張登峰，楊迎春，任志強(qiáng)，魏 歡

(1.武漢工大土木工程檢測(cè)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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?gòu)膰娍谏涑?，?jīng)點(diǎn)火燃燒形成一定長(zhǎng)度的燃燒火焰在旋轉(zhuǎn)的干燥筒中對(duì)骨料反復(fù)加熱，使骨料達(dá)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(duì)燃燒器腐蝕性強(qiáng)，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(xì)煤粉通過專門的煤粉氣化爐轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w(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(diǎn)。另外，煤制氣具有對(duì)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(diǎn)。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(hù)生態(tài)環(huán)境。

1 項(xiàng)目概況

建設(shè)中的國(guó)道306線烏里雅斯太至珠恩嘎達(dá)布其口岸一級(jí)公路是內(nèi)蒙古自治區(qū)重點(diǎn)公路建設(shè)項(xiàng)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(dá)布其口岸中蒙國(guó)界中國(guó)側(cè)，主線長(zhǎng)59.02 km，按照雙幅一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h。全線采用瀝青混凝土路面。項(xiàng)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(chǎng)，且與蒙古國(guó)牧場(chǎng)相連，對(duì)環(huán)境保護(hù)和施工安全要求相當(dāng)嚴(yán)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(jìn)節(jié)能低碳技術(shù)的應(yīng)用推廣，為此，項(xiàng)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(jìn)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(xiàng)目的瀝青拌和站燃燒加熱系統(tǒng)，應(yīng)用于該項(xiàng)目的瀝青混合料生產(chǎn)過程。

2 技術(shù)簡(jiǎn)介及項(xiàng)目應(yīng)用情況

2.1 煤制氣技術(shù)簡(jiǎn)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(xì)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?xì)?，其主要成分為CO和H2。合成燃?xì)饨?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(jī)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(diǎn)火裝置自動(dòng)點(diǎn)火燃燒，在集料烘干筒內(nèi)形成一定長(zhǎng)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(shí)監(jiān)控并調(diào)整燃?xì)鈮毫?，控制火焰大小，使骨料加熱效果按照預(yù)設(shè)的溫度和時(shí)間進(jìn)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(gè)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(jìn)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(dāng)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?xì)庥行С煞值闹匾獊碓?，主要反?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(chǎng)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(fù)壓，有利于生產(chǎn)的可燃?xì)怏w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(xiàng)目中的應(yīng)用

錫林郭勒盟國(guó)道306線烏珠一級(jí)公路施工二分部段落總長(zhǎng)35 km，設(shè)計(jì)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(guó)班尼霍夫燃燒器和相匹配的燃?xì)鈽?，增加了燃?xì)獬绦蚩刂萍白冾l風(fēng)壓機(jī)，在燃燒器前方安裝了煤制氣反應(yīng)爐、柴油點(diǎn)火系統(tǒng)，煤粉儲(chǔ)存罐及配套輸送管道、聯(lián)動(dòng)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(shí)還對(duì)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(jìn)行了全封閉降塵措施，達(dá)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(diǎn)

煤制氣反應(yīng)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，氣化爐開、關(guān)機(jī)設(shè)置了自動(dòng)化系統(tǒng)，電子點(diǎn)火，無需預(yù)熱，點(diǎn)火源可用普通罐裝乙炔，燃著后乙炔即可關(guān)閉，耗費(fèi)極低。燃?xì)夥磻?yīng)系統(tǒng)從點(diǎn)火開始到燃?xì)馍芍恍?～8 min。產(chǎn)生的高溫混合燃?xì)饨?jīng)專用管道送入燃燒器腔室，與聯(lián)動(dòng)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(diǎn)火后形成火焰流吹進(jìn)滾筒內(nèi)，火焰的長(zhǎng)度和強(qiáng)度可根據(jù)控制室骨料加熱溫度監(jiān)控顯示手動(dòng)控制，全過程監(jiān)控，隨時(shí)調(diào)節(jié)。

生產(chǎn)過程中遇到特殊情況需臨時(shí)停機(jī)，系統(tǒng)設(shè)置有“熱待機(jī)”程序，反應(yīng)爐可及時(shí)限制煤粉供給量(約30～50 kg/h)，維持反應(yīng)爐待機(jī)狀態(tài)，需要重新開盤生產(chǎn)時(shí)，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(shí)，拌和站生產(chǎn)過程的各個(gè)流程的工作時(shí)間不延長(zhǎng)、拌和溫度與傳統(tǒng)燃料一致，引風(fēng)機(jī)開度及骨料流量相匹配。拌和站生產(chǎn)結(jié)束時(shí)，只需關(guān)閉煤制氣反應(yīng)程序，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成關(guān)閉延時(shí)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(jī)啟動(dòng)隨時(shí)關(guān)機(jī)，安全可靠。氣化爐采用導(dǎo)熱油循環(huán)，按照鍋爐相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、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(bào)警措施，隨時(shí)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(gè)生產(chǎn)臺(tái)班結(jié)束后及時(shí)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(xiàng)目瀝青路面施工任務(wù)發(fā)揮了重要的作用。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

1)直接經(jīng)濟(jì)效益 根據(jù)項(xiàng)目路面瀝青混合料生產(chǎn)記錄統(tǒng)計(jì)，施工二分部實(shí)際生產(chǎn)瀝青混合料19.452萬t，消耗磨細(xì)煤粉1 764.5 t，計(jì)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(xì)煤粉到場(chǎng)價(jià)為1 350元/t，計(jì)算得生產(chǎn)1 t瀝青混合料消耗的燃料費(fèi)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(fèi)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(duì)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(fèi)分別為19.65元和16.37元，而計(jì)算得到煤制氣技術(shù)產(chǎn)生的燃料費(fèi)每噸混合料僅為12.25元。

根據(jù)表1計(jì)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(fèi)，比天然氣燃料成本少4.12元/t，節(jié)省25.2%燃料費(fèi)。項(xiàng)目生產(chǎn)了19.452萬t瀝青混合料，僅燃料費(fèi)一項(xiàng)，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(fù)責(zé)安裝調(diào)試，項(xiàng)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(fèi)用含在煤粉燃料費(fèi)中，不額外增加施工企業(yè)的設(shè)備成本。

2)間接經(jīng)濟(jì)效益 煤制混合氣燃燒充分，幾乎無殘留，對(duì)設(shè)備腐蝕性低，污染小，減小了燃燒器槍頭的磨損，延長(zhǎng)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(hù)成本。同時(shí)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(dòng)強(qiáng)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(duì)周圍環(huán)境污染小，尾氣中有害物含量幾乎為“零”，又因?yàn)槿細(xì)馊紵浞?，?duì)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(duì)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(yùn)至指定位置的棄土場(chǎng)進(jìn)行掩埋，減少了對(duì)草原土壤和水體的污染。

3 項(xiàng)目推廣價(jià)值分析

3.1 能耗對(duì)比分析

根據(jù)《綜合能耗計(jì)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(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)如表2所示。

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

表2 重油、天然氣、煤制氣折算標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)煤為

9.071×0.900 0=8.163 9 kgce

(5)

根據(jù)式(3)～式(5)能耗折煤計(jì)算對(duì)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(dāng)于節(jié)約了118.21 t標(biāo)準(zhǔn)煤。

3.2 排放對(duì)比分析

1)以重渣油為燃料時(shí)，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(shí)，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(jì)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(jí)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(jì)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(duì)環(huán)境保護(hù)和水土保持等社會(huì)效益方面意義重大。

4 結(jié) 語(yǔ)

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(guó)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(jìn)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(fèi)用，減少了物料浪費(fèi)，對(duì)生態(tài)保護(hù)起到了良好的示范作用。