工程建设污染物排放的主要环节，由于当前沥青搅拌设备的主要燃料是柴油、重油，而此类燃料燃烧后排放的氮氧化物、二氧化硫及废气等污染物均远高于天然气燃料；因此通过搅拌设备的技术改进，将天然气作为燃油的替代品，既能降低污染排放，又能保持生产的连续性，是实现低碳环保型沥青路面建设模式的有效途径[12]。
本文就现有的搅拌设备进行油改气改造，制定改造方案，对改造完成后的排放和设备性能进行试验研究，分析油改气后沥青混合料生产的各种特性，为沥青搅拌设备油改气方案提供理论和试验依据。
1 沥青搅拌设备油改气方案
本次油改气所用的沥青搅拌设备是泰安公路局工程一处于2010年购买的安迈4000型沥青搅拌设备，采用重油燃烧器。该设备的使用年限只有2年，已生产各型沥青混合料10万t，设备性能稳定，比较适合进行油改气改造。
为了研究燃气和燃油的差异性，采用一体式低压燃烧器（适用于轻油、重油和天然气），型号为MIB 603。燃烧器的最大功率为24 MW，燃气最大燃烧量为2 388 Nm3·h-1，重油最大燃油量为（当量热值为40.2 MJ·kg-1）2 150 kg·h-1。鼓风机风量为30 000 m3·h-1，功率为45 kW，带消音装置。在油管上方布置齿轮燃油泵，油泵的输出压力为16 bar，底部有开/断阀门，吸油侧配油滤、油压表、恒压表，与燃烧器相连的为单层无缝管道。该燃烧器的燃烧效率高达999%，有20个调节比，能满足各种工况的燃烧要求，气体点火系统着燃率为100%，燃烧器如图1所示。
图1 MIB 603型油气两用燃烧器
天然气站有3个燃气点，分别是：导热油燃烧器，用气量为150 Nm3·h-1，压力7～10 kPa；拌和站燃烧器，用气量为2 200 Nm3·h-1，压力30 kPa；锅炉燃烧器，用气量为150 Nm3·h-1，压力7～10 kPa。
拌和站油改气平面布置如图2所示。拌和站主燃烧器燃气管路布置如图3所示。
图2 油改气平面布置
图3 拌和站主燃烧器燃气管路布置
2 燃烧排放的理论计算
2.1 理论需要空气量
重油中可燃成分C、H、S的含量分别为CP、HP、SP。本文计算所用重油的各成分含量如表1所示。
在过氧情况下，1 kg重油产生的有害气体包括：二氧化碳3 082.85 g，二氧化硫28 g。按照生产1 t沥青混合料需要消耗7 kg重油计算，每生产1 t沥青混合料排放的二氧化碳质量为21 57995 g，二氧化硫质量为196 g。
通过计算，在过氧情况下使用天然气时，1 m3天然气产生的二氧化碳质量为2 0778 g。按照生产1 t沥青混合料需要消耗6 m3天然气计算，则每生产1 t沥青混合料排放的二氧化碳质量为12 4668 g。
由计算可知，使用天然气生产沥青混合料时，二氧化碳的排放量比重油减少了40% ～ 50%，并且由于天然气本身不含硫，所以排放尾气中没有SO2。因此，天然气是名副其实的清洁能源。
3 试验结果分析
本次油改气方案采用的油气两用燃烧器可分别使用燃气和燃油进行生产，试验还可以研究在其他工况一致时燃油和燃气工况下搅拌设备性能指标的差异。
3.1 温度稳定性指标
按国家标准的规定，沥青搅拌设备热骨料出料温度稳定性范围为±9 ℃，成品料出料温度稳定性范围为±5 ℃。而且，范围越小，稳定性越好。
表2为成品料出料温度稳定性试验结果，从中可以看出，使用天然气生产同样质量的AC20沥青混合料时，成品料出料平均温度为155 ℃，标准差为248 ℃，温度稳定性为486 ℃；在使用燃油时，出料平均温度为152 ℃，标准差为221 ℃，温度稳定性为433 ℃，出料温度和温度稳定性均符合国家标准的规定，且使用燃油的温度稳定性要强于使用燃气。
侧面对温度稳定性结论进行了佐证，燃气工况对气源气压的稳定性要求较高，气压的波动将直接影响燃烧的稳定性，从而引起加热对象的温度波动。
另一方面，判断燃料是否充分燃烧，可以用“燃烧器尾气成分中CO的含量是否大于1 000 ppm”作为判断依据。燃烧充分性试验结果见表4。
在燃气工况下，尾气中CO的含量为470 ppm，燃油工况为1 153 ppm，因而可知天然气的燃烧充分性要优于燃油。燃油工况对操作人员的专业性要求较高，需要针对不同工况对燃烧系统进行恰当的实时调节，才能保证良好的燃烧效果。
由以上分析可得出下列结论：当沥青搅拌设备采用天然气作为燃料时，国家相关标准对出料温度稳定性的要求仍然适用；天然气与重油相比，温度稳定性略差一些，但燃烧的充分性高[4]。
3.2 燃料消耗指标
国家标准规定，在额定工况下使用燃油为燃料加热骨料时的消耗量应小于7 kg·t-1。按标准要求计算，假定重油的热值为10 000 kcal·kg-1，加热1 t热骨料需要的热量为70 000 kcal；而天然气的热值为9 125 kcal，按标准工况计算，理论上加热1 t热骨料需要消耗天然气767 Nm3。
现场实测加热1 t热骨料燃油消耗量为5569 kg，燃气消耗量为5153 m3。测试时，冷骨料含水量在1%～18%，冷骨料初始温度为25 ℃～27 ℃，折合到额定工况（环境温度为20 ℃、标准大气压，冷骨料平均含水率为5%，热骨料温度为160 ℃或成品料温度为140 ℃，生产中粒式沥青混合料）时，1 t热骨料需要消耗天然气794 Nm3。
从经济效益来看，加热1 t骨料燃气的成本为2473元人民币；燃油则为1671元人民币（按1 t燃油价格约3 000元人民币计算），燃气成本要高于燃油。
3.3 环保排放指标
油改气的一个主要目的是改善搅拌设备周边的环境条件。在现场试验过程中，主要对CO、CO2、SO2等气体的排放浓度进行了试验，试验结果如表5所示。
3.4 对沥青混合料性能的影响
天然气清洁无污染，几乎没有燃烧后形成的硫磷等残留物，燃烧后的CO2和H2O全部是以气态的形式释放于大气中，经过燃烧、加热除尘的集料和废粉等均未被污染。而重油、煤粉、柴油等燃料在燃烧后，有一定量的残留物，特别是在燃烧不充分的情况下污染更加严重，会影响到沥青油膜与骨料的粘附性能。特别是粉尘比表面积较大，其燃烧过程中更容易与燃烧残留物发生全面接触，对其质量影响更大。
由于天然气彻底避免了重油等燃料燃烧不充分导致的集料表面污染，提高了各类混合料与沥青的粘附性能，因此在各项控制指标均满足要求的情况下可适度降低沥青用量。
本次试验对天然气作为燃料生产的沥青混合料的主要性能指标进行了检测，结果见表7。
4 结 语
通过现场试验等手段，从燃烧稳定性、经济性、环保排放等方面将沥青搅拌设备采用燃气与燃油两种燃烧方式进行了对比研究，得出以下结论。
（1） 沥青混合料搅拌设备在使用天然气作为燃料时，出料温度和温度稳定性均符合国家标准规定，但燃油工况下的温度稳定性要强于燃气工况，且燃烧稳定性和充分性良好。因此，进一步提高燃气工况下沥青混合料出料的稳定性仍是有待研究的问题。
（2） 沥青混合料搅拌设备在使用天然气作为燃料时，以目前价格计算，生产1 t成品料的燃料成本约为20～25元。由于市场上重油的质量参差不齐，价格每吨为3 000～4 500元，浮动较大，总体而言，天然气的燃料成本相比重油优势不大。但是使用天然气可以有效节省搅拌设备维修成本，如重油供给泵和管路的腐蚀损坏、除尘器布袋更换、人工维修费用等。因此，从长远来看，使用天然气比重油有着更好的经济效益。
（3） 沥青搅拌设备所用燃料多为柴油、重油、煤和天然气，燃烧后会产生部分有害气体排放物，如氮化物、硫化物、一氧化碳等。通过本研究发现，以天然气作为燃料时，相比于重油，NOx的排放量减少了857%，CO的排放量减少了722%，CO2的排放量减少了40%，并且不会产生SO2，环保效应非常明显。
（4） 天然气燃烧后不会形成硫、磷等残留物，彻底避免了由于重油等燃料燃烧不充分导致的骨料表面污染，保证了沥青与骨料的充分粘附。使用天然气为燃料时，成品料性能能够满足国家相关标准规定和使用要求。
参考文献：
[1] 边文丽，杨文苑，陈维华，利用天然气作为沥青混合料拌和楼加热材料的技术革新[J].公路，2012（7）：273279.
[2] 张 海.沥青拌和站油改气技术的应用[J].甘肃科技纵横，2014，43（7）：3739.
[3] 蔡日升.沥青混合料能耗与碳排放量化分析体系研究[D].西安：长安大学，2013.
[4] 曹贵林，张耀磊，杨 伟.沥青拌和楼油改气技术的应用[J].公路交通科技，2012（8）：187189.
[责任编辑：杜卫华]