瀝青混合料烘干拌合設(shè)備的節(jié)能要點

李文亮

（山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041051）

目前，國內(nèi)外道路的面層大多采用瀝青混合料鋪筑（我國已建成通車的等級道路中，瀝青路面約為92%左右）。由于各種級配的礦料在常溫下與混合料的使用溫度呈現(xiàn)較大的溫差，而作為黏結(jié)劑的瀝青在常溫下呈固態(tài)，因此瀝青混合料（包括瀝青混凝土和瀝青黑碎材料）的制作絕大多數(shù)離不開加熱（采用乳化瀝青和其他常溫拌合工藝在工程中僅占很少比例）和烘干拌合工序。實體工程統(tǒng)計表明，加熱和拌合工序所耗能量占瀝青混合料制備總耗能的80%以上。有鑒于此，探討瀝青混合料烘干拌合工序的節(jié)能問題是十分重要的。

1 烘干滾筒結(jié)構(gòu)與節(jié)能的關(guān)系

目前常用的瀝青混合料烘干滾筒具有2種基本作用，即材料的換熱和攪拌混合。經(jīng)典熱學理論認為，減小換熱部分（即換熱容器）的體積不僅能夠減少換熱器本身的能耗，而且也會有些減少整個系統(tǒng)的熱能耗[1]。但這種結(jié)果的實現(xiàn)必須建立在增強換熱器內(nèi)部的傳熱效率的基礎(chǔ)上。換熱器內(nèi)部的理論傳熱量可由下式進行計算：

式中：Q為換熱器內(nèi)部的理論傳熱量；K為傳熱系數(shù)；F為傳熱面積；Tt-T0為加熱和被加熱物體的溫度差。

顯然，換熱器內(nèi)部的理論傳熱量與自身傳熱面積和加熱和被加熱物體的溫度差成正比。對烘干滾筒（即換熱器）來說，如果滾筒本身的質(zhì)量為常數(shù)，為了提高傳熱量，應當在其內(nèi)部適當增加換熱片以增加傳熱面積和提高加熱和被加熱物體的溫度差來實現(xiàn)傳熱量的提高。當然，換熱片的增加不能影響烘干拌合滾筒內(nèi)的熱空氣流動速率，否則會降低系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。因此，換熱片的增加量應在大量試驗的基礎(chǔ)上來量化。同時，換熱片本身的結(jié)構(gòu)、外觀和幾何尺寸也必須通過優(yōu)化設(shè)計來完成。

另外，傳統(tǒng)上烘干滾筒內(nèi)的撥（揚）料板呈多層多組布置，料板本身的橫斷面為直角。顯然，當烘干滾筒旋轉(zhuǎn)時形成的料簾難以涵蓋滾筒的整個圓形斷面，也就使得加熱火焰（或熱風）的相當部分無法起到加熱和熱交換作用而作為無效熱量排出筒外。有鑒于此，改進直角撥（揚）料板，將其直角改為向內(nèi)彎折的雙直角形，使其作業(yè)時揚起的料簾能夠比較均勻地涵蓋滾筒的整個圓形斷面，其加熱效率會得到有效提高。

2 降低被加熱物料的含水量

瀝青混合料的基本組成為級配礦料（骨料）、瀝青（黏結(jié)劑）、石粉（瀝青混凝土用）等，這些物料只有加熱到一定溫度并以嚴格比例均勻摻配在一起才能成為符合路用性能的瀝青混合料?；旌狭系氖褂脺囟龋ㄒ酁槌善妨蠝囟龋┩ǔ?40～180℃，這個溫度顯然大大超過了常溫和水的沸騰（蒸發(fā)）溫度，即合格的瀝青混凝土材料（制備結(jié)束時）是不含水的。但上述材料在采集、運輸和儲存過程中或多或少會混入一定量的水分（筆者曾在山西南部某公路分局材料基地地下庫存的瀝青中發(fā)現(xiàn)含有高達10%的液態(tài)水，說明瀝青含水量的嚴重性），這些隱含的水分在瀝青混合料的制作過程中必然會以蒸汽的形式揮發(fā)出來。水分的揮發(fā)需要吸收大量的熱量。

2.1 瀝青混合料制備中的材料升溫的3個階段

a)預熱階段 由常溫加熱至100℃（用時占總加熱時間的20%，耗能占總耗能的20%左右）；

b)水分蒸發(fā)階段 由100℃加熱至110℃左右（用時65%，耗能占60%左右）；

c)升溫階段 由110℃加熱至160℃左右（用時15%，耗能占20%左右）。

2.2 降低材料含水量的有效措施

顯然，水分蒸發(fā)階段的溫度雖然僅由100℃升至110℃左右，但耗費的加熱能量和加熱周期卻占了相當大的比例，這說明該階段由于水分蒸發(fā)需要較長時間和耗費大量汽化熱所致。有鑒于此，盡可能降低被加熱物料的含水量是降低加熱能耗和縮短加熱周期的有效途徑。因此，采取下述措施是必要的：

a)無論是級配礦料，還是瀝青或其他添加劑，在采集、運輸和儲存過程中特別注意防水（落雨和地下水的滲水）。若采集后的材料含水較高，應視情況進行晾曬；陰雨天氣運輸時注意在材料上部采取防雨措施；儲存時應置于有頂棚且高于當?shù)仄矫娴膶Ｓ梅浪脚_上保存（若限于條件難以滿足，則應采取防雨和防地下水滲入措施）。同時，原材料的儲存?zhèn)溆脮r間不應太長（以不超過一個工程年度為宜）。

b)瀝青混合料制備的整個過程應在無雨時完成，最好是選擇天氣晴朗、環(huán)境空氣相對干燥（空氣濕度小于等于30%）和氣溫較高時進行，且在作業(yè)過程中嚴防水分侵入原材料和混合料成品。另外，混合料制備應與路上攤鋪工程協(xié)調(diào)一致同步進行，以保證作業(yè)質(zhì)量、提高效率和降低材料的無效損耗。

c）近年來，瀝青路面材料（回收瀝青混合料）的再生利用因具有突出的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益而提到了重要日程[2]，但回收利用的前提是對回收材料進行熱再生，以合理的再生工藝加工出符合路用特性的新的瀝青混合料。回收材料的采集、運輸和儲存過程中同樣存在防水的問題，而回收材料鏟挖或銑刨時，應特別注意盡量不要傷及道路基層（即水泥穩(wěn)定層）。由于處于面層的下部，水穩(wěn)層往往含水量較上部面層高。顯然，水穩(wěn)層材料若混入面層材料中，不僅會增加再生材料的含水量，而且會影響其合理級配，降低材料應有的路用質(zhì)量[3]。另外，以人工鏟挖方式獲得的瀝青舊路面材料的粒徑較大，而機械銑刨方式得到的舊路面材料若堆積放置時間過長（上部壓力作用和較高常溫的雙重作用）也會形成較大的結(jié)塊。粒徑較大的材料若直接進入加熱再生，會明顯降低熱量的吸收效果（瀝青混合料是典型的不良熱導體），增加燃料消耗和延長加熱時間。因此，此時對較大粒徑的路面材料先行打散，使其單個結(jié)塊的粒徑小于等于20 mm將會有效提高加熱效率。山西省交通科學研究院近年研發(fā)的LZ-20型多功能熱再生養(yǎng)護車就在舊材料加熱前增加了打散工序。經(jīng)過這道工序后，被加熱物體呈現(xiàn)較小且均勻的顆粒。實體工程顯示增加打散工序可縮短加熱時間40%～60%，降低燃料消耗30%～40%，明顯提高了生產(chǎn)效率和再生成品料的路用質(zhì)量，收到了良好的效果。

3 加熱溫度的優(yōu)化選擇

瀝青混合料是由瀝青、礦料和某些添加劑組成的混合物。這些材料組成中，只有瀝青對溫度較為敏感并容易老化。礦料、石粉等為典型的無機物質(zhì)，其化學特性在加熱和較高的溫度下比較穩(wěn)定和不易老化。因此，瀝青混合料制作時的瀝青加熱更為重要。根據(jù)光學吸收特性測試，石油瀝青在1～1 000μm的紅外波段均有不同程度的吸收，而在3.5～6.5μm范圍內(nèi)為紅外熱輻射的吸收波峰。根據(jù)經(jīng)典光學理論中的維恩位移定律，則瀝青的加熱溫度取500～650℃左右為宜。在這個溫度下，能夠使其內(nèi)部分子的運動因加劇而共振，使得加熱效率更高、質(zhì)量更好。目前在瀝青混合料制作常采用煤、煤粉、柴油和重油等為燃料的直接加熱（可見光加熱），其加熱溫度通常為1 200℃以上，加熱深入性差，也易造成嚴重的材料老化問題。因此，建議將加熱溫度限定在（600±50）℃較為合適。LZ-20型多功能熱再生養(yǎng)護車專門研發(fā)了熱風循環(huán)加熱技術(shù)，這種以熱風加熱為主要技術(shù)特征的間接加熱方式，對路面材料的加熱溫度限定在550～650℃范圍內(nèi)，有效提高了加熱效率，也成功規(guī)避了材料的老化現(xiàn)象。

縱觀國內(nèi)外道路施工領(lǐng)域，為了優(yōu)化加熱工藝，一系列新的加熱方法都在研討之中，除了熱風循環(huán)加熱技術(shù)，還有立式固定烘干、遠紅外輻射加熱、太陽能聚焦加熱（經(jīng)過聚焦后，太陽能可使瀝青和礦料加熱至90℃以上）等加熱技術(shù)尚在不斷改進和逐步完善。通過這些新工藝、新技術(shù)的研發(fā)和應用，瀝青混合料的制作技術(shù)水平會進一步提高，能耗會有效降低，對環(huán)境的污染將得到進一步遏制。