农村地区导热油加热沥青技术研究进展

刘圣勇,刘春雨,王振中,翟顺财,孔令晨,高林朝,青春耀,黄黎,陶红歌,蒋丹萍

(1.河南农业大学机电工程学院,河南 郑州 450002; 2.河南九一环保科技股份有限公司,河南 郑州 450002;3.河南省科学院能源研究所有限公司,河南 郑州 450002)

21世纪以来,中国农村地区沥青公路里程数增加显著,农村公路建设中节能与环保也越来越受到重视[1]。2020年,中国沥青使用量约7 000万t,且呈逐年增长趋势,其中大部分用于农村公路建设[2-3]。沥青筑路需要将温度升高到170 ℃,其运输和拌和加工也需要消耗大量能量,同时沥青的温度过高会直接影响其路用质量[3-5]。目前,农村地区常见的沥青加热方式有3种:一是直接古典太阳能加热,即无聚光加热,无污染但光热效率低且受天气影响较大,因此该法在中国已不多见。二是直接电加热,即通电热阻转变的热能直接传递给低温沥青,电热效率高,但电热阻丝易使直接接触的沥青温度过高而老化,在中国亦较少使用。三是导热油加热,即将导热油作为热载体通过泵驱动进行闭路循环,沥青罐内换热部件布置为蛇形管或浮动盘管换热器,管路导热油在高温、常压下运行,系统热效率较高且安全可靠。目前,中国农村地区沥青加热已广泛使用导热油加热技术。然而,随着环保政策的收紧,导热油技术的改进与转型研究迫在眉睫。现阶段,导热油加热筑路沥青的优化研究较多集中在保温层的加装[6-8]、不同燃料的使用[9-12]和近距离输运[13-14]等方面,而对现有不同热源加热性能缺乏综合对比。因此,基于农村沥青加热领域的情况,本综述对该领域的国内外研究现状、存在问题进行论述,总结对比不同型导热油加热技术在拌和站应用现状及研究进展,以期为导热油加热沥青技术提供参考。

1 导热油加热沥青技术概述

沥青是原油精炼后的副产品,化学成分较复杂,主要由高分子烃类组成,被广泛用于道路基建。沥青的理化特性和升温过程决定了沥青的加热方式[15]。因沥青型号不同,其比热容也会有所不同,一般可取2.1 kJ·kg-1·℃-1。沥青导热系数较小,这也是沥青升温慢的主要原因。

1.1 导热油加热沥青的主要技术方式

导热油加热沥青技术是以导热油为热载体,通过导热油管路间接循环方式加热低温沥青。该技术特点是设备在高温、常压下运行,热效率较高,沥青升温速率较快且不易结碳老化。这种加热过程易测量和控制,可利用的热源种类多。按照给导热油升温的热源不同,导热油加热沥青设备分为化石燃料型导热油炉、电热型导热油炉和太阳能型导热油炉,而化石燃料型导热油炉又分为燃油型导热油炉和天然气型导热油炉。相关加热技术的改进是现阶段研究的热点。

1.2 导热油加热沥青在拌和站的应用

在中国农村地区,沥青一般在就近的乡镇拌和站加热,然后与骨料混合,形成沥青砼混合料。循环泵将加热后的导热油强制循环到需热沥青罐体,传递热能给沥青,使沥青完成升温。导热油加热沥青的工艺流程如图1所示。首先打开导热油管道系统阀门,启动循环泵,经过加热炉使导热油升温至220 ℃。在循环泵的作用下,导热油加热沥青,传热冷却后的导热油通过闭合管路回到加热炉中再次加热升温。沥青在搅拌设备使用流程是将加热完成后的沥青和骨料分批次计量,按照设定程序进入搅拌过程,完成成品料加工后,生产进入下一个循环作业过程。

1.P为压力表;2.ST1为导热油温度测点1;3.ST2为导热油温度测点2。

2 化石燃料型导热油炉加热沥青技术

2.1 燃油型导热油炉加热沥青技术

2.1.1 燃油型导热油炉加热沥青技术现状 目前,国内外乡村公路大量使用燃油型导热油炉加热沥青[16]。国外高速公路发展较早,为适应高速公路快速施工需要,多采用热载体的形式加热沥青。1932年,美国Dowtherm公司最早制取合成导热油,常压沸点为258 ℃,解决了初期矿物型导热油热稳定性差、使用寿命短等问题,但其凝固点12.3 ℃、气味难闻等劣势使其应用受到限制[17]。美国Monsanto公司研制的氢化三联苯型导热油改进了上述缺陷,使用温度可达350 ℃,促进了导热油技术在沥青加热中的使用[18]。20世纪60年代,导热油加热系统采用闭路循环供热,热损失少,节能显著,有机热载体加热沥青技术也得到了较为系统的研究[19]。20世纪90年代,国外沥青加热技术有了较大的发展,市场上相继出现了不同国家生产的燃油型导热油炉。同时,随着单片机的引入,燃料加热系统采用自动化控制,使得生产效率得到很大提升。21世纪以来,随着信息时代的到来,燃油型导热油加热沥青智能化控制系统开始得到应用[20],对沥青各加热段的控制更加精准,有效避免了沥青加热过程的碳化现象。目前,美国、德国等国家燃油型导热油加热沥青研究发展已相当成熟[21-23]。

中国应用导热油加热沥青直到21世纪才逐渐得到开展,目前该技术被大多数沥青拌和站采用[24]。使用柴油炉型导热油加热方式替代传统的火管直接加热,很大程度上提升了热效率,并有效避免了沥青在升温过程中老化,提高了沥青加热质量,因此在中国率先得到推广使用。但是,因柴油价格波动较大,为了降低沥青加热成本,价格较低的重油开始得到关注。刘晓帆等[25]在京珠高速公路粤境南段修筑中,将柴油燃烧系统改造为柴油、重油多用型,并选择高温热介质预热重油到90 ℃后通过燃烧器点火使用,不仅节省了成本,还直接推进了重油在相关行业的应用。邱影等[26]研究了云南路桥建设集团使用的德国进口重油燃烧器,得出机械式雾化燃烧器有最佳燃油黏度,该研究对中国自主设计重油型燃烧器有重要参考价值。针对柴油改重油后燃烧器点火较难的问题,黄国会[27]研究了以往沥青加热设备使用的高压油泵雾化燃烧器,在雾化方式方面进行改进,由原来的高压油泵改为低压油泵空气雾化,雾化效果好,附属设备简单,并用自动点火替代原来的手动点火。随着重油在沥青加热展开使用,相关问题也暴露出来,如重油预热系统没有得到合理设计、重油燃烧不充分等。为进一步解决以上共性问题,李树男[28]设计了重油预热系统,通过在重油预热池安装温控仪表和重油自动输送系统,改善了以往重油输送速率慢的情况,并分析了不同重油含硫量等因素对设备的影响,为行业在重油品种选择上提供了参考。陈立方[29]分析了重油与柴油的化学成分和热值,确定了预热重油适宜温度为105～110 ℃,同时采用旋流式配风器,确定最佳风压为4.7～5.0 kPa,这进一步改善了重油在沥青加热设备的使用条件。

目前,相关行业倾向于采用重油代替柴油燃烧对导热油加热,但重油不具备常温点燃的特性,需要对导热油炉燃烧系统进行改造和优化。这虽然能降低沥青加热成本,但整个系统结构复杂,且重油燃烧尾气含有大量的腐蚀气体,对设备损害较大,因此从环保角度该技术还有待进一步改进。

2.1.2 燃油型导热油炉加热沥青技术在农村地区应用前景 据统计,运行成本较低的重油沥青加热设备占中国农村地区市场份额50%以上,但该类型设备产生的尾气中含有大量的有害物质,加剧了环境污染[30-31]。针对该行业尾气高排放现象,中国从2012年开始通过出台相关法律法规以治理尾气污染问题。因此,新形势下燃油型导热油炉加热沥青技术要想在中国农村地区得到进一步开展,就需要朝着高效、低排放、智能化的方向发展,这样才能满足最新环保政策的各项指标要求。

2.2 天然气型导热油炉加热沥青技术

2.2.1 天然气型导热油炉加热沥青技术现状 随着世界各国关于加热炉尾气排放法规的相继颁布,选择一种清洁、高效、安全的燃料如天然气来加热沥青就十分必要[31]。目前,国外学者在多个方面对天然气燃烧加热沥青进行研究。ITO等[32]建造了3个天然气燃烧模型,分析天然气在高温空气下的燃烧状况,得出天然气燃烧的温度场较均匀性,一氧化碳和氮氧化物排放很低。SONIBARE等[33]研究了天然气燃烧尾气排放规律。AZIMI等[34]以天然气作为锅炉燃料,研究了天然气替代燃料油燃烧后锅炉排放情况,并通过实际对比测试得出燃烧天然气的尾气中NO含量极低,CO2和燃油的尾气比较接近,且天然气锅炉热量损失低于5%。上述研究结果引起沥青加热行业广泛重视。ELATTAR等[35]采用数值仿真法,通过对回转窑建模并用Fluent求解,结果显示采用天然气做燃料,比CO做燃料燃烧更充分,加热效果更好。BCKSTRÖM等[36]研究了不同燃料在回转炉内燃烧温度和燃烧过程的影响,并采用数值仿真法模拟了天然气在炉内燃烧的温度和辐射换热过程,结果显示天然气火焰温度在2 000 ℃附近。BARRAZA等[37]研究天然气和其他燃料燃烧,得到了燃烧室区域内的烟气成分含量数据。上述结论对提高天然气燃烧效率、减少有害尾气产生等环保方面有实际应用价值。

与国外相比,中国在沥青加热油改气的应用起步较晚。2002年,濮阳市天一机械有限公司作为中国最早采用液化天然气加热沥青的企业,成功将加热沥青燃料由液化天然气替换重油,成为中国第一个用液化天然气做燃料的筑路公司[38]。耿宏杰[39]成功将使用燃油的英国帕克4000型沥青混凝土拌和机的燃烧器改为意大利AM10GN型油、气两用燃烧器,当生产10万t沥青混合料时,相应的机器改装费可被节省出来。之后,中国在沥青加热油改气技术研究进入积累期,相关应用较少,该阶段研究者关注的重点在燃烧器改造方面。山东省烟台市牟平县公路局将沥青混凝土拌和机组的加热燃料由油改为天然气,发现天然气燃烧器易于控制、绿色环保,且设备故障率大幅降低[40-42]。

2012年,中国颁布了《环境空气质量标准》(GB 3095—2012),在新标准约束下,同时鉴于油改气在环保、经济方面的优势,较多学者开始重视天然气在沥青加热应用研究。边文丽等[43]和曹贵林等[44]在呼包高速公路修筑过程中,发现以天然气做燃料,沥青的加热效果和沥青混合料质量都较煤和重油燃料好,且采用天然气最经济。何满等[45]总结了燃烧排烟损失与过量空气系数关系,发现由于气体燃料的过量空气系数最低,燃烧过程最理想,最终得出气体燃料的排放物最少;这是因为是气体燃料多为小分子的烃类,燃烧反应更彻底,同时气体燃烧与氧气接触比面积相对较大,燃烧更完全,排放的CO更少。上述研究结果表明,气体燃料更适合运用在沥青相关行业。鞠正斌等[46]在原燃油燃烧器上直接进行改造,在烧油嘴处加装低速袖环,同时配备了燃气管道,改造后的燃烧器成功点火,设备工作良好。袁世刚等[47]研究了筑路沥青加热油改气后的尾气成分,通过理论分析和试验验证,证明了天然气燃烧产物中不含SO2,且相比重油燃烧产物,NOX、CO分别降低了85.8%和72.2%,CO2降低了40%,符合国家环保标准规定。

2.2.2 天然气型导热油炉加热沥青技术在农村地区应用前景 随着油改气技术的成熟,中国农村地区修筑路行业开始逐步推广天然气型导热油炉加热沥青,研究的方向更加多样化,研究的内容也不仅限于改装方式、经济性和可行性等。谈文晶[48]和毕延超[49]结合《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014),针对天然气锅炉排放尾气情况,测算得到重油加柴油混合模式日用能耗费用为42 750元,而天然气加热沥青日用能耗费用为34 188元。这说明天然气加热沥青在能耗经济性上同样具备显著优势。

综上可知,对天然气在沥青加热的研究中,国外重视理论和数值仿真结合,中国更多是在工程技术、经济性方面的探索,在对天然气型导热油炉加热沥青的仿真研究方面还有待进一步加强。

3 电热型导热油炉加热沥青技术

3.1 电热型导热油炉加热沥青技术现状

电热型导热油炉是通过电加热器使导热油升温,该过程热效率高,且容易实现自动控制,无污染,安全性好[50]。目前,世界各国经济发展短期很难摆脱常规化石能源依赖,电加热沥青技术愈发得到重视,国外一些国家已在积极推广应用。20世纪60年代初期,欧洲各国和日本等开始研究电加热沥青技术,并于20世纪70年代逐渐将其应用于农村沥青运输罐车等设备中[50]。随后,美国也对沥青储罐进行电加热技术革新,试验电热型导热油炉传热技术。同期,使用电热型油炉加热沥青也逐渐成为欧洲各国和日本等公路相对较发达国家的乡村沥青拌和站的标准配置。21世纪初,国外电加热型导热油升温沥青技术发展进入慢热期。COSTA等[51]通过软件仿真了电热阻在加热系统的布置方式对加热效果的影响,通过验证,相关技术可满足沥青库的用热需求。BRAZIUNAS等[52]和CHENG等[53]在前人研究基础上,总结了加热沥青过程中影响电功率的环境因素,并证明环境温度、空气速率对电功率的影响规律;当环境温度越高,沥青加热系统散热减少,电功率将下降,而加热系统周围空气速率越大,空气带走的热量越快,单位时间系统散热越多。UNDRILL[54]和黄恋[55]研究了电加热管在导热油升温的工作过程,即导热油在电热器的接触面流速增加,导热油速率达到2.5 m·s-1前,导热油的使用寿命和传热系数相应增加,并提出了改进电加热器在沥青加热技术中的措施,以减少沥青加热焦糊产生,促进了电能在沥青加热技术的发展。

在中国,随着环境保护、安全管理的力度越来越大,现有化石燃料燃烧排放受到严格约束,且中国天然气大量进口,用电热替代传统能源加热沥青的应用研究已经逐步在拌和站开展。邹善义等[56]研究了电热在沥青热采中的应用,结果表明电加热可有效升高沥青温度,但是由于采用的是电阻直接加热沥青,温度不易控制,容易使沥青结碳焦糊。为了解决上述问题,姚泽光等[57]研究了沥青加热设备的电控系统,指出采用电热型导热油加热沥青技术关键在于设备温控系统设计,同时强调了中国开发新型沥青加热控制装置的重要性。倪伟[58]研究了12只沥青高温储罐加热系统的燃油改电加热情况,发现电热技术取代化石燃料供热后,经济和环保均达到预期。潘涛[59]和段少强[60]采用电热油炉进行了沥青罐功率匹配技术研究,通过建立相关传热模型,分析得到了沥青加热初始温度与所需电加热功率变化的定量关系,即1 kg沥青每升高1 ℃,电加热功率减少50 W,这对优化电热型导热油加热沥青具有重要意义。

3.2 电热型导热油炉加热沥青技术在农村地区应用前景

电热型导热油加热沥青技术在国外一些国家开展研究较早,并已经通过该技术实现了加热过程烟气零排放、环境零污染等,因此,在各地区得到大范围推广。相比之下,目前中国只有少数经济强县应用了电热型导热油加热沥青[46-49,56-60]。由于电热型导热油炉加热沥青技术对建立资源节约型、环境友好型社会具有重要影响,同时随着环保问题日益紧迫,以及国家环保政策收紧和相关技术成本下降,预计该技术将加快下沉到县域沥青拌和站,在农村地区有着较为广阔的应用前景。

4 太阳能型导热油炉加热沥青技术

4.1 太阳能型导热油炉加热沥青技术现状

采用低碳、环保的太阳能加热技术已经成为目前清洁化加热沥青研究的重要方向[61]。太阳能在沥青加热中分为低温热利用(40～80 ℃)、中温热利用(80～250 ℃)和高温热利用(大于250 ℃)。槽式聚光太阳能集热器(parabolic trough solar collector,PTSC)在中、高温热利用中占据着主导地位,而太阳能中温技术在沥青加热具有广阔应用前景[62]。因此,PTSC在中温热利用范围内对沥青加热技术研究已成为主流。VALENZUELA等[63]通过抛物聚光镜加热蒸汽推动活塞发动机运转,开启了槽式聚光热利用先河。随后,美国在莫哈维沙漠建造了全球第一座商业化运行的PTSC光热发电站[64],推动了太阳能在商业中的应用。西班牙、以色列、阿联酋等国家[65-66]相继建造了多个超过1 000 kW的槽式太阳能热利用工程。HORTA等[67]研究了用导热油在PTSC真空管中储热和用热,认为该形式太阳能利用在工业加热可推广应用。KALOGIROU[68]和SCHWEITZER等[69]通过TRNSYS软件对5种集热器进行对比,发现在较高温度区间120～200 ℃时,最佳的集热形式为抛物槽式,同时分析其全生命周期,得出PTSC收益最大,且商业化程度最高。综上,国外较早研究了太阳能聚光利用技术,而PTSC在工业用热领域得到较多应用,因此PTSC加热沥青技术受到了重视,将逐步在相关行业中推广应用。

在中国,湖北省县域公路有关部门于1981年首次研究了太阳能加热沥青的可行性[70],并于1982年成功研制移动拼装式太阳能加热沥青设备。该装置配备太阳能温室、聚光集热器和远红外化油三级加热,但该技术因其配套设备较为复杂、加热沥青较慢而没有得到推广。21世纪以来,中国在改进光热效率方面研究取得一系列成果,尤其是热效率较高的新型玻璃-金属集热管型PTSC的研发成功[71-72],推动了国内太阳能加热沥青方面的研究。马明宏等[73]研究了太阳能加热沥青具体形式,认为直接式效率较高,但由于对设备要求过高而不利于大规模利用;而通过间接式加热的平板型太阳能集热器加热沥青技术,可比燃油加热沥青节约成本达9元·t-1。刘岩等[74]开展了中温太阳能加热沥青的研究,采用导热油做中间换热介质加热沥青,在沥青从常温到100 ℃最快只需要10 h。王板军[62]在对比分析了平板式和真空管型PTSC工作特性后,认为平板式集热器热效率较低,而真空管型PTSC以导热油为工作介质,导热油温度可达200 ℃以上,加热效率较高,对沥青拌和站应用具有重要使用价值。为了提高日间加热功率,曲春英等[75]成功设计了新的高精度太阳追光系统,该系统采用单片机C8051F021,跟踪精度可达到0.2 ℃以内,有效地提高了集热器的接收率,为太阳能在沥青加热应用方面作出积极贡献。上述研究表明,PTSC中温热利用技术通过导热油加热沥青,已展示出了巨大的应用潜力,且该技术具备环保、节能等优势,已然成为当前太阳能沥青加热领域的研究热点。

4.2 太阳能型导热油炉加热沥青技术在农村地区应用前景

目前,为满足国家节约能源战略政策,在中国农村地区应用太阳能加热沥青具有重要意义。在县乡区域沥青拌和站开展槽式太阳能对沥青加热,从理论和技术上都是可行的。随着经济社会不断发展,“十四五”时期产业结构和能源结构的快速调整会影响各高能耗企业的用能现状。而PTSC技术发展迅速,相关研究和应用正呈现逐年增加的趋势,这表明在农村沥青拌和站推广应用PTSC技术将十分重要。

5 不同类型导热油炉加热沥青技术对比

基于前述研究,不同类型的沥青加热技术存在不同的优缺点,因此初步对比分析了各相关技术的经济性、环保性、加热效果和建设成本等[10-15,25-29,38-51,70-75],如表1所示。不同类型的沥青加热技术存在差异导致评价指标并不完全相同,且目前中国应用太阳能加热沥青技术的工程相对较少,较难定量评价沥青加热技术性能,因此仅对不同类型的沥青加热技术开展定性讨论。按单因素权重比较,环保性权重优先时加热沥青技术选择顺序依次为太阳能型、天然气型、柴油型和重油型,这是因为太阳能加热的无任何尾气排放环保性。与燃油相比,天然气尾气中排放无腐蚀性气体,而重油相比柴油含有更多的硫分,因此其尾气污染最严重。从建设成本因素考虑,成本由大到小依次为太阳能型、天然气型、柴油型、重油型和电热型,这是因为现阶段槽式太阳能集热系统造价昂贵,同时天然气管道还未广泛铺设,普通公司需建造液化天然气储池,以及柴油比重油价格较贵等。按其他单因素权重排序,上述加热技术各有优劣,因此,综合考虑不同类型沥青加热技术的优缺点,在实际选择过程中应根据当地政策,并按上述权重因素合理选择相应沥青加热技术。

表1 不同类型导热油炉加热沥青技术对比

6 存在问题与展望

中国农村地区早期广泛使用柴油型导热油炉加热沥青,但随着柴油价格不断升高,相关研究开始转而关注热值相近但价格更低的重油,对柴油炉降本增效研究变少。随着重油替代柴油的广泛使用,中国相关行业的环保问题也日益显现,同时中国针对沥青加热行业的各项环保政策也陆续出台,研究者转而寻求更加环保的燃料,对重油燃烧设备的尾气处理仍需加强研究。天然气因其良好的燃烧特性、尾气所含污染和腐蚀性气体较少等特性,开始受到沥青加热研究者的青睐,而中国天然气管路修建的铺设,也为天然气在相关行业的应用带来了极大便利。天然气型导热油炉具有结构简单、后期维护少等优点,但其燃烧释放出大量碳氧化物仍需治理。电加热型导热油炉的设备结构简单,且使用过程无尾气产生,属于十分清洁的加热技术,但是中国农村地区修筑路中的沥青使用量较大,考虑现有的工业用电价格和负荷特性,相关企业可考虑把该技术当做备用应急使用。中国农村拌和站全面应用光伏型导热油炉仍属空白,但光伏加热沥青是行业全面转型新思路。此外,越来越多相关企业应用太阳能加热技术预热沥青,且槽式太阳能集热器被认为最适合在中国农村地区沥青加热中推广使用,这是因为槽式太阳能集热器初始投资虽然高但其整个生命周期内加热沥青成本低。随着相关产业链不断成型,导热油型槽式太阳能沥青加热技术将日渐成熟,其投资成本也将有序下降。总之,农村地区导热油加热沥青技术仍需要朝着节能、环保及高效的方向继续改进与转型。