗的燃料費分別為19.65元和16.37元，而計算得到煤制氣技術(shù)產(chǎn)生的燃料費每噸混合料僅為12.25元。

根據(jù)表1計算分析結(jié)果，以煤制混合氣為燃料，瀝青混合料生產(chǎn)成本比重渣油燃料成本少7.40元/t，節(jié)省37.7%燃料費，比天然氣燃料成本少4.12元/t，節(jié)省25.2%燃料費。項目生產(chǎn)了19.452萬t瀝青混合料，僅燃料費一項，相比以重渣油為燃料的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，就可節(jié)約140萬元以上。煤制氣反應(yīng)設(shè)備由廠家提供并負責(zé)安裝調(diào)試，項目結(jié)束，設(shè)備由廠家自行拆離，設(shè)備調(diào)遷、安裝、折舊等費用含在煤粉燃料費中，不額外增加施工企業(yè)的設(shè)備成本。

2)間接經(jīng)濟效益 煤制混合氣燃燒充分，幾乎無殘留，對設(shè)備腐蝕性低，污染小，減小了燃燒器槍頭的磨損，延長了除塵布袋的清洗周期等，降低了拌和站核心設(shè)備的維護成本。同時煤制氣反應(yīng)裝置工作穩(wěn)定，故障率低，保證了瀝青混合料的拌和質(zhì)量，提高了拌和站的生產(chǎn)效率，既減輕了工人的勞動強度，又保證了工期。

煤制氣成套設(shè)備清潔環(huán)保，尾氣和煙塵排放少，對周圍環(huán)境污染小，尾氣中有害物含量幾乎為“零”，又因為燃氣燃燒充分，對集塵布袋污染小，大大提高了布袋的濾塵效果，使得排放的尾氣中的固體顆粒濃度降到最低，減小了對空氣污染。煤制氣加熱過程中產(chǎn)生的廢渣量極少，可與瀝青混合料生產(chǎn)過程中排出的廢粉共同收集后，集中運至指定位置的棄土場進行掩埋，減少了對草原土壤和水體的污染。

3 項目推廣價值分析

3.1 能耗對比分析

根據(jù)《綜合能耗計算通則》(GB / T2589—2008)[5]，瀝青攪拌站用的重渣油、天然氣、煤制氣等燃料折算成標準煤系數(shù)如表2所示。

由表2重渣油、天然氣、煤制氣折算標準煤系數(shù)可以分別計算得出，生產(chǎn)1 t瀝青混合料，重渣油燃料消耗折算成標準煤為

表2 重油、天然氣、煤制氣折算標準煤系數(shù)

6.14×1.428 6=8.771 6 kgce

(3)

天然氣燃料消耗折算成煤

(6.49/10 000)×13.3×1 000 = 8.631 7 kgce

(4)

煤制氣燃料消耗折算成標準煤為

9.071×0.900 0=8.163 9 kgce

(5)

根據(jù)式(3)～式(5)能耗折煤計算對比結(jié)果，相比較于重渣油燃料，采用煤制氣技術(shù)生產(chǎn)1 t瀝青混合料消耗的能源減少0.607 7 kgce，總能源消耗減少0.607 7×19.452×1 000=118 209.804 kgce，相當于節(jié)約了118.21 t標準煤。

3.2 排放對比分析

1)以重渣油為燃料時，重渣油中碳含量約為85%，硫含量約為2.5%[3-5]，則每1 t瀝青混合料產(chǎn)生的碳排放量約為：6.14×85%=5.219 kg；產(chǎn)生的硫排放約量為：6.14×2.5%=0.153 5 kg。

2)以煤制氣為燃料時，精制煤粉碳含量約為55%，硫含量約為0.2%[3-5]。則每1 t瀝青混合料產(chǎn)生的碳排放量約為：9.071×55%=4.989 kg；產(chǎn)生的硫排放量約為：9.071×0.2%=0.018 kg。

通過計算，采用煤制氣與重油相比，每生產(chǎn)1 t瀝青混合料，碳排放量減少了0.23 kg，減少排放約4.4%；硫排放量減少了0.135 5 kg，減少約88.3%。施工二分部19.452萬t瀝青混合料采用煤制氣燃料，總共減少碳排放0.23×19.452×10 000/1 000=44.74 t，減少硫排放0.135 5×19.452×10 000/1 000=26.36 t。

采用煤制氣作為高等級公路瀝青拌和站燃料生產(chǎn)瀝青混合料，不僅僅具有顯著的經(jīng)濟效益，且使用性能穩(wěn)定，能源消耗更低，C、S等有害物質(zhì)排放量更少，對環(huán)境保護和水土保持等社會效益方面意義重大。

4 結(jié) 語

煤制氣技術(shù)應(yīng)用于瀝青拌和站生產(chǎn)在錫盟地區(qū)應(yīng)用尚屬首次，國道306線烏珠公路于2019年5月底安裝完畢并成功試車，目前已生產(chǎn)混合料19萬余噸，期間無一起因燃料問題而耽誤生產(chǎn)，采用煤制氣加熱的骨料表面干凈無殘留物裹覆，沒有發(fā)生除塵器布袋污染和堵塞情況，拌制的混合料溫度穩(wěn)定均勻，保證了工程質(zhì)量與施工進度。煤制氣技術(shù)在草原地區(qū)瀝青拌和站的成功應(yīng)用，節(jié)省了大量的燃料費用，減少了物料浪費，對生態(tài)保護起到了良好的示范作用。