“双碳”目标下沥青混凝土拌合站采用清洁煤粉加热骨料综合技术研究报告

　　摘要：在“双碳”战略与施工成本高企的双重压力下，寻求沥青拌合站重油替代燃料成为行业痛点。本研究依托黑龙江省多个公路项目，系统开展了清洁煤粉加热骨料综合技术研究。通过现场试验与CFD数值模拟，构建了煤粉燃烧利用率评价体系，提出了最优配风参数组合;揭示了煤粉燃烧产物对沥青混合料性能的影响机理，并制定了酸性中和控制措施;建立了全生命周期环境综合评价体系。结果表明：该技术使燃料成本降低32.8%，每吨混合料CO₂排放减少25%-30%，SO₂减排60%-90%;优化后混合料动稳定度达3200次/mm，冻融劈裂强度比达85.1%，各项指标均优于重油加热组。本研究形成了可复制推广的成套低碳施工技术，为寒区公路建设绿色转型提供了重要支撑。

　　关键词：清洁煤粉;骨料加热;碳排放;燃烧利用率;沥青混合料;双碳目标

　　中图分类号：U415.5 文献标识码：A

　　1.引言

　　我国公路建设规模持续扩大，沥青混凝土路面占主导地位。拌合站骨料加热环节能耗占生产总能耗的85%以上，传统燃料180#重油不仅价格波动大、成本占比高，且碳排放强度大，与“碳达峰、碳中和”战略目标形成矛盾。我国“富煤、缺油、少气”的能源格局为清洁煤粉替代重油提供了资源基础，但煤粉燃烧若控制不当，易出现热效率低、污染物超标、影响混合料品质等问题。

　　本研究以LB4000型沥青拌合站为对象，围绕“燃烧效率提升—环境影响控制—混合料性能保障”三大核心问题，开展清洁煤粉加热骨料综合技术攻关，旨在形成兼顾经济性与环保性的系统解决方案。

　　2. 研究方案与技术路线

　　2.1 研究内容

　　(1)沥青混合料生产全环节有害废气排放检测与对比分析;

　　(2)清洁煤粉加热对沥青混合料路用性能的影响评价及改善措施;

　　(3)基于数值模拟的煤粉燃烧利用率评价体系与配风参数优化;

　　(4)清洁煤粉加热综合控制技术的提炼与工程验证。

　　2.2 技术路线

　　采用“现场试验为主、数值模拟与室内试验相结合”的方法。首先，在依托工程中设置煤粉、重油、天然气及混烧等多组对比试验，采集排放与能耗数据;其次，基于Fluent软件建立燃烧器三维模型，通过正交试验优化配风参数;最后，对煤粉加热骨料拌制的混合料进行级配、高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性检测，综合评价技术可行性与环境经济效益。

　　3. 关键技术研究

　　3.1 煤粉燃烧数值模拟与配风优化

　　基于LB4000型拌合站烘干装置实际结构参数，建立包含一次风、二次风、三次风通道的燃烧器计算域模型，采用标准k-ε双方程模型模拟湍流流动，颗粒随机轨道模型描述煤粉运动，涡团耗散模型和动力/扩散控制模型分别描述气相燃烧与焦炭燃烧，P1模型计算辐射换热。

　　以火焰长度、火焰宽度及NO排放浓度为评价指标，设计三因素三水平正交试验。结果表明：一次风速对火焰长度和NO排放影响最大，二次风速对火焰宽度影响最大。通过综合平衡法筛选，确定最优配风组合为一次风30m/s、二次风50m/s、三次风40m/s。在该工况下，火焰长度约3.9m，火焰宽度约1.7m，与烘干滚筒骨料料帘最优受热面匹配良好;温度场高温区后移，热力型NOx生成量显著降低，燃烧效率提升至90%以上。

　　3.2 沥青混合料性能影响与改善

　　煤粉燃烧生成的微量SO₂会吸附于骨料表面，增加酸性，削弱沥青与骨料的粘附性。本研究对比了煤粉、重油、天然气三种加热方式下AC-20型沥青混合料的路用性能。初始试验中，煤粉组马歇尔残留稳定度为80.2%，冻融劈裂强度比为75.8%，满足规范要求但低于重油组。通过在混合料中添加1.5%消石灰粉进行酸性中和，改进后残留稳定度提升至85.1%，冻融劈裂强度比达到87.1%，低温弯曲应变从2100με提升至2373με，动稳定度达3200次/mm，各项指标全面优于重油加热组。级配检验表明，关键筛孔4.75mm和0.075mm通过率分别为44.8%和5.9%，完全符合规范要求，证明煤粉加热工艺未对骨料级配产生不利影响。

　　3.3 排放检测与环境影响评价

　　依托黑龙江省普通国省干线质量提升工程，对煤粉和重油加热进行了系统的排放对比检测。建立包含温室效应潜能(GWP)、酸化潜能(AP)、危害呼吸健康潜能(REP)的多维度环境评价体系。实测数据显示：清洁煤粉系统每吨混合料CO₂排放18-22kg，较重油系统降低25%-30%;SO₂排放0.15-0.30kg，降幅60%-90%;NOx排放0.20-0.35kg，降幅30%-50%;PM2.5排放36μg/m³，降幅42%。三项综合评价指标GWP、AP、REP分别改善28.6%、61.5%和46.7%，环境效益显著。

　　4. 综合控制技术

　　综合上述研究成果，提炼形成清洁煤粉加热综合控制技术体系：

　　(1)燃料质量控制：煤粉含水率≤3%，80%以上颗粒通过200目筛，确保充分燃烧;

　　(2)配风参数优化：采用一次风30m/s、二次风50m/s、三次风40m/s的分级配风方案，配合变频风机与智能风门控制器，实现风量精准调节;

　　(3)温度精确控制：骨料加热温度控制在160±5℃，通过热电偶反馈调节煤粉供给量，避免过烧或欠烧;

　　(4)酸性中和措施：根据煤粉含硫量，在混合料中添加1%-2%消石灰粉，保障沥青与骨料的粘附性;

　　(5)尾气净化处理：烟气经旋风除尘、布袋除尘两级处理后排放，烟尘浓度≤50mg/m³，烟气黑度≤1级。

　　5. 工程应用与效益分析

　　5.1 工程应用概况

　　本研究技术先后在黑龙江省普通国省干线公路质量提升专项工程(二期)西部地区PPP项目、吉林至黑河国家高速公路山河至哈尔滨段A7标段、国道丹阿公路萝嘉界至保兴段路面改造工程中应用，累计生产清洁煤粉加热沥青混合料18.4万吨，涵盖AC-20和ATB-25两种级配类型。

　　5.2 经济效益

　　以2022年实际生产数据测算：采用重油加热，每吨混合料燃料成本为26.55元(重油单价4546元/吨，单耗7.0kg/吨);采用清洁煤粉，每吨燃料成本为12.83元(煤粉单价2200元/吨，单耗5.83kg/吨)，叠加设备折旧2.72元/吨，综合成本15.55元/吨，较传统重油加热降低42%。吉黑高速A7标段应用该技术累计节约成本202.47万元，经济效益显著。

　　5.3 环境与社会效益

　　全生命周期评价表明，清洁煤粉加热每吨混合料可减少CO₂排放7-8kg，按依托工程年产量20万吨计，年减排CO₂约1500吨。该技术充分利用我国丰富的煤炭资源，降低对进口重油的依赖，符合能源安全战略;同时为公路施工行业提供了可复制的低碳技术方案，对推动交通建设领域“双碳”目标实现具有示范引领作用。

　　6. 结论

　　(1)通过CFD数值模拟与正交试验，建立了煤粉燃烧利用率评价体系，确定了最优配风参数组合，燃烧效率达90%以上。

　　(2)揭示了煤粉燃烧产物对沥青混合料粘附性的影响机理，提出了添加消石灰粉的酸性中和措施，使混合料路用性能全面优于重油加热组。

　　(3)建立了多维度环境评价体系，清洁煤粉技术实现CO₂减排25%-30%，SO₂减排60%-90%，综合环境效益突出。

　　(4)形成了“燃料控制—配风优化—温度调节—酸性中和—尾气净化”五位一体的综合控制技术，在多项工程中成功应用，综合成本降低42%。

　　本研究为“双碳”目标下沥青拌合站能源替代提供了技术可行、经济合理、环境友好的系统解决方案，具备在北方富煤地区公路建设项目中规模化推广的价值。

　　参考文献

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　　基金项目：龙建路桥股份有限公司科技项目(合同编号：230000100004258230006)

　　作者简介：朱有伟(1978-)，男，正高级工程师，主要从事公路工程施工技术研究。