周世鑫

中建路橋集團(tuán)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(tuán)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(jì)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(jìn)瀝青拌和設(shè)備后，主要是以柴油作為燃料；到了20世紀(jì)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(gè)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(yīng)問題、貨源及生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定、供應(yīng)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(shí)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(jià)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(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)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(hù)部、國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部、財(cái)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(shí)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施細(xì)則》。2014年5月16日，國家環(huán)境保護(hù)部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局聯(lián)合下發(fā)了新的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271—2014）。國家日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)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(shí)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(fù)擔(dān)，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(diǎn)火容易，對環(huán)境溫度適應(yīng)性好，能延長瀝青拌和站的有效工作時(shí)間。但是隨著天然氣價(jià)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(biāo)準(zhǔn)和日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)政策，公路施工企業(yè)必須尋找既能滿足國家環(huán)境保護(hù)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(shí)；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(jī)械生產(chǎn)廠家開始研究將潔凈煤技術(shù)應(yīng)用到公路施工行業(yè)。比較有代表性的技術(shù)應(yīng)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(yīng)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?xì)?，相對于燃料油、天然氣而言，具有價(jià)格低廉、清潔環(huán)保的特點(diǎn)。人工燃?xì)獾某杀緝H僅為天然氣的50%，因此在冶金、重機(jī)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(yīng)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(jìn)行還原反應(yīng)，生成以一氧化碳和氫氣為有效成分的合成氣[1]。由于反應(yīng)溫度高，反應(yīng)速度很快，在爐內(nèi)停留時(shí)間很短（3～10 s），很快就能達(dá)到反應(yīng)平衡，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)96%以上。其發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)式如下。

浙江赤道筑養(yǎng)路機(jī)械有限公司于2007年在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行多次仿真、計(jì)算，于2008年確定了中試裝置的反應(yīng)器。結(jié)合2008～2010年對國內(nèi)十幾種煤種進(jìn)行的不同試驗(yàn)，對反應(yīng)器進(jìn)行了多次改造，并分別使用了純氧、富氧、空氣作為氣化劑進(jìn)行各種試驗(yàn)，成功開發(fā)了具備自主知識產(chǎn)權(quán)的氣化反應(yīng)器。

2013年8月，河北路橋集團(tuán)有限公司與浙江赤道筑養(yǎng)路機(jī)械有限公司針對煤粉氣流床技術(shù)在瀝青攪拌站上的應(yīng)用簽訂項(xiàng)目研發(fā)合作協(xié)議，以浙江赤道筑養(yǎng)路機(jī)械有限公司生產(chǎn)的G3000型煤粉汽化爐為基礎(chǔ)，應(yīng)用于河北路橋集團(tuán)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(yīng)。經(jīng)過近2年的研究改進(jìn)，成功地解決了煤粉穩(wěn)定輸送、煤氣定量供給、點(diǎn)火啟動(dòng)、負(fù)荷調(diào)節(jié)、熱待機(jī)、氣化反應(yīng)速度控制等多方面的問題，實(shí)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(diǎn)火系統(tǒng)、煤粉輸送系統(tǒng)、導(dǎo)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(jì)技術(shù)性能

煤粉氣流床骨料加溫裝置具備開機(jī)啟動(dòng)快、關(guān)閉簡單、一鍵操作、煤氣負(fù)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(yùn)輸過程，提高碳轉(zhuǎn)化率和熱利用率。根據(jù)正在運(yùn)行的項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，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(yùn)行，產(chǎn)生的氮氧化物非常低，完全達(dá)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(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271—2001）[3]中的新建燃?xì)忮仩t的排放標(biāo)準(zhǔn)，如表3、圖2所示。

2.2 微煤霧化技術(shù)在瀝青拌和站的應(yīng)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(jìn)飛機(jī)渦流技術(shù)改造傳統(tǒng)鍋爐，通過多次渦流霧化，實(shí)現(xiàn)鍋爐煤氣兩用，達(dá)到天然氣排放標(biāo)準(zhǔn)。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(xiàng)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(jì)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(jī)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?yàn)槊禾康钠焚|(zhì)問題產(chǎn)生“水土不服”，所以該項(xiàng)技術(shù)很長時(shí)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(jì)經(jīng)驗(yàn)的歐洲資深燃燒器專家Mr.Max Hauswirth和Mr.Gilbert Scheling組成研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并與德國藍(lán)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(jìn)國外先進(jìn)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(shí)際情況，對煤粉控制系統(tǒng)、煤粉計(jì)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(jìn)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(rèn)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(tuán)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(yīng)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(gè)部分：燃油系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(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?xì)庀到y(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(jì)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(jì)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(xì)煤粉；風(fēng)機(jī)采用混流式風(fēng)機(jī)，通過變頻技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)壓；燃燒器的特殊設(shè)計(jì)使煤粉噴射后充分霧化，形成空氣-煤粉霧化風(fēng)流，熱效率達(dá)到90%以上[4-5]。煤粉計(jì)量采用德國申克集團(tuán)SchenckProcess煤粉流量計(jì)（圖5），控制煤粉供應(yīng)的均勻、穩(wěn)定，保證了燃燒的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)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(qiáng)了瀝青混凝土的性能指標(biāo)。

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(jì)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(xiàng)中目用于加隆5000型瀝青拌和站的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271—2001）中的新建燃?xì)忮仩t的排放標(biāo)準(zhǔn)。具體排放指標(biāo)見圖6。

作為微煤霧化技術(shù)應(yīng)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(fù)雜，溫度調(diào)節(jié)反應(yīng)速度稍慢；從現(xiàn)場實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)均能滿足新建燃?xì)忮仩t的排放標(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)準(zhǔn)；現(xiàn)場實(shí)測的顆粒物含量取決于測試時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，但與即將實(shí)施的新標(biāo)準(zhǔn)還有一定差距，應(yīng)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(jī)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?zé)峤猱a(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)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(gè)轉(zhuǎn)換率，而降低這個(gè)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(jìn)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(shí)實(shí)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(qiáng)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(jìn)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(yīng)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(fù)雜，溫度調(diào)節(jié)的反應(yīng)速度與煤粉燃燒器系統(tǒng)和天然氣燃燒器相比稍慢，需進(jìn)一步采取措施提高溫度調(diào)節(jié)的反應(yīng)速度，簡化控制程序。

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[4] GB 13271—2014,鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[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(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2007, 24(9):7-9.