沥青混合料生产骨料加温新技术.docx
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沥青混合料生产骨料加温新技术
沥青混合料生产骨料加温新技术
中建路桥集团有限公司刘兴芳周世鑫河北石家庄050011
ChinaConstructionRoad&BridgeGroupCO.LTDLiuXingfang&ZhouShixinShijiazhuang,HebeiProvince050011
摘要：
降低沥青混合料生产过程中尾气排放造成环境污染是公路施工企业的社会责任也是公路施工企业应尽的义务，煤转气技术和微煤雾化技术均是洁净煤技术的重要途径，本文对采用现场煤转气技术和微煤雾化技术的两种骨料加温系统做了简要介绍，分析对比两套系统的结构及其性能和环保分析，旨在找到一条即能降低环境污染又能降低沥青混合料生产成本的途径。
关键词：
煤制气、微煤雾化、煤转气骨料加温系统、煤粉燃烧机骨料加温系统
Abstract:
toreducetheenvironmentalpollutioncausedbyexhaustemissionsduringtheprocessofasphaltmixtureproductionisthesocialresponsibilityofroadconstructionenterprisesaswellasthedutythattheyshouldachieve,andthetechnologyofcoal-to-gasandatomizationtechnologyforsmallpiecesofcoalsarebothimportantroutinesofCCT（cleancoaltechnology）.Thethesisbrieflyintroducestheheatingsystemforthetwokindsofaggregatesinthetechnologiesofcoal-to-gasandatomizationtechnologyforsmallpiecesofcoalsinsite,andanalysesandcomparesthestructures,performancesandenvironmentalprotectionanalysisofthetwosystems,aimingatfindingaroutinethatcanreducebothenvironmentalpollutionsandproductioncostofasphaltmixtures.
Keywords:
coal-to-gas,atomizationforsmallpiecesofcoals,aggregateheatingsystemforcoal-to-gas,aggregateheatingsystemforpulverizedcoalburner
1绪论
1.1我国沥青混合料生产骨料加温燃料的发展历程
沥青拌合站是沥青路面施工当之无愧的关键设备，沥青混合料的生产过骨料加温燃料的选择对沥青拌合站的生产稳定性和生产成本的高低起着至关重要的作用。
建国初期到80年代，我国公路建设的沥青混合料生产是以人工炒盘方式生产，燃料主要是木柴和煤炭，生产效率低、混合料的质量不稳定；引进沥青拌和设备后，初期主要是用柴油作为燃料；到了二十世纪九十年代，为了降低沥青混合料生产的燃料成本，部分施工企业开始以180号重油作为燃料生产沥青混合料；但是2002年后部分个体经营者开始以中温煤焦油提炼精醋酸后冒充重油给施工企业提供沥青混合料燃料，中温煤焦油由于供应问题、货源不稳定、生产工艺不稳定、供应商不诚信等原因造成了中温煤焦油、含杂质多、热值不稳，对燃烧器、油泵、油嘴、布袋除尘等容易造成损害，增加了设备的故障率，但由于石油价格的不断走高，采用中温煤焦油生产沥青混合料是施工企业不得不接受的选择。
但是随着我国经济的高速发展，环境污染问题日益严重，特别是京津冀地区的环境污染问题更为突出。
2013年9月17日国家环境保护部、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、财政部、住房和城乡建设部、国家能源局联合下发“环发[2013]104号”文件《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》。
2014年5月16日国家环境保护部、国家质量监督检验总局联合下发了新的《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014，国家日益严格的环境保护政策对公路施工企业沥青混合料生产的排放也提出了更高的要求，在这种情况下沥青拌合站“油改气”开始大范围实施；
1.2沥青混合料生产骨料加温新技术产生动因
沥青拌合站采用天然气作燃料生产沥青混合料，简单易控，绿色环保，减轻设备除尘系统的负担、降低了沥青拌合设备的故障率、节约了维修成本，低温点火容易、对环境温度适应性好、延长沥青拌合站的有效工作时间。
但是随着天然气价格的一路走高，采用天然气做燃料生产沥青混合料是公路施工企业的生产成本也一路走高。
使用天然气作燃料与使用重油、煤焦油作燃料生产沥青混合料的生产成本对比见表一：
油改气生产成本对比表。
表一：
油改气生产成本对比表
煤焦油
热值
消耗量
消耗热值
单价
生产成本
8500kcal/kg
6.5kg
55250
3.5
22.75元/吨
重油
9800kcal/kg
6kg
58800
4.2
25.2元/吨
天然气CNG
8600kcal/m3
6.5m3
55900
4.5
31.5元/吨
天然气供应为采用LNG运输车送到现场，在施工现场转换成CNG，由于LNG转换成CNG设备投资较大，施工单位一般不购买转换设备，委托供气商现场转换，购买价格按照CNG计价；采用河北地区2014年7月的供货价格
由表一可以看出：
采用煤焦油作燃料生产成本最低，采用天然气生产成本最高并且差距很大，采用180号重油的生产成本在两者中间。
虽然采用中温煤焦油、含杂质多、热值不稳，对燃烧器、油泵、油嘴、布袋除尘等容易造成损害，增加了设备的故障率，但施工单位都愿意选择煤焦油的原因。
面对国家日益提高的环境排放标准和日益严格的环境保护政策，公路施工企业为降低生产成本，寻找即能满足国家环境保护政策又能降低沥青混合料生产燃料成本的新途径。
2沥青混合料生产骨料加温新技术
传统方式燃煤会产生污染、破坏环境，这是事实。
但是我国富煤、贫油、少气的能源结构迫使我国的能源工作者不得不将研究发展洁净煤技术作为解决污染途径。
洁净煤技术是指高技术含量的洁净煤技术，发展的主要方向是煤炭的气化、液化、煤炭高效燃烧与发电技术等等，它是旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制新技术的总称，是当前世界各国解决环境问题的主导技术之一，也是高新技术国际竞争的一个重要领域。
同样，为了在不对环境造成污染的前提下降低沥青混合料生产的生产成本，公路施工企业和筑路机械生产厂家开始研究将洁净煤技术应用到公路施工行业，比较有代表性的技术应用是施工现场煤转气技术和微煤雾化技术在沥青拌合站上的应用。
2.1现场煤转气技术在沥青拌合站上的应用
煤气化制成的合成气可以直接作为燃料，称为人工燃气，其相对于燃料油、天然气而言，具有价格低廉、清洁环保的特点，人工燃气的成本仅仅为天然气的50%，因此在冶金、重机锻造、玻璃、陶瓷、沥青道路建筑等行业具备广泛的市场空间。
作为洁净煤技术中最为重要的煤气化技术--粉煤气流床常压空气气化技术是以干粉煤为原料，以常压空气为气化剂，采用气流床反应器，在贫氧、高温（大于1500℃）、常压或低压（0.5MPa以下）、非催化条件下进行还原反应，生成一氧化碳和氢气为有效成分的合成气。
由于反应温度高，反应速度很快，在炉内停留时间很短（3～10s），很快就能达到反应平衡，碳转化率高达96%以上。
其发生的化学反应式如下：
C+O2=CO2C+CO2=2CO
2C+O2=2COC+H2O=CO+H2C+2H2=CH4（含量很少）
浙江赤道筑养路机械有限公司于2007年在实验室探索了多重煤种气流床空气气化的可行性，采用CFD软件进行反应器进行多次的仿真、计算，与2008年确定了中试装置的反应器。
2008～2010年对国内十几种煤种进行的不同的试验，对反应器进行了多次改造，并分别使用了纯氧、富氧、空气作为气化剂进行各种试验，成功开发了具备自我知识产权的气化反应器。
中建路桥集团的（原河北路桥集团）是具有公路施工总承包特级等十一项施工资质的大型公路施工企业，其沥青路面施工技术始终在业内有很高的影响力，国内最早引进使用沥青拌合站，拥有一批对沥青拌合站温度控制具备很高水平的技术人员。
2013年8月河北路桥集团有限公司与浙赤道筑养路机械有限公司针对粉煤气流床技术在沥青搅拌站上的应用签订项目研发合作协议，以浙江赤道筑养路机械有限公司生产的G3000型煤粉汽化炉为基础，引进用于河北路桥集团有限公司ASTEC3000沥青混凝土搅拌站用于京石改扩建六沥青混合料生产现场煤转气燃料供应，利用煤粉制备热煤气，现场用于沥青混合料生产，经过近2年的研究改进，成功地解决了煤粉稳定输送、煤气定量供给、点火启动、负荷调节、热待机、气化反应速度控制等等多方面的问题，实现了操控简单、快速，完全满足了沥青搅拌站的工况要求。
2.1.1煤粉气流床加温系统
用于沥青搅拌站的煤粉气流床加温系统主要由气化炉系统、柴油点火系统、煤粉输送系统、导热油循环系统、燃烧器系统、高温脱硫等六部分组成，如图一煤粉空气气化系统示意图所示。
图一：
煤粉气流床加温装置示意图
图二：
煤粉气流床气加温装置施工现场设备图
图三：
煤粉气流床加温装置燃烧器施工现场设备图
2.1.2煤粉气流床气加温装置的经济技术性能
煤粉气流床骨料加温装置开机启动快、关闭简单、一键操作，符合调节可以在30~120%范围内自由调节完全能够满足沥青搅拌站的工况要求，采用油气二用的燃烧器，便于各种工况下的操作，特别是在节约燃料成本方面效果显著。
煤粉气流床骨料加温装置，利用煤粉在施工现场制备热煤气用于沥青混合料生产，省去了集中煤制气后所需的冷却、加压、运输过程，提高碳转化率和热利用率。
根据我公司正在运行的项目统计，加热每吨石料基本需要8~9kg煤粉，费用在9~10元/t（包含每次点火所需大约6Kg左右的柴油成本）采用煤制气加温骨料生产沥青混合料的燃料成本比采用煤焦油作燃料节约燃料成本50%以上，见表二：
煤制气、煤焦油、天然气燃料成本对比表。
表二：
煤制气、煤焦油、天然气燃料成本对比表
加温方式
燃料种类
热值
消耗数量
单价
加温成本
煤制气
煤粉
5500kcal/kg
9kg
0.8元/kg
9-10元/吨
每次点火消耗柴油6kg，增加加气化炉维护工人2人
8.5元/kg
煤焦油
煤焦油
8500kcal/kg
6.5kg
3.5元/kg
22.75元/吨
天然气
天然气
8600kcal/m3
6.5m3
4.5元/m3
31.5元/吨
生产每吨混合料的燃料消耗均是按照沥青拌合站标准工况下生产普通沥青混合料计算，骨料加温目标温度160度，各种燃料单价采用河北地区2014年7月的供货价格
2.1.3煤粉气化炉加温系统的环保性能
沥青搅拌站配套的粉煤气化及其燃烧设备从设计到制造始终追求清洁环保的理念，每个细节，每个机器都完全达到环保要求，整机系统无粉尘泄露点，运行时清洁干净。
同时本系统使用低硫碳，经过炉内部分脱硫，与重油的含硫量（3~5%）相比，煤气中的含硫量大幅度降低，基本可以与天然气媲美。
由于本系统是在还原条件下运行，系统中产生的氮氧化物非常低，完全达到环保要求，所生成的合成气为氢气和一氧化碳及少量甲烷，不含焦油等污染成分。
煤粉汽化炉加温系统的尾气排放高于2014年最新发布的《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2001）中的新建燃气锅炉的排放标准。
具体指标将表三：
新建锅炉大气污染五排放极限值与检测报告数据对比。
2.2微煤雾化技术在沥青拌合站上的应用
微煤雾化技术已经成为煤炭清洁高效利用的技术的首选之一“微煤雾化”技术的核心在于“微煤配制加工，引进飞机涡流技术改造传统锅炉，通过多次涡流雾化，实现锅炉煤气两用，达到天然气排放标准”。
利用该技术改造传统工业燃煤锅炉，可将燃烧效率提高到98%，热效率提高到90%以上，与传统燃煤锅炉相比，该项技术节煤30%，节电20%、节水10%、节地50%、节约人力50%，既清洁环保，又经济高效。
采用微煤雾化技术的的煤粉燃烧器是德国政府广泛推广的新技术，在德国已经有超过400套沥青拌和设备使用煤粉燃烧机直接使用BCD作为燃料生产沥青混合料，但是由于德国的煤炭绝大部分为优质褐煤，与国内的煤炭存在差异，所以该项技术原因很长时间内没有引入中国，直接引入德国生产的煤粉燃烧器由于国内煤炭的品质问题会产生“水土不符”。
GreenFire燃烧器由拥有三十多年燃烧器设计经验的欧洲资深燃烧器专家Mr.MaxHauswirth和Mr.GilbertScheling研发而成，研发团队与德国蓝姆泰克公司结成沥青搅拌设备燃烧器系统技术研发合作伙伴。
引进国外先进技术结合我国的气候环境、海拔高度、煤炭性能等实际情况，对煤粉控制系统、煤粉计量系统、煤粉输送系统、燃烧系统及控制系统加以改进创新、功能升级形成了具有自主知识产权的GreenFire系列燃烧器，在欧洲通过了CE认证。
邯郸光泰工程有限公司、河北路桥集团有限公司首先进行了煤粉燃烧器在沥青拌合站上的应用推广工作。
2.2.1煤粉燃烧器骨料加温系统
GreenFire燃烧器骨料加温系统分为三个部分；燃油系统、燃气系统、燃煤系统，其组成下：
⏹燃油系统：
供油系统、燃烧器系统、控制系统；
⏹燃气系统：
供气系统、燃烧器系统、控制系统；
⏹燃煤系统：
、煤粉计量系统、煤粉输送系统、雾化燃烧系统、控制系统；
见图四：
煤粉燃烧器加温系统组成和图五：
煤粉燃烧器燃煤系统组成。
2.2.2煤粉燃烧器骨料加温系统的经济技术性能
GreenFire煤粉燃烧系统的燃料是采用洁净煤技术经过精选、烘干、破碎研磨多道工序加工而成的200目的细煤粉，风机采用混流式风机采用变频技术调节风量和风压，燃烧器特殊设计使煤粉喷射后充分雾化，形成“空气-煤粉”雾化风流，热效率达到90%以上。
煤粉计量采用德国申克集团SchenckProcess煤粉流量计（见图六：
GreenFire煤粉燃烧系统煤粉流量计），煤粉供应的均匀、稳定，保证了燃烧的稳定性。
试验表明使用煤粉作为燃料加温骨料过程中产生的灰分和硫酸钙等并不妨碍沥青混凝土的性能，反而增强了沥青混凝土的性能指标。
煤粉燃烧器骨料加温系统生产沥青混合料生产成本只有使用中温煤焦油成本的40%，详见表四：
煤粉、煤制气、煤焦油、天然气燃料成本对比表，煤粉消耗量统计数据的来源是邯郸光泰工程有限公司在新疆三莎高速公路项目用于加隆5000型沥青拌合站的实际消耗量。
表四：
煤粉、煤制气、煤焦油、天然气燃料成本对比表
加温方式
燃料种类
热值
消耗数量
单价
加温成本
煤粉燃烧器
煤粉
5500kcal/kg
9
1元/kg
10元/吨
煤制气
煤粉
5500kcal/kg
9kg
0.8元/kg
9-10元/吨
每次点火消耗柴油6kg，增加加气化炉维护工人2人
8.5元/kg
煤焦油
煤焦油
8500kcal/kg
6.5kg
3.5元/kg
22.75元/吨
天然气
天然气
8600kcal/m3
6.5m3
4.5元/m3
31.5元/吨
生产每吨混合料的燃料消耗均是按照沥青拌合站标准工况下生产普通沥青混合料计算，骨料加温目标温度160度，各种燃料单价采用河北地区2014年7月的供货价格
2.2.3煤粉燃烧器骨料加温系统的环保性能
由于煤粉燃烧器骨料加温系统采用了经过洁净煤技术加工而成的煤粉，燃烧充分，热效率高，燃烧后的烟气经过滚筒、除尘箱内过量粉状碳酸钙脱硫，所以其尾气排饭也基本满足《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2001）中的新建燃气锅炉的排放标准。
具体排放指标见下图检测报告：
3小结
作为微煤雾化技术应用的煤粉燃烧器加温系统和现场煤制气骨料加温系统的生产成本基本相同,见表四：
《煤粉、煤制气、煤焦油、天然气燃料成本对比表》每吨沥青混合料的燃料成本均在10元以内，但从结构上比较，现场煤转气骨料加温系统结构较复杂、温度调节反应速度稍慢；但从现场实测的尾气排放检测数据看，现场煤转气骨料加温系统比煤粉燃烧器骨料加温系统要好一些。
根据环保部门的现场检测，尾气排放情况对比见表五：
煤转气、煤粉燃烧器尾气排放与标准极限值对比表。
表五：
煤转气、煤粉燃烧器尾气排放与标准极限值对比表
检测项目
煤转气加温系统
煤粉燃烧器加温系统
极限值
第一次
第二次
第一次
第二次
第三次
燃煤锅炉
燃气锅炉
颗粒物
29
23
38
31
37
50
20
二氧化硫
31
31
12
12
12
300
50
氮氧化物
196
171
391
381
377
300
200
由表五可以看出：
两种加温系统尾气排放的二氧化硫指标均能满足新建燃气锅炉的排放标准；煤粉燃烧器系统尾气中的氮氧化物含量明显高于煤转气加温系统的含量，且高于新建燃煤锅炉的排放标准；现场实测的颗粒物含量取决于测试时沥青拌合站的除尘工作情况，与骨料加温系统的燃料选择无太大关联。
煤粉燃烧器骨料加温系统的尾气排放的氮氧化物含量虽然能够满足现行工业锅炉的排放标准，但与即将实施的新标准还有一定差距，应继续采取措施，降低尾气中的氮氧化物的含量。
由于煤粉燃烧器没有脱硝设备，只能采用低氮燃烧技术来减少NOX的生成机会，煤粉燃烧器采用的煤粉是挥发性较高的褐煤,燃料型NOX含量较多,快速型NOX极少。
燃料型NOX是空气中的氧与煤中氮元素热解产物发生反应生成NOX,燃料中氮并非全部转变为NOX,它存在一个转换率,降低此转换率,控制NOX排放总量,可采取的措施有:
（1）选取最合理的过量空气系数，尽量降低煤粉燃烧的过量空气系数，;
（2）进一步改善煤粉雾化及燃烧过程，正确组织空气分级燃烧过程，切实实现燃料分级燃烧。
具体做法是：
将主要燃料送入第一级燃烧区,在α>1条件下,燃烧并生成NOX。
送入一级燃烧区的燃料称为一次燃料,其余15~20%的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区,在α<1的条件下形成很强的还原性气氛,使得在一级燃烧区中生成的NOX在二级燃烧区（再燃区）内被还原成氮分子,送入二级燃烧区的燃料又称为二次燃料,或称再燃燃料。
在再燃区中不仅使得已生成的NOX得到还原,还抑制了新的NOX的生成,可使NOX的排放浓度进一步降低。
综上所述，现场煤转气骨料加温系统和煤粉燃烧器骨料加温系统均能大幅度降低沥青混合料生产的燃料成本，煤粉燃烧器系统主要优势是：
结构简单、温度调节反应灵敏度；缺陷是需采取措施降低尾气中的氮氧化物含量；现场煤转气系统的尾气排放能够满足排放要求，但是结果较复杂、温度调节的反应速度与煤粉燃烧器系统和天然气燃烧器相比，反应速度稍慢，需进一步采取措施提高温度调节的反应速度、简化控制程序。
参考文献：
1、马兆芳,徐厚斌,单颜闻,张继宏;气流床气化技术的现状及对比[J];中氮肥;2005年06期
2、吴国祥;;Shell粉煤气化工艺运行问题探讨及改进思路[J];广州化工;2010年08期
3、索传胜，《改造NOx燃烧器降低烟气中氮氧化物含量的试验总结》，《中国机械》，2014
4、《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014
5、王振涛，董星，《煤粉燃烧器在沥青混合料搅拌设备上的应用》， 《筑路机械与施工机械化》， 2007
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